DE3517957A1

DE3517957A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer faserstruktur durch verbindung aufeinandergelegter schichten aus fasermaterial mittels faeden

Info

Publication number: DE3517957A1
Application number: DE19853517957
Authority: DE
Inventors: Michel Vives
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date: 1984-05-29
Filing date: 1985-05-18
Publication date: 1985-12-05
Also published as: US4628846A; GB2159460B; JPS6141356A; GB8513475D0; GB2159460A; FR2565262A1; FR2565262B1

Description

. VNR: 110086 - 111/80 H.Mai 1985 Zap/he

S.A. Societe'Europaenne de Propulsion 3, Avenue du General de Gaulle
F-92800 PUTEAUX
Frankreich

"Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Faserstruktur durch Verbindung aufeinandergelegter Schichten aus Fasermaterial mittels Fäden"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Faserstruktur durch Aufeinanderlegen von Schichten aus Fasermaterial und nachfolgendes Verbinden der Schichten untereinander durch Einführen von Fäden durch die Schichten hindurch.

Es handelt sich dabei insbesondere um Fasermaterial mit einer wahllosen bzw. zufälligen Ausrichtung der Fasern. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt dabei insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf dem Gebiet der Herstellung verstärkter Faserstrukturen beim Aufbau von Schichtwerkstoffen durch die Bildung einer Fadenmatrix innerhalb der Faserstruktur.

Die FR-OS 24 97 839 bezieht sich auf ein dreidimensio-

nales Gewebe, das durch ein Verfahren der vorstehenden Gattung erhalten wird. Aufeinander gelegte, jedoch nicht miteinander verankerte und aus Kettfäden und Schußfäden gebildete Bahnen, werden durch Verbindungskettfäden miteinander verbunden, die die Schußfäden der äußeren Bahnen verwinden. Das* bekannte Verfahren hat Vorteile auf dem Gebiete der Verarbeitung bzw. des Verwebens relativ steifer Fasern, wie bei Kohlenstoffasern oder Fasern aus Siliziumcarbid. Die dadurch erhaltenen Faserstrukturen haben jedoch notwendigerweise eine geringe Dicke, wodurch die Anwendungsmöglichkeit dieses Verfahrens beschränkt ist.

Für die Herstellung dreidimensionaler Faserstruktüren ist bereits der Vorschlag gemacht worden,Stapel aus Schichten oder Bahnen zu bilden, die der Reihe nach miteinander vernäht werden. Die FR-PS 83 20 948 beschreibt die Herstellung einer rotationssymmetrischen Faserstruktur aus einem aufgewickelten und miteinander vernähten Band. Hierbei wird die Verbindung zwischen den Schichten dadurch herbeigeführt, daß man zum Zwecke des Vernähens Fäden herauszieht. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil einer Beschädigung der Fasern des die Schichten bildenden Verstärkungsmaterials und kann nicht bei Kohlenstoffasern mit höher-wertigen mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden oder bei spröden Fasern aus Si 1iziumcarbid oder Aluminiumoxid.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben,

das die Herstellung einer Faserstruktur durch gegenseitiges Verbinden von aufeinandergelegten Schichten aus Fasermaterial erlaubt ohne daß Beschränkungen im Hinblick auf die Dicke der Faserstruktur und auf die Eigenschäften der Fasern bestehen, die das Verstärkungsmaterial bilden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß jeder der Fäden dadurch an seinen Ort gebracht wird, daß man ihn mittels eines unter Druck stehenden Mediums in das Innere einer Hohlnadel bläst, die mit alternierenden Bewegungen in die aufeinander liegenden Schichten eingestochen wird, daß eine Teillänge des Fadens durch Zurückziehen der Hohlnadel in der Faserstruktur zurückgelassen wird, und daß die sich anschließende Teillänge des Fadens nach Relativverschiebung der Hohlnadel entlang der Oberfläche der Faserstruktur an dem genannten Ort zurückgelassen wird.

Auf diese Weise kann jede nachfolgende Schicht dadurch mit den vorausgegangenen Schichten verbunden werden,daß man eine Vielzahl von Perforationen bildet, in denen die Verbindungsfäden untergebracht werden. Die Tiefe der Perforationen wird in der Weise gewählt, daß jeder Verbindungsfaden die zuletzt aufgelegte Schicht und mindestens einen Teil der unmittelbar darunter liegenden Schicht durchdringt. Das Fehlen von Haken oder Riegeln an den Seiten der Nadel (die im Gegensatz zu solchen Nadeln steht, die beim Vernähen eingesetzt werden)vermeidet jede merkliche Beschädigung der Fasern der Schichten beim Eindringen der Hohlnadel. Darüberhinaus verursacht das unter Druck stehende und aus der vorderen Öffnung der Hohlnadel austretende Medium ein Aufspreizen der Fasern, die ansonsten beschädigt werden könnten.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere eine Vorrichtung, die eine automatisierte Herstellung der Faserstrukturen erlaubt. Eine solche Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch

- einen Einschußkopf mit mindestens einer Hohlnadel,

- eine mit der Hohlnadel kommunizierende Bohrung im Einschußkopf für die Zufuhr eines Fadens,

- eine Leitung für die Versorgung der Bohrung mit einem unter Druck stehenden Medium,

- einer Antriebseinrichtung für den geradlinigen,alternierenden Antrieb der Hohlnadel und

- eine Vorschubeinrichtung für die schrittweise ReIativverschiebung der Hohlnadel entlang der Oberfläche der Faserstruktur und parallel zu sich selbst.

Weitere Besonderheiten und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung für die Herstellung von Faserstrukturen aus flach aufeinandergelegten Bahnen,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines aus Fig.1 herausgezogenen Details, das den Einschußkopf betrifft, in vergrößertem Maßstab,

-Kf-

Figuren 3A bis 3E

Figuren 4
bis 6

die aufeinander folgenden Verfahrensschritte eines Verfdhrensbeispiels /um Linbrinyen der Verbindungsfäden in einen Schichtaufbau,

drei Varianten des Verfahrens zur Implantation der Verbindungsfäden in einen Schichtaufbau,

1o

Figuren 7A bis 7D

die aufeinander folgenden Verfahrensschritte eines anderen Verfahrensbeispiels zum Einbringen der Verbindungsfäden in einen Schichtaufbau,

15

Fig. 8

eine perspektivische schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Vorrichtung zum Herstellen von rotationssymmetrischen Faserstrukturen aus aufgewickelten Bahnen
und

2o

Fig. 9

eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Einschußkopfes gemäß der Erfindung.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 dient zum Herstellen einer dreidimensionalen Faserstruktur mit unregelmäßiger Faserrichtung aus Schichten in Form von Bahnen N die auf einem Tisch 10 eben aufeinander gestapelt sind und aus einem verstärkten Fasermaterial bestehen.

Jede Bahn kann durch parallele Fäden, durch Bänder, durch zweidimensionale oder dreidimensionale Gewebeschichten

oder durch ein filzartiges Material gebildet werden. Es ist darüberhinaus auch möglich, die Faserstruktur aus Bahnen unterschiedlichen Fasermaterials aufzubauen.

Einer der Vorteile der Erfindung zielt darauf ab, die bisherigen Einschränkungen im Hinblick auf die Eigenschaften der für den Schichtaufbau benötigten Fasern zu beseitigen. Diese Fasern können beispielsweise aus einem feuerfesten Werkstoff bestehen, wie beispielsweise aus Kohlenstoff, aus Siliziumcarbid, aus Aluminiumoxid, etc. . Es ist auch möglich, die Faserstruktur aus mehr oder weniger komplexen Teilen aufzubauen, die durch entsprechende Matrices verdichtet sind und aus Verbundmaterial bestehen wie beispielsweise aus Kohlenstoff-Kohlenstoff, Kohlenstoff-Siliziumcarbid, Siliziumcarbid-Siliziumcarbid, etc. .

Die Bahnen N sind untereinander nach Maßgabe ihres Aufeinander stapelns durch Verbindungsfäden miteinander verbunden, die aus einem Endlosfaden F hervorgehen und in der Weise in die Faserstruktur eingebracht worden sind, daß sie die zuletzt aufgelegte Bahn und mindestens einen Teil der unmittelbar darunter liegenden Bahn durch dringen.

Der Faden F besteht aus einem schmiegsamen und widerstandsfähigen Material wie beispielsweise aus Kohlenstoff.

Die Fäden werden in die Bahnen der Faserstruktur mittels eines Einschußkopfes 20 eingebracht, der mit einer rohrförmigen Hohlnadel 21 ausgestattet ist. Der Einschußkopf 20 ist an einem relativ zum Tisch 10 beweglichen Laufwagen 11 befestigt und erhält den Faden F von einer

Vorratsspule 12, die gleichfalls am Laufwagen 11 gelagert ist.

Der Aufbau des Einschußkopfes 20 ist im Detail in Fig 2 dargestellt: die Hohlnadel 21 wird relativ zum Einschußkopf 20 mit einer alternierenden und geradlinigen Bewegung angetrieben, die parallel zur Hohlnadel verläuft. Zu diesem Zweck ist die Hohlnadel 21 mit einem Rohrstück 22 verbunden, das im Vorderteil 23 des Einschußkopfes geführt ist, wobei dieses Vorderteil als Vorsprung gegenüber dem Einschußkopf 20 ausgebildet ist. Das Rohrstück 22 bildet die Kolbenstange eines doppelt wirkenden Kolbens 24. Das Rohrstück 22 setzt sich in Richtung auf das vordere Ende des Einschußkopfes 20 durch die Hohlnadel 21 fort, während es am entgegengesetzten Ende einen Abschnitt mit größerem Durchmesser aufweist, der den in einem Zylinder 25 gleitenden Kolben 24 bildet. Der Zylinder 25 wird durch eine Bohrung im Innern des Einschußkopfes gebildet und besitzt zwei Kammern 25a und 25b. In dem Einschußkopf befinden sich Kanäle 26 und 27, durch die die Kammern 25a und 25b wahlweise mit der Atmosphäre oder mit einer Druckmittelquelle verbunden werden können. Zu diesem Zweck sind die Kanäle 26 und 27 mit einem Ventilblock verbunden, der über eine Leitung 19 mit der Druckmittelquelle verbunden ist (siehe Fig.1) .

Für den Antrieb der Hohlnadel mit alternierenden Bewegungen können andere Mittel als der doppelt wirkende Kolben eingesetzt werden, wie beispielsweise ein Elektromotor, ein einfach wirkender Kolben mit einer Rückstellfeder oder ein Elektromagnet

mit einem Anker und einer Rückstellfeder. Darüberhinaus können die alternierenden Bewegungen der Hohlnadel nicht nur durch deren Relativbewegung gegenüber dem Einschußkopf herbeigeführt werden, sondern auch dadurch, daß man eine Baugruppe bewegt, die aus dem Einschußkopf und einer mit dem Einschußkopf fest verbundenen Hohlnadel besteht.

Der Faden F wird von der Vorratsspule 12 mittels einer Transporteinrichtung abgezogen, die aus einem Paar von Andruckrollen 15 und 16 besteht, zwischen denen der Faden eingeklemmt ist. Diese Andruckrollen sind außen am hinteren Teil des Einschußkopfes 20 angeordnet und werden durch einen Elektromotor 14 angetrieben, der auf die Achse der einen Andruckrolle einwirkt. Nach dem Durchgang entlang einer Einlaufrolle 17 und zwischen den Andruckrollen 15 und 16 hindurch, läuft der Faden F durch eine öffnung 20a, die sich in der hinteren Wand des Einschußkopfes befindeten das Innere des Einschußkopfes ein. Auf seinem im wesentlichen geradlinigen Weg im Innern des Einschußkopfes 20 wird der Faden F in einer Bohrung 30 geführt, die sich in Bewegungsrichtung des Fadens durch innere Längsbohrungen im Rohrstück 22 und in der Hohlnadel 21 fortsetzt.

Die Bohrung 30 kann über eine Querbohrung 31, die im Einschußkopf gebildet wird und über eine Leitung 18 (Fig.1) mit einer Druckmittelquelle in Verbindung steht, mit einem unter Druck stehenden Medium wie beispielsweise mit komprimierter Luft oder unter

Druck stehendem Wasser versorgt werden. Mit Ausnahme des nach vorn gerichteten Endes ist die Bohrung 30 in der Weise dicht verschlossen, daß das unter Druck zugeführte Medium praktisch nur durch die Hohlnadel 21 hindurch entweichen kann. Diese Abdichtung wird am hinteren Ende des Einschußkopfes durch ein in die Öffnung 20a eingesetztes Rohrstück 32 bewirkt. Die hintere Oberfläche dieses Rohrstücks 32 ist in der Weise ausgebildet, daß sie der Form der Andruckrollen 15 und 16 im Bereich des Durchgangs des Fadens zwischen den Andruckrollen angepaßt ist. Zwischen dem Rohrstück 32 und den Andruckrollen 15 und 16 sind zusätzlich noch Dichtungen angeordnet. Das Rohrstück 32 verschließt den hinteren Teil der Bohrung 30. Der nach vorn gerichtete Teil dieser Bohrung 30 wird durch ein Rohr 33 gebildet, das von hinten in das Innere des Einschußkopfes vorspringt. Der Kolben 24 gleitet unter Zwischenschaltung mindestens einer Dichtung auf dem Rohr 33, um die Bohrung 30 gegenüber den Kammern 25a und 25b bei jeder möglichen Kolbenstellung abzudichten.

Eine Betriebsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird nunmehr näher erläutert: am Anfang eines Schritts zum Einbringen des Fadens durch eine zuvor aufgelegte Bahn N¹ wird der Einschußkopf 20 oberhalb dieser Bahn angeordnet, wobei sich das Ende der Hohlnadel 21 einige Millimeter über der Oberfläche der Bahn befindet. Die Andruckrollen 15 und 16 sind stillgesetzt, und die Bohrung 30 wird mit Druckmittel beaufschlagt, welches den Faden F spannt, dessen Ende gegenüber der Ausgangsöffnung der Hohlnadel 21 geringfügig zurückgesetzt ist (Fig.3A).

Nachfolgend wird die Kammer 25a mit Druckmittel versorgt und die Kammer 25b entlüftet. Die Hohlnadel 21 bewegt sich nunmehr abwärts und durchdringt die Bahn N¹. Da das Ende der Hohlnadel schräg abgeschnitten ist, wird ihr Eindringen in das Fasermaterial erleichtert. Dieses Eindringen kann noch weiter erleichtert werden, indem die Hohlnadel während ihrer Abwärtsbewegung um sich selbst gedreht wird. In diesem Falle ist die Hohlnadel 21 senkrecht zum Tisch 10 ausgerichtet und dringt infolgedessen in Normalenrichtung in die Bahnen ein. Die Andruckrollen 15 und 16 werden während der Abwärtsbewegung der Hohlnadel in der Weise in Drehung versetzt, daß der Faden mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Hohlnadel nach unten vorgeschoben wird, ohne daß der Faden aus der Hohlnadel austritt. Der Hub der Hohlnadel wird in der Weise gewählt, daß diese mindestens die Bahn N¹ und einen wesentlichen Teil der darunter liegenden Bahn durchdringt (Fig.3B).

Selbstverständlich kann die Eindringtiefe der Hohlnadel über mehr als zwei Bahnen ausgedehnt werden, insbesondere dann, wenn diese verhältnismäßig dünn sind. Wie bereits erwähnt verursacht das am Ende der Hohlnadel austretende Druckmittel beim Eindringen der Hohlnadel ein Auseinanderspreizen der Fasern und vermeidet dadurch eine andernfalls stattfindende Beschädigung dieser Fasern. Die hauptsächliche Funktion des Druckmittels besteht jedoch darin, den Faden innerhalb des Einschußkopfes voran zu transportieren und gespannt zu halten, um zu gewährleisten, daß die Eindringtiefe des Fadens in die Faserstruktur gleich

groß ist wie diejenige der Hohlnadel.

Sobald die Hohlnadel ihre Abwärtsbewegung beendet hat, wird die Kammer 25a entlüftet, während der Kammer 25b Druckmittel zugeführt wird. Die Hohlnadel bewegt sich aufwärts, wobei die Andruckrollen 15 und 16 stillgesetzt sind. Die in die Faserstruktur eingeführte Teillänge des Fadens verbleibt daher an Ort und Stelle (Fig.3C). Der Laufwagen 11 wird nunmehr um einen Schritt parallel zum Tisch 10 bewegt, und die Abwärtsbewegung der Hohlnadel wird gleichzeitig mit dem Vorschub des Fadens F erneut bewirkt. Die in dem zuvor erfolgten Einstich festgelegte Teillänge des Fadens spannt sich, und der Faden reißt auf der Höhe des Nadelendes ab, wenn die Nadel in die Bahn N¹ eingestochen wird, und die Teillänge des Fadens F trennt sich von diesem innerhalb der Faserstruktur (Fig.3D).

Nachdem die Hohlnadel am Ende ihres Hubes angekommen ist, bewegt sie sich wieder aufwärts und läßt einen neuen Fadenabschnitt an Ort und Stelle zurück (Fig.3E).

Dieses Verfahren wird entlang einer Linie wiederholt, die von einer Kante des Bahnenstapels bis zur gegenüberliegenden Kante verläuft. Der den Einschußkopf tragende Laufwagen wird nachfolgend um einen Schritt senkrecht zu dieser Linie verschoben, um eine weitere Reihe von Verbindungsfäden entlang einer neuen Linie einzuschießen. Sobald die Einstiche der Verbindungsfäden in der gesamten Bahn N¹ hergestellt sind, wird eine neue Bahn aufgelegt, während der Laufwagen mit dem Einschußkopf gegenüber dem Tisch um ein Maß angehoben wird, welches mit der Dicke dieser Bahn über-

-Vf-

einstimmt. Die Verschiebung des Laufwagens in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen (X und Y) parallel zur Oberfläche der Bahn und nachfolgend in einer dritten Richtung senkrecht zur Oberfläche dieser Bahn wird durch nicht dargestellte Schrittmotoren herbeigeführt.

In dem vorstehend beschriebenen Fall besitzt jeder eingebrachte Verbindungsfaden nach dem Rückzug der Hohlnadel eine erste implantierte Teillänge in der Faserstruktur, nach dem seitlichen Verfahren des Einschußkopfes um einen Schritt eine zweite Teillänge an der Oberfläche sowie eine dritte Teillänge,die mittels der Hohlnadel in den nachfolgenden Einstich mit Bruch des Fadens im Bereich des Nadelendes eingezogen wird und an der implantierten ersten Teillänge des nachfolgend eingestochenen Fadens anliegt. Jeder Fadenabschnitt bewirkt auf diese Weise ein Verhaken der zuletzt aufgelegten Bahn.

Es ist gleichfalls möglich, daß der Bruch oder Abriß eines Fadenabschnitts im Bereich des Nadelendes stattfindet, sobald dieses in die Faserstruktur eindringt. In einem solchen Fall hat jeder eingebrachte Fadenabschnitt eine erste implantierte Teillänge innerhalb der Faserstruktur nach dem Rückzug der Hohlnadel und eine zweite, an der Oberfläche liegende Teillänge, die geradlinig zur ersten Teillänge verläuft und eine Länge aufweist, die der Schrittlänge bei der Querverschiebung des Einschußkopfes entspricht.Diese zweite Teillänge wird beim Auflegen einer weiteren Bahn eingebettet (Fig.4).

Eine weitere Variante des Verfahrens zum Einbringen der Verbindungsfäden ist in Fig.5 erläutert. Die Hohlnadel ist gegenüber einer zu den Bahnen senkrecht verlaufenden Richtung geneigt, um die Verbindungsfäden mit einer Neigung zu implantieren. Vorzugsweise ist die Neigung einstellbar. Der Anstellwinkel kann bei jeder neu aufgelegten Bahn entgegengesetzt gewählt werden, so daß eine Kreuzung der Verbindungsfäden erfolgt, die den Widerstand gegen eine Trennung der Schichten vergrößert.

Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten ist es möglich, daß man den Faden beim Einstechen einer neuen Teillänge dieses Fadens nicht zum Abreißen bringt. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn der Hub der Hohlnadel relativ gering ist (Bahnen von geringer Dicke) und wenn der Faden einige spezielle Eigenschaften besitzt (Elastizitätsmodul,Anzahl der Einzelfäden). Jede eingebrachte Teillänge des Fadens hat dann die Form einer Schlinge, die mit der nachfolgenden Schlinge über eine an der Oberfläche verlaufende Teillänge des Fadens verbunden ist (Fig.6).

Bei dem in den Figuren 3A bis 3E beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Bohrung 30 ständig mit einem Druckmittel versorgt, während die Andruckrollen 15 und 16 intermittierend angetrieben werden, und zwar ausschließlich während der Abwärtsbewegung der Hohlnadel.

In Abwandlung dieses Prinzips ist es möglich, eine Betriebsweise anzuwenden, bei der die Andruckrollen kontinuierlich angetrieben werden, während die Bohrung

intermittierend mit dem Druckmittel beaufschlagt werden, und zwar ausschließlich während der Abwärtsbewegung der Hohlnadel. Diese weitere Betriebsweise wird anhand der Figuren 7A bis 7D näher erläutert.

Bei Beginn der Abwärtsbewegung der Hohlnadel ist der Druck des Mediums Null. Der von den Andruckrollen 15 und 16 abgezogene Faden F hat im Einschußkopf einen schraubenlinigen förmigen Verlauf (Fig.7A).

Nunmehr wird die Bohrung 30 mit Druckmittel beaufschlagt, um den Faden zu spannen, damit er das Nadelende in dem Augenblick erreicht, in dem die Hohlnadel das Ende ihres Abwärtshubes erreicht.

Die Hohlnadel wird nachfolgend wieder zurückgezogen,und die Druckmittelzufuhr zur Bohrung 30 unterbrochen.Der Faden verbleibt in seiner Lage innerhalb der Faserstruktur und erhält im Innern des Einschußkopfes wiederum die Form einer Schraubenlinie oder einer Welle. Der Druck des Mediums in der Bohrung 30 nimmt ab und erreicht den Wert Null in der oberen Stellung der Hohlnadel (Fig.7C).

Nachfolgend wird der Einschußkopf seitlich um einen Schritt verschoben, und die Hohlnadel wird erneut angetrieben. Wie bereits vorstehend erläutert spannt sich der im vorausgehenden Einstich festgelegte Fadenabschnitt, reißt im Bereich der Nadelmündung ab und trennt sich so innerhalb der Faserstruktur von dem Faden F. Das in die Bohrung 30 eingelassene Druckmittel spannt den Faden F während des Abwärtshubes der Hohlnadel, damit sein Ende die Nadelmündung am Ende des Abwärtshubes erreicht. Nach dem Anheben der Hohlnadel wird ein neuer Fadenabschnitt niedergelegt (Fig.7D).

während vorstehend die Herstellung einer Faserstruktur ausgehend von ebenen, aufeinandergestapelten Bahnen beschrieben wird, erläutert Fig.8 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, die für die Herstellung von gewickelten Faserstrukturen vorgesehen ist.

Eine Trommel 40 mit senkrecht stehender Achse ist drehbar auf einem Rahmen 41 gelagert. Die herzustellende Faserstruktur wird auf der Trommel 40 in aufeinanderfolgenden Schichten aufgewickelt und aus Windungen eines Gewebebandes T aufgebaut, das von einer Vorratsspule 42 abgezogen wird und/oder aus einem Faden L, der von einer Vorwärtsspule 43 abgezogen wird. Die aufeinanderfolgenden Schichten sind untereinander durch Fäden verbunden, die mittels eines Einschußkopfes 55 eingebracht wurden und die von einem Faden F stammen, der von einer Vorratsspule 44 abgezogen wird. Die Vorratsspulen 42,43 und 44 sind drehbar an entsprechenden Schlitten 45,46 und 47 gelagert. Diese Schlitten sind in vertikaler Richtung entlang von Gleitfiihrungen 48,49 und 50 beweglich, die in Säulen 51,52 und 53 gebildet sind, die ihrerseits von dem Rahmen 41 getragen werden. Die die Vorratsspulen 43 und 43 tragenden Säulen 51 und 52 sind gegenüber dem Rahmen 41 ortsfest angebracht, während die Säule 53 in horizontaler Richtung entlang einer Gleitführung 54 verschiebbar ist, und zwar in einer Richtung,die senkrecht zur Achse der Trommel 40 verläuft.Auf diese Weise kann der am Schlitten 47 befestigte Einschußkopf 45 nach Maßgabe des Wickelaufbaus der Faserstruktur von der Trommelachse weggefahren werden.

Der Einschußkopf 55, der eine Hohlnadel 56 besitzt,

hat einen Aufbau und eine Wirkungsweise, die denjenigen des in Figur 2 gezeigten und weiter oben erläuterten Einschußkopfes entsprechen. Es ist zu erkennen, daß die Stellung des Einschußkopfes 55 um eine horizontale Achse einstellbar ist, die senkrecht zur Hohlnadel 55 verläuft. Dadurch ist es möglich, die Hohlnadel gegenüber der Normalenrichtung auf die Oberfläche der Faserstruktur beliebig einzustellen.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird wie folgt erläutert: jede Lage des Faserkörpers wird durch Aufwickeln des Bandes T oder des Fadens L einzeln oder gleichzeitig erzeugt. Das Aufwickeln geschieht in aufeinander folgenden Windungen, die einander stossen oder sich geringfügig überdecken, wobei die Drehung der Trommel 40 und die Verschiebung des Schlittens 45 und/oder des Schlittens 46 synchronisiert sind. Im allgemeinen kann eine einzige Lage auch durch mehrere aufeinanderliegende Windungen des Fadens und/oder des Bandes gebildet werden.

Der Einschußkopf 45 ist in vertikaler Richtung entlang einer Erzeugenden der herzustellenden Faserstruktur verschiebbar. Die vertikale Verschiebung des den Einschußkopf 55 tragenden Schlittens 47 erfolgt alternierend mit den Schritten der Rotation der Trommel 40 in der Weise, daß das Einbringen der Fäden entlang aufeinander folgender Erzeugenden der Faserstruktur im Anschluß an die Bildung einer jeden neuen Lage ermöglicht wird. Das Aufwickeln des Fadens und/oder des Bandes kann wahlweise während des Einbringens der Fäden fortgesetzt oder unterbrochen werden. Das Einbringen dieser Fäden erfolgt auf die

vorstehend bereits beschriebene Weise. Nachdem eine Lage aufgebracht ist, wird die Säule 53 um eine Weglänge zurückgefahren, die der Dicke einer Lage entspricht.

Wie aus Fig. 8 hervorgeht, läuft der Wickelfaden L zwischen der Vorratsspule 43 und der Faserstruktur über einen Arm 57, der sich entweder um eine Achse drehen kann, die mit den Achsen der Vorratsspule 43 und der Trommel 40 zusammenfällt, oder der mittels einer Verriegelungseinrichtung 58 stillgesetzt werden kann. Wenn der Arm 57 verriegelt ist, treibt die Dreh· ung der Trommel 40 den Faden L an, und die Vorratsspule 43 wird abgewickelt. Wenn der Arm 57 entriegelt ist, dreht er sich mit der Trommel, und der Faden L wird nicht abgewickelt. Die Entriegelung des Armes 57 ermöglicht es, das Band T allein aufzuwickeln, oder die Verbindungsfäden ohne gleichzeitigen Aufwickelvorgang einzubringen.

Eine Variationsmöglichkeit besteht darin, daß der Wickelkörper nicht durch eine Vielzahl von Windungen des Fadens oder Bandes erzeugt wird, sondern durch eine einzige Wicklung aus einem Band, dessen Breite der axialen Erstreckung des Wickelkörpers entspricht.

Es ist weiterhin festzuhalten, daß es mit der Vorrichtung nach Fig.8 möglich ist, nicht nur zylindrische Wickelkörper herzustellen, sondern auch solche mit einem sich ändernden Durchmesser. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß man eine Trommel entsprechender Form verwendet, daß man in geeigneter Weise die Geschwindigkeit der Querverschiebung des Schlittens oder der Schlitten verändert, die das aufzuwickelnde

Material tragen. Die Ausrichtung der Hohlnadel ist infolgedessen entlang einer Erzeugenden veränderbar, um die Hohlnadel den Änderungen im Profil des Wickel körpers anpassen zu können.

Eine Verbesserung der Schrittfolge bei der Herstellung der Faserstruktur ist dadurch möglich, daß man einen Einschußkopf mit einer Vielzahl von Hohlnadeln verwendet, wie dieser beispielhaft in Fig.9 dargestellt ist.

An diesem Einschußkopf 60 sind vier Hohlnadeln 61 parallel zueinander fest angebracht. Die aus dem Einschußkopf 60 und den Hohlnadeln bestehende Baugruppe wird durch einen Motor 62 mit einer geradlinigen alternierenden Bewegung angetrieben, wobei die Motorachse über eine Kurbelstange 63 mit dem Einschußkopf verbunden ist. Während seiner alternierenden Bewegung wird der Einschußkopf 60 durch eine Gleitführung 64 geführt. Die Hohlnadeln 61 sind ihrerseits in Bohrungen einer Platte 65 geführt, die vor dem Einschußkopf 60 angeordnet und mit diesem durch Stangen 66 verbunden ist, auf denen der Einschußkopf 60 Gleitbewegungen ausführen kann. Zwischen der Platte 65 und der Vorderseite des Einschußkopfes 60 befinden sich auf den Stangen 66 Federn 67.

Auf der Rückseite des Einschußkopfes 60 werden zwei Andruckrollen 68 und 69 durch einen Elektromotor 70 angetrieben, um die Fäden F1,F2,F3 und F4 von entsprechenden Vorratsspulen abzuziehen, die nicht dargestellt sind. Jeder Faden läuft im Innern des

Einschußkopfes durch ein abgedichtetes Rohrstück 71, welches analog dem Rohrstück 32 ausgebildet ist, welches im Zusammenhang mit Fig.2 beschrieben wird. Die Rohrstücke 71 fluchten mit den Hohlnadeln 61 und münden im Innern des Einschußkopfes in eine Kammer 71, in die auch die Fäden F1 bis F4 eintreten und die über eine Leitung 73 mit einem unter Druck stehenden Medium versorgt werden kann. Die Kammer 72 ist mit Ausnahme der zu den Hohlnadeln 61 führenden Eintrittsöffnungen nach außen hin abgeschlossen.

Die Betriebsweise des Einschußkopfes 60 entspricht derjenigen, die in den Figuren 3A bis 3 E erläutert wurde: das unter Druck stehende Medium (Luft oder Wasser) wird der Kammer 72 kontinuierlich zugeführt, während die Andruckrollen 68 und 69 nur während des Einstechens der Hohlnadeln in die Faserstruktur in Drehung versetzt werden. Auf den Hohlnadeln 61 sind Zahnräder 74 befestigt, die wechselseitig ineinander eingreifen. Diese werden gleichzeitig mittels eines Zahnrades 75 in Drehung versetzt,das seinerseits durch einen Motor 70 über ein Winkelgetriebe 76 angetrieben wird. Auf diese Weise werden die Hohlnadeln 61 untereinander in Drehung versetzt, während sie in die Faserstruktur eindringen, so daß der Einstechvorgang erleichtert wird.

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Claims

3517957 VNR: 110086 - U.Mai 1985 -Zap/he Ansprüche :

1. Verfahren zum Herstellen einer Faserstruktur durch Aufeinanderlegen von Schichten aus Fasermaterial und nachfolgendes Verbinden der Schichten untereinander durch Einführen von Fäden durch die Schichten hindurch, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Fäden dadurch an seinen Ort gebracht wird,daß man ihn mittels eines unter Druck stehenden Mediums in das Innere einer Hohlnadel bläst, die mit alternierenden Bewegungen in die aufeinanderllegenden Schichten eingestochen wird, daß eine Teillänge des Fadens durch Zurückziehen der Hohlnadel in der Faserstruktur zurückgelassen wird, und daß die sich anschließende Teillänge des Fadens nach Relativverschiebung der Hohlnadel entlang der Oberfläche der Faserstruktur an dem genannten Ort zurückgelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel mit einem Endlosfaden versorgt wird, der bei jedem folgenden Einstich der Hohlnadel in die Faserstruktur von der bei dem vorausgegangenen Einstich in die Faserstruktur eingebrachten Teillänge durch Reißen im Bereich der Austrittsöffnung der Hohlnadel abgetrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung innerhalb der Faserstruktur in der Weise herbeigeführt wird, daß jeder Faden mit jedem Ende in das Innere einer Schicht eindringt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlnadel mit einem Endlosfaden versorgt wird, der bei jedem folgenden Einstich der Hohlnadel in die Faserstruktur eine Schlinge bildet, die mit der zuvor eingebrachten Schlinge durch eine an der Oberfläche der Faserstruktur verlaufenden Teillänge des Fadens in Verbindung gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hohlnadel bei jeder ihrer alternierenden Bewegungen in die zuletzt aufgelegte Schicht und in mindestens einen Teil der Dicke der der darunter liegenden Schicht eindringen läßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hohlnadel mit einem Endlosfaden versorgt, der diskontinuierlich, von einer Vorratsspule nur während jedes Einstechens der Hohlnadel in die Faserstruktur abgezogen wird, während er kontinuierlich mittels des unter Druck stehenden Mediums in die Hohlnadel geblasen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hohlnadel mit einem Endlosfaden versorgt, der kontinuierlich von einer

Vorratsspule abgezogen wird, während er diskontinuierlich nur während jedes Einstechens in die Faserstruktur mittels des unter Druck stehenden Mediums in die Hohlnadel geblasen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das unter Druck stehende Medium für das Einblasen des Fadens in die Hohlnadel im wesentlichen durch deren Austrittsöffnung entweichen läßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hohlnadel während ihres Einstechens in die Faserstruktur um sich selbst rotieren läßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fäden im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Faserstruktur in diese einführt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fäden mit einer Neigung zur Oberfläche der Faserstruktur in diese einführt.

12. Vorrichtung zum Herstellen einer Faserstruktur mit einer Einrichtung zum Einführen von Fäden (Verbindungsfäden) durch aufeinanderliegende Schichten aus Fasermaterial, gekennzeichnet durch,

- einen Einschußkopf (20,60) mit mindestens einer

Hohlnadel (21, 61) ,

- eine mit der Hohlnadel kommunizierende Bohrung (30, 72) im Einschußkopf für die Zufuhr eines Fadens (F, F1, F2, F3, F4),

- eine Leitung (18,73) für die Versorgung der Bohrung (30,72) mit einem unter Druck stehenden Medium,

- eine Antriebseinrichtung (24 bis 28; 62,63) für den geradlinigen, alternierenden Antrieb der

Hohlnadel

und

- eine Vorschubeinrichtung für die schrittweise Relativverschiebung der Hohlnadel entlang der Oberfläche der Faserstruktur und parallel zu

sich selbst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschußkopf (20,60) Transporteinrichtungen (15,16; 68,69) für die Versorgung der Hohlnadel (21,61) mit einem von einer Vorratsspule abgezogenen Faden (F,F1,F2,F3,F4) besitzt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, d_a_- durch gekennzeichnet, daß die Bohrung (30,72) im Einschußkopf (20,60) mit Ausnahme der Eintrittsöffnung der Hohlnadel abgedichtet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden der Bohrung (30,72) durch am Einschußkopf (20,60) angeordnete äußere Andruckrollen (15,16 ;68,69), zuführbar ist, zwischen denen der Faden einklemmbar ist, und daß ein Rohrstück (32,

71) , das einen Transportweg für den Faden aufweist,

abgedichtet zwischen dem Einschßkopf (20,60) und den Andruckrollen eingesetzt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Hohlnadel

(21) mittels eines Kolbens (24) alternierend und geradlinig antreibbar ist, dessen Zylinder (25) sich im Innern des Einschußkopfes (20) befindet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschußkopf (60) fest mit der bzw. jeder Hohlnadel (61) verbunden und zum Zwecke der Ausführung geradliniger alternierender Bewegungen mit einem Antriebsmotor (62) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bsi 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Hohlnadel (21,56,91) relativ zur Oberfläche der Faserstruktur einstellbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, für das Herstellen von rotationssymmetrischen Faserstrukturen durch Aufwickeln von Schichten aus Fasermaterial auf einer Trommel, dadurch gekennzeichnet, das der Einschußkopf (55) parallel zur Trommelachse beweglich angeordnet ist, derart, daß die Fäden nach Maßgabe des Wickelvorganges einschießbar sind.