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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von genadelten,
textilen Strukturen, die dazu bestimmt sind, bei der Herstellung
von Schutzteilen, welche bei hohen Temperaturen eingesetzt werden,
von Strukturteilen für
Raketentriebwerke oder aber von Bremsscheiben mit sehr hoher Leistungsfähigkeit
für die
Luftfahrt oder Landfahrzeuge verwendet zu werden.
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Stand der
Technik
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Es
ist bekannt, daß Bremsscheiben
Bremskräften
standhalten müssen,
die besonders hohe Scherkräfte
erzeugen. Dieses Phänomen
wird in Luftfahrzeugen aufgrund der hohen Belastungen, denen die
Bremsscheiben ausgesetzt sind, verstärkt.
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Um
diesen Scherkräften,
die einen Aufblätterungseffekt
erzeugen, standzuhalten, müssen
die Scheiben derart gefertigt werden, daß die Strukturuneinheitlichkeiten
auf ein Minimum herabgesetzt werden. Denn eine ungleichförmige Scheibe
weist lokale Beanspruchungsbereiche mit uneinheitlichen Merkmalen
auf, welche die Risiken eines Reißens beträchtlich erhöhen.
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Herkömmlicherweise
werden Bremsscheiben aus einer textilen Verstärkungsstruktur gefertigt, die
aus einer Vielzahl von übereinandergelegten Schichten
gebildet ist, welche durch eine Einheit von Hakennadeln genadelt
werden, die in Richtung z, d.h. quer zu den Schichten eindringen.
Nach dem Zuschneiden wird die textile Struktur karbonisiert, mit Hilfe
eines eine Matrix bildenden Materials verdichtet, anschließend eventuell
einer Wärmebehandlung unterzogen.
Die Schichten werden auf einem Träger übereinandergelegt. Im allgemeinen
erfährt
der Träger
entsprechend dem Übereinanderlegen
und der Nadelung der verschiedenen Schichten eine Abwärtsbewegung
pro Schritt. Die mechanischen Eigenschaften des auf diese Weise
erhaltenen Endproduktes hängen
stark von der für
die textile Verstärkungsstruktur
gewählten
tatsächlichen
Nadelungsdichte ab. Unter der tatsächlichen Nadelungsdichte versteht
man eine Funktion der Anzahl von Hakennadeln pro cm3 pro
einem elementaren Volumen der textilen Struktur, was folglich die
Nadelungsdichte pro Flächeneinheit,
den Eindringgrad z, den Schritt der Abwärtsbewegung sowie die Funktionsmerkmale der
Nadeln einschließt.
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Nun
ist es aber mit den derzeitigen Nadelungsverfahren schwer möglich, diese
gewünschte perfekte
Einheitlichkeit zu erzielen, obwohl einige von ihnen interessante
Ergebnisse liefern, insbesondere durch Einwirken auf den Schritt
der Abwärtsbewegung.
Genannt sei das Patent
US 4 790
052 , das vorschlägt,
für jede
aufgelegte Schicht den Abstand zwischen dem Träger der Schichten und den Nadeln um
einen Abstand zu vergrößern, der
gleich der Dicke einer genadelten Schicht ist. Genannt sei auch das
Patent
EP 0 736 115 ,
das zur Sicherstellung einer konstanten Dicke der verschiedenen übereinandergelegten
Schichten vorschlägt,
einen entsprechend einem vorbestimmten Verringerungsgesetz variablen
Bewegungsschritt des Schichtenträgers anzunehmen.
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Die
Unvollkommenheit dieser Verfahren rührt daher, daß dieser
Schritt der Abwärtsbewegung des
Schichtträgers
im allgemeinen im voraus theoretisch berechnet wird, insbesondere
in Abhängigkeit von
der Anzahl von Schichten, welche die zu erhaltende textile Struktur
bilden sollen, ohne die tatsächliche
Eindringtiefe der Nadeln zu berücksichtigen. Nun
ist aber die Kenntnis dieses Parameters wesentlich, um eine einheitliche
Nadelungsdichte zu gewährleisten,
die ein sicherer Beweis für
eine perfekte Einheitlichkeit der textilen Endstruktur ist. Je größer außerdem die
Dicke der textilen Struktur ist, um so unvollkommener ist die Kenntnis
der Eindringtiefe.
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Die
Patentanmeldung
EP 0 695 823 hat
versucht, die Kenntnis der Eindringtiefe der Nadeln mit Hilfe von
Fühlerwalzen
zu verbessern, welche die Position der Oberseite der textilen Struktur
zwischen den Nadelungsvorgängen
messen und seitlich in bezug auf den Arbeitsbereich der Nadeln angeordnet sind.
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Jedoch
scheint eine solche Lösung
nicht zufriedenstellend zu sein, da es unter der Wirkung der Nadelungskräfte zu einem
Zusammendrücken
der textilen Struktur kommt, das durch die durchgeführte Messung
nicht herausgestellt werden kann. Aufgrund der Tatsache, daß die Verformung
der textilen Struktur nicht berücksichtigt
wird, ist es in der Tat unmöglich,
eine exakte Kenntnis des tatsächlichen
Eindringens der Nadeln zu haben.
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Gegenstand
und Definition der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
folglich eine Nadelungsmaschine sowie deren zugehöriges Verfahren
vor, die diesen Nachteil dadurch behebt, daß eine Messung des tatsächlichen
Eindringens der Nadeln in die zu nadelnde textile Struktur ermöglicht wird,
die deren Verformung während
der Nadelungsvorgänge
der sie bildenden verschiedenen Schichten berücksichtigt.
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Erreicht
wird dieses Ziel durch eine Maschine zum Nadeln einer textilen Struktur,
die von einer Vielzahl von übereinandergelegten
Schichten gebildet ist, umfassend einen vertikal beweglichen Nadelungstisch,
einen Nadelungskopf, welcher eine bestimmte Anzahl von Hakennadeln
umfaßt
und senkrecht zu dem genannten Nadelungstisch angeordnet ist, sowie
Mittel zum Antreiben des Nadelungskopfes, um ihm eine vertikale
Hin- und Herbewegung zu verleihen, die einen unteren Punkt maximalen
Eindringens der Nadeln in die genannte textile Struktur definiert,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
außerdem
im Bereich des Nadelungskopfes angeordnete Meßmittel umfaßt, um die
Position einer Oberseite der textilen Struktur an dem genannten
unteren Punkt maximalen Eindringens der Nadeln zu messen.
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Mit
dieser Integration der Meßmittel
in das Nadelbett, die eine Berücksichtigung
des Zusammendrückens
der textilen Struktur unter der Wirkung der Nadelungskräfte ermöglicht,
ist es somit möglich, die
tatsächliche
Eindringtiefe der Nadeln präzise
zu bestimmen.
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Vorzugsweise
sind diese Meßmittel
in einer Mittelebene des Nadelungskopfes angeordnet, die senkrecht
zu einer Vorschubrichtung der textilen Struktur verläuft.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform umfassen
diese Mittel zum Messen der Position der Oberseite der textilen
Struktur eine optische Einheit zum berührungslosen Messen. Vorzugsweise
handelt es sich um einen Laser-Sender/Empfänger vom Typ mit breitem Strahl.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform können diese
Meßmittel
einen mechanischen Fühler zum
Messen durch Berührung
umfassen.
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Vorteilhafterweise
sind ein Sensor, vorzugsweise induktiven oder optischen Typs, um
den unteren Punkt maximalen Eindringens der Nadeln zu bestimmen,
sowie Verarbeitungsmittel vorgesehen, um die vertikale Bewegung
des Nadelungstisches in Abhängigkeit
von der Messung der Position der Oberseite der textilen Struktur
zu steuern, welche an dem genannten unteren Punkt maximalen Eindringens der
Nadeln durch die Meßmittel
vollzogen wird.
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Die
Erfindung betrifft auch das Verfahren, welches in der vorgenannten
Maschine durchgeführt wird,
sowie die durch dieses Verfahren erhaltene textile Struktur. Vorzugweise
wird die Messung der Position der Oberseite der textilen Struktur
durch Mitteln von in Echtzeit über
die gesamte Länge
der textilen Struktur aufgenommenen Momentanmessungen vollzogen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden zur Unterrichtung gegebenen und als nicht einschränkend zu verstehenden
Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen besser hervorgehen,
in diesen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Maschine für die Nadelung
von textilen Strukturen gemäß der Erfindung,
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Maschine für die Nadelung
von textilen Strukturen gemäß der Erfindung, und
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3 eine
Seitenansicht der Maschine der 2, wobei
ihr rechter Teil in einer Position maximalen Eindringens der Nadeln
dargestellt ist.
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Detaillierte
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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In
den 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele
einer Maschine dargestellt, die das Nadeln einer planen textilen
Struktur ermöglicht. Selbstverständlich ist
zu beachten, daß die
Erfindung nicht allein auf die Herstellung von planen Strukturen beschränkt ist
und daß diejenige,
welche darin besteht, eine Struktur durch Wickeln einer Faserlage
zu bilden, ebenfalls mit der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, ob
es sich nun um eine ringförmige Wicklung
einer spiralförmigen
Lage oder eines spiralförmigen
Gewebes aus flach übereinandergelegten Windungen
oder um eine Wicklung einer Lage aus auf einer Wickelhülse übereinadergelegten
Windungen handelt.
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Die
Maschine 10 umfaßt
herkömmlicherweise
einen sogenannten Nadelungstisch 10, welcher dazu bestimmt
ist, Lagen 12 oder Schichten zu tragen, die eine in Abhängigkeit
von der herzustellenden Endstruktur bestimmte Breite und Länge aufweisen
und die nacheinander zugeführt
werden, um als aufeinanderfolgende Schichten übereinandergelegt zu werden.
Der Tisch ist senkrecht zu einem Nadelungskopf 14 angeordnet,
der an einem Nadelbett 16 angebracht eine bestimmte Anzahl
von Hakennadeln 18 bekannten Typs aufweist und der durch
eine oder mehrere Stange-Kurbel-Einheit(en) 20, die mit
einem einzigen Motor versehen sind oder nicht, in eine vertikale
Hin- und Herbewegung versetzt werden kann. Ein Abstreifer 22,
der an einem Gestell 24 der Maschine befestigt ist, ist
oberhalb des Nadelungstisches angebracht, um zu verhindern, daß die textile Struktur
mitgenommen wird, während
sich die Nadeln wieder nach oben bewegen. Selbstverständlich ist
der Tisch wie auch der Abstreifer mit Löchern 26 bzw. 28 für den Durchgang
der Nadeln versehen. Der Tisch ist mittels einer Antriebsvorrichtung 30,
die beispielsweise von einer mit Motor versehenen Schnecke gebildet
ist, vertikal beweglich. Mehrere Reihen von Antriebswalzen 32, 34 (die
auch als Eingangs-/Ausgangspressen
bezeichnet werden), die stromaufwärts und stromabwärts der
Maschine angeordnet sind, stellen einen horizontalen Transport der
textilen Struktur zum Nadelungskopf sicher.
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Gemäß der Erfindung
sind Mittel 36 zum Messen der Position einer Oberseite
der textilen Struktur vorgesehen, die im Bereich der Nadelungskopfes 14 angeordnet
und dazu bestimmt sind, das tatsächliche
Eindringen der Nadeln in diese textile Struktur an einem unteren
Punkt maximalen Eindringens der Nadeln zu bestimmen. Denn da der
Weg der Nadeln gegenüber
dem Gestell, mit dem sie verbunden sind, konstant ist und da der
Nadelungstisch in einem bekannten Abstand von diesem Gestell positioniert
ist, kann leicht gezeigt werden, daß der Weg des Eindringens der
Nadeln in das textile Material direkt von der Materialdicke abhängt, die
zwischen dem Nadelungstisch und der gemessenen Oberseite vorhanden
ist.
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Zu
diesem Zweck sind die Meßmittel 36 an dem
Gestell 24 befestigt und ist vorgesehen, daß das Nadelbett 16 (und
der Abstreifer 22) mit einer Öffnung 38 (bzw. einer
Durchgangsöffnung 40)
versehen ist, um ein Zusammenwirken dieser Meßmittel mit der Oberseite der
textilen Struktur zu ermöglichen.
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Nach
der betrachteten Ausführungsform kann
dieses Zusammenwirken berührungsfrei
(mit einer Fernmessung der Position der Oberseite der textilen Struktur)
oder durch Berührung
(durch das Herabfahren eines mechanischen Fühlers auf die Oberseite der
textilen Struktur) erfolgen.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der diese Mittel zum berührungslosen Messen von einer
optischen Meßeinheit, wie
einem Laser-Sender/Empfänger 42 gebildet
sind. Der Sender lenkt einen Laserstrahl durch das Nadelbett hindurch
zur Oberseite der textilen Struktur (nach Durchqueren des Abstreifers),
die ihn dann zum Empfänger
hin reflektiert. Da die Distanz Sender/Nadelungstisch als durch
eine vorherige Messung bekannt vorausgesetzt wird, reicht die Bestimmung
der Distanz Sender/Oberseite der textilen Struktur durch die Analyse
der Hin- und Rückstrecke des
Laserstrahls nun aus, um die Dicke der von dem Nadelungstisch getragenen
textilen Struktur präzise zu
bestimmen. Um sich von den Relieffehlern der textilen Struktur zu
befreien, ist diese Lasereinheit ferner vorzugsweise vom Typ mit
breitem Strahl (da dieses Lasermodell dadurch, daß es Messungen über die gesamte
Länge des
Strahls ermöglicht,
einen Integrationseffekt gewährleistet).
Selbstverständlich kann
durchaus die Verwendung einer optischen Infrarotmeßeinheit
in Betracht gezogen werden, ohne jedoch bevorzugt zu sein.
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2 stellt
eine alternative Ausführungsform dar,
bei der die Meßmittel
aus einem mechanischen Fühler
bestehen, der von einem an dem Gestell 24 befestigten Innenkolben 44 gebildet
ist, auf dem ein Außenzylinder 46 gleiten
kann, dessen leicht abgerundetes Ende dazu bestimmt ist, (nach Durchqueren
des Nadelbetts und des Abstreifers) direkt mit der textilen Struktur
in Kontakt zu gelangen. Dieses Gleiten des Zylinders wird dadurch
sichergestellt, daß ein Fluid,
vorzugsweise komprimierte Luft, von einem an dem Gestell 24 befestigten
Steuermodul 48 aus gesteuert in den Kolben eingespritzt
wird. Der Druck des Fluids wird in Abhängigkeit von der Art der zu
nadelnden textilen Struktur (Härte,
Reaktion auf Zurückschnellen)
eingestellt und derart geregelt, daß jedwedes Zurückschnellen
des Zylinders auf diese textile Struktur vermieden wird. Überdies
weist der Zylinder an seinem oberen Teil einen reflektierenden Kragen 50 auf,
welcher dazu bestimmt ist, mit einer optischen Meßeinheit,
wie einem Laser- oder Infrator-Sender/Empfänger 52 zusammenzuwirken,
der ebenfalls an dem Gestell befestigt ist. Der Sender richtet seine
Strahlung zu dem Kragen des Zylinders, der diese nun in Richtung
auf den Empfänger
reflektiert. Da der Abstand Sender/Empfänger – wenn das Ende des Fühlers mit
dem Nadelungstisch in Kontakt ist – als durch eine vorherige
Messung bekannt vorausgesetzt wird, ist auch hier die Bestimmung
des Abstandes Sender/Empfänger,
wenn dieses Ende mit der Oberseite der textilen Struktur in Kontakt
ist, (durch die Analyse des Hin- und Rückweges des abgestrahlten Strahls)
ausreichend, um die Dicke der durch den Nadelungstisch getragenen
textilen Struktur präzise
zu bestimmen.
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Bei
den beiden vorgenannten Ausführungsformen
sind die Meßmittel 36 vorzugsweise
in einer Mittelebene der Nadelungskopfes 14 angeordnet,
die senkrecht zu einer Vorschubrichtung der textilen Struktur verläuft (selbstverständlich ist
es nicht verboten, deutlich davon abzuweichen). Sie können halbiert
werden, wenn diese textile Struktur in Form von zwei benachbarten
Platten vorliegt, die parallel zueinander unter dem Nadelungskopf
vorwärts
bewegt werden. Bei dieser in 3 dargestellten
Ausgestaltung kann der Nadelungskopf zwei unabhängige, Seite an Seite angeordnete
Nadelbetten aufweisen, wobei sich die Meßmittel nun im wesentlichen
in der Mitte eines jeden dieser Betten befinden. Um das Verstehen
dieser 3 zu erleichtern, zeigt sie die Maschine – im Rahmen
der vorhergehenden alternativen Ausführungsform – in zwei unterschiedlichen Position,
wobei die eine (linker Teil dieser 3) einer
Ruhestellung entspricht, wobei sich der Nadelungskopf in der angehobenen
Position befindet, und wobei die andere (rechter Teil) einer Position
dieses Kopfes an einem unteren Punkt maximalen Eindringens der Nadeln
entspricht.
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Die
Bestimmung des unteren Punktes maximalen Eindringens der Nadeln
erfolgt in Echtzeit durch einen Sensor 54, beispielsweise
induktiven oder optischen Typs, der mit dem Gestell fest verbunden
ist und der beispielsweise mit einem bestimmten Nockenprofil 56 der
Stange-Kurbel-Einheit 20 zum Steuern der vertikalen Hin-
und Herbewegung des Nadelungskopfes zusammenwirkt. Dieses Nockenprofil
ermöglicht,
einen Zeitraum (und nicht nur einen einzigen und kurzen Meßaugenblick)
während
der Abwärtsbewegung
des Nadelbetts, vorzugsweise in der Nähe des unteren Punktes zu definieren,
während
dem die Meßmittel 36 aktiv
sein werden und mehrere Messungen erfassen können, aus denen dann im Bereich
eines Verarbeitungsmoduls 58, das einerseits mit dem Sensor 54 und
andererseits mit den Meßmitteln 36 verbunden
ist, ein erster Mittelwert der Dicke der genadelten Schichten bestimmt wird.
Diese Messungen werden anschließend
für jeden
Schritt des horizontalen Vorschubs der textilen Struktur wiederholt,
wobei die Gesamtheit der am Ende eines gegebenen Durchlaufs erhaltenen
Werte eine Bestimmung des tatsächlichen
durchschnittlichen Eindringens der Nadeln ermöglicht, aus der die mit den
Verarbeitungsmitteln 58 verbundene Antriebsvorrichtung
des Nadelungstisches 30 die Vertikalbewegung des Nadelungstisches
im Hinblick auf den folgenden Durchlauf automatisch steuern kann, wobei
der Abwärtsbewegungsschritt
dieses Tisches derart geführt
wird, daß die
Nadeln um einen bestimmten Weg in die textile Struktur eindringen.
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Somit
läßt sich
das in der Maschine der Erfindung durchgeführte Nadelungsverfahren wie
folgt zusammenfassen. Zunächst
Anordnen einer zweiten Schichtdicke auf einer auf den Nadelungstisch
gelegten ersten Schichtdicke und Verbinden der Dicken der zwei auf
diese Weise übereinandergelegten Schichten
durch Hakennadeln eines Nadelungskopfes nach vorbestimmten Bedingungen,
anschließend Bewegen
des Nadelungstisches relativ zu dem Nadelungskopf um einen bestimmten
Bewegungsschritt, in Abhängigkeit
von der Position einer Oberseite der zwei übereinandergelegten Schichten,
die an einem unteren Punkt maximalen Eindringens der Nadeln durch
geeignete Meßmittel
gemessen wird, und schließlich
Anordnen einer dritten Schichtdicke auf den zwei vorhergehenden
und Verbinden dieser dritten Schichtdicke mit den zwei vorhergehenden entsprechend
den gleichen vorbestimmten Bedingungen. Diese Schritte werden anschließend für die folgenden
Schichten bis zum Erhalt der für
die textile Struktur gewünschten
Dicke wiederholt.
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Das
in den oben beschriebenen Maschinen durchgeführte Verfahren besteht darin,
auf dem Tisch 10 zunächst
eine Schicht, ja gar zwei übereinandergelegte
Schichten aufzulegen, die dann durch Nadelung mittels des Nadelbetts 16 verbunden
und gleichzeitig durch Vorschubwalzen 32, 34 über die
gesamte Länge
der textilen Struktur horizontal bewegt werden. Anschließend wird
der Tisch um einen bestimmten Bewegungsschritt heruntergefahren,
um eine dritte Schicht darauf anordnen zu können, die ihrerseits mit den
beiden anderen Schichten genadelt wird, und so weiter, bis die gewünschte Dicke
erhalten wird.
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Gemäß der Erfindung
ist dieser bestimmte Bewegungsschritt nicht fest oder einem vordefinierten
Abwärtsbewegungsgesetz
unterworfen, sondern ergibt sich aus dem tatsächlichen Eindringen der Nadeln
in die vorhergehenden Schichten der textilen Struktur, das am unteren
Punkt maximalen Eindringens der Nadeln gemessen wird, um die für diese textile
Struktur gewünschte,
tatsächliche
Nadelungsdichte zu erhalten, eine Dichte, die in der Dicke der textilen
Struktur konstant oder dynamisch ist. Somit wird im Zentrum der
Nadeln die Position der Oberseite dieser textilen Struktur gemessen,
um den Schritt der Abwärtsbewegung
des Nadelungstisches derart zu führen,
daß diese
Nadeln um einen bestimmten Weg in die textile Struktur eindringen.