DE69009019T2

DE69009019T2 - Verfahren zum Auflegen von Bändern.

Info

Publication number: DE69009019T2
Application number: DE69009019T
Authority: DE
Inventors: Howard Daniel Driver; Mark Brian Gruber; Walter Alan Phillips
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1989-12-06
Filing date: 1990-12-05
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2010-12-06
Also published as: CA2031048A1; DE69009019D1; PT96093A; EP0431916A2; JPH04110149A; JP3043436B2; AU6778790A; ATE105771T1; ES2052190T3; IE904362A1; KR910011435A; IL96489A0; EP0431916A3; EP0431916B1; RU2052353C1; DK0431916T3; AU627963B2

Description

Hintergrund

Diese Erfindung betrifft das Auflegen von Band auf eine Arbeitsfläche und insbesondere die Kontrolle des Bandes während des Auflegens.
Das automatische Auflegen von Band aus Endlosfilament und Wärmehärtbarem Harz ist das Verfahren, das zum Aufbau von großen flachen Strukturen gewählt wurde. Es hat sich als flexibel bei der Teilefertigung und bei der Kosteneinsparung gegenüber dem Auf legen mit der Hand erwiesen. Bei dem Auflegen des Bandes und bei dessen Legen in eine umgrenzte Form treten zwei Probleme auf.
Das erste Problem, die Kontrolle des Bandes während des Auflegens, wird durch mehrere Dinge bewirkt. Wenn das Band hergestellt ist, weist es manchmal eine natürliche Wölbung auf. Das heißt, daß sich das Band, wenn es abgewickelt wird, nicht geradlinig legt, sondern sich mit einer leichten Krümmung auflegt. Das ist zurückzuführen auf eine Spannungsschwankung der Faserkabel beim Imprägnieren. Das Problem, das während des Auflegens auftritt, besteht darin, daß die Bandabwickelmaschine versucht, gerade zu laufen, während das Band versucht, sich zu drehen. Das führt entweder zur Wölbung des Bandes längs der Ränder des Bandes, oder das Band neigt dazu, aus dem Führungssystem herauszugleiten. Dieser Verlust der Kontrolle des Bandes bei dessen Auflegen führt typischerweise zu Hohlräumen im Schichtstoff und muß ausgeschaltet werden.
Da sich vorimprägniertes Band aus Endlosfilament nicht dehnen kann, müssen die meisten Teile in einer flachen Form hergestellt werden. Dadurch entsteht das zweite Problem, das darin besteht, daß komplizierte Teile schwer mit Bandanlagen herzustellen sind, die mit vorimprägniertem Band mit Endlosfilamenten arbeiten. Heute ist die einzige Methode, mit der Konturteile als Band aufgelegt werden können ,die Einhaltung des natürlichen Wegs. Bei diesem Verfahren müssen die Konturen der Form mathematisch modelliert werden. Dann legt ein Computer einen natürlichen Weg (einen Weg senkrecht zur Oberfläche der Form) über die gesamte Kontur fest. Das ist der Weg, in dem das Band aufgelegt werden soll, ohne daß es sich krümmt. Leider gibt es dazu nur eine Lösung, und die braucht nicht die optimale Bandgestalt zu sein. Dadurch wird die Flexibilität der Konstruktion eingeschränkt, indem die Faserausrichtung des Teils begrenzt wird.
Durch diese beiden Probleme entsteht in der Bandauf legetechnik die Notwendigkeit eines Verfahrens, bei dem ein Band zum Einsatz kommt, das während des Auflegens kontrolliert werden kann, in eine Konturenform gelegt werden kann und nicht an einen natürlichen Weg gebunden ist, d.h. das Band muß steuerbar gemacht werden, ohne daß es sich krümmt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Verfahren zum Auflegen eines langgestreckten Bandes von begrenzter Breite, bestehend aus einer Matrix aus einem synthetischen organischen, mit geordneten Stapelfasern (im wesentlichen ausgerichteten diskontinuierlichen Fasern) verstärkten Polymerharz in einem gekrümmten Weg auf einer Oberfläche umfaßt folgende Stufen: Zuführen des Bandes von einem Ausgangspunkt zu der Oberfläche, Aufpressen des Bandes auf die Oberfläche, Führen des Bandes in dem Weg während des Aufpressens während der relativen Bewegung zwischen dem Band und der Oberfläche, Aufheizen des Bandes vor dem Aufpressen und Ziehen der Fasern durch Aufbringen einer ausreichenden Spannung auf das Band zwischen dem Ausgangspunkt und der Aufpreßstufe, um die Fasern über die gesamte Breite des Bandes unter Spannung zu halten, während das Band in dem Weg geführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische schematische Darstellung eines Bandauflegekopfes zum praktischen Ausführung der Erfindung.
Fig.2 ist eine schematische Seitenansicht von Fig. 1.
Fig.3 und Fig.4 sind schematische Darstellungen, die erwünschte bzw. unerwünschte Spannungsverteilungen über die gesamte Breite eines Bandes während des Auflegens des Bandes veranschaulichen.

Ausführliche Beschreibung der dargestellen Ausführungsform

In Fig. 1 der Zeichnung ist der Bandauflegekopf allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet und umfaßt einen Rahmen 12, auf dem eine Rolle 16 eines Bandes 14 aus mit Fasern verstärktem Harz befestigt ist. Die Rolle 16 sitzt auf einer drehbaren, mit einer (nicht dargestellten) Magnetkupplung versehenen Spindel 18. Ein Messer 20, ein Heizgerät 22, ein Druckfuß 24 und eine angetriebene Aufwickelrolle 26 für das Trägerpapier des Bandes sind ebenfalls am Rahmen 12 angebracht. Der Druckfuß 24 kann die Form eines Schuhs (wie dargestellt) aufweisen oder eine drehfähige Walze sein. Der Rahmen 12 ist so befestigt, daß er sich relativ gegenüber einer Arbeitsfläche 11 bewegen kann. Der Kopf 10 läßt sich mit der Hand oder mit einem am Rahmen 12 angebrachten Greifer bewegen.
Wird der Rahmen 12 bewegt, so wird ein mit Fasern verstärktes Band aus synthetischem organischem Polymerharz 14 gegen eine gewünschte Größe einer Spannung, die durch eine in die Spindel 18 eingebaute Magnetkupplung aufgebracht wird, von einer auf einer Spindel 18 befestigten Rolle 16 gezogen. In der schematischen Darstellung in Fig. 2 ist die Vorrichtung zum Aufbringen einer Rückspannung als ein Gewicht 28 an einer Bandbremse dargestellt. Das Band 14 läuft unter Spannung am Messer 20 vorbei, durch das Heizgerät 22 und unter dem Druckfuß 24 hindurch, der das sich vorwärtsbewegende Band 14 oben auf die Arbeitsfläche 11 preßt, die die Oberschicht einer teilweise aufgebauten Verbundkonstruktion ist, oder, wenn das aufgelegte Band die Oberschicht einer Konstruktion bildet, wird dasselbe gegen die Arbeitsfläche 11 gepreßt, die mit dem zur Herstellung des Bandes verwendeten Harz beschichtet ist.
Bei Betrieb ist eine Rolle 16 eines Bandes 14 auf der Spindel 18 befestigt, und wenn das Band abgewickelt wird, dann verfolgt es einen Weg vorbei am Messer 20 (das das Band am Ende einer Lage abschneidet) und in ein Heißluftaufheizsystem 22, wo unmittelbar vor dem Aufsetzen des Druckfußes 24 Wärme auf das Band und auf die Auflegearbeitsfläche einwirkt. Das Band wird mittels des Druckfußes nach unten auf die Arbeitsfläche gedrückt, und das Trägerpapier wird nach dem Auflegen mittels der Aufwickelwalze 26 vom Band abgezogen.
Bei der Faserverstärkung handelt es sich vorzugsweise um eine Filament-Endlosfaser, die zu kurzen (1 bis 3" langen) Fasern umgebildet wurde, die alle durch einen Reißprozeß in im wesentlichen gleicher Richtung ausgerichtet wurden (geordnete Stapelfasern), wie im USA-Patent Nr. 4,759,985 beschrieben. Das Reißkabel weist Filamente auf, die in hohem Maße ausgerichtet sind, wodurch das Kabel einen Vorteil gegenüber Endloskabeln in dem Sinne erhält, daß sich dieses strecken läßt. Eine Vielzahl solcher Kabel wird dann in eine Vorimpregniermaschine geführt, die die Verstärkungsfasern mit einem synthetischen organischen Polymer kombiniert (12"-Labormaschine, hergestellt von California Graphite Machinery, Inc.). Das Band wird dann auf genaue Breite zugeschnitten und auf einen Kerm gewickelt. Bei den Fasern handelt es sich vorzugsweise um Kohlenstoffasern, Aramidfasern oder um Glasfasern, und geeignete Harze sind thermoplastische Harze, wie zum Beispiel Polyester- oder Polyamidharze, wärmehärtbare Harze, wie zum Beispiel Phenolvinylester, und Epoxidharze. Polyimidpolymerharze, wie zum Beispiel Avamid K von E. I. du Pont de Nemours and Company, eignen sich ebenfalls zum Gebrauch.
Das folgende ist wichtig für das Verfahren zum Auflegen eines steuerbaren Bandes, ohne das Band zu verkrümmen:
o Rückspannung - hält das Band unter Spannung und zieht das Band, wenn sich der Kopf dreht.
o Bandaufheizen - Band wird unmittelbar vor dem Auflegen erhitzt. Dadurch vermindert sich die Viskosität des Harzes und damit die zum Ziehen des Bandes erforderliche Belastung.
o Aufpreßstufe - Band muß auf die Arbeitsfläche aufgepreßt werden, um dessen Bewegung zu verhindern (es wird dann durch die Klebrigkeit des Harzes festgehalten).
Alle diese Bedingungen sind von Bedeutung, so daß während des Auflegens alle Fasern unter Spannung stehen (Fig. 3). Ist die Rückspannung nicht hoch genug oder ist das Band zu kühl, so werden einige der Fasern während des Auflegens zusammengepreßt (Fig.4), und das führt zur Krümmung des Bandes, die unerwünscht ist.

Beispiel I

Es wurden Bänder aus geordneten Kohlenstoff-Stapelfasern und Epoxidharz und aus geordneten Aramid-Stapelfasern und Epoxidharz (934 Epoxy-Fiberite)) hergestellt. Die Bänder wurden in Radius-Tests geprüft. Beim Radius-Test wird das Band in immer kleineren Radien aufgelegt, bis sich die Innenkante des Bandes zu krummen beginnzt. Die Testbedingungen und -ergebnisse für die verschiedenen Bänder sind in den folgenden Tabellen ausgewiesen. In jedem Falle wurde eine Rückspannung von 18 lbs. angelegt. Tabelle I Geordnete Kohlenstoff-Stapelfasern und Epoxidharz Radius (Zoll) Bandtemp. (ºC) Fußdruckkraft (Lbs.) Beobachtung Gut Randknitter Tabelle II Geordnete Aramid-Stapelfasern und Epoxidharz Radius (Zoll) Bandtemp. (ºC) Fußdruckkraft (Lbs.) Beobachtung Gut Randknitter Randknitter

Beispiel II

In einem Auflegetest für eine Form wurde ein Band aus geordneten Kohlenstoff-Stapelfasern und Polyimid (Avamid K von E. I. du Pont de Nemours and Company) geprüft. Bei dem Auflegetest auf die Form wurde ein Band in eine taschenförmige Form gelegt und verglichen, wie sich das Material der Gestalt der Form anpaßt und wieviel Bandbewegung nach dem Auflegen auftritt. Diese Form besaß quadratische Taschen für Polsterflächen. Das Band aus geordneten Kohlenstoff-Stapelfasern und Polyimid wurde in der Ecke der Tasche aufgelegt und hob sich nicht von der Oberfläche der Form ab. Der Grund dafür war, daß sich die Fasern dehnen und strecken können, um die zusätzlichen vorspringenden Flächen auszugleichen. Band aus mit Endlosfilamenten verstärktem Harz lassen sich nicht in den Ecken dieser Taschen auflegen, ohne daß sich das Band von der Oberfläche der Form abhebt. Durch die Endlosfilamentfasern wird es dem Band unmöglich, sich an die Ecken anzupassen.

Claims

1. Verfahren zum Auflegen eines langgestreckten Bandes von begrenzter Länge in einem gekrümmten Weg auf einer Oberfläche, wobei das Verfahren umfaßt Zuführung eines Bandes, bestehend aus einer Matrix aus synthetischem organischem, mit geordneten Stapelfasern verstärktem Polymerharz, von einem Ausgangspunkt zu der Oberfläche, Aufpressen des Bandes auf die Oberfläche, Führen des Bandes in dem Weg während des Aufdrückens während der relativen Bewegung zwischen dem Band und der Oberfläche, Aufheizen des Bandes zur Reduzierung der Viskosität des Harzes vor dem Aufpressen, und Ziehen der Fasern durch Aufbringen einer ausreichenden Spannung auf das Band zwischen dem Ausgangspunkt und der Aufpreßstufe, um die Fasern über die gesamte Breite des Bandes unter Spannung zu halten, während das Band in dem Weg geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Fasern Kohlenstoffasern sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Fasern Aramidfasern sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Fasern Glasfasern sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin das Harz ein wärmehärtbares Harz ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin das Harz ein Polyimidpolymerharz ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin das Harz ein thermoplastisches Harz ist.