DE69106404T2

DE69106404T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbundelement-Herstellung aus widerstandsfähigen Fasern.

Info

Publication number: DE69106404T2
Application number: DE69106404T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Darrieux
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1991-01-21
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-01-22
Also published as: US5095833A; CA2036985A1; FR2658841A1; EP0444971A1; NO910737D0; IE910306A1; US5350615A; JPH0610257A; NO176930B; IE61078B1; JP2891788B2; ATE116699T1; DE69106404D1; ES2069228T3; NO176930C; FR2658841B1; EP0444971B1; NO910737L

Description

Gegenstand dieser Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwirklichung von Armierungselementen aus dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern. Sie bezieht sich auch auf Verbundteile, die aus diesen Armierungselementen nach deren Imprägnierung mit einem härtbaren Bindemittel, wie einem Kunstharz, erzielt wurden.
Aus den amerikanischen Patenten US-A-2 283 802 und US-A-3 322 868 beispielsweise ist bereits ein Verfahren zur Verwirklichung von Elementen aus dreidimensional verteilten Fasern bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren wird ein Substrat aus solchen, in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern gebildet, dann werden die Fasern des Substrats durch Steppen miteinander verbunden, indem eine Endlosfaser mit einer Nadel, der eine Hin- und Herbewegung aufgegeben wird, in das Substrat eingeführt wird, während gleichzeitig eine relative Verschiebung der Nadel gegenüber dem Substrat stattfindet, so daß die Endlosfaser innerhalb des Substrats eine gebrochene Stepplinie bildet.
Die Anwendung derartiger Verfahren bereitet keinerlei Schwierigkeiten, wenn die beiden Seiten des Substrats freiliegen, da die Nadel dann auf einer der Seiten in das Substrat eindringen und auf der entgegensetzten Seite dieses wieder verlassen kann. Wenn das Substrat auf einer Unterlage liegt, ist dagegen eine spezielle Ausführung dieser Unterlage erforderlich.
In dem amerikanischen Patent US-A-4 080 915, in dem die Unterlage starr ist, werden in diesem zum Beispiel öffnungen vorgesehen, damit das Nadelende ohne abzubrechen eindringen kann. Es ist zu bemerken, daß durch eine solche lösung die Steppmöglichkeiten stark begrenzt werden, da die Anzahl der in der Unterlage angebrachten Öffnungen notgedrungen begrenzt ist und sich die Nadel bei jedem Stich unbedingt gegenüber einer solchen Öffnung befinden muß. In diesem früheren Patent wird somit vorgesehen, daß die Öffnungen aus länglichen Spalten bestehen und die Stepplinien in Übereinstimmung mit den Spalten geradlinig verlaufen. Es ist also ersichtlich, daß nicht nur die Dichte der Steppstiche im Substrat klein sein muß, sondern daß die Form der Stepplinien und die Verteilung der Steppstiche ein für allemal durch die Öffnungen vorgegeben werden.
Im amerikanischen Patent US-A-4 863 660 wird dagegen vorgesehen, daß die Unterlage aus einem Schaumstoff oder einem ähnlichen Material hergestellt wird, in das die Spitze der Nadel eindringen kann. In diesem Fall besteht hinsichtlich der Dichte der Steppstiche oder der Form der Stepplinien keine Beschränkung mehr, die Unterlage muß jedoch aus einem leicht zerstörbaren Material bestehen, damit das Substrat von der Unterlage abgenommen werden kann.
Gegenstand dieser Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben und das Steppen eines Fasersubstrats auf einer Unterlage zu ermöglichen, ohne daß dabei die Dichte der Steppstiche oder die Form der Stepplinien begrenzt wird und die Unterlage eine spezielle Ausführung verlangt.
Dazu ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwirklichung von Armierungselementen aus dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern, bei dem in ein Substrat auf einer Unterlage, das aus derartigen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern besteht, von der freien, der Unterlage entgegengesetzten Seite des Substrats aus eine Endlosfaser mit einer Nadel eingesteppt wird, die eine Hin- und Herbewegung ausführt, wobei außerdem zwischen der Unterlage und der Nadel eine relative Verschiebung erzeugt wird, so daß die Endlosfaser innerhalb des Substrats aus einer Folge von Segmenten besteht, die eine gebrochene Stepplinie bilden, dadurch bemerkenswert, daß die Nadel gebogen ist und jedem Segment der Endlosfaser eine ähnliche gebogene Form verleiht, und dadurch, daß die Hin- und Herbewegung der gebogenen Nadel durch Drehung um eine senkrecht zur Nadelebene verlaufende Achse auf der konkaven Seite derselben erfolgt. Vorzugsweise hat die gebogene Nadel eine runde Form und verläuft die Drehachse koaxial zur Nadel.
Durch die Erfindung kann damit bewirkt werden, daß die gebogene Nadel während ihrer Hin- und Herbewegung die Oberfläche der Unterlage, auf der sich das Substrat befindet, maximal tangiert. Die gebogene Nadel braucht also zur Durchführung des Steppvorgangs nicht in die Unterlage einzudringen, so daß die Unterlage dazu nicht besonders ausgeführt werden muß. Daraus ergibt sich also außerdem, daß der Nadel jeder gewünschte Weg aufgegeben werden kann und daß die gewünschte Dichte und Verteilung der Steppstiche beliebig sein können.
Während ihrer Hin- und Herbewegung kann die gebogene Nadel zum Beispiel die Seite der Unterlage tangieren, auf der sich das Substrat befindet. Von der Seite der Unterlage, auf der sich das Substrat befindet, kann die gebogene Nadel dagegen in einem Abstand verbleiben.
Am Ende des Hinweges und zu Beginn des Rückweges kann die Spitze der gebogenen Nadel außerdem über die freie Seite des Substrats überstehen oder in das Substrat eingestochen werden.
Die relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel kann zudem geradlinig oder bogenförmig sein.
Diese relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel kann parallel zur Ebene der Nadel erfolgen. Sie kann ebenfalls senkrecht zur Ebene der Nadel erfolgen.
Außerdem kann die relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel gegenüber der Ebene der Nadel um einen von 90º abweichenden Winkel geneigt sein.
Im allgemeinen erfolgt die relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel in der Weise, daß die Drehachse der Nadel einen konstanten Abstand zur Unterlage behält. Bei der relativen Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel kann die Drehachse der Nadel jedoch abweichen und sich der Unterlage annähern, zum Beispiel um aus der Nadel die für die Bildung eines Steppstichs erforderliche Fasermenge herauszuziehen.
Diese Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens.
Dazu ist die Vorrichtung zur Verwirklichung von Armierungselementen aus dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern mit:
. einer Unterlage, auf der sich ein Substrat aus derartigen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern befindet;
. einer Nadel, die in das Substrat von der freien, der Unterlage entgegengesetzten Seite aus eine Endlosfaser einführen kann; Mitteln, um der Nadel eine Hin- und Herbewegung zu verleihen und Mitteln zur Erzeugung einer relativen Verschiebung der Unterlage gegenüber der Nadel;
dadurch bemerkenswert, daß:
- die Nadel gebogen ist und dazu dient, die Endlosfaser innerhalb des Substrats zu führen und
- Mittel vorgesehen sind, mit denen die Nadel bei der hin- und hergehenden Drehbewegung um eine Achse senkrecht zur Ebene der Nadel auf der konkaven Seite derselben gesteuert werden kann.
Zur Führung der Faser kann die gebogene Nadel einen Innenkanal haben, der in der Nähe der Spitze der Nadel in einem seitlichen Öhr mündet. Vorzugsweise befindet sich das seitliche Nadelöhr in der Vertiefung der Nadel.
Als Variante kann die gebogene Nadel längs ihrer Ausbauchung eine Fadenführungsrille und in ihrer Vertiefung in der Nähe ihrer Spitze ein seitliches Öhr haben, wobei das Öhr über einen Durchgang mit der Rille in Verbindung steht.
Die gebogene Nadel kann in der Nähe ihrer Spitze ebenfalls einen nach ihrer Vertiefung gerichteten Haken haben, der durch eine Klappe verschlossen werden kann. Diese Klappe kann durch eine Vorrichtung oder automatisch durch die Faser und das Substrat gesteuert werden.
Vorteilhafterweise befindet sich die NadeL in einem Nadelhalter, der gelenkig um die Drehachse der Nadel an einem gegenüber der Unterlage verschiebbaren Arm angeordnet ist. Vorzugsweise ist am Nadelhalter eine steuerbare Fadenklemme angebracht und enthält der Arm für die Nadel eine Faserreserve.
Gegebenenfalls hat der Arm außerdem einen Mechanismus, mit dem die Faser am Nadelausgang zwischen jedem Steppstich angezogen werden kann. der Arm kann auch einen Mechanismus haben, mit dem eine Schlinge gebildet werden kann, wenn die Nadel, nachdem sie in das Substrat eingedrungen ist, die freie Oberfläche desselben verläßt.
Vorzugsweise ist der Arm mit einer Maschine verbunden, durch die er gegenüber der Unterlage verschoben werden kann.
Eine solche Unterlage kann feststehend sein. Im entgegengesetzten Fall kann sie aus einem Drehdorn bestehen.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit ein Armierungselement aus dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern, wobei das Armierungselement ein aus solchen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern bestehendes Substrat umfaßt und dadurch bemerkenswert ist, daß es in der Dicke des Substrats angeordnete bogenförmige Fasersegmente hat.
Aus diesem Armierungselement kann durch Imprägnieren des Elements mit einem härtbaren Bindemittel ein Verbundteil hergestellt werden. Das so erhaltene Teil kann gegebenenfalls wenigstens oberflächlich bearbeitet werden, so daß sich ein endgültiges Teil ergibt.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung verwirklicht werden kann. In diesen Figuren werden gleiche Elemente mit identischen Bezugsnummern bezeichnet.
Figur 1 ist eine schematische perspektivische Teilansicht, die das Verfahren und die Vorrichtung entsprechend der Erfindung zum Steppen mit Hilfe einer gebogenen Hohlnadel zeigt, durch die die Steppfaser verläuft.
Figur 2 ist ein Schnitt durch die Mittelebene der Hohlnadel von Figur 1.
Die Figuren 3a1, 3b1, 3c1 und 3d1 sind schematische Darstellungen, die verschiedene Anwendungen des Verfahrens dieser Erfindung veranschaulichen.
Die Figuren 3a2, 3b2, 3c2 und 3d2 sind schematische Darstellungen, die weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen.
Figur 4 zeigt ähnlich wie die Ansicht von Figur 1 eine Ausführungsvariante der für das Verfahren der Erfindung verwendeten Nadel.
Figur 5 ist ein Schnitt durch die Mittelebene der Nadel von Figur 4.
Figur 6 ist ein Querschnitt der Nadel von Figur 4 entsprechend Linie VI-VI von Figur 5.
Die Figuren 7 und 8 zeigen ähnlich wie die Ansichten der Figuren 1 und 4 weitere Ausführungsvarianten der für das Verfahren der Erfindung verwendeten Nadel.
Figur 9 zeigt in einer schematischen Seiten-Teilansicht eine Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Figuren 10 und 11 veranschaulichen zwei Anwendungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren 12a bis 12f veranschaulichen mehrere Stufen einer weiteren Anwendungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren 13 und 14 zeigen als Aufriß im Teilschnitt entsprechend zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Steppkopfes.
Figur 15 zeigt in der Perspektive eine Steppmaschine mit dem Kopf der Figuren 13 und 14.
Figur 16 veranschaulicht die Herstellung eines endgültigen Verbundteils durch Bearbeiten eines Rohlings, nachdem ein erfindungsgemäßes Armierungselement mit einem härtbaren Bindemittel imprägniert wurde.
In Figur 1 ist eine Unterlage 1 dargestellt, auf der sich ein Substrat 2 aus widerstandsfähigen Fasern sowie eine Steppnadel 3.1 befinden, durch die eine Faser 4 in das Substrat 2 eingeführt werden soll.
Die Unterlage 1 kann aus jedem gewünschten Material, wie metallischem Material, hergestellt und gegebenenfalls mit einer Beschichtung (nicht dargestellt) zum Beispiel aus Polytetrafluorethylen versehen werden. Sie kann jedoch auch aus Schaumstoff, wie in der Technik bekannt, hergestellt werden. Entsprechend der Form des zu erzielenden Armierungselements kann sie aus einer einfachen Platte (wie in Figur 1 dargestellt) oder aus einem Dorn mit einer Rotationsform bestehen, der während des Steppvorgangs in Drehung versetzt wird (Figur 15).
Das Substrat aus widerstandsfähigen Fasern 2 kann zweidimensional sein und aus Fasern bestehen, die in wenigstens zwei Richtungen gekreuzt sind. In diesem Fall bildet die Faser 4 die dritte Dimension des Substrats. Das Substrat 2 kann jedoch auch dreidimensional sein, so daß die Faser 4 dann eine Verstärkung für die dritte Dimension bildet. Das Substrat 2 kann auf der Unterlage 1 gebildet oder anderweitig hergestellt und dann auf die Unterlage gebracht und bogenförmig gesteppt werden.
Die widerstandsfähigen Fasern von Substrat 2 und die Faser 4 können aus verschiedenen bekannten Materialien bestehen, z. B. aus Glas, Kohlenstoff, Bor, KEVLAR (eingetragenes Warenzeichen) usw.
Wie ebenfalls in Figur 2 zu sehen ist, hat die Nadel 3.1 eine runde Form mit dem Mittelpunkt 5. Sie ist hohl und enthält einen Innenkanal 6, der in einem seitlichen Nadelöhr 7 mündet, das sich an die Spitze 8 der Nadel anschließt und in deren Vertiefung angeordnet ist. Auf der der Spitze 8 entgegensetzten Seite mündet der Innenkanal 6 in einer Öffnung 9. Im Innenkanal 6 verläuft die Faser 4, für die die Öffnung 9 den Eingang und das seitliche Öhr 7 den Ausgang darstellen. Um zu vermeiden, daß die Faser 4 durch Reibung an den Wänden von Öffnung 9 und seitlichem Öhr 7 beschädigt wird und gegebenenfalls reißt, hat der Innenkanal 6 im Bereich der Öffnung 9 eine abgerundete Aufweitung 10, während am Rand von Öhr 7, entgegengesetzt zur Spitze 8 ein abgerundeter Innenwulst 11 vorgesehen ist.
Das Ende der Nadel 3.1, das der Spitze 8 entgegengesetzt ist, ist in einem Nadelhalter 12 befestigt, dem bei Drehung um eine Achse 13-13, die durch den Mittelpunkt 5 von Nadel 3.1 und wenigstens annähernd senkrecht zu deren Ebene verläuft, eine Hin- und Herbewegung (siehe Doppelpfeil F) aufgegeben werden kann. Zudem wird zwischen der Gesamtheit Unterlage 1 und Substrat 2 einerseits, und der Nadel 3.1 andererseits eine relative Verschiebung erzeugt.
Wenn diese relative Verschiebung, wie in Figur 1 dargestellt, in einer Richtung f1 parallel zur Achse 13-13 erfolgt, ist leicht einsehbar (gegebenenfalls anhand der nachfolgenden Zusatzinformationen), daß die Nadel 3.1 bei jeder Hinbewegung (Drehung im Uhrzeigersinn nach Figur 1) in das Substrat 2 ein gebogenes Segment 4a der Faser 4 einführt und bei jeder Rückbewegung (Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn nach Figur 1) in das Substrat 2 ein gebogenes Segment 4b von Faser 4 einführt, wobei das Segment 4b eines Segmentpaares 4a,4b mit dem Segment 4a des folgenden Segmentpaares 4a,4b parallel zur Achse 13-13 durch eine Brücke 4c verbunden ist, die während der relativen Verschiebung f1 entsteht, während auf der den Brücken 4c entgegengesetzten Seite die beiden Segmente 4a und 4b ein und desselben Paares miteinander durch eine Schlinge 4d verbunden werden.
Entsprechend dem Krümmungsradius von Nadel 3.1, der Höhe h von Achse 13-13 über dem Substrat 2 und der Dicke e des Substrats sind zudem zahlreiche Steppformen möglich. Einige sind in den Figuren 3a1, 3b1 und 3c1 dargestellt, die schematischen Ansichten nach Linie III-III von Figur 1 entsprechen und in denen die Segmente 4a und 4b im Interesse der Klarheit in Richtung der Dicke von Substrat 2 versetzt dargestellt wurden.
Zum Beispiel wurde in Figur 3a1 eine Steppform dargestellt, bei der die Segmente 4a und 4b die Seite 1a von Unterlage 1, auf der sich das Substrat 2 befindet, berühren und die Schlingen 4d außerhalb der freien Seite 2a des Substrats, in das die Nadel 3.1 eindringt, erscheinen. Eine solche Steppform ist vorteilhaft, wenn eine Unterlage 1 verwendet wird, in die die Nadel 3.1 nicht eindringen kann (zum Beispiel metallische Unterlage), und wenn die Segmente 4a und 4b eine Verstärkung über die gesamte Dicke von Substrat 2 bilden sollen.
Es ist jedoch selbstverständlich, daß, wenn die Unterlage 1 aus einem Material besteht, in das die Nadel 3.1 leicht eindringen kann, die Segmente 4a und 4b wenigstens durch die Oberflächenschicht der Unterlage verlaufen könnten. Das ist besonders vorteilhaft, wenn die Unterlage 1 aus einem Material besteht, das außerdem nach der Verwirklichung des Armierungselements zerstört werden kann.
Im Beispiel von Figur 3b1 befinden sich die Schlingen 4d ebenfalls außerhalb von Substrat 2, auf dessen freier Seite 2a, die Segmente 4a und 4b dringen in das Substrat jedoch nicht bis zu Seite 1a von Unterlage 1 ein. In diesem Fall können die Segmente 4a und 4b eine Oberflächenverstärkung von Substrat 2 darstellen.
Im Beispiel von Figur 3c1 hingegen werden die Schlingen 4d innerhalb des Substrats 2 zum Beispiel in Höhe der freien Seite 1a von Unterlage 1 gebildet und werden durch den durch Substrat 2 ausgeübten Druck und seine Reibung an Ort und Stelle gehalten. In Figur 3d1 wurde angenommen, daß ein erster Steppvorgang entsprechend Figur 3c1 und dann ein zweiter gleicher Steppvorgang symmetrisch zum ersten bezogen auf die durch Achse 13-13 senkrecht zu Unterlage 1 verlaufende Ebene durchgeführt wurde.
Statt der relativen Verschiebung f1 parallel zur Achse 13-13 zwischen der Unterlage 1 und der Nadel 3.1, wie oben beschrieben, wurde in den Figuren 3a2 bis 3d2 eine geradlinige Verschiebung parallel zu einer Richtung f2 senkrecht zur Achse 13-13 veranschaulicht. Diese Steppart wird im übrigen im einzelnen als Beispiel bezogen auf die Figuren 10, 11 und 12a bis 12f beschrieben.
Jede der Figuren 3a2 bis 3d2 entspricht der Figur 3a1 bis 3d1 mit identischem Index a,b,c oder d. In diesem Fall verlaufen die Brücken 4c nicht senkrecht zur Zeichnungsebene, wie in den Figuren 3a1 bis 3d1 (die angrenzenden Segmentpaare 4a,4b überlagern sich so), sondern parallel zur Ebene der Figuren 3a2 bis 3d2, so daß sie auf diesen somit, wie auch mehrere aufeinanderfolgende gebogene Segmentpaare 4a,4b, sichtbar sind.
Natürlich erfolgt die relative Verschiebung der Nadel 3.1 gegenüber der Unterlage 1 nicht zwangsläufig nach einer der Richtungen f1 oder f2. Eine solche relative Verschiebung könnte nach jeder anderen Richtung, z.B. in einem Winkel von 450 gegenüber f1 oder f2, stattfinden. Außerdem ist verständlich, daß diese relative Verschiebung nicht zwangsläufig linear verlaufen muß und daß eine bogenförmige, z.B. eine runde, schraubenförmige, spiralförmige Linie usw. oder eine Kombination derselben, verfolgt werden kann.
In den Figuren 4,5 und 6 wurde eine erste Ausführungsvariante 3.2 der Nadel 3.1 veranschaulicht. Die Nadel 3.2 ist ebenfalls rund mit einem Mittelpunkt 5. Sie ist jedoch nicht hohl, sondern massiv und hat entlang ihrer Ausbauchung eine Fadenführungsrille 14. An der Seite der Spitze 8 hat sie ein nach der Vertiefung gerichtetes Öhr 15, das über einen Durchgang 16 mit der Rille 14 in Verbindung steht. Es ist leicht einsehbar, daß die Nadel 3.2 entsprechend Nadel 3.1 funktioniert und die Faser 4 nicht mehr durch den Innenkanal 6, sondern durch die Rille 14 bis zum Öhr 15 geführtwird (siehe Figur 4).
Die zweite Ausführungsvariante 3.3 der Nadel 3.1, die in Figur 7 gezeigt wird, ist rund mit einem Mittelpunkt 5. An der Seite ihrer Spitze 8 hat sie einen nach ihrer Vertiefung gerichteten Haken 17, der mit einer Klappe verschlossen werden kann, die aus dem Ende einer runden Stange 18 besteht, die unter Einwirkung einer Verschiebungssteuerung 20 innerhalb eines Kanals 19 in der Nadel gleiten kann. Die Funktion der Nadel 3.3 unterscheidet sich etwas von der der Nadeln 3.1 und 3.2. Bei geschlossener Klappe der Nadel 3.3 durchdringt die Nadel bei ihrer Hinbewegung das Substrat 2 und verläßt dieses auf dessen freier Seite. Die Klappe öffnet sich, und der Haken 17 erfaßt die Faser 4, die durch eine Hilfsvorrichtung 21 herangeführt wurde, danach schließt sich die Klappe wieder, und die Nadel 3.3 zieht die Faser 4 während ihrer Rückbewegung durch das Substrat und bildet gleichzeitig die Segmente 4a und 4b eines Segmentpaars, wobei die Faser von Haken 17 im Bereich einer Schlinge 4d erfaßt wird. Nachdem die Nadel 3.3 wieder aus der Oberfläche 2a ausgetreten ist, bildet sie die Schlinge 4d, und ein neuer Zyklus kann beginnen. Auf diese Weise verläuft die Schlinge bei ihrer Bildung durch die vorher hergestellte Schlinge, so daß die Schlingen 4d miteinander durch einen Kettenstich verbunden sind. Es ist zu bemerken, daß die Nadel 3.3 am Ende ihrer Hinbewegung die freie Seite 2a von Substrat 2 verlassen muß, so daß die in den Figuren 3c1, 3d1, 3c2 und 3d2 veranschaulichten Steppformen nicht verwirklicht werden können.
In der dritten Ausführungsvariante 3.4 der Nadel 3.1, die in Figur 8 gezeigt wird, funktioniert die Klappennadel 3.1 analog Nadel 3.3. In diesem Fall ist die Klappe 22 jedoch drehbar und automatisch und öffnet sich bei den Hinbewegungen der Nadel unter dem Druck der gebildeten Schlinge 4d, die sich zum Teil in einer Lagerung 23 in der Vertiefung der Nadel angeordnet hat. Bei der Rückbewegung wird die Klappe durch den Druck des Materials von Substrat 2 in die geschlossene Stellung von Haken 17 geschwenkt.
In Figur 9 ist die Vorrichtung von Figur 1 vervollständigt von der Seite dargestellt. In dieser Figur 9 ist ein Arm 30 gezeigt, der mit nicht dargestellten Bewegungsmitteln einer Maschine verbunden ist, so daß er sich gegenüber der Unterlage 1 verschieben kann, und der an seinem der Unterlage 1 gegenüberliegenden Ende den Nadelhalter 12 enthält, der durch ein Gelenk 31 um die Achse 13-13 gelenkig angeordnet ist. Außerdem ist am Nadelhalter 12 auf der der Spitze 8 entgegengesetzten Seite der Öffnung 9 von Nadel 3.1 eine Fadenklemme 32 angeordnet. Diese Fadenklemme hat zum Beispiel einen feststehenden Teil 32a und einen steuerbaren beweglichen Teil 32b, der sich an den Teil 32a anstellen oder von diesem abstellen kann, so daß die zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Teil 32a und 32b verlaufende Faser 4 entweder zwischen denselben durchlaufen oder aber geklemmt werden kann.
Figur 10 veranschaulicht eine Funktionsart der Vorrichtung von Figur 9, die hauptsächlich bei Substraten 2 von geringer Dicke eingesetzt wird. Bei dieser Funktionsart vollführt die Nadel 3.1 am Ende des vorangegangenen Stichs bei geöffneter Fadenklemme 32 eine Rückbewegung um die Achse 13-13 in der Größe A, die ausreicht, daß die die Nadel verlassende Länge 33 der Faser 4 zwischen Öhr 7 und Substrat 2 der Summe der Längen von Brücke 4c, gebogenem Segment 4a und Schlinge 4d entspricht. Nachdem die Fadenklemme 32 geschlossen wurde, können also die Brücke 4c und das gebogene Segment 4a ausgeführt werden, indem die Nadel 3.1 um ihre Achse 13-13 aus dieser Rückkehrstellung in Richtung von Substrat 2 gedreht wird. Wenn die Nadel 3.1 am Ende ihres Stepphubs angelangt ist, öffnet sich die Fadenklemme 32, bevor die Nadel ihren Rückhub beginnt. Somit bildet sich während des Rückhubs der Nadel 3.1 das gebogene Segment 4b zum Beispiel durch die Reibung von Substrat 2 an Faser 4. Wenn diese Reibung nicht ausreichend ist, könnte natürlich, wie nachstehend zu sehen ist, ein Schlingenhalter 4d eingesetzt werden.
In der in Figur 11 veranschaulichten Funktionsvariante verschiebt sich Arm 30 senkrecht zu Unterlage 1. Die Achse 13-13 kann von einer ersten Stellung 13.1, in der sie sich in der Nähe von Unterlage 1 befindet, in eine von dieser entfernte Stellung 13.2 und dann in eine zweite angenäherte Stellung 13.3 verlagert werden. Bei dieser Ab- und Anstellbewegung von Achse 13-13 an das Substrat 2 kann zusammen mit dem Rückhub von Nadel 3.1 um Achse 13-13 eine Verschiebungsgröße B erzielt werden, die ausreicht, um am Ausgang der Nadel bei geöffneter Fadenklemme 32 eine Länge 34 von Faser 4 freizugeben, die der Summe der Längen von Brücke 4c, Segment 4a und Schlinge 4d entspricht. Diese Faserlänge 34 wird in das Substrat 2 eingestochen, wenn die Achse 13-13 ihre angenäherte Stellung 13.3 einnimmt.
Die Figuren 12a bis 12f veranschaulichen noch eine weitere Funktionsart. In Figur 12a wurde die Nadel 21 um den der Brücke 4c entsprechenden Schritt p verschoben, und am Ausgang von Nadel 3.1 ist eine adäquate Länge 35 von Faser 4 vorhanden. Außerdem ist die Fadenklemme 32 geschlossen. Der Steppvorgang beginnt mit der Drehung von Nadel 3.1 (Figur 12b) und setzt sich solange fort, bis nach dem Einfügen von Segment 4a die Schlinge 4d auf der Seite 2a (Figur 12c) erscheint. Ein Schlingenhalter 36 erfaßt die Schlinge 4d. Die Fadenklemme 32 öffnet sich, und die Nadel 3.1 vollführt unter Bildung von Segment 4b ihren Drehrückhub (Figur 12d). Am Ende des Rückhubs (Figur 12e) wird Faser 4 zur Bildung der Länge 35 am Ausgang von Nadel 3.1 von einem Organ 37 erfaßt. Die Fadenklemme 32 schließt sich wieder und die Organe 36 und 37 werden zurückgezogen. Die Vorrichtung (siehe Figur 12f) ist damit bereit zur Verschiebung um den Schritt p, um die in Figur 12a veranschaulichte Stellung einzunehmen. Ein weiterer Steppzyklus kann beginnen.
Die Figuren 13 und 14 veranschaulichen eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Steppkopfes 40. Der Arm 30 enthält eine Reserve 41 von Faser 4, die der Nadel 3 über eine Führung 42 zugeführt wird. Der Arm 30 hat weiterhin einen Motor 43 zur Betätigung der sich um die Achse 13-13 drehenden Nadel 3, ein Organ 44 zur Betätigung des Schlingenhalters 36 und ein Organ 46 zur Betätigung des Fasererfassungsorgans 37. Die verschiedenen Motore und Organe 43 bis 46 sind über einen Steckverbinder 47 mit (nicht dargestellten) Steuervorrichtungen verbunden. Außerdem hat der Steppkopf 40 zur Befestigung an einer Steppmaschine, wie sie in Figur 15 dargestellt ist, einen Flansch 48.
Die in Figur 15 gezeigte Maschine 50 hat einen Arm 51, der dreidimensional nach X,Y und Z gegenüber einem Gestell 52 verschoben werden kann. Dazu kann der Arm 51 vertikal in Z-Richtung gegenüber einem Schlitten 53 durch einen Motor 54 verschoben werden, während der Schlitten 53 auf einem Träger 55 durch einen Motor 56 in Y- Richtung beweglich angebracht ist und der Träger 55 selbst gegenüber Gestell 52 durch einen Motor 57 in X-Richtung beweglich angebracht ist. Der Steppkopf 40 ist am unteren Ende von Arm 51 so angebracht, daß er um jede der X-,Y- und Z-Achsen gedreht werden kann. Auf der in Figur 15 in Form eines Drehdorns veranschaulichten Unterlage 1 befindet sich das Substrat 2. Durch eine Steueranlage 58 können die Verschiebung von Kopf 40 gegenüber dem Substrat 2 und die verschiedenen Steppvorgänge der Nadel 3 im Substrat gesteuert werden.
So ist zu sehen, daß durch die Erfindung Armierungselemente mit bogenförmigen Faserelementen erzielt werden können. Natürlich kann die Unterlage 1 jede gewünschte Form haben, und die Richtung der Stepplinien kann sowohl gegenüber Unterlage 1 als auch gegenüber der Ebene von Nadel 3 entsprechend dem zu erreichenden Zweck gewählt werden. Das betrifft auch die Stepptiefe im Substrat 2. Außerdem können die Stepplinien geradlinig, bogenförmig, kreisrund, schraubenförmig usw. sein.
Nach dein Erhalt eines solchen Armierungselements wird dieses in bekannter Weise mit einem härtbaren Bindemittel imprägniert, so daß sich ein Teil 60 (siehe Figur 16) ergibt. Gegebenenfalls kann dieses Teil 60 zumindest oberflächlich bearbeitet werden, um das endgültige Teil 61 zu erhalten.

Claims

1 - Verfahren zur Verwirklichung von Armierungselementen mit dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern, nach dem in ein Substrat (2) auf einer Unterlage (1), das aus derartigen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern besteht, von der freien Seite (2a) des Substrats aus, die der Unterlage entgegengesetzt ist, mit Hilfe einer Nadel (3.1 bis 3.4), der eine Hin- und Herbewegung aufgegeben wird, eine Endlosfaser (4) eingesteppt wird, wobei außerdem eine relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel erzeugt wird, so daß die Endlosfaser innerhalb des Substrats aus einer Folge aufeinanderfolgender, eine gebrochene Linie bildender Segmente (4a,4b) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Nadel (3.1 bis 3.4) gebogen ist und jedem Segment (4a,4b) der Endlosfaser (4) eine ähnliche gebogene Form verleiht, und

- die Hin- und Herbewegung der gebogenen Nadel unter Drehung um eine Achse (13-13) senkrecht zur Ebene der Nadel auf der konkaven Seite derselben erfolgt.

2 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel (3.1 bis 3.4) eine runde Form hat, und dadurch, daß die Drehachse (13-13) koaxial zur Nadel verläuft.

3 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel (3.1,3.2,3.3,3.4) während ihrer Hin- und Herbewegung die Seite (1a) der Unterlage (1) berührt, auf der sich das Substrat (2) befindet.

4 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel (3.1,3.2,3.3,3.4) während ihrer Hin- und Herbewegung zu Seite (1a) der Unterlage (1), auf der sich das Sustrat (2) befindet, in Abstand verbleibt.

5 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Hinbewegung und zu Beginn der Rückbewegung der gebogenen Nadel (3.1,3.2,3.3,3.4) die Spitze (8) derselben über der freien Seite (2a) des Substrats übersteht.

6 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Hinbewegung und zu Beginn der Rückbewegung der Nadel (3.1,3.2) die Spitze (8) derselben in das Substrat (2) eingestochen ist.

7 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung zwischen der Unterlage (1) und der Nadel geradlinig ist.

8 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung zwischen der Unterlage (1) und der Nadel bogenförmig ist.

9 - Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung zwischen der Unterlage (1) und der Nadel parallel zur Ebene der Nadel erfolgt.

10 - Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel senkrecht zur Ebene der Nadel erfolgt.

11 - Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel um einen von 90º unterschiedlichen Winkel gegenüber der Ebene der Nadel geneigt ist.

12 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel so erfolgt, daß die Drehachse (13-13) der Nadel in einem konstanten Abstand zur Unterlage (1) verbleibt.

13 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (13-13) der Nadel bei der relativen Verschiebung zwischen der Unterlage und der Nadel von der Unterlage abgestellt und an diese angestellt werden kann.

14 - Vorrichtung zur Verwirklichung von Armierungselementen mit dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern, die umfaßt:

. eine Unterlage (1), auf der sich ein Substrat (2) aus solchen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern befindet;

. eine Nadel (3.1 bis 3.4), mit der in das Substrat von dessen freier, der Unterlage entgegengesetzten Seite (2a) aus eine Endlosfaser (4) eingeführt werden kann;

Mittel, um der Nadel eine Hin- und Herbewegung aufzugeben, und Mittel zur Erzeugung einer relativen Verschiebung der Unterlage gegenüber der Nadel,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Nadel (3.1 bis 3.4) gebogen ist und zur Führung der Endlosfaser (4) innerhalb des Substrats (2) dient, und

- Mittel (12,43) vorgesehen sind, durch die die Nadel in einer hinund hergehenden Drehbewegung um eine Achse (13-13) gesteuert werden kann, die senkrecht zur Ebene der Nadel auf deren konkaver Seite verläuft.

15 - Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel eine runde Form hat, und dadurch, daß die Drehachse (13-13) koaxial zur Nadel verläuft.

16 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel (3.1) zur Führung der Faser einen Innenkanl (6) hat, der in der Nähe der Spitze (8) der Nadel in einem seitlichen Öhr (7) mündet.

17 - Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich das seitliche Öhr (7) in der Vertiefung der Nadel (3.1) befindet.

18 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel (3.2) entlang ihrer Vertiefung eine Fadenführungsrille (14) und in ihrer Vertiefung in der Nähe ihrer Spitze (8) ein seitliches Öhr hat, wobei das Öhr (15) mit der Rille (14) über einen Durchgang (16) in Verbindung steht.

19 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogene Nadel (3.3,3.4) in der Nähe ihrer Spitze (8) einen nach ihrer Vertiefung gerichteten Haken (17) hat, der durch eine Klappe (18,22) verschlossen werden kann.

20 - Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe durch eine Vorrichtung (20) gesteuert wird.

21 - Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe automatisch durch die Faser und durch das Substrat gesteuert wird.

22 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (3.1 bis 3.4) in einem Nadelhalter (12) angeordnet ist, der um die Drehachse (13-13) der Nadel gelenkig an einem Arm (30) angebracht ist, der gegenüber der Unterlage (1) verschiebbar ist.

23 - Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß am Nadelhalter (12) eine steuerbare Fadenklemme angebracht ist.

24 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (30) eine Faserreserve (41) für die Nadel hat.

25 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (30) einen Mechanismus (37,46) hat, mit dem die Faser (4) am Ausgang der Nadel (3.1 bis 3.4) zwischen jedem Steppstich abgezogen werden kann.

26 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (30) einen Mechanismus (36,45) zur Bildung einer Schlinge (4d) hat, wenn die Spitze (8) der Nadel, nachdem sie in das Substrat (2) eingedrungen ist, dessen freie Seite (2a) verläßt.

27 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (30) mit einer Maschine (50) verbunden ist, durch die er gegenüber der Unterlage (1) verschoben werden kann.

28 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) feststehend ist.

29 - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) aus einem Drehdorn besteht.

30 - Armierungselement mit dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern, wobei das Armierungselement ein Substrat (2) aus solchen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern hat, dadurch gekennzeichnet, daß es gebogene Fasersegmente (4a,4b) hat, die in der Dicke des Substrats (2) angeordnet sind, wobei diese gebogenen Fasersegmente zu ein und derselben Endlosfaser gehören.

31 - Verbundteil mit einem Armierungselement aus dreidimensional verteilten widerstandsfähigen Fasern, die mit einem gehärteten Bindemittel getränkt wurden, wobei das Armierungselement ein Substrat (2) aus solchen in wenigstens zwei Richtungen gekreuzten Fasern hat, dadurch gekennzeichnet, daß gebogene Fasersegmente (4a,4b) in der Dicke des Substrats (2) angeordnet sind, wobei diese gebogenen Fasersegmente zu ein und derselben Endlosfaser gehören.

32 - Verbuiidteil nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens an der Oberfläche bearbeitet ist.