EP2327648B1

EP2327648B1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer UD-Lage

Info

Publication number: EP2327648B1
Application number: EP10008359.1A
Authority: EP
Inventors: Matthias Seifert; Frank Vettermann; Astrid Kirchberg; Matthias Thieme; Dietmar Reuchsel
Original assignee: Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH
Current assignee: Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: CN102080305A; US20110154630A1; JP2011111329A; EP2327648A2; EP2327648A3; DE102009056189A1; CN102080305B; JP5343059B2; US8578575B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer UD-Lage aus einer vorbestimmten Anzahl von Filamentsträngen mit einer Spenderanordnung zur Ausgabe der Filamentstränge, einer Speicheranordnung zum Zwischenspeichern der Filamentstränge, die für jeden Filamentstrang einen eigenen Speicher aufweist, einer Aufspreizanordnung und einem Ausgang.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer UD-Lage aus einer vorbestimmten Anzahl von Filamentsträngen, die aus einer Spenderanordnung abgezogen werden, bei dem man die Filamentstränge zu Bändchen aufspreizt, wobei man die Filamentstränge zwischen dem Abziehen und dem Aufspreizen durch eine Speicheranordnung, in der man jeden Filamentstrang in der Speicheranordnung einzeln speichert und nach dem Aufspreizen zu einem Ausgang führt.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise aus US 2006/0137156 A1 bekannt.
DE 10 2005 008 705 B3 zeigt eine Vorrichtung zum Zuführen von Bändchen zu einer Wirkmaschine, bei der Bändchen mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit von Spulen abgezogen, aber mit vorbestimmten Stillstandszeiten weiter verarbeitet werden. Während der Stillstandszeiten werden die Bändchen in einem gesteuerten Speicher zwischengespeichert.
Aus DE 10 2005 052 660 B3 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbreiten eines Carbonfaserstranges bekannt. Um den Faserstrang besser ausbreiten zu können, wird er erwärmt, indem ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird.
DE 197 07 125 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von unidirektionalen Gelegen, bei dem die ausgebreiteten Fasern durch Querverbindungsfäden miteinander verbunden werden, um eine Bahn zu bilden.
WO 98/44183 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von multiaxialen Faserbahnen. Hier werden einzelne Filamentstränge abgezogen und nach Durchlaufen einer Klopf-Ausbreiteinrichtung durch eine Spannungseinstelleinrichtung geführt. Ein Antrieb erfolgt lediglich über eine Aufwicklung mithilfe einer Spule, die durch einen Motor angetrieben ist. Hinter der Spannungseinstelleinrichtung wird jeder Filamentstrang ausgebreitet. Eine Messvorrichtung für die ausgebreiteten Filamentstränge dient dazu, die Spannungseinstellung mithilfe eines Zylinders zu regeln. Die nebeneinander liegenden ausgebreiteten Filamentstränge werden einzeln in jeweils einem Speicher gespeichert und später mit einer Querkohäsion versehen.
Bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen ist man bestrebt, diesen Kunststoffen eine bestimmte Zugfestigkeit zu verleihen. Diese Zugfestigkeit wird durch die Verstärkungsfasern bewirkt. Die Zugfestigkeit ist am größten in der Richtung, in der die Verstärkungsfasern verlaufen. Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Verstärkungsfasern einer Lage alle in eine Richtung auszurichten. Eine derartige Lage wird dann als "unidirektionelle Lage" oder "UD-Lage" bezeichnet. In einer UD-Lage liegen eine Vielzahl von Fasern oder Filamenten praktisch parallel nebeneinander in einer Richtung. Derartige UD-Lagen dienen dazu, ein Mono-, Bi- oder Multiaxialgelege zu erzeugen. In einem multiaxialen Gelege werden mehrere derartiger UD-Lagen mit unterschiedlichen Richtungen aufeinander gelegt und miteinander verbunden.
Die Fasern oder Filamente, die man benötigt, um den faserverstärkten Kunststoff zu verstärken, liegen in Form von Filamentsträngen oder -bündeln vor. Bei Carbonfilamenten enthält ein derartiger Filamentstrang oft mehrere Tausend einzelnen. Üblich sind 12000, 24000, 50000 oder sogar 480000 Fasern oder Filamente pro Strang. Die Filamente eines Filamentstrangs müssen gemeinsam gehandhabt werden können.
Die Filamentstränge sind beispielsweise auf Spulen aufgewickelt. Vor der Verarbeitung müssen die Filamentstränge dann von den Spulen abgezogen werden. Man kann zwar davon ausgehen, dass die Filamentstränge alle etwa mit der gleichen Spannung auf den Spulen aufgewickelt sind. Jedoch ergeben sich lokal Unterschiede, die zu entsprechenden lokalen Änderungen der Filamentstränge führen. Wenn man die einzelnen Filamentstränge dann zu Bändchen ausbreitet und nebeneinander anordnet, dann ergibt sich vielfach das Problem, dass die so erzeugte UD-Lage nicht plan liegt, sondern sich Verwerfungen ergeben, die eine spätere Verarbeitbarkeit erschwert. Beispielsweise ist es dann schwieriger, eine abgelängte UD-Lage in eine Form zu drapieren, bevor man eine Kunststoffmatrix eingießt.
Bei der aus WO 98/44183 A1 oder DE 197 07 125 A1 bekannten Vorgehensweise werden die Bändchen nach dem Ausbreiten der Filamentstränge mit einer Querkohäsion versehen, so dass sich eine in Querrichtung zusammenhängende UD-Lage ergibt. Diese Lage wird dann auf einen Baum aufgewickelt. Zur Herstellung eines Multiaxialgeleges kann diese UD-Lage dann von dem Baum abgezogen und verarbeitet werden. Durch die Querkohäsion sollen die Auswirkungen der Unterschiede der Bändchen minimiert werden.
Ein Gelege, das in Querrichtung mit einer Kohäsion versehen worden ist, hat allerdings bei der weiteren Verarbeitung gewisse Nachteile. Im Extremfall lässt sich eine UD-Lage mit Querkohäsion nur in eine Richtung verformen, nämlich so, dass die Filamente gebogen werden. Aufgrund der Querkohäsion ist eine Verschiebung der Filamente in Längsrichtung relativ zueinander praktisch nicht mehr oder nicht mehr in einem zufrieden stellenden Ausmaß möglich.
US 2006/0137156 A1 zeigt eine Spenderanordnung zur Ausgabe von Filamentbündeln, eine Speicheranordnung, die für jeden Filamentstrang einen eigenen Speicher aufweist, zwei Aufspreizanordnungen und einen Ausgang mit Antriebswalzen. Hinter der Speichereinrichtung ist eine Rücklaufbremse angeordnet, die einen Lauf der Filamentbündel nur in Transportrichtung erlaubt, nicht jedoch in umgekehrte Richtung.
DE 100 03 184 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Abziehen von einzelnen, unverdrehten, flach ausgebreiteten Fasersträngen aus einem Abrollgatter. Diese Faserstränge werden über ein Lieferwerk aus einem Gatter abgezogen und dann durch eine Speicheranordnung geführt, in der für jeden Filamentstrang ein eigener Speicher vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine UD-Lage mit einer guten Verarbeitbarkeit herzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwischen der Spenderanordnung und der Speicheranordnung ein Lieferwerk angeordnet ist und in Laufrichtung hinter der Aufspreizanordnung eine Filamentstrangantriebsanordnung angeordnet ist.
Damit trägt man der Tatsache Rechnung, dass die Filamentstränge zwar im Mittel alle die gleiche Dehnung und damit die gleiche lokale Länge aufweisen. Tatsächlich können sich jedoch lokale Abweichungen ergeben. Diese Abweichungen können nun durch die Speichereinrichtung ausgeglichen werden. Längenunterschiede mitteln sich also über die Zeit aus. Damit ist es möglich, die nebeneinander liegenden Bändchen als UD-Lage ohne eine Querkohäsion auf den Baum aufzuwickeln und trotzdem dafür zu sorgen, dass die einzelnen Bändchen die gleiche Länge haben. Die gleiche Länge lässt sich einfach durch Einstellen der gleichen Spannung erreichen. Diese Spannung wird unter anderem durch eine im Speicher herrschende Spannkraft definiert.
Das Lieferwerk zieht die Filamentstränge aus der Spenderanordnung heraus und führt sie der Speicheranordnung zu. Damit wird die Speicheranordnung nicht mit den Kräften belastet, die zum Abziehen der Filamentstränge aus der Spenderanordnung notwendig sind.
Die Filamentstrangantriebsanordnung kann beispielsweise durch ein zweites Lieferwerk gebildet sein. Diese Filamentstrangantriebsanordnung sorgt dafür, dass die Kräfte, die zum Aufspreizen der Filamentstränge zu Bändchen notwendig sind, von den am Ausgang herrschenden Kräften entkoppelt sind. Damit ist es möglich, die Filamentstränge mit einer Zugspannung aufzuspreizen, die beispielsweise wesentlich höher ist als die Zugspannung, mit der die UD-Lage aufgewickelt wird.
Vorzugsweise sind die Speicher benachbarter Filamentstränge relativ zueinander versetzt angeordnet. Damit steht für jeden Speicher genügend Bauraum zur Verfügung. Wenn der Speicher beispielsweise eine Rolle aufweist, über die der Filamentstrang geführt ist, dann kann man diese Rolle ausreichend lagern, beispielsweise an einem Hebelarm befestigen, so dass diese Rolle ihre Position verändern kann, um eine veränderbare Speicherstrecke zur Verfügung zu stellen. Man kann die Rolle auch in einer Linearführung lagern. In beiden Fällen kann man die Rolle (oder eine andere Umlenkeinrichtung) mit einer vorbestimmten Spannkraft beaufschlagen, um eine bestimmte Zugspannung in den Filamentstrang einzubringen. Dies kann die Gewichtskraft der Rolle sein oder auch eine Zusatzkraft, beispielsweise eine Feder. Für alle Elemente des Speichers steht aufgrund der versetzten Anordnung benachbarter Speicher ausreichend Bauraum zur Verfügung.
Bevorzugterweise weist die Speicheranordnung mindestens einen Fehlersensor auf. Dabei kann ein Fehlersensor für alle Speicher gemeinsam vorgesehen sein. Man kann auch jeden Speicher mit einem eigenen Fehlersensor versehen oder man verwendet einen Fehlersensor jeweils für eine Gruppe von Speichern. Da sich die Bänder theoretisch alle gleichen und lediglich lokal Unterschiede zu erwarten sind, ist davon auszugehen, dass die Speicher der einzelnen Filamentstränge während der Erzeugung der UD-Lage zwar unterschiedlich gefüllt sind, wobei sich die Füllungsgrade der einzelnen Speicher in der Regel voneinander unterscheiden werden. Es ist aber nicht davon auszugehen, dass ein Speicher überläuft oder leer läuft. Wenn dies auftritt, wird es durch den Fehlersensor entdeckt und man kann die Vorrichtung anhaften und ein Fehlersignal ausgeben. Eine Bedienungsperson kann die Situation dann überprüfen und gegebenenfalls Abhilfe schaffen.
Bevorzugterweise weist die Aufspreizanordnung mehrere Aufspreizeinrichtungen auf, die an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, wobei benachbarte Filamentstränge durch unterschiedliche Aufspreizeinrichtungen laufen. Damit ist es möglich, die einzelnen Filamentstränge über eine Breite hinaus aufzuspreizen, die einer Teilungsbreite entspricht. Die Teilungsbreite ergibt sich aus der Breite der UD-Lage dividiert durch die Anzahl der verwendeten Filamentstränge. Man kann beobachten, dass durch das Aufspreizen der Filamentstränge zu Bändchen in vielen Fällen eine Dickenverteilung im Bändchen entsteht, die nicht konstant ist. Vielmehr folgt diese Dickenverteilung der Form einer Glockenkurve. Wenn man die Filamentstränge über die Teilungsbreite hinaus vergrößert, dann kann man die Dicke der UD-Lage in einem höheren Maße als bisher gleichmäßig gestalten, beispielsweise dadurch, dass man die Bändchen in Querrichtung einander überlappen lässt. In diesem Fall legen sich zwei dünnere Randabschnitte übereinander, so dass sich durch die Summe der Dicke der Randabschnitte etwa die Dicke der Bändchen in ihrer Mitte ergibt. Eine absolut konstante Dicke wird dabei zwar nicht erreicht. Die Dicke wird aber wesentlich gleichmäßiger.
Hierbei ist bevorzugt, dass der Aufspreizanordnung eine Kalibrierungseinrichtung nachgeschaltet ist, die für jeden Filamentstrang eine Breitenverminderungseinrichtung bildet. Die Kalibrierungseinrichtung schiebt die Bändchen, also die ausgebreiteten Filamentstränge, quer zur Laufrichtung wieder etwas zusammen. Dabei wirkt die Kalibrierungseinrichtung hauptsächlich auf die Filamente, die in den Randbereichen angeordnet sind. Die Mitte der Bändchen bleibt durch die Kalibrierungseinrichtung im Wesentlichen unverändert. Wenn Filamente an den Rändern etwas zusammengeschoben werden, dann ergibt sich hier eine Dickenvergrößerung, die gewünscht ist, um die Dicke des Bändchens wieder gleichförmig zu gestalten. Bei der Verwendung der Kalibrierungseinrichtung kommt man vielfach ohne ein Überlappen der Bändchen aus. Die Bändchen haben dann keine Querkohäsion untereinander, so dass eine gute Verformbarkeit der UD-Lage in mehrere Richtungen gewährleistet ist.
Vorzugsweise weist die Kalibrierungseinrichtung eine Bandbreitenvariationseinrichtung auf. Beim Zusammenschieben der Bändchen quer zu ihrer Laufrichtung kann man dadurch Abschnitte der Bändchen erzeugen, die eine größere Breite haben, und Abschnitte, die eine geringere Breite haben. Wenn die einzelnen Bändchen dann nebeneinander angeordnet werden, entstehen Lücken in dem dadurch gebildeten Flächengebilde, durch die später Kunststoff treten kann. Dies erleichtert es, eine Durchdringung des Geleges mit Kunststoff zu realisieren. Die Bandbreitenvariationseinrichtung kann auf unterschiedliche Weise gebildet sein. Wenn die Kalibrierungseinrichtung eine sich drehende Welle mit Nuten aufweist, die letztendlich die Breite der Bändchen definieren, dann kann man die Breite der Bändchen auf einfache Weise dadurch verändern, dass man Nuten verwendet, die in Umfangsrichtung eine sich verändernde Breite aufweisen. In diesem Fall variiert die Breite der so erzeugten Bändchen periodisch. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kalibrierungseinrichtung durch auf einer Welle befindliche Bordscheiben zu bilden, zwischen denen die Bändchen hindurchgeführt werden. Durch eine Veränderung der axialen Position der Bordscheiben lässt sich eine Veränderung der Breite der Bändchen bewirken. Man kann die Breitenveränderung von benachbarten Bändchen so aufeinander abstimmen, dass die Bändchen mit ihren größeren Breiten aneinander anstoßen, wenn sie nebeneinander angeordnet werden, so dass an den Bereichen mit geringerer Breite größere Lücken gebildet werden.
Bevorzugterweise ist vor der Aufspreizanordnung eine Teilungseinrichtung angeordnet, die mindestens einen Führungskörper mit einer Nut für jeden Filamentstrang aufweist. Durch die Nut wird die Position des Bändchens bestimmt. Damit lassen sich die einzelnen Bändchen mit einer relativ hohen Genauigkeit dort positionieren, wo sie später in der UD-Lage benötigt werden. Dies gilt auch dann, wenn die Bändchen von Spulen mit einer Kreuzwicklungsaufmachung abgezogen werden.
Bevorzugterweise weist die Filamentstrangantriebsanordnung einen Nip auf, in dem die ausgebreiteten Filamentstränge mit einem Druck beaufschlagt werden. Der Nip, der auch als Walzenspalt bezeichnet werden kann, ist beispielsweise durch eine Andruckrolle und ein Gegenelement gebildet. Durch die Andruckrolle wird sichergestellt, dass die Bändchen in der Filamentstrangantriebsanordnung schlupffrei mitgenommen werden können, so dass sie dem Ausgang, beispielsweise einer Aufwicklung, mit definierten Zugspannungsbedingungen zugeführt werden können.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass man die Filamentstränge mit Hilfe eines Lieferwerks von der Spenderanordnung abzieht und sie der Speicheranordnung zuführt und hinter dem Aufspreizen durch eine Filamentstrangantriebsanordnung antreibt.
Wie oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert, ist es auf diese Weise möglich, durch die einzelnen Speicher die lokal auftretenden Längenunterschiede in den Bändchen auszugleichen, so dass die UD-Lage aus Bändchen erzeugt werden kann, die auch lokal die gleiche Lage aufweisen. Dabei geht man von der Überlegung aus, dass die auf den Spulen aufgewickelten Filamentstränge prinzipiell die gleichen Eigenschaften haben. Über die Abwicklungslänge einer einzelnen Spuie können sich jedoch Unterschiede ergeben, die durch die individuelle Zwischenspeicherung der einzelnen Filamentstränge ausgeglichen werden können. Man kann die Kräfte, die notwendig sind, um die Filamentstränge von der Spenderanordnung abzuziehen, von den Kräften in der Speicheranordnung entkoppeln.
Vorzugsweise entkoppelt man eine Spannung, mit der die Filamentstränge aufgespreizt werden, von einer Spannung am Ausgang. Damit ist es möglich, die Filamentstränge mit einer relativ hohen Spannung aufzuspreizen, so dass man sehr dünne Bändchen erzeugen kann.
Bevorzugterweise spreizt man die Filamentstränge über eine Teilungsbreite hinaus zu Bändchen auf, wobei die Teilungsbreite der Breite der UD-Lage dividiert durch die Anzahl der Filamentstränge entspricht. Das übliche Aufspreizen der Filamentstränge erfolgt dadurch, dass man die Filamentstränge über eine Stange mit einem relativ kleinen Durchmesser zieht. In vielen Fällen verwendet man auch zwei oder mehr Stangen. Der Filamentstrang wird dann mit einer gewissen Zugspannung beaufschlagt. Die Filamente des Filamentstrangs, die weiter von der Stange entfernt sind, versuchen dann, sich der Stange anzunähern, wobei sie versuchen, die Filamente zwischen sich und der Stange zu verdrängen. In der Mitte der Filamentstränge kann diese Verdrängung nicht so gut ablaufen, wie in den Randbereichen. Dementsprechend bleibt in der Mitte der Filamentstränge eine etwas größere Dicke zurück. Die Randbereiche sind hingegen dünner, so dass die Dickenverteilung etwa der Form einer Glockenkurve folgt. Wenn man die Filamentstränge über die Teilungsbreite hinaus vergrößert, dann hat man mehrere Möglichkeiten, die Dicke der UD-Lage etwas gleichmäßiger zu gestalten. Eine Möglichkeit besteht darin, benachbarte Bändchen einander überlappen zu lassen. In diesem Fall ergibt sich durch die Summe der dünneren Randbereiche etwa die Dicke in der Mitte der Bändchen. Eine absolute Gleichmäßigkeit der Dicke wird sich dadurch zwar nicht erreichen lassen. Die Dicke wird aber wesentlich gleichmäßiger als bisher.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man die Bändchen nach dem Aufspreizen seitlich zusammenschiebt. Durch das Zusammenschieben werden lediglich die Filamente in den Randbereichen beaufschlagt. Die Filamente in der Mitte der Bändchen bleiben hingegen durch das Zusammenschieben normalerweise unbeeinflusst. Durch das Zusammenschieben wird also lediglich die Dicke der Bändchen in den Randbereichen erhöht. In der Mitte bleibt sie unverändert.
Bevorzugterweise erzeugt man beim Zusammenschieben Bändchen mit sich verändernder Breite. Wie oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung ausgeführt, kann man auf diese Weise beim Zusammenführen der Bändchen zu einem Flächengebilde dafür sorgen, dass Lücken zwischen benachbarten Bändchen entstehen, durch die später ein Kunststoff treten kann, um ein faserverstärktes Kunststoffteil zu bilden. Die Breitenveränderung kann beispielsweise periodisch erfolgen. Man kann benachbarte Bändchen dann so nebeneinander anordnen, dass sie mit ihren größeren Breiten aneinander stoßen, so dass in den Bereichen mit geringerer Breite eine Lücke im Flächenmaterial verbleibt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1: eine schematische Gesamtansicht der Vorrichtung zum Erzeugen einer UD-Lage,
Fig. 2: eine vergrößerte Teildarstellung mit einem ersten Lieferwerk und einer Speichereinrichtung,
Fig. 3: eine vergrößerte Teildarstellung mit einer Ausbreiteinrichtung und einem zweiten Lieferwerk,
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung einer Spannungsmesseinrichtung,
Fig. 5: eine vergrößerte Darstellung einer Aufwickeleinrichtung und
Fig. 6: eine schematische Darstellung einer Aufspreizeinrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen einer UD-Lage, die auf einen Baum 2 aufgewickelt wird. Der Baum 2 weist Seitenscheiben 3 auf und ist in einer Wickeleinrichtung 4 angeordnet. In der Wickeleinrichtung 4 befindet sich eine Vorratsspule 5, von der ein Trennmaterial 6 abgezogen wird. Das Trennmaterial 6 ist beispielsweise ein Papier oder eine Folie aus Kunststoff oder ein Gewebe oder irgendein anderes Flächenmaterial, das beim Aufwickeln der UD-Lage 7 (Fig. 5) gemeinsam mit der UD-Lage 7 aufgewickelt wird, so dass das Trennmaterial 6 zwei aufeinanderfolgende Windungen des auf den Baum 2 aufgewickelten Wickels voneinander trennt.
In einem Gatter 8, das hier eine Spenderanordnung bildet, sind mehrere Spulen 9 angeordnet, von denen jeweils ein Filamentstrang 10 tangential abgezogen wird. Die Filamentstränge 10 sind in Kreuzspulaufmachung auf die Spulen 9 aufgewickelt. Durch den tangentialen Abzug von der sich drehenden Spule 9 vermeidet man, dass eine Drehung in den Filamentstrang 10 eingetragen wird. Zur Erzielung einer bestimmten Spannung im Filamentstrang 10 wird die Spule 9 gebremst. Dabei sollte die erzielte Bandspannung möglichst gleichförmig und über den gesamten Spulenablauf auch konstant sein. Wenn hier von Filamenten und Filamentsträngen die Rede ist, dann sollen auch Fasern und Faserstränge darunter zu verstehen sein.
Das Gatter 8 weist an seinem Ausgang Führungselemente 11 auf, die verhindern, dass der Filamentstrang 10 eine seitliche Bewegung verursacht, die durch den Kreuzspulaufbau verursacht sein könnte. Diese Führungselemente 11 bestehen beispielsweise aus Bordscheiben an Umlenkstellen. Wenn an die Laufgüte besonders hohe Anforderungen gestellt werden und der seitliche Versatz weiter minimiert werden sollte, so kommen auch nicht dargestellte Bandschwenker in Betracht. Diese Bandschwenker leiten den Filamentstrang 10, der changierend und horizontal von der Spule 9 abgewickelt wird, in die Vertikale um. Der seitliche Versatz wird dadurch in eine Drehung um die Längsachse des Filamentstranges 10 umgewandelt.
Anstelle des Gatters kann man auch eine andere Spenderanordnung verwenden, solange sichergestellt ist, dass die Filamentstränge 10 unverdreht abgezogen werden können.
Auf das Gatter 8 folgt ein Übergangsbereich 12, der einen Abstand zu einem ersten Lieferwerk 13 überbrückt. Die Vielzahl der Filamentstränge 10 verläuft dabei annähernd parallel und mit einer Verteilung quer zur Laufrichtung, die im Wesentlichen der Breite der fertigen UD-Lage 7 entspricht. Die Filamentstränge 10 sind also schon gleichmäßig über diese Breite verteilt.
Durch die freie Länge im Übergangsbereich 12, in der die Filamentstränge 10 nicht gestützt werden, ist es möglich, dass bei Auftreten einer falschen Drehung, die am Ablauf von den Spulen 9 entstanden sein könnte, diese Drehung so lange zurückgehalten wird, dass sie durch eine weitere Drehung in Gegenrichtung rückgängig gemacht werden kann.
Im ersten Lieferwerk 13 (Fig. 2) wird jeder Filamentstrang 10 schlupffrei über mehrere Antriebswalzen 14 geführt. Die Schlupffreiheit ergibt sich durch einen ausreichend großen Umschlingungswinkel um die Antriebswalzen 14. Die Antriebswalzen 14 haben die gleiche Umfangsgeschwindigkeit. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, dass sie alle den gleichen Durchmesser und identische Drehzahlen haben. Hierzu werden sie der Einfachheit halber von einem gemeinsamen Servomotor 15 angetrieben. Alle Filamentstränge 10 werden mit der gleichen Geschwindigkeit transportiert. Alle Filamentstränge 10 liegen dabei parallel in einer Ebene.
Auf das erste Lieferwerk 13 folgt eine Speicheranordnung 16, die für jeden Filamentstrang 10 eine eigene Speicherstrecke aufweist. Hierzu weist die Speicheranordnung 16 drei Zylinder 17-19 auf. Es können auch mehr Zylinder 17-19 vorgesehen sein. Die ankommenden Filamentstränge 10 werden dann in Querrichtung abwechselnd über den in Laufrichtung ersten Zylinder 17 oder über den in Laufrichtung zweiten Zylinder 18 nach unten geleitet. Ein Filamentstrang 10, der über den Zylinder 17 nach unten geleitet wird, wird über eine Rolle 20 wieder nach oben umgelenkt, wobei die Rolle 20 an einem verschwenkbaren Hebel 21 angeordnet ist. Über den zweiten Zylinder 18 wird der entsprechende Filamentstrang 10 wieder in Laufrichtung umgelenkt. Der benachbarte Filamentstrang 10 wird über den zweiten Zylinder 18 nach unten umgelenkt, dann über eine Rolle 22 geführt, die an einem verschwenkbaren Hebel 23 befestigt ist, und über den in Laufrichtung dritten Zylinder 19 wieder in Laufrichtung umgelenkt. Dementsprechend ist jedem Filamentstrang 10 eine separate Rolle 20, 22 zugeordnet. Die Rollen 20, 22 bilden eine Speicherstrecke mit veränderbarer Länge und beaufschlagen den entsprechenden Filamentstrang 10 durch ihre Eigenmasse oder auch durch andere geeignete Mittel, wie eine Feder, einen Arbeitszylinder oder dergleichen, mit einer Zugkraft. Dadurch entsteht eine Spannung im Filamentstrang 10. Dabei wird jeder Filamentstrang 10 einzeln beaufschlagt. Die Schar der Filamentstränge 10 wird dabei in zwei Gruppen oder Ebenen aufgeteilt. Wenn der Durchlauf aller Filamentstränge 10 durch die Vorrichtung 1 störungsfrei oder innerhalb von geringen Toleranzgrenzen verläuft, dann befinden sich alle Rollen 20, 22 etwa in der gleichen Position. Wenn eine oder mehrere Rollen 20, 22 eine deutlich abweichende Position einnehmen, dann liegt eine ungewollte Abweichung in der Schar der Filamentstränge 10 vor. Durch Ermittlung dieser Rollenpositionen mit Hilfe von nicht näher dargestellten Fehlersensoren (es kann auch ein gemeinsamer Fehlersensor, vorgesehen sein) können Rückschlüsse auf die Ursachen für die Abweichung gezogen werden und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Auf die Speicheranordnung 16 folgt eine Teilungseinrichtung 24. Die Teilungseinrichtung 24 weist zwei Umlenkstäbe 25 auf, die zwei Aufgaben haben. Die Umlenkstäbe 25 weisen mehrere Rippen auf, so dass Nuten gebildet sind, in denen jeweils ein Filamentstrang 10 geführt wird. Der Begriff "Nut" soll hier allgemein als geometrische Form verstanden werden, die zwei seitliche Begrenzungswände hat. Durch die Anordnung der Nuten ergibt sich für jeden Filamentstrang 10 in Breitenrichtung eine vorbestimmte Position. Darüber hinaus bestimmen die Rippen, also die seitlichen Wände der Nuten, auch, wie weit sich jeder Filamentstrang 10 hier ausbreiten kann. Dadurch wird das Flächengewicht eines Bändchens 26 definiert, das sich später aus dem Filamentstrang 10 bildet. Je breiter sich der entsprechende Filamentstrang 10 ausbreiten kann, desto geringer ist das Flächengewicht des Bändchens 26. Das Flächengewicht des Bändchens 26 entspricht dem Flächengewicht der UD-Lage 7. Die Bändchen 10 werden zweckmäßigerweise in S-Form über zwei oder mehr Umlenkstäbe 25 geführt. Da diese Führung bereits unter einer gewissen Spannung erfolgt, stellt sich hierbei schon ein geringer Ausbreiteffekt ein.
Auf die Teilungseinrichtung 24 folgt eine Aufspreizanordnung 27. In der Aufspreizanordnung sind mehrere Umlenkstäbe 28a, 28b angeordnet, über die die Schar der Filamentstränge 10 gezogen wird. Durch die Umlenkung über die Umlenkstäbe 28a, 28b über einen vorbestimmten Winkel, beispielsweise 180°, kommt es zur Erhöhung der Spannung in den einzelnen Filamentsträngen 10 und in Verbindung mit der Umlenkung zu einem Ausspreizen der Filamentstränge 10. Die Filamentstränge 10 werden dadurch ausgebreitet. Der Umschlingungswinkel um die Umlenkstäbe 28 ist einstellbar. Die Werte für die Spannung in den Filamentsträngen 10, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Umschlingungswinkel sind richtig gewählt, wenn nach der Aufspreizanordnung 27 die Breiten der dann gebildeten Bändchen 26 einem vorgegebenen Wert entsprechen.
Fig. 6 zeigt die Aufspreizanordnung 27 etwas deutlicher in schematischer Darstellung. Es ist zu erkennen, dass zwei Umlenkstäbe 28a, 28b vorgesehen sind, die an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind. Über diese Umlenkstäbe 28a, 28b werden benachbarte Filamentstränge 10 abwechselnd geführt. Wenn man die Filamentstränge 10 in Querrichtung durchnumeriert, werden beispielsweise die Filamentstränge 10 mit einer ungeraden Ordnungszahl über die Umlenkstäbe 28a geführt und die Filamentstränge mit einer geraden Ordnungszahl über die Umlenkstäbe 28b. Hilfsrollen 44-47 stellen den Verlauf der Filamentstränge 10 sicher.
Dadurch, dass benachbarte Filamentstränge 10 über unterschiedliche Aufspreizeinrichtungen 28a, 28b in der Aufspreizanordnung 27 geführt sind, die räumlich voneinander entfernt sind, behindern sich die benachbarten Filamentstränge 10 beim Aufspreizen nicht gegenseitig. Man kann sie daher über eine Teilungsbreite hinaus aufspreizen, d.h. über die Breite der UD-Lage 7 dividiert durch die Anzahl der Filamentstränge 10.
Bei einem derartigen Aufspreizen ergeben sich Bändchen 26, die einen Dickenverlauf in Querrichtung haben, der etwa die Form einer Glockenkurve aufweist. Mit anderen Worten sind die Bändchen 26 in ihrer Mitte etwas dicker als in ihren Randbereichen. Wenn man eine UD-Lage 7 aus derartigen Bändchenn 26 zusammensetzt, dann hat die UD-Lage 7 eine entsprechende Welligkeit.
Um diesem Problem abzuhelfen, kann man die benachbarten Bändchen 26, die über die Teilungsbreite hinaus ausgebreitet worden sind, überlappend anordnen. In diesem Fall ergibt sich in dem Überlappungsbereich eine Addition der Dicken der Randbereiche, die bei entsprechender Einstellung etwa der Dicke in der Mitte der Bändchen 26 entspricht.
Eine andere, bevorzugte Ausgestaltung besteht aber darin, die Bändchen 26 durch jeweils eine Kalibriereinrichtung 48, 49 zu führen. Die Kalibriereinrichtung 48, 49 weist beispielsweise für jedes Bändchen 26 eine Nut auf, die letztendlich die Breite des Bändchens 26 definiert, das durch die Nut hindurch geführt worden ist. Da das Bändchen 26 zuvor breiter als die Nut war, wird das Bändchen 26 in der Nut seitlich etwas zusammengeschoben, d.h. die Kalibrierungseinrichtung 48, 49 bildet eine Breitenverminderungseinrichtung. Man kann die Breite der Bändchen 26 dann genau auf die Teilungsbreite einstellen, so dass nach dem Zusammenführen der Bändchen 26 in einem Nip 50, der durch zwei Walzen 51, 52 gebildet ist, ein Flächengebilde entsteht, in dem keine Lücken mehr vorhanden sind. Man kann jedoch die Breite der Bändchen 26 auch etwas geringer als die Teilungsbreite einstellen, so dass sich Lücken zwischen benachbarten Bändchen 26 ergeben, die beispielsweise eine Breite von 0,1 bis 0,5 mm haben.
Die Nuten der Kalibrierungseinrichtungen 48, 49 sind in Querrichtung versetzt zueinander angeordnet und zwar um die Breite jeweils einer Nut, so dass man die Bändchen 26 später ohne eine weitere Umlenkung in Querrichtung zu der UD-Lage 7 vereinigen kann.
Wenn man die Nuten der Kalibrierungseinrichtungen 48, 49 in Umfangsrichtung mit einer sich verändernden Breite vorsieht, dann entstehen auch Bändchen 26 mit einer Breite, die sich in Laufrichtung fortlaufend und periodisch verändert. Wenn man später die Bändchen 26 zu einem Flächengebilde zusammenführt, dann entstehen in den Bereichen der Bänder, die eine geringere Breite haben, Lücken oder Ausnehmungen zwischen benachbarten Bänder 26, durch die später ein Kunststoff treten kann, wenn ein faserverstärktes Kunststoffelement erzeugt wird. Alternativ dazu kann man auch Kalibrierungseinrichtungen 48, 49 verwenden, bei denen die Bändchen 26 zwischen Bordscheiben hindurchgeführt werden, deren axiale Position veränderbar ist. Wenn die Bordscheiben dichter zusammen geschoben werden, ergeben sich Bandbereiche mit einer geringeren Breite. Wenn die Bordscheiben weiter auseinander gefahren werden, ergeben sich Bandbereiche mit einer größeren Dicke. In allen Fällen ist die Breitenvariation relativ gering. Es reicht aus, wenn die Bandbreite um wenige Prozent verändert wird, beispielsweise 3,5 % oder 10 %.
Zwischen benachbarten Bändchen 26 wird keine Querkohäsion erzeugt, die über eine Querkohäsion von Fasern in einem Filamentstrang 10 oder Bändchen 26 hinausgeht. Die Filamente sind üblicherweise mit einer Schlichte beschichtet, die bei einer Erwärmung, wie sie beispielsweise durch Reibung beim Umlenken entsteht, zu einem Anhaften der einzelnen Fialmente aneinander führen kann. Dieses Anhaften ist jedoch so schwach, dass es nicht möglich ist, die so geringfügig erwärmte Schlichte der Bändchen 26 für eine Querkohäsion zwischen den Bändchen 26 zu nutzen. Die einzelnen Bändchen 26 lassen sich also nach wie vor problemlos voneinander trennen.
In Fig. 3 sind am Ausgang der Aufspreizanordnung 27 mehrere Bändchen 26 lückenlos nebeneinander zu erkennen, so dass sich der Eindruck eines Flächengebildes ergibt.
In Laufrichtung hinter der Aufspreizanordnung 27 ist eine Spannungsmesseinrichtung 29 angeordnet, die die Spannung der einzelnen Bändchen 26 einzeln ermittelt. Die Spannungsmesseinrichtung 29 ist in Fig. 4 vergrö-βert dargestellt. Hier ist erkennbar, dass die einzelnen Bändchen 26 jeweils einzeln über einen Messzylinder 30, 31 geleitet werden. Da die Bändchen 26 in diesem Bereich ihre Endbreite bereits erreicht haben, also eine geschlossene Fläche bilden, ist es notwendig, die Bändchen 26 in zwei Ebenen zu trennen, damit jedes Band einzeln gemessen werden kann. Da eine Querkohäsion zwischen zwei benachbarten Bändchen 26 nicht vorhanden ist, ist eine derartige Trennung problemlos möglich.
Der Messzylinder 30 ist an einem Hebel 32 befestigt, der sich mit einer Rolle 33 auf einem Messsensor 34 abstützt. Der Messsensor 34 kann ein Piezosensor sein. Er kann aber auch nach einem anderen Prinzip arbeiten. Die Messzylinder 31 der anderen Gruppe sind in entsprechender Weise an Hebeln gelagert, die sich über Rollen auf einem Messsensor 34 abstützen.
Um den gerätetechnischen Aufwand gering zu halten, kann man einen einzelnen Messsensor für jede Gruppe von Messzylindern 30, 31 verwenden, der sequentiell, beispielsweise im Abstand von jeweils einer Sekunde, die einzelnen Bandspannungen misst. Dazu ist der Messsensor 34 auf einem Träger 35 angeordnet, der auf einer Schiene 36 quer zur Laufrichtung der Bändchen 26 verlagerbar ist und changierend unter den Hebeln 32 hin und her bewegt werden kann.
Durch die Messung der Bandspannung in jedem einzelnen Bändchen ist es möglich, Reibwertanomalien, die beispielsweise durch Verschmutzung entstehen können, zu ermitteln und durch eine Veränderung der Bandspannung der Speicheranordnung 16 vor dem Ausbreiten zu korrigieren. Bei Austritt aus der Spannungsmesseinrichtung 29 werden die Bändchen 26 wieder zu einer geschlossenen Fläche zusammengeführt.
Auf die Spannungsmesseinrichtung 29 folgt ein zweites Lieferwerk 37 als Filamentstrangantriebsanordnung. Das zweite Lieferwerk 37 weist mehrere Walzen 38 auf, über die die Bändchen 26 schlupffrei geführt sind. Die Walzen 38 weisen die gleiche Umfangsgeschwindigkeit auf. Sie haben zweckmäßigerweise den gleichen Durchmesser und sind durch einen Servomotor 39 mit der gleichen Drehzahl angetrieben. An der letzten der Walzen 38 kann in nicht näher dargestellter Weise noch eine Andruckrolle angeordnet sein, so dass sich ein Nip ergibt, durch den die zu Bändchen 26 ausgebreiteten Filamentstränge 10 geführt sind. Dadurch kann man dafür sorgen, dass die Bändchen 26 durch das zweite Lieferwerk 37 schlupffrei geführt werden.
Das zweite Lieferwerk 37 erzeugt gemeinsam mit der Bandspeicheranordnung 16 die zum Aufspreizen oder Ausbreiten der Filamentstränge 10 zu Bändchen 26 notwendige Spannung. Diese Spannung kann relativ hoch sein. In Abhängigkeit von den verwendeten Fasern kann die zum Aufspreizen oder Ausbreiten der Filamentstränge 10 zu Bändchen 26 notwendige Spannung in der Größenordnung von 100 bis 400 N liegen.
In der Wickeleinrichtung 4 soll die UD-Lage 7 mit einer wesentlich geringeren Spannung als Wickel gespeichert werden. Dementsprechend kann man das zweite Lieferwerk 37 verwenden, um eine Entkopplung zwischen der Spannung, die zum Aufspreizen der Filamentstränge 10 verwendet wird, und der Wickelspannung zu erreichen.
Um gleiche, definierte Zugkräfte in allen Bändchen 26 einzustellen, ist eine Bandspeichereinrichtung 40 vorgesehen, die zwischen dem zweiten Lieferwerk 37 und der Wickeleinrichtung 4 angeordnet ist. Die Bandspeichereinrichtung 40 kann genau so aufgebaut sein, wie die Speicheranordnung 16. Die Einstellung der Zugkraft an den Hebeln 21, 23 kann jedoch wesentlich von den Werten der Speicheranordnung 16 abweichen. Die Größe der Spannung ist abhängig von den Forderungen an das Endprodukt, also die UD-Lage 7, und den Materialeigenschaften der Filamentstränge 10.
In der Bandspeichereinrichtung 40 ist es erneut erforderlich, die geschlossene Fläche der parallelen ausgebreiteten Bändchen 26 in zwei oder mehr Gruppen zu teilen. Durch das Zusammenführen beider Gruppen von Bändchen 26 nach dem Durchlauf der Bandspeichereinrichtung 40 wird die geschlossene Fläche der UD-Lage allerdings wieder hergestellt.
Nach dem Verlassen der Bandspeichereinrichtung 40 bildet sich sozusagen wieder automatisch die UD-Lage mit einer geschlossenen Fläche ohne Zwischenräume und ohne Querkohäsion zwischen den einzelnen Bändchen 26. Die Querkohäsion ist allenfalls so groß, wie die Querkohäsion zwischen Filamenten innerhalb eines Filamentstranges 10.
Die UD-Lage wird dann zwischen den Seitenscheiben 3 des Baumes 2 aufgewickelt. Der Antrieb des Baums 2 erfolgt durch einen Servomotor 41, der im Verbund mit den Motoren 15, 39 der beiden Lieferwerke 13, 37 arbeitet. Mit größer werdendem Durchmesser des Baums 2 erhöht sich das Drehmoment des Servomotors 41. Allerdings kann die Drehzahl sinken.
Alle Filamente der übereinander liegenden Windungen der UD-Lage sind parallel. Um zu vermeiden, dass diese parallelen Filamente oder Fasern sich ineinander verklammern, wird beim Aufwickeln das Trennmaterial 6 zwischen die einzelnen Windungen mit eingewickelt.
Das Trennmaterial 6 wird von der Vorratsspule 5 abgewickelt, die durch einen Servoantrieb 43 angetrieben oder gebremst sein kann. Dadurch wird sichergestellt, dass auch das Trennmaterial 6 mit einer konstanten Zugkraft über den gesamten Wickelprozess zugeführt wird.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer UD-Lage (7) aus einer vorbestimmten Anzahl von Filamentsträngen (10) mit einer Spenderanordnung (8) zur Ausgabe der Filamentstränge (10), einer Speicheranordnung (16) zum Zwischenspeichern der Filamentstränge (10), die für jeden Filamentstrang (10) einen eigenen Speicher aufweist, einer Aufspreizanordnung (27) und einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spenderanordnung (8) und der Speicheranordnung (16) ein Lieferwerk (13) angeordnet ist und in Laufrichtung hinter der Aufspreizanordnung (27) eine Filamentstrangantriebsanordnung (37) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher benachbarter Filamentstränge (10) relativ zueinander versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicheranordnung (16) mindestens einen Fehlersensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufspreizanordnung (27) mehrere Aufspreizeinrichtungen (28a, 28b) aufweist, die an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, wobei benachbarte Filamentstränge (10) durch unterschiedliche Aufspreizeinrichtungen (28a, 28b) laufen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufspreizanordnung (27) eine Kalibrierungseinrichtung (48, 49) nachgeschaltet ist, die für jeden Filamentstrang (10) eine Breitenverminderungseinrichtung bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungseinrichtung (48, 49) eine Bandbreitenvariationseinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Aufspreizanordnung (27) eine Teilungseinrichtung (24) angeordnet ist, die mindestens einen Führungskörper mit einer Nut für jeden Filamentstrang (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentstrangantriebseinrichtung (37) einen Nip aufweist, in dem die ausgebreiteten Filamentstränge (10) mit einem Druck beaufschlagt werden.
Verfahren zum Erzeugen einer UD-Lage (7) aus einer vorbestimmten Anzahl von Filamentsträngen (10), die aus einer Spenderanordnung (8) abgezogen werden, bei dem man die Filamentstränge (10) zu Bändchen (26) aufspreizt, wobei man die Filamentstränge (10) zwischen dem Abziehen und dem Aufspreizen durch eine Speicheranordnung (16) in der man jeden Filamentstrang (10) in der Speicheranordnung (16) einzeln speichert und nach dem Aufspreizen zu einem Ausgang führt, dadurch gekennzeichnet, dass man die Filamentstränge (10) mit Hilfe eines Lieferwerks (13) von der Spenderanordnung (8) abzieht und der Speichereinrichtung (16) zuführt und hinter dem Aufspreizen durch eine Filamentstrangantriebsanordnung (37) antreibt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Spannung, mit der die Filamentstränge (10) aufgespreizt werden, von einer Spannung am Ausgang entkoppelt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass man die Filamentstränge (10) über eine Teilungsbreite hinaus zu Bändchen (26) aufspreizt, wobei die Teilungsbreite der Breite der UD-Lage (7) dividiert durch die Anzahl der Filamentstränge (10) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die Bändchen (26) nach dem Aufspreizen seitlich zusammenschiebt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man beim Zusammenschieben von Bändchen (26) mit sich verändernder Breite erzeugt.