WO2009115172A1 - Vorrichtung und verfahren zum wickeln eines fasermaterials auf einem wickelkern bei der herstellung eines faserverbunbauteils - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum wickeln eines fasermaterials auf einem wickelkern bei der herstellung eines faserverbunbauteils Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for winding a fiber material onto a winding core in the manufacture of a fiber composite component.
  • a fiber composite material is a composite material which generally consists of two major components, namely a matrix and fibers embedded therein. Mutual interactions between these components give the material higher-quality properties than either of the two components involved.
  • an elongated fiber material (eg "roving") is usually supplied continuously and wound onto a rotating, positive mandrel or “winding core".
  • the matrix material eg, synthetic resin
  • the matrix material e.g, synthetic resin
  • prepregs pre-impregnated semi-finished products
  • the present invention addresses this problem. It is an object of the invention to provide a fiber winding technique for producing a fiber composite component in which the fiber material can be deposited on the winding core with great positional accuracy.
  • the device according to the invention for winding a fiber material onto a winding core during the production of a fiber composite component comprises:
  • a first needle ring with a plurality of first needles projecting radially outward, arranged coaxially with respect to a winding core axis at an axial end of the winding core, with respect thereto,
  • the basic idea of the solution according to the invention is that a plurality of fiber material strands of a fiber material layer to be wound up on the winding core are laid down at the same time, so that there is a supporting effect of the fiber material strands with one another. This allows in practice a particularly positionally accurate and stable storage of the fiber material.
  • the invention specifies a structurally particularly simple to accomplish realization of the simultaneous storage of multiple fiber material strands.
  • the invention can even be realized by a more or less slight modification or supplement to an otherwise conventional winding system.
  • the winding process realized with the invention is not subject to any particular restrictions with regard to the type of fiber material (eg individual fibers, rovings, flat semi-finished fiber products, etc.) and with regard to the type of matrix material.
  • Suitable fibers are, for example, carbon fibers, synthetic synthetic fibers or natural fibers.
  • matrix material in particular plastics such.
  • thermosetting plastics interesting. However, these lists are only to be understood as examples.
  • the first needle ring is firmly connected to the winding core, that is, for example, is formed by an axial end portion of the winding core itself.
  • the winding core may be provided as a "lost shape" or reusable.
  • the first needle ring may be provided separately from the winding core, in particular as a component of a rotary bearing or fixedly connected to such a pivot bearing which rotatably supports the winding core at the respective axial end with respect to a device base.
  • This variant is z.
  • the needle ring to be reusable (for the production of multiple fiber composite components).
  • the drive means are adapted to hold the guide ring rotatably connected to the second needle ring when depositing the fiber material.
  • the drive means are designed to move the guide ring axially when depositing the fiber material. Since the axial position of the guide ring influences the spatial orientation of the individual fiber material strands when depositing on the surface of the winding core, the resulting winding pattern can be influenced or predetermined by a targeted axial displacement of the guide ring during the winding process. To z. B. to achieve a radial winding pattern, it is expedient to keep the guide ring when depositing the fiber material always in an axial position or carry, which corresponds to the axial position of that winding core area, which is currently wound.
  • the drive means are adapted to pre-load the second needle ring in the direction away from the first needle ring when depositing the fiber material in order to set a fiber material tension during winding.
  • the drive means are designed to move the second needle ring axially (in the direction of the first pin crown) when depositing the fiber material.
  • This axial displacement during the winding process may be active or preferably passive, ie driven by the tension exerted by the fiber material on the second fiber wreath.
  • a relative rotation of the winding core with respect to the second needle ring is required. This relative rotation can be done in principle according to one of three embodiments.
  • a first variant is to keep the winding core stationary relative to a base of the device and to rotate only the second needle ring with respect to this device base.
  • a second variant is to hold the second needle ring rotationally fixed with respect to the device base and instead to rotate the winding core with respect to the device base.
  • a third variant consists in turning both the winding core and (for example, in a negative sense) the second needle ring. If the guide ring has no structuring at its outer circumference and the fiber strands extending over it are thus displaceable in the circumferential direction of the guide ring, the rotational position of the guide ring or rotation of the guide ring during the winding process plays no role in all the aforementioned operating variants.
  • the rotational position of the guide ring must substantially correspond to the rotational position of the second needle rim when the fiber material is deposited. So if z. B. the second needle ring during operation of the device when depositing the Faserma- terials is rotated relative to a device base, so the guide ring must be carried along in its rotational position accordingly (not necessarily exact).
  • the method according to the invention for winding a fiber material onto a winding core during the production of a fiber composite component comprises the steps:
  • first needle wheel with a plurality of radially outwardly projecting first needles coaxial with a winding core axis at one axial end of the winding core
  • second needle ring with a plurality of radially outwardly projecting second needles coaxial with the winding core axis at the axial distance from the first needle ring
  • guide ring coaxial with the winding core axis and axially between the two needle rings
  • FIG. 2 shows some components of a winding device that are essential to understanding the invention, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows the device of FIG. 2 after being covered with a fiber material
  • Fig. 4 shows the device of Fig. 3 after an axial adjustment of a guide ring immediately before the start of the winding process
  • Fig. 5 shows the device during the winding process.
  • 1 shows a conventional fiber-wound winding installation 1 comprising a base 2 with a first pivot bearing device 3 and a second pivot bearing device 4, which together form a pivot bearing for rotating a winding core 5 about a winding core axis A.
  • the winding system 1 further comprises a thread guiding system for feeding a roving R to be wound onto the winding core 5.
  • this system comprises a guide device for the movable mounting of a winding head 7 ("thread eye") running parallel to the winding core axis A, through which it runs continuously supplied roving R is guided on the surface of the winding core 5.
  • the roving is supplied to the winding head 7 via an impregnation unit 8 (for example, an immersion bath filled with a synthetic resin system), which is moved in the axial direction during operation of the winding installation 1 together with the winding head 7.
  • the roving R is withdrawn from a supply spool (not shown in FIG. 1) and wound onto the rotating spool 5 at a predetermined tension.
  • a supply spool not shown in FIG. 1
  • different winding patterns can be achieved in a known manner (eg, cross, polar or radial winding patterns).
  • FIGS. 2 to 5 a device and a method for winding a fiber material onto a winding core will be described below, with which a high position accuracy of the deposited fiber material can be achieved in a simple manner.
  • Fig. 2 shows as essential components of such a winding device 10, a first needle ring 12, a second needle ring 14 and a guide ring 16. These three components are arranged in this order coaxial with a winding core axis A of a winding core 18 and by (not shown) storage means at one lathe-like device integrated, as z. B. with reference to that described in Fig. 1.
  • the first needle ring 12 has a plurality of radially outwardly projecting first needles 20 and is connected in the example shown at a first axial end of the winding core 18 fixed thereto.
  • the second needle ring 14 has a plurality of outwardly projecting second needles 22 and is arranged at an axial distance from the first needle ring 12, in the situation shown in FIG. 2 beyond the second end of the winding core 18th
  • the guide ring 16 has in the illustrated example a smooth-surfaced outer periphery and is arranged axially between the two needle rings 12 and 14, in the situation shown in FIG. 2 beyond the second (right) end of the winding core.
  • the guide ring 16 and the second needle ring 14 each have an inner diameter which is larger by some than the largest diameter of the winding core 18th
  • the two needle rings 12, 14 and the guide ring 16 are covered with a fiber material, in the illustrated example with a preimpregnated roving R.
  • FIG 3 shows the result of the covering of the device 10 with the roving R, from which distributed in the circumferential direction (eg equidistant distributed) several Ro- vingabitese (fiber strands) each from a needle ring over the outer circumference of the guide ring 16 to the other Needle ring run.
  • distributed in the circumferential direction eg equidistant distributed
  • Ro- vingabitese fiber strands
  • the covering means required for this purpose are formed, for example, by the thread guide system already described with reference to FIG. 1 with the winding head 7 which can be moved in the axial direction.
  • the winding head 7 can move parallel to the winding core axis A from one of the needle rings 12, 14 to the other of the needle rings and hook the roving R to the respective needles 20 and 22 respectively , After such a hanging of the roving R on a needle moves the winding head 7 back to the first-mentioned needle ring, there to put the roving R in turn around one of the needles.
  • the second needle ring 14 has twice as many needles as the first needle ring 12, and of the needles 22 of the second needle ring 14 only every second is used. This could be z. B. be different in the manufacture of another component.
  • At least 8, more preferably at least 16 circumferentially distributed strands are formed in the stringing step.
  • a crossing rod could also be provided by a suitably modified stringing step.
  • the needle ring 12 could also be a component of the pivot bearing device 3 shown in Fig. 1, which serves primarily for pivotal mounting of the respective winding core.
  • the second needle ring 14 and the guide ring 16 can be in a simple manner as components of a second pivot bearing device slightly modified compared to the pivot bearing device 4 (FIG. Both components 14, 16 may in particular be designed as axial end sections of a respective hollow shaft or hollow axle, which in FIG. 3 extends from the components 14, 16 to the right into the relevant pivot bearing device (not illustrated).
  • a biasing force symbolized by the arrow 24 is exerted on the second needle ring 14 by a drive device, not shown in FIGS. 2 to 5, in order to keep the clamped roving R below a defined tensile stress.
  • the guide ring 16 in the axial direction moved away from the second needle ring 14 in the direction of the first needle ring 12 out until between the winding core axis A and the individual fiber strands R each set an angle that a desired Shelf angle corresponds.
  • FIG. 5 illustrates the winding process in which, in the example shown, the guide ring 16 and the second needle ring 14 are held in a rotationally fixed manner with respect to a device base (for example the base 2 shown in FIG. lent the winding core 18 together with the first needle ring 12 is rotated relative to the base (symbolized by the arrow 28).
  • a device base for example the base 2 shown in FIG. lent the winding core 18 together with the first needle ring 12 is rotated relative to the base (symbolized by the arrow 28).
  • the axial position of the second needle ring 14 or its axial distance from the other device components is not reproduced to scale in FIGS. 2 to 5.
  • the second needle ring 14 is located farther to the right than shown in the figures.
  • the roving R is deposited in a radial winding pattern by rotating the winding core 18 at a constant speed (arrow 28) and at the same time retracting the guide ring 16 (arrow 30), that between the winding core axis A and Roving R set angle at the beginning of the winding process remains substantially constant.
  • the further steps known per se for completing the fiber composite component can then take place, ie. H. the gutting and curing of the wound construct.
  • the guide ring movement (arrow 30) can be reversed several times accordingly.
  • the function and movement of the guide ring 16 in the context of the invention essentially correspond to the function and movement of the winding head of a conventional fiber winding system.
  • all the components of a conventional fiber winding installation (cf., for example, FIG. 1) can also be advantageously used within the scope of the invention.
  • Such a conventional one Plant has z. B. already has a drive for rotating the winding core 18.
  • An already present winding head (as well as the rotary drive for the winding core) can be advantageously used in the invention to accomplish the Bespann suitses.
  • a more uniform winding pattern can be achieved with the winding method modified according to the invention since the fiber material can not slip or only minimally and, for example, in a radial winding pattern, the individual fiber material strands can be deposited uniformly next to one another. This has a positive effect on the mechanical properties of the finished fiber composite component.
  • the winding head of the system can be moved directly from one needle ring to the other needle ring, resulting in an advantageously less time to accomplish the Bespann intimides.
  • the number of simultaneously wound fiber material strands is not predetermined or limited by the design of the system. Rather, it is predetermined during stringing in the first work step, for example by a program of a program-controlled fiber winding installation. As a result, the number of fiber material strands to be deposited and thus the layer thickness of each deposited layer can be quickly and easily adapted to the specific requirements.
  • Another advantage of the invention is that the system already works with a single fiber feed, although a variety of fiber material strands can be stored simultaneously during the actual winding process.
  • a preferred use of the invention is, for example, with a synthetic resin based on cold or hot-crosslinking thermosets prepreg-deposited textile semi-finished products on mandrels, wherein the filing takes place at least in sections on non-geodesic webs of the core surface.
  • a device (10) and a method for winding a fiber material (R) onto a winding core (18) in the manufacture of a fiber composite component has been described.
  • the device enables a fiber winding technique, which allows the reliable storage of the fiber material strands (R) on the winding core (18) with high positional accuracy.
  • the winding process takes place with the aid of two axially spaced needle rings (12, 14) and an axially arranged therebetween guide ring (16). These components (12, 14, 16) are first covered with the fiber material (R) and subsequently moved in a coordinated manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Wickeln eines Fasemnaterials (R) auf einen Wickelkern (18) bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils. Im Stand der Technik ergibt sich - abhängig von der konkreten Geometrie des Wickelkerns und einem gewünschten Faserbahnverlauf an der Oberfläche des Wickelkerns - oftmals das Problem, dass es beim Ablegen von Fasermaterialsträngen auf instabilen Faserbahnen (nicht-geodätische Linien) zu einem Verrutschen der Fasermaterialstränge kommen kann. Die Erfindung widmet sich diesem Problem und stellt eine Faserwickeltechnik bereit, welche die zuverlässige Ablage der Fasermaterialstränge (R) auf dem Wickelkern (18) mit großer Positionsgenauigkeit ermöglicht. Der Wickelprozess erfolgt mit Hilfe zweier axial beabstandeter Nadelkränze (12, 14) und eines axial dazwischen angeordneten Führungsringes (16). Diese Komponenten (12, 14, 16) werden zunächst mit dem Fasermaterial (R) bespannt und nachfolgend in koordinierter Weise bewegt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Die Verwendung von faserverstärkten Bauteilen, auch als Faserverbundbauteile bezeichnet, ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwer- tigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
Insbesondere zur Herstellung von im Wesentlichen rohrförmigen Faserverbundbauteilen bzw. Faserverbundbauteilen mit wenigstens einem im Wesentlichen rohrförmigen Bauteilabschnitt hat sich seit langem die so genannte Faserwickeltechnik etabliert.
Bei der bekannten Faserwickeltechnik wird ein langgestrecktes Fasermaterial (z. B. "Roving") üblicherweise kontinuierlich zugeführt und auf einen rotierenden, positiven Formkern bzw. "Wickelkern" gewickelt. Wenn das Fasermaterial unmittelbar vor dem Aufwickeln mit dem Matrixmaterial (z. B. Kunstharz) vorimprägniert wird, etwa indem das Fasermaterial bei einer kontinuierlichen Zufuhr durch ein Tauchbad gezogen wird, so spricht man im speziellen von der Fasernasswickeltechnik. Alternativ zu einer Imprägnierung während des Wickelprozesses kommt auch die Verwendung von vorimprägnierten Halbzeugen (so genannte Prepregs) in Betracht. In diesem Fall spricht man von der Prepregwickeltechnik. Schließlich ist es auch möglich, das Fasermaterial als solches zunächst auf den Wickelkern aufzuwickeln und nachträglich mit dem Matrixmaterial zu imprägnieren (so genannte Trockenwickeltechnik).
Der Verlauf der Fasern im fertigen Faserverbundbauteil bestimmt ganz maßgeblich die mechanischen Eigenschaften und somit z. B. die Belastbarkeit des betreffenden Bauteils. Insofern ist es bei der Herstellung des Faserverbundbauteils von großer Bedeutung, dass das Fasermaterial in gut definierter Weise hinsichtlich der Anordnung und Orientierung der Fasern auf den Wickelkern gewickelt wird. Genau hier ergibt sich in der Praxis, abhängig von der konkreten Geometrie des Wickelkerns und einem gewünschten Faserbahnverlauf an der Oberfläche dieses Wickelkerns, oftmals das Problem, dass beim Ablegen von Fasermaterial auf instabilen Faserbahnen (nicht-geodätische Linien) Querkräfte wirken, die zum Verrutschen des Fasermaterials führen können. Daraus resultierende unerwünschte Fa- sermaterialkreuzungen oder Abweichungen vom gewünschten Fasermaterialverlauf können sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils auswirken.
Die vorliegende Erfindung widmet sich diesem Problem. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Faserwickeltechnik zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, bei welcher das Fasermaterial mit großer Positionsgenauigkeit auf dem Wickelkern abgelegt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Ver- fahren nach Anspruch 8. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung, die in entsprechender weise auch für das Verfahren einsetzbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils umfasst:
einen koaxial zu einer Wickelkernachse an einem axialen Ende des Wickel- kerns drehfest bezüglich desselben angeordneten ersten Nadelkranz mit mehreren radial nach außen abstehenden ersten Nadeln,
einen koaxial zur Wickelkernachse im axialen Abstand zum ersten Nadelkranz drehbar bezüglich des Wickelkerns angeordneten zweiten Nadelkranz mit mehreren radial nach außen abstehenden zweiten Nadeln,
einen koaxial zur Wickelkernachse, axial zwischen den beiden Nadelkränzen angeordneten Führungsring,
- Bespannmittel zum Bespannen der beiden Nadelkränze und des Führungsringes mit dem Fasermaterial derart, dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere Fasermaterialstränge jeweils vom ersten Nadelkranz über einen Außenumfang des Führungsringes zum zweiten Nadelkranz verlaufen, und
- Antriebsmittel zum Drehen des Wickelkerns bezüglich des zweiten Nadelkranzes um die Wickelkernachse und somit Ablegen des zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen aufgespannten Fasermaterials auf den Wickelkern.
Der grundlegende Gedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass mehrere Fasermaterialstränge einer auf dem Wickelkern aufzuwickelnden Fasermateriallage gleichzeitig abgelegt werden, so dass es zu einer stützenden Wirkung der Fasermaterialstränge untereinander kommt. Dies ermöglicht in der Praxis eine besonders positionsgenaue und stabile Ablage des Fasermaterials.
Darüber hinaus spezifiziert die Erfindung eine konstruktiv besonders einfach zu bewerkstelligende Realisierung der gleichzeitigen Ablage mehrerer Fasermaterialstränge. Wie es unten noch erläutert wird, kann die Erfindung sogar durch eine mehr oder weniger geringfügige Modifikation bzw. Ergänzung einer ansonsten herkömmlichen Wickelanlage realisiert werden.
Prinzipiell unterliegt der mit der Erfindung realisierte Wickelprozess keinen besonderen Einschränkungen hinsichtlich der Art des Fasermaterials (z. B. einzelne Fasern, Rovings, flächige Faserhalbzeuge etc.) sowie hinsichtlich der Art des Matrixmaterials. Als Fasern kommen beispielsweise Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesonde- re Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe interessant. Diese Aufzählungen sind jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wickelvorrichtung ist der erste Nadelkranz fest mit dem Wickelkern verbunden, wird also beispiels- weise durch einen axialen Endabschnitt des Wickelkerns selbst gebildet. Zur Bereitstellung des ersten Nadelkranzes ist es demnach denkbar, einen in konventioneller Weise gefertigten Wickelkern einfach nachträglich noch mit radial nach außen abstehenden Nadeln zu versehen. Der Wickelkern kann als "verlorene Form" oder wiederverwendbar vorgesehen sein.
Alternativ kann der erste Nadelkranz separat vom Wickelkern vorgesehen sein, insbesondere als Komponente eines Drehlagers oder mit einem solchen Drehlager fest verbunden, welches den Wickelkern am betreffenden axialen Ende drehbar bezüglich einer Vorrichtungsbasis lagert. Diese Variante ist z. B. insbesondere dann von Vorteil, wenn der Nadelkranz wiederverwendbar sein soll (zur Herstellung mehrerer Faserverbundbauteile).
In einer Ausführungsform sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials den Führungsring drehfest mit dem zweiten Nadelkranz verbunden zu halten.
In einer Ausführungsform sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials den Führungsring axial zu verfahren. Da die axiale Position des Führungsringes die räumliche Orientierung der einzelnen Fasermaterialstränge beim Ablegen auf die Oberfläche des Wickelkerns beeinflusst, kann durch eine gezielte axiale Verlagerung des Führungsringes während des Wickelprozesses das sich ergebende Wickelmuster beeinflusst bzw. vorgegeben werden. Um z. B. ein Radialwickelmuster zu erzielen ist es zweckmäßig, den Führungsring beim Ablegen des Fasermaterials stets in einer axialen Position zu halten bzw. mitzuführen, welche der axialen Position desjenigen Wickelkernbereiches entspricht, der momentan bewickelt wird.
In einer Ausführungsform sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials den zweiten Nadelkranz in Richtung vom ersten Nadelkranz weg vorzubelasten, um eine Fasermaterialspannung beim Wickeln einzustellen.
In einer Ausführungsform sind die Antriebsmittel dazu ausgebildet, beim Ablegen des Fasermaterials den zweiten Nadelkranz axial (in Richtung zum ersten Nadel- kränz hin) zu verfahren. Diese axiale Verlagerung während des Wickelprozesses kann aktiv oder auch bevorzugt passiv, d. h. angetrieben durch den vom Fasermaterial auf den zweiten Faserkranz ausgeübten Zug, vorgesehen sein. Zum Ablegen des zwischen den beiden Nadelkränzen aufgespannten Fasermaterials ist eine Relativdrehung des Wickelkerns bezüglich des zweiten Nadelkranzes erforderlich. Diese Relativdrehung kann prinzipiell gemäß einer von drei Ausführungsvarianten erfolgen. Eine erste Variante besteht darin, den Wickelkern bezüg- lieh einer Basis der Vorrichtung stationär zu halten und lediglich den zweiten Nadelkranz bezüglich dieser Vorrichtungsbasis zu drehen. Eine zweite Variante besteht darin, den zweiten Nadelkranz drehfest bezüglich der Vorrichtungsbasis zu halten und stattdessen den Wickelkern bezüglich der Vorrichtungsbasis zu drehen. Eine dritte Variante besteht darin, sowohl den Wickelkern als auch (z. B. ge- gensinnig dazu) den zweiten Nadelkranz zu drehen. Falls der Führungsring an seinem Außenumfang keine Strukturierung besitzt und die darüber verlaufenden Fasermaterialstränge somit in Umfangsrichtung des Führungsringes verschieblich sind, spielt bei allen vorstehend erwähnten Betriebsvarianten die Drehstellung des Führungsringes bzw. Drehung des Führungsringes beim Wickelprozess keine RolIe. Wenn der Führungsring jedoch eine radial äußere Strukturierung (z. B. axial verlaufende Nuten, radial nach außen abstehende Nadeln etc.) besitzt, so muss beim Ablegen des Fasermaterials die Drehstellung des Führungsringes im Wesentlichen der Drehstellung des zweiten Nadelkranzes entsprechen. Falls also z. B. der zweite Nadelkranz im Betrieb der Vorrichtung beim Ablegen des Faserma- terials bezüglich einer Vorrichtungsbasis gedreht wird, so muss der Führungsring in seiner Drehstellung entsprechend mitgeführt (nicht notwendigerweise exakt) werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils umfasst die Schritte:
Bereitstellung eines ersten Nadelkranzes mit mehreren radial nach außen abstehenden ersten Nadeln koaxial zu einer Wickelkernachse an einem axialen Ende des Wickelkerns, eines zweiten Nadelkranzes mit mehreren radial nach außen abstehenden zweiten Nadeln koaxial zur Wickelkernachse im a- xialen Abstand zum ersten Nadelkranz, und eines Führungsringes koaxial zur Wickelkernachse und axial zwischen den beiden Nadelkränzen,
- Bespannen der beiden Nadelkränze und des Führungsringes mit dem Fasermaterial derart, dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere Fasermaterialstränge jeweils vom ersten Nadelkranz über einen Außenumfang des Führungsringes zum zweiten Nadelkranz verlaufen, und
- Drehen des Wickelkerns bezüglich des zweiten Nadelkranzes um die Wickelkernachse und somit Ablegen des zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen aufgespannten Fasermaterials auf den Wickelkern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 eine Faserwickelanlage herkömmlicher Art, die jedoch im Rahmen der Erfindung nutzbar ist,
Fig. 2 einige zum Verständnis der Erfindung wesentliche Komponenten einer Wickelvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 die Vorrichtung von Fig. 2 nach einem Bespannen mit einem Fasermaterial,
Fig. 4 die Vorrichtung von Fig. 3 nach einer axialen Verstellung eines Führungsringes unmittelbar vor Beginn des Wickelprozesses, und
Fig. 5 die Vorrichtung während des Wickelprozesses. Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Fasernasswickelanlage 1 umfassend eine Basis 2 mit einer ersten Drehlagereinrichtung 3 und einer zweiten Drehlagereinrichtung 4, die zusammen ein Drehlager zur Drehung eines Wickelkerns 5 um eine Wickel- kernachse A ausbilden.
Die Wickelanlage 1 umfasst ferner ein Fadenführungssystem zur Zufuhr eines auf den Wickelkern 5 zu wickelnden Rovings R. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst dieses System eine parallel zur Wickelkernachse A verlaufende Füh- rungseinrichtung zur verfahrbaren Lagerung eines Wickelkopfes 7 ("Fadenauge"), durch den das kontinuierlich zugeführte Roving R auf die Oberfläche des Wickelkerns 5 geführt wird. Das Roving wird dem Wickelkopf 7 hierbei über eine Imprägniereinheit 8 (z. B. mit einem Kunstharzsystem befülltes Tauchbad) zugeführt, welche im Betrieb der Wickelanlage 1 zusammen mit dem Wickelkopf 7 in Axial- richtung verfahren wird.
Das Roving R wird von einer (in Fig. 1 nicht dargestellten) Vorratsspule abgezogen und mit einer vorbestimmten Zugspannung auf den sich drehenden Wickelkern 5 aufgewickelt. Durch eine geeignete Koordination der Drehung des Wickel- kerns 5 einerseits und der Bewegung (hier: Axialbewegung) des Wickelkopfes 7 andererseits lassen sich in bekannter Weise verschiedene Wickelmuster erzielen (z. B. Kreuz-, Polar- oder Radialwickelmuster).
Ebenfalls bekannt sind die in der Praxis bei einem derartigen Wickelprozess auf- tretenden Probleme, wenn es darum geht, das Roving (allgemein: Fasermaterial) positionsgenau auf dem Wickelkern abzulegen. Ein auf einer allgemein gekrümmten Oberfläche unter definierter Zugspannung abgelegter Faden ist bestrebt, durch Verrutschen eine stabile Lage zu erreichen. Dieses Bestreben ist nur dann nicht gegeben, wenn der Faden auf einer positiv gekrümmten Formoberfläche entlang einer geodätischen Bahn abgelegt wird. Die Fasermaterialbahn ist somit in der Praxis nicht frei wählbar, sondern muss stets gewisse Haft- und Abhebekriterien erfüllen. Oftmals sind jedoch in dieser Hinsicht schwierig zu erreichende Ablagebahnen im Hinblick auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften des ferti- gen Faserverbundbauteiles erwünscht. In diesen Fällen muss bei der beschriebenen konventionellen Faserwickeltechnik ein Kompromiss zwischen den vom Bauteil geforderten mechanischen Eigenschaften und den prozesstechnisch machbaren Ablagebahnen gefunden werden.
Mit Bezug auf die Fig. 2 bis 5 werden nachfolgend eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials auf einen Wickelkern beschrieben, mit denen in einfacher Weise eine hohe Positionsgenauigkeit des abgelegten Fasermaterials erzielbar ist.
Fig. 2 zeigt als wesentliche Komponenten einer solchen Wickelvorrichtung 10 einen ersten Nadelkranz 12, einen zweiten Nadelkranz 14 und einen Führungsring 16. Diese drei Komponenten sind in dieser Reihenfolge koaxial zu einer Wickelkernachse A eines Wickelkerns 18 angeordnet und durch (nicht dargestellte) Lagerungsmittel an einer drehbankähnlichen Einrichtung integriert, wie sie z. B. mit Bezug auf die in Fig. 1 beschrieben wurde.
Der erste Nadelkranz 12 weist mehrere radial nach außen abstehende erste Nadeln 20 auf und ist im dargestellten Beispiel an einem ersten axialen Ende des Wickelkerns 18 fest mit diesem verbunden.
Der zweite Nadelkranz 14 weist mehrere nach außen abstehende zweite Nadeln 22 auf und ist im axialen Abstand zum ersten Nadelkranz 12 angeordnet, in der Situation gemäß Fig. 2 jenseits des zweiten Endes des Wickelkerns 18. Der Führungsring 16 besitzt in dem dargestellten Beispiel einen glattflächigen Außenumfang und ist axial zwischen den beiden Nadelkränzen 12 und 14 angeordnet, in der Situation gemäß Fig. 2 jenseits des zweiten (rechten) Wickelkernendes.
Der Führungsring 16 sowie der zweite Nadelkranz 14 besitzen jeweils einen Innendurchmesser, der um einiges größer ist als der größte Durchmesser des Wickelkerns 18.
Die vorstehend beschriebenen Stellungen der Vorrichtungskomponenten 12, 14 und 16 (vgl. Fig. 2) liegen zu Beginn des nachfolgend beschriebenen Wickelprozesses vor, der mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 wie folgt abläuft:
In einem ersten Schritt erfolgt ein Bespannen der beiden Nadelkränze 12, 14 und des Führungsringes 16 mit einem Fasermaterial, im dargestellten Beispiel etwa mit einem vorimprägnierten Roving R.
Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Bespannung der Vorrichtung 10 mit dem Roving R, von welchem in Umfangsrichtung verteilt (z. B. äquidistant verteilt) mehrere Ro- vingabschnitte (Faserstränge) jeweils von einem Nadelkranz über den Außenum- fang des Führungsringes 16 zum anderen Nadelkranz verlaufen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die hierfür erforderlichen Bespannmittel beispielsweise von dem mit Bezug auf Fig. 1 bereits beschriebenen Fadenfüh- runssystem mit dem in Axialrichtung verfahrbaren Wickelkopf 7 gebildet. Um das Roving R in der in Fig. 3 dargestellten Weise auf die Vorrichtung 10 aufzuspannen kann der Wickelkopf 7 parallel zur Wickelkernachse A von einem der Nadelkränze 12, 14 zum anderen der Nadelkränze fahren und das Roving R an den jeweiligen Nadeln 20 bzw. 22 einhängen. Nach einem solchen Einhängen des Rovings R an einer Nadel fährt der Wickelkopf 7 wieder zurück zum erstgenannten Nadelkranz, um dort das Roving R wiederum um eine der Nadeln zu legen.
Sowohl die Anzahl der Faserstränge als auch der gegenseitige Faserabstand bzw. konkrete Faserverlauf ist im Wesentlichen frei wählbar. Gewisse Einschränkungen ergeben sich allenfalls durch die Anzahl und Anordnung der Nadeln 20 und 22 an den Nadelkränzen 12 und 14.
Im dargestellten Bespannungsbeispiel gemäß Fig. 3 besitzt der zweite Nadelkranz 14 doppelt so viele Nadeln wie der erste Nadelkranz 12, und von den Nadeln 22 des zweiten Nadelkranzes 14 wird nur jede zweite genutzt. Dies könnte z. B. bei der Herstellung eines anderen Bauteils anders sein.
Außerdem wird im dargestellten Bespannungsbeispiel gemäß Fig. 3 das Roving R am Nadelkranz 12 jeweils um zwei einander benachbare Nadeln 20 und am Nadelkranz 14 jeweils um drei einander benachbare Nadeln 22 herum "umgelenkt". Auch dies könnte z. B. bei der Herstellung eines anderen Bauteils anders sein.
Bevorzugt werden bei dem Bespannungsschritt mindestens 8, weiter bevorzugt mindestens 16 in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Stränge ausgebildet.
Abweichend vom dargestellten Beispiel, bei welchem die zwischen den beiden Nadelkränzen 12 und 14 aufgespannten Stränge des Rovings R sich nicht kreuzen, könnten durch einen entsprechend modifizierten Bespannschritt auch sich kreuzende Stange vorgesehen sein.
Abweichend vom dargestellten Beispiel, bei welchem der erste Nadelkranz 12 einen integralen Bestandteil des Wickelkerns 18 darstellt, könnte der Nadelkranz 12 auch eine Komponente der in Fig. 1 dargestellten Drehlagereinrichtung 3 sein, welche in erster Linie zur Drehlagerung des betreffenden Wickelkerns dient.
Der zweite Nadelkranz 14 und der Führungsring 16 können in einfacher Weise als Komponenten einer gegenüber der Drehlagereinrichtung 4 (Fig. 1) geringfügig modifizierten zweiten Drehlagereinrichtung sein. Beide Komponenten 14, 16 können insbesondere als axiale Endabschnitte einer jeweiligen Hohlwelle oder Hohlachse ausgebildet sein, die sich in Fig. 3 von den Komponenten 14, 16 nach rechts in die betreffende Drehlagereinrichtung hinein erstreckt (nicht dargestellt).
Nach dem Bespannen der Vorrichtung 10 wird durch eine in den Fig. 2 bis 5 nicht dargestellte Antriebseinrichtung eine durch den Pfeil 24 symbolisierte Vorspannkraft auf den zweiten Nadelkranz 14 ausgeübt, um das aufgespannte Roving R unter einer definierten Zugspannung zu halten. Außerdem wird, wie durch den Pfeil 26 symbolisiert, der Führungsring 16 in Axialrichtung, weg vom zweiten Nadelkranz 14 in Richtung auf den ersten Nadelkranz 12 hin verschoben, bis sich zwischen der Wickelkernachse A und den einzelnen Fasersträngen R jeweils ein Winkel einstellt, der einem gewünschten Ablagewinkel entspricht.
Fig. 4 zeigt das Ergebnis der axialen Einstellung der Position des Führungsringes 16. Nach diesem Einstellschritt beginnt der eigentliche Wickelprozess, indem die Antriebsmittel eine Drehung des Wickelkerns 18 bezüglich des zweiten Nadelkranzes 14 um die Wickelkernachse A herum bewirken, so dass das zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen 12 und 14 aufgespannte Roving R auf den Wi- ckelkern 18 abgelegt wird.
Fig. 5 veranschaulicht den Wickelprozess, bei welchem im dargestellten Beispiel der Führungsring 16 und der zweite Nadelkranz 14 drehfest bezüglich einer Vorrichtungsbasis (z. B. die in Fig. 1 dargestellte Basis 2) gehalten werden und ledig- lieh der Wickelkern 18 samt erstem Nadelkranz 12 bezüglich der Basis gedreht wird (symbolisiert durch den Pfeil 28).
Der einfacheren Darstellung halber ist in den Fig. 2 bis 5 die axiale Position des zweiten Nadelkranzes 14 bzw. dessen axialer Abstand von den übrigen Vorrichtungskomponenten nicht maßstäblich wiedergegeben. Tatsächlich befindet sich der zweite Nadelkranz 14 weiter rechts als in den Figuren dargestellt.
Im in Fig. 5 dargestellten Wickelbeispiel wird das Roving R in einem Radialwi- ckelmuster abgelegt, indem der Wickelkern 18 mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird (Pfeil 28) und gleichzeitig der Führungsring 16 so zurückgezogen wird (Pfeil 30), dass der zwischen Wickelkernachse A und Roving R zu Beginn des Wickelprozesses eingestellte Winkel im Wesentlichen konstant bleibt.
Der mit der Ablage des Rovings R auf der Kernoberfläche verbundene, entgegen der Vorspannung 24 erfolgende Materialabzug wird durch eine entsprechende axiale Bewegung des zweiten Nadelkranzes 14 ausgeglichen (Pfeil 32).
Nach Beendigung des Wickelprozesses können dann die an sich bekannten wei- teren Schritte zur Fertigstellung des Faserverbundbauteils erfolgen, d. h. die Entkernung und Aushärtung des gewickelten Konstrukts.
Zum Wickeln mehrerer Fasermateriallagen auf den Wickelkern 18 kann die Führungsringbewegung (Pfeil 30) entsprechend mehrmals reversiert werden. Die Funktion und Bewegung des Führungsringes 16 entsprechen im Rahmen der Erfindung im Wesentlichen der Funktion und Bewegung des Wickelkopfes einer konventionellen Faserwickelanlage. Wie bereits erläutert können sämtliche Komponenten einer konventionellen Faserwickelanlage (vgl. z. B. Fig. 1) auch im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Eine solche herkömmliche Anlage verfügt z. B. bereits über einen Antrieb zur Drehung des Wickelkerns 18. Ein ohnehin vorhandener Wickelkopf (sowie der Drehantrieb für den Wickelkern) kann im Rahmen der Erfindung vorteilhaft zur Bewerkstelligung des Bespannschrittes verwendet werden.
Gegenüber dem konventionellen Wickelverfahren lässt sich mit dem erfindungsgemäß modifizierten Wickelverfahren ein homogeneres Wickelbild erzielen, da das Fasermaterial nicht oder nur minimal verrutschen kann und beispielsweise bei einem Radialwickelbild die einzelnen Fasermaterialstränge gleichmäßig neben- einander abgelegt werden können. Dies wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des fertigen Faserverbundbauteils aus.
Da unter Verwendung einer herkömmlichen Wickelanlage zum Bespannen der Vorrichtung 10 die Materialablage nicht direkt auf dem Wickelkern erfolgt, kann der Wickelkopf der Anlage auf direktem Weg von einem Nadelkranz zum anderen Nadelkranz verfahren werden, wodurch sich ein vorteilhaft geringer Zeitaufwand zur Bewerkstelligung des Bespannschrittes ergibt.
Die Anzahl der gleichzeitig aufzuwickelnden Fasermaterialstränge ist nicht durch die Konstruktion der Anlage vorgegeben bzw. begrenzt. Sie wird vielmehr beim Bespannen im ersten Arbeitsschritt vorgegeben, beispielsweise durch ein Programm einer programmgesteuerten Faserwickelanlage. Dadurch lässt sich die Anzahl der abzulegenden Fasermaterialstränge und damit die Lagendicke jeder einzelnen abgelegten Lage schnell und einfach an die konkreten Erfordernisse anpassen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das System bereits mit einer einzigen Faserzuführung funktioniert, obwohl beim eigentlichen Wickelprozess eine Vielzahl von Fasermaterialsträngen gleichzeitig abgelegt werden können. Eine bevorzugte Verwendung der Erfindung besteht darin, beispielsweise mit einem Kunstharz auf Basis von kalt oder warm vernetzenden Duroplasten vorimprägnierte textile Halbzeuge auf Formkernen abzulegen, wobei die Ablage wenigs- tens abschnittweise auf nicht-geodätischen Bahnen der Kernoberfläche erfolgt.
Zusammenfassend wurde eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials (R) auf einen Wickelkern (18) bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils beschrieben. Die Vorrichtung ermöglicht eine Faserwickel- technik, welche die zuverlässige Ablage der Fasermaterialstränge (R) auf dem Wickelkern (18) mit großer Positionsgenauigkeit erlaubt. Der Wickelprozess erfolgt mit Hilfe zweier axial beabstandeter Nadelkränze (12, 14) und eines axial dazwischen angeordneten Führungsringes (16). Diese Komponenten (12, 14, 16) werden zunächst mit dem Fasermaterial (R) bespannt und nachfolgend in koordinier- ter Weise bewegt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Wickeln eines Fasermaterials (R) auf einen Wickelkern (18) bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend
einen koaxial zu einer Wickelkernachse (A) an einem axialen Ende des Wickelkerns (18) drehfest bezüglich desselben angeordneten ersten Nadelkranz (12) mit mehreren radial nach außen abstehenden ersten Nadeln (20),
- einen koaxial zur Wickelkernachse (A) im axialen Abstand zum ersten Nadelkranz (12) drehbar bezüglich des Wickelkerns (18) angeordneten zweiten Nadelkranz (14) mit mehreren radial nach außen abstehenden zweiten Nadeln (22),
- einen koaxial zur Wickelkernachse (A), axial zwischen den beiden Nadelkränzen (12, 14) angeordneten Führungsring (16),
Bespannmittel (3, 4, 7) zum Bespannen der beiden Nadelkränze (12, 14) und des Führungsringes (16) mit dem Fasermaterial (R) derart, dass in Umfangs- richtung verteilt mehrere Fasermaterialstränge (R) jeweils vom ersten Nadelkranz (12) über einen Außenumfang des Führungsringes (16) zum zweiten Nadelkranz (14) verlaufen, und
Antriebsmittel (3, 4) zum Drehen des Wickelkerns (18) bezüglich des zweiten Nadelkranzes (14) um die Wickelkernachse (A) und somit Ablegen des zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen (12, 14) aufgespannten Fasermaterials (R) auf den Wickelkern (18).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der erste Nadelkranz (12) fest mit dem Wickelkern (18) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebsmit- tel dazu ausgebildet sind, beim Ablegen des Fasermaterials (R) den Führungsring
(16) drehfest mit dem zweiten Nadelkranz (14) verbunden zu halten.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebsmittel dazu ausgebildet sind, beim Ablegen des Fasermaterials (R) den Führungsring (16) axial zu verfahren.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebsmittel dazu ausgebildet sind, beim Ablegen des Fasermaterials (R) den zweiten Nadelkranz (14) in Richtung vom ersten Nadelkranz (12) weg vorzubelasten, um eine Fasermaterialspannung (24) beim Wickeln einzustellen.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebsmittel dazu ausgebildet sind, beim Ablegen des Fasermaterials (R) den zweiten Nadelkranz (14) axial zu verfahren.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebsmittel dazu ausgebildet sind, beim Ablegen des Fasermaterials (R) den Führungsring (16) und den zweiten Nadelkranz (14) drehfest bezüglich einer Vorrichtungsbasis (2) zu halten und den Wickelkern (18) samt erstem Nadelkranz (12) bezüglich der Vorrichtungsbasis (2) zu drehen.
8. Verfahren zum Wickeln eines Fasermaterials (R) auf einen Wickelkern (18) bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend die Schritte: Bereitstellung eines ersten Nadelkranzes (12) mit mehreren radial nach außen abstehenden ersten Nadeln (20) koaxial zu einer Wickelkernachse (A) an einem axialen Ende des Wickelkerns (18), eines zweiten Nadelkranzes (14) mit mehreren radial nach außen abstehenden zweiten Nadeln (22) ko- axial zur Wickelkernachse (A) im axialen Abstand zum ersten Nadelkranz
(12), und eines Führungsringes (16) koaxial zur Wickelkernachse (A) und a- xial zwischen den beiden Nadelkränzen (12, 14),
Bespannen der beiden Nadelkränze (12, 14) und des Führungsringes (16) mit dem Fasermaterial (R) derart, dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere
Fasermaterialstränge (R) jeweils vom ersten Nadelkranz (12) über einen Außenumfang des Führungsringes (16) zum zweiten Nadelkranz (14) verlaufen, und
Drehen des Wickelkerns (18) bezüglich des zweiten Nadelkranzes (14) um die Wickelkernachse (A) und somit Ablegen des zuvor zwischen den beiden Nadelkränzen (12, 14) aufgespannten Fasermaterials (R) auf den Wickelkern (18).
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