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Technisches
Gebiet
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Diese Erfindung betrifft die automatisierte Herstellung
von Verbundmaterial-Artikeln
und insbesondere ein Zuführkontrollsystem
für eine
Faser-Platziermaschine zum Erzeugen leichtgewichtiger, strukturell
effizienter Verbundmaterialartikel.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Verwendung von faserverstärkten, harzimprägnierten
Verbundmaterialien hat in den vergangenen Jahren wesentlich zugenommen.
Aus Verbundmaterialien gefertigte Strukturen bieten eine Vielzahl
von Vorteilen gegenüber
entsprechenden, aus metallischen Materialien gebildeten Strukturen. Solche
Vorteile umfassen u. a. ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht,
exzellente Korrosionsbeständigkeit,
verbesserte Schlagzähigkeit,
erhöhte
Toleranz gegenüber
Rissen oder Fehlern (d. h. Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung)
und niedrige dielektrische Eigenschaften.
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Trotz der vorteilhaften Gewichts-,
Festigkeits- und Materialeigenschaften fortgeschrittener Verbundmaterialien
wurde deren weit verbreiteter Einsatz durch die hohen Kosten der
zugehörigen Herstellungsverfahren
behindert. Ein Verbinden der gewünschten,
strukturellen Eigenschaften mit einem kostengünstigen Herstellungsprozess,
d. h. einem Herstellungsprozess, der arbeitsintensive Prozessschritte
reduziert und dennoch eine Laminatqualität beibehält, war eine ständige und
kontinuierliche Herausforderung für Entwickler von Verbundmaterial-Strukturen.
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Primäre strukturelle Merkmale, welche
von dem Entwickler beachtet werden müssen, umfassen: die Auswahl
von Faserverstärkung,
d. h. Materialien, welche die benötigten, mechanischen Eigenschaften aufweisen,
Harzbinder, Faser- Matrix-Orientierung, Faserkontinuität, Mildern
von Spannungskonzentrationen und Reduzieren von thermisch induzierten Spannungen.
Um die Vorteile von Verbundmaterialien zu maximieren, ist es essenziell,
dass die Faserorientierung optimal zugeschnitten ist, um die Festigkeits-
und Steifheitsanforderungen für
eine besondere Anwendung zu treffen. Das heißt, Verbundmaterialien können dazu
angepasst werden, anisotrop zu sein (in der Lage zu sein, Last in
einer speziellen Richtung zu tragen) statt isotrop zu sein (gleiche
Festigkeit in alle Richtungen); folglich wird ein Orientieren der
Fasern in die Richtung der Last optimal in der gewichteffizientesten
Struktur resultieren. In ähnlicher
Weise ist der Entwickler durch Variieren der Verwendung von erhältlichen
Matrix-Verstärkungsmaterialien
(z. B. Grafit, Glasfaser, Aramidfaser, etc.) in der Lage, solche
Parameter wie eine statische und eine Ermüdungsfestigkeit, Steifheit
und Härte
zu steuern.
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Diese Gesichtspunkte werden gewichtet
und gegen die Kosten und Komplexität einer speziellen Fertigungstechnik
abgewogen. Typischerweise sollte der Herstellungsansatz: die optimale
Faserorientierung erzeugen, während
die Materialnutzung maximiert wird, Schneidevorgänge minimieren, die Wahrscheinlichkeit
eines Operator-/Laminator-Fehlers minimieren, wiederholbar sein,
sich an Variationen des Faservolumens anpassen, ein gleichmäßiges Faservolumen
aufrecht erhalten und eine gleichmäßige Laminatqualität bereitstellen
(über gleichmäßige Kompaktierung).
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Das herkömmlichste Verbundmaterial-Herstellungsverfahren
umfasst das Schichten von diskreten Lagen oder Laminaten von vorimprägnierter Verbundmaterial-Ware,
welche von Hand gestapelt werden, Laminat um Laminat, über eine
Pressformfläche.
Allgemein wird eine Mylar-Schablone oder andere Schichtungshilfe
eingesetzt, um jede Lage von Verbundmaterial zu identifizieren und
zu platzieren. Zwischenschritte, welche nötig sein können, umfassen periodisches
Volumenreduzieren (de-bulking) der Verbundmaterial-Schichtung, um
eine richtige Kompaktierung und richtige Laminatqualität des endgültigen Aushärtungsvorgangs
zu gewährleisten.
Sobald dies abgeschlossen ist, wird eine undurchlässige Membran,
wie ein Nylon- oder Siliconsack, über die Verbundmaterial-Schichtung
platziert, zu der darunter liegenden Form abgedichtet und evakuiert,
um atmosphärischen
Druck auf das Verbundmaterial-Lami nat wirken zu lassen und dieses
zu kompaktieren. Ferner wird die gesamte vakuumverpackte Form-Anordnung
in ein Druckgefäß platziert,
welches eine Umgebung erhöhter
Temperatur und erhöhten Drucks
bereitstellt, um die Verbundmaterial-Schichtung vollständig auszuhärten/zu
kompaktieren.
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Vorteile dieser Herstellungstechnik
umfassen eine minimale Investition von Kapitalausstattung, die Möglichkeit,
Materialien selektiv in speziellen Bereichen aufzubauen, und eine
einheitliche Laminatqualität.
Nachteile umfassen hohe Arbeitskosten auf Grund des arbeitsintensiven
Hand-Schichtungsprozesses und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit von Operator-Fehlern
(z. B. kann der Laminator unbeabsichtigt eine Lage in einem Mehr-Lagen-Laminat
auslassen) und nicht-optimale Materialausnutzung. Die Letzteren
betrachtend ist solches "Prepreg"-Verbundmaterial
in einer begrenzten Vielzahl von Faserorientierungen und Schichtdicken
erhältlich.
Im Allgemeinen sind die erhältlichen
Faserorientierungen 0/±45/90,
und eine Standard-Schichtdicke ist entweder 0,013 cm (0,005 inch)
für unidirektionale
Lagen (alle Fasern in der gleichen Richtung orientiert) oder 0,02
cm (0,0075 inch) für
gewebte Ware (z. B. 0/90°). Wenn
die Festigkeitsanforderungen einer speziellen Struktur, z. B. einer
Flugzeug-Außenhautstruktur, mehr
oder weniger Fasern notwendig werden lassen, als über eine
ganzzahlige Anzahl von Schichten bereitgestellt werden, ist der
Entwickler daher gezwungen, eine ganze Schicht einzusetzen, um die
nötige Festigkeit
zu erzeugen. Dementsprechend werden Gewichtnachteile erzeugt, welche
in Anwendungen bei Starr- oder Drehflüglerflugzeugen negativ den Treibstoffverbrauch
und die Flugfunktion des Luftfahrzeugs beeinflussen.
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In einem Versuch, viele der oben
diskutierten Nachteile zu überwinden,
wurden verschiedene automatisierte Herstellungsverfahren entwickelt
einschließlich
Faserwindungs- und Faser-Platziermaschinen. Faserwindungsmaschinen
setzen eine Nass-Windungstechnik ein, wobei Fasern aus faserigem
Material durch ein Harzbad gezogen werden, welches auf einem Traversierschlitten
mit einem Ausgabeauge montiert ist. Eine Form oder ein Werkzeug, welches
an einer rotierenden Montagestruktur gehalten ist, ist in Bezug
auf den Schlitten derart angeordnet, dass die Harz-imprägnierten
Fasern unter Zug durch das Ausgabeauge geleitet werden longitudinal entlang
dem rotierenden Werkzeug. Das Ausgabeauge traversiert das Werkzeug
von Ende-zu-Ende, wobei es sukzessive Faserlagen ablegt, bis die
gewünschte
Wanddicke von Verbundmaterial an das Werkzeug gewunden ist. Herkömmliche
Druck- oder Vakuumverpackungstechniken einsetzend wird das Harz-
oder Matrixmaterial an dem Werkzeug ausgehärtet, welches anschließend entfernt
wird, um den ausgehärteten
Verbundmaterialartikel zu bilden. Siehe z. B. US-Patente Nr. 3 378
427, 3 146 926 und 3 363 849.
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Vorteile eines Faser-Windungsansatzes
umfassen eine Teil-zu-Teil-Wiederholbarkeit und eine größere Vielseitigkeit,
um die gewünschte
Faserorientierung und Wanddicke des Verbundmaterialartikels zu erzeugen.
Beschränkungen
des Faserwindens umfassen die Unmöglichkeit der Fertigung von Verbundmaterialartikeln
mit einer komplexen Krümmung
und des Variierens einer Wanddicke von einem Bereich zu einem anderen.
Ersteres betrachtend ist das Faserwinden bestens geeignet zum Fertigen
von Verbundmaterialartikeln mit relativ einfachen Formen, bei denen
alle Oberflächenkonturen
entweder linear oder konvex in der Form sind, z. B. ein Zylinder. Dabei
können
die Fasern, welche unter Zug auf die Oberfläche aufgebracht werden, während Aushärtungsvorgängen korrekt
kompaktiert werden. Im Gegensatz dazu neigen Fasern, welche über eine
konkave Fläche
gewunden werden, dazu, die Fläche
von einem Scheitelpunkt zu einem anderen Scheitelpunkt zu "überbrücken", was zu einem Segment führt, welches
im Wesentlichen nicht abgestützt
ist und welches nicht korrekt gegen die Formgebungsoberfläche kompaktiert
werden kann. Letzteres betrachtend ist das Faserwinden bestens dazu
geeignet, Verbundmaterialartikel zu fertigen, welche eine im Wesentlichen
konstante Wanddicke aufweisen. Das heißt, Faser-Windungsmaschinen
geben Fasern kontinuierlich über
eine Formgebungsoberfläche
aus und können
somit einfach eine konstante Wanddicke erzeugen. Da Faser-Windungsmaschinen
eine Faserplatzierung nicht beenden und beginnen können ohne
manuelles Eingreifen, kann Faserwinden nicht einfach Verbundmaterialartikel
erzeugen, welche variierende Wanddicken von einem Bereich zu einem anderen
benötigen.
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Die Beschränkungen des Faserwindens wurden
auf viele Arten durch Faser-Platziermaschinen des
Typs gelöst,
wie er in US-Patenten 5 110 395, 5 223 072 und 5 454 897 offenbart
ist. Maschinen dieses Typs legen eine Mehrzahl von vorimprägnierten Verbundmaterial-Fasersträngen, d.
h. Bündel
von vorimprä gnierten
Verbundmaterialfasern, in einer nebeneinander liegenden Gruppierung
an eine Formgebungsoberfläche.
Genauer ausgedrückt,
manipuliert die Faser-Platziermaschine
einen Faserplatzierkopf relativ zu einer Matrize oder Form um mehrere Achsen.
Anders als bei Faserwindungsmaschinen führt der Faserplatzierkopf die
Faserstränge
durch eine Kompaktierrolle oder einen -schuh direkt an die Pressformfläche zu,
drückt
sie an und kompaktiert sie. Die Mechanismen, welche den Kopf steuern,
wirken derart, um die Rolle oder den Schuh senkrecht zu der Oberfläche der
Form zu halten, so dass die Verbundmaterialfasern gegen nicht-plane
Oberflächen
des Werkzeugs gepresst werden. Ferner ist der Faserplatzierkopf
dazu angepasst, die Ausgabe von Verbundmaterial-Fasersträngen beim
Beginn und Ende eines jeden Durchgangs entlang der Pressformfläche zu starten
und zu beenden. Eine Steuerung steuert die Bewegung des Faserplatzierkopfes, dass
er mehrere Durchgänge
entlang der Oberfläche durchführt, um
kontinuierliche Lagen von Verbundmaterialfasern zu erzeugen und/oder
große
Bereiche der Form zu bedecken.
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Zusätzlich zu den Vorteilen, welche
dem Faserwinden zugeordnet sind, können Faser-Platziermaschinen
Verbundmaterial-Faserstränge über konkave
Flächen
ablagern und eine größere Flexibilität bezüglich der
Steuerung von Wanddicke von einem Bereich eines Verbundmaterialartikels
zu einem anderen bereitstellen. Bezüglich des Letzteren ermöglicht die
Fähigkeit,
die Ausgabe von Verbundmaterial-Fasersträngen zu stoppen und zu starten,
dem Faserplatzierkopf, die Position von einem Bereich zu einem anderen
zu verschieben und dadurch Material in einem speziellen Bereich
abzulagern, um Dicke und strukturelle Verstärkung zu variieren. Ein Nachteil von
Faser-Platziermaschinen betrifft eine nicht-optimale Materialverwendung,
welche begründet
ist durch die Standard- oder Lagergröße von Verbundmaterial.Fasersträngen. Dieses
Problem ist ähnlich dem
weiter oben Beschriebenen bezüglich
der Verwendung von Lagen einer Standarddicke in einer herkömmlichen
Kunststoff-imprägnierten
Schichtung. Allgemein werden Verbundmaterial-Faserstränge in Form
von flachen Bändern
geliefert und weisen eine Dicke von etwa 0,0254 cm (0,010 Inch)
auf. Wenn die Festigkeitsanforderungen einer speziellen Struktur
mehr oder weniger Fasern nötig
machen, als durch eine ganzzahlige Anzahl von Rollendurchgängen bereitgestellt
werden, ist der Entwickler gezwungen, eine volle dicke von Fasersträngen einzusetzen, d.
h. die Faser-Platziermaschine so zu programmieren, dass sie eine
weitere Lage ausgibt, um die benötigte
Festigkeit zu erzeugen. Demnach werden Gewichtsnachteile bewirkt
durch den Einsatz von mehr Material, d. h. Faserverstärkung, als
nötig ist,
um der ausgesetzten Last entgegenzuwirken.
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US-A-4 699 683 offenbart die Merkmale
der Oberbegriffe der unabhängigen
Ansprüche
1 und 6.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Zuführkontrollsystem
für eine
Faser-Platziermaschine bereitzustellen, wobei das Zuführkontrollsystem
die Luft-Dichte eines Verbundmaterial-Faserstrangs kontrolliert,
um leichtgewichtige, strukturell effiziente Verbundmaterialartikel
zu erzeugen.
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Diese und andere Ziele werden durch
ein Zuführkontrollsystem
gemäß Anspruch
1 und eine Faser-Platziermaschine gemäß Anspruch 6 erreicht. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind jeweils in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 5 und 7 bzw. 12 definiert. Das Zuführkontrollsystem bzw. die Faser-Platziermaschine
sind jeweils in der Lage, die Luft-Dichte von Verbundmaterial-Fasersträngen, welche
abgelegt werden, zu kontrollieren, um die strukturelle Effizienz
des Verbundmaterialartikels zu verbessern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein vollständigeres Verständnis der
vorliegenden Erfindung und der dazu gehörenden Merkmale und Vorteile
können
erhalten werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der
Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen
betrachtet wird, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Faser-Platziermaschine ist, welche
einen Faserplatzierkopf zum Ablegen von Fasersträngen von vorimprägnierten
Verbundmaterialfasern an einer Formgebungsoberfläche umfasst;
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2 eine
Innenansicht des Faserplatzierkopfes zum Veranschaulichen verschiedener
interner Komponenten davon einschließlich eines Zuführkontrollsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Kontrollieren der Zuführung von Fasersträngen zu
einer Kompaktiervorrichtung ist;
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3 schematisch
die Wirkungsweise der Faser-Platziermaschine einschließlich einer
Zufuhr von Verbundmaterial-Fasersträngen, einer Kompaktiervorrichtung
zum Kompaktieren der Verbundmaterial-Faserstränge gegen eine Formgebungsoberfläche und
dem Zuführkontrollsystem
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4 eine
detaillierte, isometrische Ansicht eines beispielhaften Zuführkontrollsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5a eine
unterbrochene perspektivische Ansicht eines Kompaktionsrollers zeigt,
wobei das Zuführkontrollsystem
ein Muster von kontinuierlichen, nebeneinander liegenden Verbundmaterial-Fasersträngen zu
der Kompaktierrolle zuführt;
und
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5b eine
weggebrochene perspektivische Ansicht einer Kompaktierrolle zeigt,
wobei das Zuführkontrollsystem
ein Abstands-Muster von Verbundmaterial-Fasersträngen zu dem Kompaktierrolle zuführt.
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Beste Art zum
Ausführen
der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen,
in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende oder ähnliche
Elemente in den mehreren Ansichten identifizieren, veranschaulicht 1 eine perspektivische Ansicht
einer Faser-Platziermaschine 10, welche einen Faserplatzierkopf 12 hält und manipuliert,
welcher arbeitsfähig
ist, um Verbundmaterial-Faserstränge 14 über eine
Formgebungsoberfläche 16 zu legen.
Hierbei wird der Begriff "Faserstrang" hierin derart benutzt,
dass er sich auf einen Strang von Verbundmaterial bestehend aus
einem Bündel
von Fasern, welche vorzugsweise mit einem Binder- oder einem Ma trixmaterial
wie Epoxy imprägniert
sind, bezieht. Die Faser-Platziermaschine 10 umfasst eine Basishalterung 20 zum
Montieren eines Schlittens 24, welcher in der Lage ist,
longitudinal entlang von Führungsschienen 26, 28 der
Basishalterung 20 zu traversieren, d. h. entlang der X-Achse
des Bezugskoordinatensystems. Der Schlitten 24 wird durch ein
herkömmliches,
Motor-gesteuertes Zahnstangensystem 30 angetrieben.
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Ein Kreuzschlitten 34 ist
schwenkbar an gegenüber
liegenden Seiten an ein Paar von Lagern 36 montiert, welche
beide oberhalb einer vertikalen Säule 38 des Schlittens 24 gehalten
sind, wobei jeweils eine davon in 1 gezeigt
ist. Ferner umfasst der Kreuzschlitten 34 ein paar von
Führungsschienen 40, wobei
eine davon in 1 gezeigt
ist, um davor und dahinter jeweils in Stützblöcke 42 und 44 einzugreifen.
Ein Zahnstangenantriebssystem (nicht gezeigt) bewirkt eine lineare
Verlagerung des Kreuzschlittens entlang der Y-Achse des Bezugskoordinatensystems.
Weiterhin umfasst der Kreuzschlitten 34 ein Paar von Halteplatten 46,
welche ein gebogenes Gestell (durch Teile des Schlittens 24 verdeckt)
definieren zum Eingreifen eines Zahnradantriebssystems 50.
Das Zahnradantriebssystem 50 zusammen mit dem gebogenen
Gestell bewirkt eine Drehung des Kreuzschlittens um die Lager 36,
um so eine Schwenkbewegung des Kreuzschlittens 34 in einer im
Wesentlichen vertikalen Richtung, d. h. entlang der Z-Achse des
Koordinatensystems, zu bewirken.
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An einem Ende des Kreuzschlittens 34 ist
ein Robotergelenk 54 montiert, welches den Faserplatzierkopf 12 hält. Dieses
Robotergelenk 54 ist kommerziell erhältlich und ist arbeitsfähig, den
Faserplatzierkopf 12 entlang einer Anzahl von Achsen zu
bewegen. Diese, durch das Robotergelenk 54 bereitgestellte
Bewegung ist zusätzlich
zu der Bewegung des Kreuzschlittens 34 entlang der X-Achse mit dem Schlitten 24,
der Linearverschiebung des Kreuzschlittens 34 entlang der
Y-Achse und der im Wesentlichen vertikalen Bewegung des Kreuzschlittens 34 entlang
der Z-Achse, welche oben beschrieben sind. Die Faser-Platziermaschine 10 ist
daher in der Lage, die Position des Faserplatzierkopfes 12 entlang
einer Anzahl von Achsen relativ zu der Formgebungsoberfläche 16 zu
manipulieren. Solche Bewegungen sind durch eine Steuerung (nicht
gezeigt) koordiniert, welche in Einzelheiten in Brockman et al.,
US-Patent 5 223 072 diskutiert ist.
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Nun Bezug nehmend auf 1 und 2 ist
die veranschaulichte Ausführungsform
der Faser-Platziermaschine 10 arbeitsfähig, um eine Mehrzahl von einzelnen
Verbundmaterial-Fasersträngen 14 dem Faserplatzierkopf 12 zuzuführen zum
Aufbringen auf die Formgebungsoberfläche 16. Die Verbundmaterial-Faserstränge 14 werden
durch eine Spulenanordnung 60 zugeführt, welche auf dem Kreuzschlitten 34 gehalten
ist und welche eine erste Mehrzahl von Spulen 62 an einer
Seite und eine zweite Mehrzahl von Spulen (nicht gezeigt) an der
gegenüber
liegenden Seite umfasst, von denen jede einen einzelnen Verbundmaterial-Faserstrang 14 zuführt. Die
Verbundmaterial-Faserstränge 14 werden
von den Spulen 62 über
eine fixierte Rolle 64, eine erste Umlenkrolle 66, welche
an der Spulenanordnung 60 montiert ist, und eine zweite
Umlenkrolle 68, welche im Zusammenhang mit dem Faserplatzierkopf 12 angeordnet
ist, gezogen. Funktionell halten die Umlenkrollen 66, 68 die
räumliche
Position der Verbundmaterial-Faserstränge 14 aufrecht, wenn
diese von der Spulenanordnung 60 zu dem Faserplatzierkopf 12 gezogen werden.
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Eine erste Mehrzahl von Verbundmaterial-Fasersträngen 14a (2), d. h. typischerweise die Hälfte der
Gesamtanzahl von Verbundmaterial-Fasersträngen 14, wird von
der Umlenkrolle 68 zu einer oberen Mitläuferrolle 70 geleitet,
welche drehbar an der Basis des Faserplatzierkopfes 12 montiert ist,
und die andere Mehrzahl von Verbundmaterial-Fasersträngen 14b wird
von der Umlenkrolle 68 zu einer unteren Mitläuferrolle 72 geleitet,
welche unterhalb der oberen Mitläuferrolle 70 montiert
ist. Alle zuvor genannten Rollen 64, 66, 68, 70, 72 umfassen einzelne
Rollensegmente oder Scheiben für
jeden Verbundmaterial-Faserstrang 14,
so dass jeder Faserstrang 14 mit unabhängigen Raten von der Spulenanordnung 60 zugeführt werden
kann. Die Verbundmaterial-Faserstränge 14 werden von
der oberen und der unteren Mitläuferrolle 70, 72 zu
einer Kompaktierrolle 80 über ein Zuführkontrollsystem 90 gemäß der vorliegenden
Erfindung zugeführt.
Die Kompaktierrolle 80 ist arbeitsfähig, um jeden Verbundmaterial-Faserstrang 14 auf
die Pressformfläche 16 zu
pressen und ist durch Manipulierung des Faserplatzierkopfes 12 in
der Lage, die Faserstränge über Oberflächen zu
legen, welche eine komplizierte Krümmung aufweisen, einschließlich konkaven Oberflächen. Die
Kompaktierolle 80 umfasst mehrere Scheiben, eine für jeden
Verbundmaterial-Faserstrang, von denen jede zu ei ner unabhängigen Rotation
fähig ist
und gegen die Formgebungsoberfläche 16 vorgespannt
ist. Diese Merkmale vereinfachen eine Notwendigkeit, die Ausgaberaten
der Verbundmaterial-Faserstränge 14 zu
variieren, während sie
weiterhin einen gleichmäßigen Kompaktierungsdruck
sicherstellen, wenn sich die Rolle über sich ändernde Konturen der Formgebungsoberfläche 16 bewegt.
Eine Kompaktierrolle dieses Typs ist vollständiger beschrieben in Vaniglia,
US-Patent 5 454
897.
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In 3 ist
das Zuführkontrollsystem 90 der vorliegenden
Erfindung arbeitsfähig,
die Ausgabe von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 zu steuern, einschließlich u.
a. den Beginn und die Beendigung einer Ausgabesequenz, und Verbundmaterial-Faserstränge 14 selektiv
abzulegen, um ein zweidimensionales Muster, z. B. eine dreieckförmige Lage,
zu definieren. Zusätzlich
zu diesen herkömmlichen
Merkmalen ist das Zuführkontrollsystem 90 arbeitsfähig, die
Luft-Dichte von Verbundmaterial-Fasersträngen 14, welche durch
die Faser-Platziermaschine 10 abgelegt
werden, selektiv zu reduzieren, wodurch sie die Ausnutzung der Verbundmaterial-Faserstränge 14 optimiert.
In dem hierin benutzten Kontext meint "Luft-Dichte" oder Flächendichte (aerial density)
die Dichte von Verbundmaterialfasern, welche über eine vorgegebene Fläche während eines
einzelnen Durchgangs des Faserplatzierkopfes 12 gelegt
werden. Eine "Reduzierung" der Luftdichte bezieht
sich auf eine Reduzierung der Verbundmaterialfasern verglichen mit
einem Muster von kontinuierlichen, nebeneinander liegenden Verbundmaterial-Fasersträngen, welche
herkömmlich
durch Faser-Platziermaschinen des Stands der Technik abgelegt werden.
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Genauer ausgedrückt ist das Zuführkontrollsystem 90 dazu
angepasst, eine Zuführung
von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 von
der Spulenanordnung 60 aufzunehmen und ein Abstandsmuster von
Verbundmaterial-Fasersträngen 14 zu
der Kompaktierrolle 80 zuzuführen. In der bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Zuführkontrollsystem 90 eine
Schneideeinrichtung 92 zum Schneiden einzelner Verbundmaterial-Faserstränge 14,
eine Ausgabeeinrichtung 94 zum Speisen oder Zuführen von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 zu
der Kompaktierrolle 80 und eine Kontrolleinrichtung 96 zum
Ausgeben eines Kommandosignals an die Schneide- und die Ausgabeeinrichtung 92, 94,
um ein Abstandsmuster von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 zu
beginnen und/oder zu beenden. Allgemein wird das Zuführkontrollsystem 90 Verbundmaterial-Faserstränge 14 selektiv
schneiden und klemmen oder alternativ Verbundmaterial-Faserstränge 14 in
einem alternierenden Muster ausgeben, um die Anzahl von Fasersträngen 14 zu
reduzieren, welche zu der Kompaktierrolle 80 geliefert
werden. Wenn z. B. die Zufuhr von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 sechzehn
(16) einzelne Faserstränge
umfasst, kann das Zuführkontrollsystem 90 jeden
zweiten Verbundmaterial-Faserstrang abschneiden und klemmen, um ein
Muster von acht (8) lateral beabstandeten Verbundmaterial-Fasersträngen zuzuführen. Basierend auf
der typischen Größe oder
der Standardgröße solcher
Verbundmaterial-Faserstränge 14 wird
der Abstand zwischen den Fasersträngen etwa 0,476 cm (0,1875
Inch) sein, wenn sie gegen die Formgebungsoberfläche kompaktiert sind. Alternativ
kann es wünschenswert
sein, Paare von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 abzuschneiden
und zu klemmen, während
benachbarte Paare von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 zugeführt werden,
um ein Muster von vier (4) Paaren von beabstandeten Verbundmaterial-Fasersträngen zu
erzeugen. Durch selektives Abschneiden, oder umgekehrt ausgedrückt, Zuführen von
Verbundmaterial-Fasersträngen
in einem lateral beabstandeten Muster, wird die Luftdichte von durch
die Kompaktierrolle 80 abgelegten Verbundmaterial-Fasersträngen 14 reduziert.
Daher ist das Zuführkontrollsystem 90 in
der Lage, eine Menge von Faserverstärkungen abzulegen, welche genauer
die strukturellen Konstruktionsanforderungen eines Verbundmaterialartikels
trifft. Dementsprechend ist der Verbundmaterialartikel, der durch
das Zuführkontrollsystem 90 der
vorliegenden Erfindung gefertigt wurde, strukturell effizient und
daher gewichtsmäßig leicht.
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Eine beispielhafte Ausführungsform
des Zuführkontrollsystems 90 ist
in 4 gezeigt, wobei, um die Beschreibung
zu vereinfachen, nur vier (4) Verbundmaterial-Faserstränge 14 dem
Zuführkontrollsystem 90 zugeführt werden
und durch dieses kontrolliert werden. In dieser Ausführungsform
umfasst die Schneideeinrichtung eine Anordnung von oberen und unteren
Schermechanismen 100a, 100b, die Ausgabeeinrichtung
umfasst eine Anordnung von oberen und unteren Rollenantriebsmechanismen 102a, 102b,
und die Kontrolleinrichtung 92 ist eine herkömmliche,
Mikroprozessor-basierte CNC-Steuerung. Genauer ausgedrückt umfasst
jeder der oberen und unteren Schermechanismen 100a, 100b eine Schneideklinge 106,
welche mit jedem Verbundmaterial- Faserstrang 14 ausgerichtet
ist, einen Linearantrieb 108, der zwischen hervorstehenden
und zurückgezogenen
Positionen bewegbar ist, und eine Verbindungsanordnung 110,
zum Übertragen
der Bewegung des Antriebs 108 an die Schneideklinge 106.
In der bevorzugten Ausführungsform
umfasst jede Schneideklinge 106 einen Klemmblock 114,
welcher den Verbundmaterial-Faserstrang 14 nach dem Abschneiden
des Faserstrangs 14 gegen einen Amboss (nicht gezeigt)
hält. Weiterhin
umfasst die bevorzugte Ausführungsform
des Zuführkontrollsystems 90 unabhängig angetriebene
Schneideklingen 106 für
jeden Verbundmaterial-Faserstrang 14, obwohl angemerkt
werden kann, dass die Schneideklinen 106 zusammengekoppelt
werden können,
um die Anzahl von einzelnen Antrieben 108 zu reduzieren.
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Jeder der Rollenantriebsmechanismus 102a, 102b umfasst
eine kontinuierliche angetriebene Rolle 120, einen Linearantrieb 122,
welcher von hervorstehenden zu zurückgezogenen Positionen bewegbar ist,
und eine Klemmrolle 124, welche auf eine Bewegung des Antriebs 122 reagiert,
um einen Eingriff des Verbundmaterial-Faserstrangs 14 mit
der Rolle 120 zu bewirken. Während der normalen Arbeitsweise des
Faserplatzierkopfes sind die Rollenantriebsmechanismen 102a und 102b insoweit
von den Verbundmaterial-Fasersträngen 14 losgelöst, als
dass die Bewegung des Faserplatzierkopfes ausreichend ist, um die
Verbundmaterial-Faserstränge 14 durch das
Zuführkontrollsystem 90 zu
ziehen. Im Anschluss an eine Schneidesequenz werden die Rollenantriebsmechanismen 102a, 102b dazu
veranlasst, an die Verbundmaterial-Faserstränge 14 anzugreifen, diese
vorzuschieben und diese "nachzuschneiden". In dem hierin benutzten
Kontext meint "nachschneiden", dass die Verbundmaterial-Faserstränge 14 auf einen
Vorsprung 128 (siehe 2) gerichtet
werden, welcher das Schnittende des Verbundmaterial-Faserstrangs 14 unterhalb
der Kompaktierrolle zum Ausgeben an die Formgebungsoberfläche 16 positioniert.
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In 4, 5a und 5b gibt
die Kontrolleinrichtung 92 unterschiedliche Kommandosignale 130, 132, 134, 136 an
die Linearantriebe 108, 122 aus, um ein spezielles
Ausgabemuster bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Kontrolleinrichtung 92 eine
Sequenz beginnen durch Ausgeben von Kommandosignalen entlang Leitungen 130 und 132 zu
allen Ausgabeantrieben 122, um ein Muster von kontinuierlichen,
nebeneinander liegenden Verbundmaterial-Fasersträn gen 14 zu erzeugen,
wie in 5a gezeigt. Wie gezeigt, werden
die Verbundmaterial-Faserstränge 14a von
der oberen Mitlaufrolle Seite an Seite mit den Verbundmaterial-Fasersträngen 14b von der
unteren Mitlaufrolle beim Zuführen
zu der Kompaktierrolle 80 verschachtelt. Wenn ein einzelner Durchgang
des Faserplatzierkopfes abgeschlossen ist, kann die Kontrolleinrichtung 92 Kommandosignale über die
Leitungen 134 und 136 zu allen Scherungsantrieben 108 ausgeben,
um alle Verbundmaterial-Faserstränge 14 abzuschneiden
und zu klemmen. Vorausgesetzt, dass der nächste Durchgang weniger als
ein vollständiges
oder durchgehendes Muster von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 benötigt, kann
die Kontrolleinrichtung 96 ferner Kommandosignale über die
Leitungen 130 an die Ausgabeantriebe 122, welche
den oberen Rollenantriebsmechanismen 102a zugeordnet sind,
ausgeben, um ein Muster von beabstandeten Verbundmaterial-Fasersträngen 14a,
wie in 5b zu sehen, zu erzeugen. In ähnlicher
Weise kann es für
die Kontrolleinrichtung 128 wünschenswert sein, Kommandosignale über die
Leitungen 136 auszugeben, um die Verbundmaterial-Faserstränge 14b an
einem vorbestimmten Punkt auf dem Weg des Faserplatzierkopfes abzuschneiden.
Dementsprechend wird ein Abstandsmuster erzeugt, wenn der Faserplatzierkopf über diesen
Punkt hinaus weiterläuft.
Wie zuvor erwähnt,
ist ein solches Abstandsmuster nützlich,
um die Luftdichte von verlegten Fasern in einer bestimmten Region
zu reduzieren, um die Materialnutzung zu optimieren. Typische Anwendungen
können
umfassen: Aufbauen einer abschließenden Lage einer Verbundmaterialschichtung,
um so eine genaue Menge an Faser-Verstärkung und/oder struktureller
Verstärkung
in speziellen Bereichen zu platzieren, in denen eine komplette Bedeckung
nicht wesentlich ist, z. B. um Öffnungen
herum, welche in dem Verbundmaterialartikel ausgebildet sind.
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Die Kontrollalgorithmen zum Erzeugen
der Kommandosignale 130, 132, 134 und 136 liegen
innerhalb des Vermögens
des Stands der Technik, wie dargelegt durch Brockman et al., US-Patent
5 223 072, dessen Offenbarung durch Inbezugnahme hierin aufgenommen
sein soll. Es genügt
zu sagen, dass die Kontrolleinrichtung 128 in einer Vielzahl
von Art und Weisen programmiert sein kann, um die Scherungs- und
Rollenantriebsmechanismen 100a, 100b, 102a, 102b zu
betreiben, um die gewünschten
Muster einschließlich
des Abstandsmusters von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 zu erzeugen.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme
auf beispielhafte Ausführungsformen
davon gezeigt und beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass
andere Änderungen,
Auslassungen und Hinzunahmen damit und daran durchgeführt werden
können,
ohne von dem Gedanken und dem Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Zum Beispiel kann, obwohl das Zuführkontrollsystem 90 im
Zusammenhang mit einer Faser-Platziermaschine 10, welche mehrere
Freiheitsgrade aufweist, beschrieben wurde, das Zuführkontrollsystem 90 in
jeder beliebigen Faserplatziervorrichtung eingesetzt werden, welche in
der Lage ist, eine Mehrzahl von Verbundmaterial-Fasersträngen abzulegen.
Ferner ist ersichtlich, dass, obwohl das Zuführkontrollsystem 90 im
Zusammenhang mit einer Faser-Platziermaschine 10 beschrieben
ist, welche sechzehn (16) Verbundmaterial-Faserstränge zuführt, das
Zuführkontrollsystem 90 die
Zufuhr einer größeren oder
kleineren Anzahl von Verbundmaterial-Fasersträngen 14 kontrollieren kann.
Um die abgelegte Luftdichte genauer zu steuern, kann es z. B. wünschenswert
sein, eine größere Anzahl
von Verbundmaterial-Fasersträngen
zuzuführen
und zu kontrollieren, welche jeder eine kleinere Breite und/oder
Dicke aufweist. Somit kann die Vielseitigkeit und Genauigkeit des
Zuführkontrollsystems 90 gesteigert
werden. Schließlich
kann, obwohl die beispielhafte Ausführungsform des Zuführkontrollsystems 90 linear
angetriebene Schneide- und Ausgabeeinrichtungen 92, 94 beschreibt,
jede geeignete Einrichtung zum Schneiden und Zuführen von Fasersträngen, um
ein Abstandsmuster von Verbundmaterial-Fasersträngen zu erzeugen, eingesetzt
werden.