DE4139714C2 - Vorrichtung zur Herstellung von faserhaltigen genadelten Vorformlingen zur Herstellung von Werkstücken aus einem Verbundmaterial - Google Patents

Vorrichtung zur Herstellung von faserhaltigen genadelten Vorformlingen zur Herstellung von Werkstücken aus einem Verbundmaterial

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von faserstoffhaltigen genadelten Vorformlingen zur Herstellung von Werkstücken aus einem Verbund­ material. Die Erfindung dient der Verarbeitung von Werkstücken aus Verbundwerkstoff, der aus einer mit einer Matrix verdichteten faserstoffhaltigen Verstärkung besteht, insbesondere der Herstellung von faser­ stoffhaltigen Verstärkungen in Form genadelter Vorformlinge, deren Form ungefähr der des herzustellenden Werkstückes ent­ spricht.
Ein besonderer, aber nicht ausschließlicher Anwendungsbereich der Erfindung ist die Herstellung von Vorformlingen für Werk­ stücke aus thermostrukturellem Verbundwerkstoff. Ein solches Material zeichnet sich durch verbesserte mechanische Belast­ barkeit und dadurch aus, daß diese bis zu hohen Temperaturen beibehalten wird. Typische thermostrukturelle Verbundwerk­ stoffe sind Kohlenstoff-Kohlenstoff (C/C)-Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoffaserverstärkung in einer Kohlenstoffmatrix und Verbundwerkstoffe mit einer keramischen Matrix, die im allge­ meinen mit Kohlenstoffasern oder keramischen Fasern verstärkt ist.
Ein bekanntes Verfahren für die Herstellung von faserstoff­ haltigen Vorformlingen besteht darin, Schichten in einer zweidimensionalen Fasertextur, wie ein Gewebe oder einen Filz, übereinanderzulegen und die Schichten untereinander durch Vernadelung zu verbinden. Tatsächlich ist für ein Werk­ stück, das erhöhten mechanischen oder thermomechanischen Be­ lastungen ausgesetzt ist, eine Verbindung zwischen den Schichten des Vorformlings wünschenswert, um eine Beschädi­ gung oder eine Zerstörung des Gegenstandes durch Schichtspal­ tung zu verhindern, das heißt durch Trennung zwischen zwei Schichten.
Die Dokumente FR 2 557 550 A1, FR 2 584 106 A1 und FR 2 584 107 A1 beschreiben Verfahren und Vorrichtungen für die Herstellung von faserstoffhaltigen genadelten Vorformlingen, insbesondere von axialsymmetrischen, nicht-zylindrischen Vor­ formlingen, von Vorformlingen aus gestapelten, ungefalzten Schichten und von zylindrischen Rotationsvorformlingen. Gemäß diesen Dokumenten bestehen die Vorformlinge aus mehreren ge­ wickelten oder übereinander angeordneten Lagen aus einem Ge­ webestreifen oder -band; je nach dem Aufbau des Vorformlings wird jede neue Lage auf die darunterliegende Struktur unter Verwendung eines Satzes von Nadeln, der sich über die gesamte Breite des Gewebestreifens oder Gewebebandes erstreckt, auf­ genadelt.
Die vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen sind zur Her­ stellung von Vorformlingen geeignet, deren Grundform relativ einfach ist, sie sind aber für kompliziertere Formen un­ brauchbar.
Die Druckschrift FR 2 626 294 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von faserstoffhaltigen gena­ delten Vorformlingen, bei denen Faserschichten entsprechend der Geometrie des herzustellenden Vorformlings vernadelt wer­ den und anschließend der Vorformling so ausgeschnitten wird, daß die nicht vernadelten Bereiche abgeschnitten werden.
Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der Nadelkopf nur in ei­ ner einzigen Richtung beweglich. Daher ist hier das Vernadeln von kompliziert geformten nicht planen Vorformlingen nicht möglich. Die Vorrichtung weist ferner eine Platte auf, die nur dazu dient, die Fasern zurückzuhalten, die von den Nadeln während des Zurückziehens aus der genadelten Struktur mitge­ zogen werden könnten.
EP 01 47 297 A2 beschreibt andererseits ein Verfahren und ei­ ne Vorrichtung zur Herstellung von Vorformlingen aus faser­ stoffhaltigem Material, die rotationssymmetrische Form auf­ weisen, nach dem Wickelprinzip. Auch bei diesem Stand der Technik ist der Nadelkopf gegenüber dem Tragarm nur in einer Richtung beweglich.
Schließlich ist aus DE 26 52 537 B2 eine Vorrichtung bekannt, bei welcher der Nadelkopf ebenfalls nur in einer vorgegebenen Richtung beweglich ist und mit der ein Bandwickel aus Fa­ servlies genadelt wird.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung anzugeben, die nicht auf die Herstellung relativ einfacher Formen beschränkt ist und die daher die Herstellung von fa­ serstoffhaltigen Vorformlingen mit komplexer Form erlaubt.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht dem Dokument FR 2 626 294 A1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von faser­ stoffhaltigen genadelten Vorformlingen zur Erzeugung von Werkstücken aus einem Verbundmaterial umfaßt:
  • - ein Trägerwerkzeug, auf dem Schichten eines Flachmaterials mit Fasertextur übereinander angeordnet werden können,
  • - einen Nadelkopf mit einer Gruppe von Nadeln,
  • - eine Vorrichtung zum Antrieb der Nadeln in einer vor- und zurückgehenden, zueinander parallelen Bewegung,
  • - eine als Lochplatte ausgebildete Auflageplatte mit Löchern für den Durchgang der Nadeln,
  • - einen beweglichen Arm, der den Nadelkopf trägt, und
  • - eine Steuereinrichtung zur automatischen Steuerung der Be­ wegung des beweglichen Arms zur Bewegung des Nadelkopfs;
sie ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Trägerwerkzeug eine nicht plane Form aufweist, die der Form des herzustellenden faserstoffhaltigen Vorformlings entspricht,
  • - der Nadelkopf eine Andruckeinrichtung zur Ausübung einer Kraft auf die mit Löchern versehene Auflageplatte umfaßt, um diese auf eine auf dem Trägerwerkzeug angebrachte faser­ stoffhaltige Schicht anzudrücken, wobei ein Druck auf die Fasertextur ausgeübt wird, und
  • - der Arm, der den Nadelkopf trägt, mindestens sechs Frei­ heitsgrade besitzt und
  • - die Steuereinrichtung so auf den Arm wirkt, daß der Nadel­ kopf innerhalb der Reichweite des Arms längs vorher festge­ legter Bahnen bewegt wird und dem Nadelkopf vorher festge­ legte Orientierungen gegeben werden.
Ein grundlegendes Merkmal der Erfindung besteht in der Monta­ ge des Nadelkopfes auf einem Arm mit mindestens sechs Frei­ heitsgraden, wobei der Arm hier nicht nur ein Arm eines Robo­ ters, sondern auch eine Werkzeughalterspindel einer numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine und allgemeiner jedes Ma­ schinenteil sein kann, das geeignet ist, den Nadelkopf zu tragen, und mehrere Freiheitsgrade besitzt.
Folglich kann nach der Anordnung auf dem Trägerwerkzeug eine Schicht dadurch genadelt werden, daß der Nadelkopf vorher festgelegte Bahnen beschreibt, um die gesamte Oberfläche der Schicht zu erfassen. Darüber hinaus ist die Orientierung des Nadelkopfes zur Anpassung an die Kontur der angebrachten Schicht für jede seiner Positionen einstellbar.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist der Nadelkopf mit einer für das Eindringen der Nadeln als Lochplatte ausge­ bildeten Auflageplatte versehen. Die Auflageplatte besitzt eine Stützfunktion analog der des Nähfußes einer Nähmaschine, um während der Nadelung die Schicht zu halten. Die Auflage­ platte gewährleistet darüber hinaus eine Verdichtung des Vor­ formlings, wenn sie unter Druck gegen die genadelte Schicht gepreßt wird, was auch in einer erhöhten Beständigkeit gegen Scherbeanspruchung zwischen den Schichten resultiert. Darüber hinaus erfüllt die Auflageplatte eine Funktion der Flusenent­ fernung, indem Fasern, die von den Nadeln zurückgehalten wer­ den könnten, wenn diese aus dem Vorformling austreten, zu­ rückgehalten werden.
Eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand lediglich der Erläuterung dienender, aber nicht einschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfin­ dung;
Fig. 2 und 3 Darstellungen des Nadelkopfes der Vorrichtung von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und
Fig. 4 und 5 Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Trägerwerkzeug 10, das auf einer Platte 19 fixiert ist und auf dem die Schichten des faserstoffhaltigen zu na­ delnden Vorformlings angebracht werden, einen Roboter 20 mit seiner automatischen Steuereinrichtung 28, die mit einer Be­ dienungskonsole 29 verbunden ist, und einen Nadelkopf 30, der am äußeren Ende des Armes 25 des Roboters 20 befestigt ist.
Der Roboter 20 mit seiner Steuereinrichtung 28 kann eine be­ liebige im Handel erhältliche programmierbare Maschine sein, die sechs Freiheitsgrade am äußeren Ende des Armes besitzt, z. B. die unter der Bezeichnung RS 156 von der französischen Gesellschaft Stäubli vertriebene Vorrichtung.
Im dargestellten Beispiel weist der Roboter 20 eine Säule 21 auf, längs deren eine Trägerstütze 22 in der vertikalen Rich­ tung (im folgenden Achse a) beweglich und um diese vertikale Achse drehbar ist. Auf der Trägerstütze 22 ist eine um eine vertikale Achse b bewegliche Spindel 23 angebracht. Die Kom­ bination der drei Bewegungen der Translation entlang der Ach­ se a, der Drehung um die Achse a und der Drehung um die Achse b erlaubt es, das äußere Ende des Arms des Roboters in jede räumliche Lage innerhalb der Reichweite des Roboters zu brin­ gen.
Die Spindel 23 trägt an ihrem äußeren Ende ein Dreifachgelenk 24, das zusammen mit der Spindel 23 den Arm des Roboters 25 bildet. Das Dreifachgelenk 24 erlaubt durch Kombination der drei Bewegungen der Drehung um die horizontale Achse c der Spindel 23 (oder um eine zu dieser parallele Achse), der Dre­ hung um eine horizontale Achse d, die senkrecht auf Achse c steht, und der Drehung um eine vertikale Achse e, die senk­ recht auf den Achsen c und d steht, das äußere Ende des Arms des Roboters in jede räumliche Richtung zu orientieren.
Die Antriebe (nicht dargestellt), die die vorher erwähnten Bewegungen in den sechs Freiheitsgraden erlauben, werden von Signalen der Steuereinrichtung 28 gesteuert, mit der der Ro­ boter über ein biegsames Kabel 27 verbunden ist.
Eine Erweiterung des Volumens, innerhalb dessen der Roboter operieren kann, ist möglich, indem das Trägerwerkzeug 10 auf einer z. B. mindestens entlang zweier horizontaler orthogona­ ler Achsen X und Y verschiebbaren Platte befestigt wird. Die Platte kann mit weiteren Freiheitsgraden versehen werden, z. B. der Drehbarkeit um eine vertikale Achse und der Schwenk­ barkeit um eine horizontale Achse. Die Bewegungen der Platte werden von Signalen der Steuereinrichtung 28 gesteuert, die mit denen der Steuerung des Arms des Roboters koordiniert sind, um den Nadelkopf in die gewünschte Position, bezogen auf das Trägerwerkzeug, zu bringen.
Wie die Fig. 2 und 3 im Detail zeigen, enthält der Nadel­ kopf 30 einen Satz zueinander paralleler Nadeln 31, die auf einem Nadelträger 32 befestigt sind. Dieser wird in vor- und zurückgehenden, zueinander parallelen Bewegungen der Nadeln mit Hilfe eines Systems 33 mit doppelter Kurbelstange ange­ trieben. Die Kurbeln sind mit den Zahnrädern 34, 35 verbun­ den, die sich in entgegengesetztem Sinne drehen. Zu diesem Zweck sind die Zahnräder 34, 35 auf Achsen montiert, die kleine Zahnräder tragen, über die ein Zahnriemen 36 läuft. Der Zahnriemen 36 wird durch ein kleines Zahnrad angetrieben, das auf der Abtriebswelle 37 eines Elektromotors 38 montiert ist.
Die Achsen der Zahnräder 34, 35 und der Elektromotor 38 wer­ den von einer Trägerplatte 39 des Nadelkopfes, der am äußeren Ende des Arms 25 angebracht ist, getragen.
Die Trägerplatte 39 trägt darüber hinaus auch eine als Loch­ platte ausgebildete Auflageplatte 40. Diese ist am äußeren Ende einer Spindel 41 montiert, die parallel zu den Nadeln 31 im Inneren eines Zylinders 42, der auf der Trägerplatte 39 befestigt ist, gleiten kann. Eine Feder 43 hält die Auflage­ platte 40 in der von der Trägerplatte 39 am weitesten ent­ fernten Lage.
Die Auflageplatte 40 liegt den äußeren Enden der Nadeln 31 gegenüber und besitzt Löcher 45, durch die die Nadeln während ihrer vor- und zurückgehenden Bewegung hindurchgehen.
Der Nadelkopf 30 stellt somit eine autonome Einheit mit eige­ nem Antriebsmotor dar, der vom Arm des Roboters getragen wird. Der Motor wird durch die Steuereinheit 28 gesteuert, mit der er über ein biegsames Kabel 44 verbunden ist.
Der Nadelkopf 30 ist vorteilhaft teilweise oder ganz zur Anpas­ sung an die Form und die Abmessungen des faserstoffhaltigen Vorformlings austauschbar. So kann der gesamte Satz der Na­ deln 31 eine kleinere oder größere Anzahl Nadeln 31 umfassen.
Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Das Trägerwerkzeug 10 stellt eine Form dar, deren äußere Oberfläche der Form des herzustellenden faserstoffhaltigen Vorformlings entspricht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bei­ spiel handelt es sich um eine näherungsweise paraboloide Form zur Herstellung des frontalen Teils oder der Nase eines Raum­ fahrzeugs.
Das Trägerwerkzeug 10 besteht aus einem Material, das leicht be­ arbeitet oder geformt werden kann, z. B. aus geschäumtem Poly­ styrol. Es ist mit einem Basisfilz 11 (Fig. 4), z. B. aus Polyethylen, bedeckt, in den die Nadeln 31 während der Nadelung der ersten Lagen des Vorformlings eindringen können. Auf den Basisfilz 11 ist ein Flachmaterial 12, z. B. aus Polyvinylchlo­ rid, aufgeklebt. Während der Nadelung wird das Flachmaterial 12 von den Nadeln 31 durchstochen, verhindert aber, daß Fasern des faserstoffhaltigen Vorformlings im Basisfilz 11 verfilzen, was das Abnehmen des fertigen Vorformlings erschweren würde.
Der faserstoffhaltige Vorformling wird aus übereinander ange­ ordneten Schichten 13 mit einer faserartigen Textur gebildet. Diese besteht beispielsweise aus einem deformierbaren, mit einem Faserdeckstoff vorvernadelten Gewebe. Das Gewebe und der Deckstoff bestehen aus Fasern des für den Vorformling ge­ wählten Materials oder aus einem Vorläufer dieses Materials, der für die Nadelung besser geeignet ist. Für Anwendungen bei hohen Temperaturen wird der Vorformling beispielsweise aus Carbonfasern oder voroxidierten Polyacrylnitril (PAN)-Fasern, einem Vorläufer des Kohlenstoffs, oder aus keramischen Fasern oder aus Fasern eines Keramikvorläufers hergestellt. Die Um­ wandlung des voroxidierten PAN in Kohlenstoff oder eines Ke­ ramikvorläufers in Keramik wird durch thermische Behandlung nach der Erzeugung des Vorformlings durchgeführt.
Bei jedem Aufbringen einer neuen Schicht auf das Trägerwerk­ zeug 10 wird diese Schicht auf die darunterliegende genadelt (Fig. 5). Vorteilhaft ist die Eindringtiefe der Nadeln 31 in die Struktur während des gesamten Nadelungsprozesses konstant.
Der Nadelkopf 30 wird in Position und Orientierung gesteuert, um die Nadelung jeder Schicht 13 nach vorher festgelegten Bahnen und einer vorher festgelegten Eintrittsrichtung, im allgemei­ nen senkrecht zur Schicht 13 in der Nadelungszone, durchzufüh­ ren.
Die Position des Nadelkopfes 30 wird so festgelegt, daß die Auf­ lageplatte 40 gegen die zu nadelnde Schicht 13 geführt wird, wo­ bei auf diese ein Druck mit der Feder 43 ausgeübt wird (Fig. 5). Der durch die Auflageplatte 40 ausgeübte Druck wird vorteilhaft durch Zusammendrücken der Feder 43 in einem vor­ her festgelegten Ausmaß eingestellt. Das Zusammendrückender Feder 43 wird durch passende Positionierung des Nadelkopfes 30 in Bezug auf die letzte auf das Werkzeug aufgebrachte Schicht 13 durchgeführt.
Als Abwandlung könnte der durch die Auflageplatte 40 ausgeübte kontrollierte Druck von einer auf dem Nadelkopf 30 befestigten Hydraulikspindel, welche die Auflageplatte trägt, ausgeübt werden.
Vorteilhaft kann man der Auflageplatte 40 eine leicht gekrümmte Form geben, damit diese näherungsweise den Konturen der auf dem Trägerwerkzeug 10 angeordneten Schichten auf der gesamten Oberfläche der Schichten angepaßt werden kann.
Die Auflageplatte 40 erlaubt den Durchgang der Nadeln 31 durch die Löcher 45, hält aber Fasern zurück, die von den Nadeln 31 während des Zurückziehens aus der genadelten Struktur mitge­ zogen werden könnten, und erfüllt so eine Funktion der Ent­ fernung von Flusen. Darüber hinaus stellt der durch die Auf­ lageplatte 40 ausgeübte Druck sicher, daß die letzte angebrachte Schicht sich nicht verschiebt, und erlaubt eine Verdichtung der faserstoffhaltigen Struktur während der Nadelung.
Vorteilhaft wird auch, um die Nadelbahnen von einer Schicht zur anderen zu kreuzen und so die Bildung von bevorzugten Na­ delungsebenen im Vorformling zu verhindern, die Platte 19 mit dem Trägerwerkzeug 10 um einen bestimmten Winkel, z. B. 60°, nach der Nadelung jeder Schicht gedreht.
Nach der Nadelung der letzten Schicht wird der genadelte Vor­ formling vom Trägerwerkzeug 10 abgenommen, und der Basisfilz 11 und das zur Trennung dienende Flachmaterial 12 werden ab­ gezogen. Der Vorformling kann anschließend verdichtet werden, z. B. durch chemische Imprägnierung in der Dampfphase, um den gewünschten Formkörper aus Verbundwerkstoff zu erhalten.
In der obigen Beschreibung wurde die Verwendung eines Robo­ ters zur Steuerung der Position und der Orientierung des Na­ delkofes dargestellt. Wie schon gesagt, ist es auch möglich, den Nadelkopf 30 auf der Werkzeughalterspindel einer numerisch gesteuerten Maschine zu montieren, die die gewünschten Frei­ heitsgrade aufweist.
In diesem Fall kann der Antrieb der Nadeln 31 durch die Spindel der Bearbeitungsmaschine erfolgen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Herstellung von faserstoffhaltigen gena­ delten Vorformlingen zur Erzeugung von Werkstücken aus einem Verbundmaterial, die umfaßt:
  • - ein Trägerwerkzeug (10), auf dem Schichten (13) eines Flachmaterials mit Fasertextur übereinander angeordnet werden können,
  • - einen Nadelkopf (30) mit einer Gruppe von Nadeln (31),
  • - eine Vorrichtung zum Antrieb der Nadeln (31) in einer vor- und zurückgehenden, zueinander parallelen Bewe­ gung,
  • - eine als Lochplatte ausgebildete Auflageplatte (40) mit Löchern (45) für den Durchgang der Nadeln (31),
  • - einen beweglichen Arm (25), der den Nadelkopf (30) trägt, und
  • - eine Steuereinrichtung (28) zur automatischen Steuerung der Bewegung des beweglichen Arms (25) zur Bewegung des Nadelkopfs (30),
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Trägerwerkzeug (10) eine nicht plane Form aufweist, die der Form des herzustellenden faserstoffhaltigen Vorformlings entspricht,
  • - der Nadelkopf (30) eine Andruckeinrichtung (43) zur Ausübung einer Kraft auf die mit Löchern versehene Auflageplatte (40) umfaßt, um diese auf eine auf dem Trägerwerkzeug (10) angebrachte faserstoffhaltige Schicht (13) anzudrücken, wobei ein Druck auf die Faser­ textur ausgeübt wird, und
  • - der Arm (25), der den Nadelkopf (30) trägt, minde­ stens sechs Freiheitsgrade besitzt und
  • - die Steuereinrichtung (28) so auf den Arm (25) wirkt, daß der Nadelkopf (30) innerhalb der Reichweite des Arms längs vorher festgelegter Bahnen bewegt wird und dem Nadelkopf (30) vorher festgelegte Orientierungen gegeben werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerwerkzeug (10) auf einer beweglichen Plat­ te (19) mit mehreren Freiheitsgraden befestigt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auflageplatte (40) in Richtung der Nadeln (31) parallel beweglich und so durch eine Feder (43) als Andruckeinrichtung belastet wird, daß sie un­ ter Druck gegen die zu nadelnden Schichten (13) gepreßt werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageplatte (40) von einer Gewindespindel getragen wird, mit der sie gegen die zu nadelnden Schichten (13) gepreßt werden kann.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Auflageplatte (40) auf die zu nadelnden Schichten (13) ausgeübte Druck steuerbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageplatte (40) eine Form besitzt, die ungefähr der Form der auf dem Trägerwerk­ zeug (10) angebrachten zu nadelnden Schichten (13) an­ gepaßt ist.
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