WO2004035297A1 - Vorrichtung und verfahren zum abtrennen und anbinden von verbundfasern - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum abtrennen und anbinden von verbundfasern Download PDF

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EHA Spezialmaschinenbau GmbH
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    • B29C53/8008—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations specially adapted for winding and joining
    • B29C53/8066—Impregnating

Definitions

  • the invention relates to a system for separating and connecting composite fibers, fiber bundles and the like. 14.
  • a filament winding system for producing rotationally symmetrical winding bodies with a device and a method according to the preambles of claim 1 and claim 14.
  • fiber strands are impregnated with a resin and then wound over a mold carrier, which can be a mandrel or a base body (liner), e.g. a plastic container. After winding and curing of the resin, the mold carrier is either pulled out of the winding body or combined with it to form a composite body.
  • the winding is usually carried out using a fixed pattern that is processed by means of a CNC control.
  • the fiber strands generally consist of a variety of filaments, e.g. from 1,000 to 12,000 fine fibers that form rovings, i.e. Fiber bundles, or are combined into tapes or flat tapes with a titer of 1,000 tex and more.
  • a fiber strand is attached to the mandrel or base body. After winding, the fibers must be cut off and applied to the product as smoothly as possible. Until now, the fibers had been glued to the mandrel or liner by hand before the start of production and also manually cut after winding and smoothed out on the winding body. The separation is necessary to remove the finished winding product from the system and deliver it to be able to. So that the next mold carrier can be wound with a fiber strand (roving or flat ribbon), a connection must be made to this new base body.
  • a portal system with a lathe was used, the central spindle drive of which to the left and right of it each drives a point-bearing mandrel.
  • a fiber strand from each bobbin stand is guided through an assigned impregnation bath to a laying arm.
  • a drive that can be moved back and forth on the portal alternately moves one and then the other laying arm so that the fiber strand in question can be wound on one or the other mandrel.
  • the fiber strand is wound along the dome into a parking position near the headstock.
  • the controlled drive disengages from the current laying arm and moves to the other side to drive the second laying arm.
  • Developed using the fiiament winding process which is easy to use and enables fully automatic series production.
  • the aim is to create devices with few individual components, in particular with an automatic separating and tying device for winding tasks in which the single strands used are impregnated with a matrix material are.
  • a device for separating and connecting composite fibers, fiber bundles and the like In a filament winding system for the production of rotationally symmetrical bobbins, with a feed device for a with impregnated fiber strand for winding onto a rotationally symmetrical, rotationally driven base body, according to claim 1 is characterized according to the invention in that at least one separating device for severing the fiber strand and applying it of the body-side fiber strand end to a finished winding body and at least one connecting device for connecting the free fiber strand end to an adjacent new, unwound base body.
  • an intermediate carrier e.g. a sleeve because in the new system - which is particularly suitable for the mass production of pressure vessels - the fiber strand is held directly on the product, separated there and automatically connected to the next base body with the resulting free end.
  • the device is generally used in a filament winding system with a CNC-controlled lathe, which preferably has a plurality of spindles and is designed either in a stand or portal construction, and with an impregnation bath for the fiber strand fed via a bobbin stand, which can consist of glass, carbon, polyester or aramid fibers, cotton fibers or hybrids.
  • Typical impregnating agents are unsaturated polyester resins, polyesterimide or polyimide resins, as well as epoxy, silicone and melamine resins. They also contain additives, fillers and dyes, activators and stabilizers.
  • the base body can be a blow-molded plastic container and the end product can be a wrapped hollow body, for example a pressure bottle for liquid gas or also a transparent tank for liquids such as heating oil, on which the fill level can be easily recognized visually.
  • the separating device advantageously has at least one cutting device, for example a fixed blade or a driven knife, and according to claim 3 at least one elastic scraper, for example in the form of a rubber or plastic lip which is guided over the circumference of the winding body Claim 4 approximately at right angles to the cutting direction of the cutting device.
  • the production process is simplified and accelerated if the movements of the cutting device and stripper are coupled synchronously with the movement of the winding body.
  • the separating device and the connecting device can be swung in and out in the working area of the filament winding system. This area can therefore be cleared as required or used to reverse the strand feed, in a particularly simple manner if these devices form a structural unit according to claim 7.
  • the tethering device can also be pivotally connected to the separating device, thereby gaining even greater freedom in use.
  • the tying device has at least one further elastic wiper, for example in the form of a rubber or plastic lip, which can be guided over the circumference of the base body, claim 10 stipulating that the movement of the tethering device is coupled synchronously with the movement of the base body.
  • a simple design uses a tying and cutting device without a holding device; the fibers are deposited on a new unwrapped body immediately after separation and pressed in the direction of the fiber.
  • supporting means can be provided in order to hold or fix the fiber strand in the cutting position before being cut off.
  • the fixing device can preferably be pivoted in and out of the working area of the filament winding system, and in accordance with claim 13 it can form a structural unit with the separating device and / or the connecting device.
  • At least one fiber strand is wound after wrapping one rotationally symmetrical, rotationally driven main body is severed by means of a separating device, whereupon the separated fibers of the finished winding body are fixed thereon, and the remaining fiber strand is transferred from a connecting device to an adjacent new main body and connected to the free end of the fiber strand.
  • a major advantage of the invention is that a sleeve conventionally required is completely eliminated as an aid.
  • the rovings or tapes are held directly on the product and cut off. After changing the molded part (dome or liner), the thread is automatically applied to the following product and wound up.
  • the winding process continues until the desired coverage of the base body by the resin-impregnated fibers is achieved according to the program.
  • the system can therefore be operated extremely efficiently, especially as downtimes are reduced to a minimum of maintenance. This in turn is important because of the rapid hardening of the resin; A long downtime would bring the entire production to a standstill.
  • the body-side end of the separated fiber strand is expediently brushed on the finished winding body in the fiber direction and / or in the winding direction, e.g. with a squeegee, a stripper or the like, wherein the finished bobbin can be rotated according to claim 16 when applying or painting the separated fibers by a defined angle in the winding direction.
  • the fiber strand is connected with its free end to the circumferential surface of the base body, advantageously in that, according to claim 18, the free end of the fiber strand is placed against the winding direction of the base body, and according to claim 19, the base body is attached by one when the fiber strand is connected defined angle is rotated against the winding direction. It is particularly advantageous if the base body, in accordance with claim 20, receives at least one full turn of the fiber strand without pretensioning when the free fiber strand end is connected.
  • connection of the fiber strand is very simple according to claim 22 near pole caps of the base body, especially if, according to claim 23, the free end of the fiber strand is fixed by the connecting device on the axis or hub of the base body.
  • a tying and cutting device without a holding device can be used, the fibers of the free fiber strand end being deposited on a new unwound body immediately after the separation and pressed in the direction of the fiber.
  • claim 24 provides support that the fiber strand is gripped by a fixing device and separated in the cutting position.
  • an endless fiber strand can be grasped by a combined separating and tying unit while maintaining the fiber tension, severed on a finished bobbin and connected to an adjacent new base body.
  • Independent claim 26 specifies a cyclical procedure with steps a) to j), after completion of which step k) starts a new cycle of the same type.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a separating device of a device for separating and connecting fiber strands
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a tying device of a device for severing and tying fiber strands
  • FIG. 4 shows an end view and a side view of the device for severing and connecting fiber strands during winding
  • FIG. 5 shows the device of FIG. 4 after the winding process with the separating device pivoted in
  • FIG. 6 shows an end view of the winding former of FIG. 5 after the fiber strand has been severed
  • 7 shows an end view of the winding body of FIG. 5 when the strand end on the body is put on or painted
  • FIG. 8 is a partial plan view of a filament winding system with a feed device in two different positions
  • FIG. 10 shows an end view of the plastic cylinder from FIG. 9 during the transfer of the fiber strand from the separating device to the connecting device
  • FIG. 11 is a side view of a tether
  • Fig. 12 is a side view of a separation device.
  • the system according to the invention is used in a filament winding system 10, shown schematically in FIG. 1, which has a CNC-controlled single- or multi-spindle lathe in portal or stand construction and can have drives with which the base body 20 to be wound and a Feed device 11 are driven for a fiber strand 12.
  • the directions of movement of the assemblies and components are indicated by arrows.
  • the drive axes are labeled x, y, z and u.
  • the base body 20 is a blow-molded plastic cylinder 22 with curved ends or pole caps 24, one of which is provided with an inlet or a filler neck.
  • the fiber strand 12 can be a glass fiber ribbon, e.g. consists of 8 rovings with 1200 tex each. It passes through an impregnation bath (not shown) e.g. with immersion and then comes loaded with resin via a spool stand (also not shown) to the base body 20.
  • a laying eye 16 at the end of a laying arm 17 guides the fiber sliver 12 CNC-controlled over the base body 20, the drive spindle and the drive of the laying arm 17 being controlled synchronously be so that the winding process is controlled.
  • a conveyor system (also not shown) brings in the container blanks, which are clamped on the spindles of each lathe.
  • the fiber strand 12 coming from the impregnation bath (not shown) is grasped by the separation and binding system, separated from the finished winding body 70 and tied to a new base body 20.
  • Sensors (not shown) detect the winding state, so that at the end of a winding process a signal for separating the fiber strand 12 and, after this has been carried out, a second signal at the start of the connection to the next base body 20 is given.
  • the finished winding body 70 is cured in a drying oven (not shown).
  • a separating device 30 is provided for separating the rovings 12 from the finished winding body 70 (see FIG. 2), which can grip the entire fiber strand 12 by means of a gripping or fixing device 40 and cut through in a clamped position by means of a cutting device 45.
  • the gripping or fixing device 40 has a pneumatically operated cylinder 41 as a drive for two gripping jaws 42, between which the rovings can be fixed.
  • the clamping force generated between the gripping jaws 42 is dimensioned such that the draw weight of the rovings 12 of up to 30 kg is easily absorbed by the system.
  • the cutting device 45 has a knife 46 which can be linearly driven by a pneumatically operated actuating cylinder 48 in order to cut through the rovings 12.
  • the entire separating device 30 is fixed to the feed device 11 of the filament winding system 10 with a support arm 31 or support frame, on which the gripping device 40 and the cutting device 45 are mounted at the end.
  • a base joint 33 in front of the feed device 11 enables the separating device to be pivoted in a plane perpendicular to the drive shaft 22 of the base body 20, while a head joint 34 provides the pivoting of the gripping device 40 and the cutting device 45 about the longitudinal axis L of the support arm 31.
  • the separated fiber strand 12 is connected to a new base body 20 by means of a connecting device 50, which is shown in a very simplified manner in FIG. 3. It sits contactlessly over the drive shaft 25 of the base body 20 in the immediate vicinity of a pole cap 24 of the plastic cylinder 22 and has two curved ones Clamping jaws 52 for gripping and fixing the fiber strand 12.
  • the opening and closing of the clamping jaws 52 takes place via a lever 53 which is operatively connected to a pneumatic actuating cylinder 54 (not shown here).
  • FIG. 4 shows the device for separating and connecting fiber strands 12 with its system components, namely the separating device 30 and the connecting device 50. Both are in the positions which they assume during the winding process.
  • the separating device 30 is guided by the feeding device 11 above the plastic cylinder 22, while the connecting device 50 is positioned in front of the pole cap 24.
  • the winding process takes e.g. about 8 min. It ends with a few radial windings, which are driven at a small feed, the fiber strand 12 running at an angle of 90 ° to the mandrel axis 25, preferably in the longitudinal center of the plastic cylinder 22 or the finished bobbin 70 (see FIG. 5).
  • the feed device 11 together with the separating device 30 moves back a little along the z-axis until the gripping device 40 and the cutting device 45 lie laterally next to the bobbin 70. From there, both are pivoted in via the head joint 34 by approximately 90 ° and brought into the working position, the gripper 40 reaching over the fiber strand 12 with the gripping jaws 42 open in order to avoid damage to the filaments and unwanted stripping of resin.
  • the strand 12 - viewed from above - is a straight strip of e.g. 3.5 cm wide, which is gripped by closing the gripping jaws 42 and held in a non-positive manner by the gripping device 40 in this position.
  • the latter thus also forms a fixing device for the fiber strand 12, which can now be severed by the cutting device 45 in the next step.
  • the high tensile stress of the rovings 12 is absorbed by the gripping device 40 and thus by the separating device 30.
  • the knife 46 moves into the fiber strand 12 and cuts through the individual rovings.
  • a strand end 13 is formed on the body side, while the remaining fiber strand 12 is still firmly fixed by the gripping device 40.
  • the scraper 47 is preferably a rubber or plastic lip, which is attached to a (not designated) cutter bar. This is held in the lower position for a short time after the cutting process with the knife 46, while the spindle drive (x-axis) rotates the winding body 22 or 70 for example 2 turns further, whereby the end 13 is fixed smoothly.
  • the knife 46 then moves back into its starting position.
  • a transverse movement of the fiber strand 12 is carried out in the following work step, i.e. in the y direction (see Fig. 8).
  • the laying arm 17 together with laying eye 16 and separating device 30 is moved from one side to the other of the filament winding system 10 or its drive stand, where a new plastic cylinder 22 is already located.
  • the free strand end 14 of the severed fiber strand 12, which is still held by the separating device 30, is initially positioned here by the feeding device 11 above the still closed connecting device 50 (see FIG. 9).
  • the fiber strand 12 is introduced into the connecting device 50 by the feed device 11 and the separating device 30, without any contact taking place here. Subsequently, the clamping jaws 52 are closed, the end of the strand 14 being fixed in a non-positive manner by the connecting device 50.
  • the separating device - as shown in FIG. 10 - is inclined downward via the joint 33 integrated in the support arm 31, as a result of which the strand end 14 remains short.
  • the gripping jaws 42 of the gripping device 40 open and release the fiber strand 12.
  • the separating device 30 is then pivoted back out of the working area into its starting position via the joints 33 and 34 (see FIG. 4).
  • the system is now in the starting position for the start of a new winding process.
  • the winding or x-axis rotates synchronously with the feeding device 11, which the laying eye 16 and the separating device 30 in y- and z- Direction spends.
  • the installed rovings 12 initially block from the installation eye 16 to the tangent of the pole cap 24, the fiber strand 12 binds this strand triangle after a few revolutions of the plastic cylinder 22 (see FIG. 4 below). Then the static friction of the initial winding is also sufficient to relieve the clamping jaws 52 of the connecting device 50, as a result of which the winding takes place completely freely.
  • the already finished winding body 70 can be removed on the other side of the filament winding system 10 and replaced by a new base body 20.
  • the device for separating and connecting composite fibers, fiber bundles and the like appropriately provides the following modules:
  • separation devices 45 with a long service life of at least 23 hours and a low overall height, in particular under 200 mm, are required. It is therefore preferred to use 46 shearbars which slide past one another, a blade pressing against a counter surface or 2 cutting blades arranged at an acute angle to one another, which cut through the rovings in a relative movement generated by the drive cylinder 42, the fiber strand 12 being automatically centered.
  • a rotating scalpel can be used. Or one cuts the fiber strands 12 by sawing.
  • a pneumatic parallel gripper or two parallel flat jaws which can be pressed onto one another are preferably used for the gripping device 40 of the separating device 30.
  • the connecting device 50 preferably has two half-shells that can be pressed onto one another.
  • the effectiveness of gripping and clamping devices is largely determined by their surface condition, whereby the shape or geometry and the roughness or grip of the gripping or clamping jaws are important.
  • the gripping jaws 42 of the gripping device 40 are therefore preferably rectangular and planar with smooth gripping jaw surfaces, which has the advantage of simple manufacture.
  • a modification can be that the jaws are wedge-shaped or roof-shaped. Or you can provide the surfaces with nubbed rubber or foam rubber.
  • the tethering unit uses curved, in particular semicircular, jaws.
  • the material pairing Teflon / metal can also be advantageous, whereby the resin-carrying areas can have serrated grooves. Knurled jaws made of metal and / or Teflon are used to pack the rovings 12 gently.
  • roller and plain bearings are suitable for the storage of the moving parts, ideally without grease and without seals. It should be prevented that, when cleaning the filament winding systems with acetone, dissolved resin creeps under seals, for example. Open stores can therefore be easily rinsed out.
  • electrical and / or pneumatic drives are generally present in filament winding systems, so that such drives are also provided for the system according to the invention because of their economy and reliability.
  • a requirement for the kinematic structure (group B4) is that the separating / connecting system 30, 50 is not in the diameter of the winding core during the laying of the strand, but can be brought up to the mandrel axis 25. Mihin the inclinable separator 30 is always behind the mandrel. However, it is also conceivable that a central control rod (not shown) moves the separating device 30 and / or the connecting device 50 up and down. The latter will, however, preferably lie directly on the pole cap 24 of the dome or the winding body 20 or circle it centrally. Another embodiment of the invention is shown in FIGS. 11 and 12.
  • the tying device 50 is fastened by means of a base plate 51 to the chuck of a lathe (not shown).
  • the upper clamping jaw 52 is moved via an angle lever 53 mounted in an axis 55 by the pneumatic cylinder 54, which is also pivotably mounted about an axis 56 in order to be able to carry out compensatory movements.
  • the lower jaw 52 is rigid.
  • the separating device 30 is drawn in a side view in the position before the cut.
  • the movements of the gripping device 40 and the cutting device 45 about the pivot axis 33 and the turning axis 34 are carried out via pneumatic drives 49, which are connected to the system-side compressed air supply via (not visible) solenoid valves.
  • a separating and tying unit After completion of a product to be wound, a separating and tying unit is brought into the working position on the filament winding system, for example swung in, in which the separating device 30 and the tying device 50 have been combined with one another. Therefore, this separating and tying unit no longer has any clamping jaws 52 arranged on the pole caps 24, but only a gripping device 40 with gripping jaws 42; b) fibers originating from the finished winding product are gripped and clamped by means of the gripping device without the fibers of the fiber strand losing their pretension;
  • a fixed blade or a powered knife cuts the fibers between the product and the gripping device
  • the finished product is removed and the separating device is moved to an adjacent new base body, the fiber strand remaining clamped in the gripping device before its free end, so that the production process can be continued without interruption or intervention by hand;
  • the free fiber strand end is fixed on the surface of the new base body, preferably by means of a further scraper, e.g. a lip sweeping across the free fiber strand end in the fiber direction;
  • the free end of the fiber strand without thread tension is placed at least once in the winding direction around the base body, which can be supported by a lip which sweeps over the surface including fibers;
  • step a) After the initial attachment, the severing and tying unit is pivoted out of the area of application so that the actual winding process can begin; k) After its completion, the next cycle begins with step a).
  • an impregnated fiber strand 12 is wound onto a rotatingly driven base body 20 in a filament winding system 10.
  • a separating device 30 serves to cut through and apply the fiber strand end 13 to a finished winding body 70.
  • the free fiber strand end 14 is transferred to a next base body 20, preferably in the vicinity of the pole caps 24.
  • a knife 46 of a cutting device 45 is assigned an elastic stripper 47 which can be guided on the circumference approximately at right angles to the cutting direction over the winding body 70.
  • the separating device 30 can be swiveled in and out of the working area of the filament winding system, possibly as a structural unit with the connecting device 50.
  • the movement of the winding body 70 is synchronously coupled to the separating device 30.
  • the fiber strand 12 In the cutting position, the fiber strand 12 can be fixed with a gripping device 40, which can preferably be swiveled in and out together with the cutting device 45 in the working area of the filament winding system.

Landscapes

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  • Preliminary Treatment Of Fibers (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Treatment Of Liquids With Adsorbents In General (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)
  • Sewing Machines And Sewing (AREA)

Abstract

In einer Filament-Winding-Anlage (10) wird ein getränkter Faserstrang (12) auf einen rotierend angetriebenen Grundkörper (20) aufgewickelt. Eine Trenneinrichtung (30) dient zum Durchtrennen und Anlegen des Faserstrang-Endes (13) an einen fertigen Wickelkörper (70). Mit einer Anbindeeinrichtung (50) wird das freie Faserstrang-Ende (14) an einem nächsten Grundkörper (20) übergeben, bevorzugt in der Nähe der Polkappen (24). Einem Messer (46) einer Schneideinrichtung (45) ist ein elastischer Abstreifer (47) zugeordnet, der umfangsseitig etwas rechtwinklig zur Schnittrichtung über den Wickelkörper (70) führbar ist. Die Trenneinrichtung (30) ist in den Arbeitsbereich der Filament-Winding-Anlage ein- und ausschwenkbar, ggf. als Baueinheit mit der Anbindeeinrichtung (30) synchron gekoppelt. In Schnittposition ist der Faserstrang (12) mit einer Greifeinrichtung (40) fixierbar, die bevorzugt gemeinsam mit der Schneideinrichtung (45) in den Arbeitsbereich der Filament-Winding-Anlage ein- und ausgeschwenkbar ist.

Description

Sys tem zum Ab trennen und Anbinden von Verbundfasern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein System zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. in einer Filament-Winding-Anlage zur Herstellung von rotationssymmetrischen Wickelkörpern mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 14.
Beim Filament-Winding-Verfahren werden Faserstränge mit einem Harz imprägniert und anschließend über einen Formträger gewickelt, der ein Dorn oder ein Grundkörper (Liner) sein kann, z.B. ein Kunststoff-Behälter. Nach dem Wickeln und Aushärten des Harzes wird der Formträger entweder aus dem Wickelkörper herausgezogen oder mit ihm zu einem Verbundkörper vereinigt. Die Wicklung erfolgt in der Regel über ein festgelegtes Muster, das mittels einer CNC-Steuerung abgearbeitet wird. Die Faserstränge bestehen allgemein aus einer Vielzahl von Filamenten, z.B. aus 1.000 bis 12.000 Feinfasern, die zu Rovings, d.h. Faserbündeln, oder zu Tapes bzw. Flachbändern mit einem Titer von 1.000 tex und mehr zusammengefaßt sind.
Vor Beginn der Produktion eines Wickelkörpers bringt man einen Faserstrang an dem Dorn bzw. Grundkörper an. Nach dem Wickeln müssen die Fasern abgeschnitten und möglichst glatt an das Produkt angelegt werden. Bislang hat man die Fasern vor Fertigungsbeginn von Hand an den Dorn bzw. Liner angeklebt und nach dem Wickeln ebenfalls manuell abgeschnitten und am Wickelkörper glatt gestrichen. Das Abtrennen ist notwendig, um das fertige Wickelprodukt aus der Anlage entnehmen und ausliefern zu können. Damit man den nächsten Formträger mit einem Faserstrang (Roving oder Flachband) bewickeln kann, muß an diesem neuen Grundkörper eine Anbindung erfolgen.
Bekannt ist es zwar, einen Faserstrang nach der Produktion eines Wickelkörpers von diesem auf einen Zwischenträger in Gestalt einer benachbarten Hülse zu wickeln. Auf dieser werden die Fasern des Stranges gehalten und die Verbindungsfasern zum Dorn hin mit einem Messer durchtrennt. Nach dem Herausnehmen des fertig umwickelten Doms und dem Einlegen eines neuen, unbewickelten Doms werden die Fasern von der Zwischenhülse auf den Dorn gewickelt. Hierbei ist aber ungünstig, daß sich mit der herkömmlichen Abschneide- und Anbindetechnik eine vollautomatische Produktion im Fiiament-Winding-Verfahren nicht durchführen läßt.
Zum Wickeln von Tennisschläger-Rahmen hat man eine Portalanlage mit einer Drehmaschine verwendet, deren zentraler Spindelantrieb links und rechts davon je einen spitzengelagerten Dorn antreibt. Von je einem Spulenständer wird ein Faserstrang durch ein zugeordnetes Imprägnierbad an einen Verlegearm geführt. Ein am Portal hin und her verfahrbarer Antrieb bewegt abwechselnd den einen, dann den anderen Verlegearm, damit der betreffende Faserstrang auf den einen oder anderen Dorn gewickelt werden kann. Ist der Wickelvorgang am ersten Dom beendet, so wird der Faserstrang entlang des Doms in eine Parkposition nahe dem Spindelkasten gewickelt. Der gesteuerte Antrieb löst sich von dem aktuellen Verlegearm und fährt zur anderen Seite, um den zweiten Verlegearm anzutreiben. In der jeweiligen Parkstellung findet eine Anhäufung von gewickelten Roving-Enden statt, was - um längere Pausen wegen der raschen Harz-Aushärtung möglichst zu vermeiden - manuelle Eingriffe erfordert, die ihrerseits keinen kontinuierlichen Betrieb zulassen. Der maschinelle Aufwand ist beträchtlich, weil alle Komponenten zweifach vorhanden sein müssen, ausgenommen lediglich den Hauptantrieb und den gemeinsamen Verlegearmantrieb.
Es ist ein Ziel der Erfindung, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein System von wirtschaftlichem Aufbau zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. im Fiiament-Winding-Verfahren zu entwickeln, das einfach zu handhaben ist und eine vollautomatische Serienproduktion ermöglicht. Angestrebt wird die Schaffung von Vorrichtungen mit wenigen Einzelkomponenten, insbesondere mit einer automatischen Trenn- und Anbindeeinrichtung für Wickelaufgaben, bei denen die verwendeten Einzelstränge mit einem Matrixmaterial getränkt sind. Ein kontinuierlicher Betrieb mit z.B. acht harzgetränkten Fasersträngen (Rovings, Bändern, Tapes) zu je 1.200 tex soll während 23 h täglich gewährleistet sein.
Hauptmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 14 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13 und 15 bis 26.
Eine Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. in einer Filament-Winding-Anlage zur Herstellung von rotationssymmetrischen Wickelkörpern, mit einer Zuführeinrichtung für einen mit getränkten Faserstrang zum Aufwickeln auf einen rotationssymmetrischen, rotierend angetriebenen Grundkörper, zeichnet sich laut Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch aus, daß wenigstens eine Trenneinrichtung zum Durchtrennen des Faserstrangs und Anlegen des körperseitigen Faserstrang-Endes an einen fertiggestellten Wickelkörper und wenigstens eine Anbindeeinrichtung zum Anbinden des freien Faserstrang-Endes an einen benachbarten neuen, unbewickelten Grundkörper vorhanden ist. Der Aufbau ist konstruktiv einfach und vermeidet den Doppelaufwand herkömmlicher Systeme, die wegen der Notwendigkeit, die Rovings immer an einer Spindelantriebsseite zu belassen, stets Paare von Imprägnierbädern, Spulenständern, Verlegearmen u.dgl. haben müssen. Nach der Erfindung entfällt auch ein Zwischenträger, z.B. eine Hülse, weil bei dem neuen System - das sich besonders für die Massenfertigung von Druckbehältern eignet - der Faserstrang direkt am Produkt gehalten, dort abgetrennt und mit dem entstandenen freien Ende automatisch an dem nächsten Grundkörper angebunden wird.
Man setzt die Vorrichtung generell in einer Filament-Winding-Anlage mit einer CNC- gesteuerten Drehmaschine ein, die bevorzugt mehrere Spindeln aufweist und entweder in Ständer- oder in Portal-Bauweise ausgeführt ist, und mit einem Imprägnierbad für den über einen Spulenständer zugeführten Faserstrang, welcher aus Glas-, Kohle-, Polyester- oder Aramidfasern, Baumwollfasern oder Hybriden bestehen kann. Typische Imprägniermittel sind ungesättigte Polyesterharze, Polyesterimid- oder Polyimidharze, ferner Epoxid-, Silikon- und Melaminharze. Sie enthalten außerdem Additive, Füll- und Farbstoffe, Aktivatoren und Stabilisatoren. Der Grundkörper kann ein blasgeformter Kunststoffbehälter sein und das Endprodukt ein umwickelter Hohlkörper, z.B. eine Druckflasche für Flüssiggas oder auch ein transparenter Tank für Flüssigkeiten wie Heizöl, an dem der Füllstand ohne weiteres visuell erkennbar ist. In der Ausführung gemäß Anspruch 2 hat die Trenneinrichtung wenigstens eine Schneideinrichtung, z.B. eine feststehende Klinge oder ein angetriebenes Messer, und gemäß Anspruch 3 wenigstens einen elastischen Abstreifer, beispielsweise in Form einer Gummi- oder Kunststofflippe, die man umfangsseitig über den Wickelkörper führt, vorteilhaft nach Anspruch 4 etwa rechtwinklig zur Schnittrichtung der Schneideinrichtung. Der Produktionsablauf vereinfacht und beschleunigt sich, wenn die Bewegungen von Schneideinrichtung und Abstreifer laut Anspruch 5 mit der Bewegung des Wickelkörpers synchron gekoppelt sind.
Eine wichtige Ausgestaltung des Systems sieht im Einklang mit Anspruch 6 vor, daß die Trenneinrichtung und die Anbindeeinrichtung in den Arbeitsbereich der Filament- Winding-Anlage ein- und ausschwenkbar sind. Mithin kann dieser Bereich nach Bedarf freigeräumt oder zum Umsteuern der Strangzuführung genutzt werden, und zwar auf besonders einfache Weise, wenn diese Einrichtungen laut Anspruch 7 eine Baueinheit bilden. Die Anbindeeinrichtung kann jedoch auch gemäß Anspruch 8 schwenkbar mit der Trenneinrichtung verbunden sein, wodurch man noch größere Freiheit in der Verwendung gewinnt.
Zweckmäßig weist nach Anspruch 9 die Anbindeeinrichtung wenigstens einen weiteren elastischen Abstreifer auf, beispielsweise in Form einer Gummi- oder Kunststofflippe, die umfangsseitig über den Grundkörper führbar ist, wobei Anspruch 10 vorsieht, daß die Bewegung der Anbindeeinrichtung mit der Bewegung des Grundkörpers synchron gekoppelt ist.
Eine einfache Bauform benutzt eine Anbinde- und Abschneideeinrichtung ohne Halteeinrichtung; die Fasern werden unmittelbar nach dem Abtrennen auf einem neuen unbewickelten Körper abgelegt und in Faserrichtung angedrückt. Es können aber laut Anspruch 11 unterstützend Fixiermittel vorgesehen sein, um den Faserstrang vor dem Abtrennen in Schnittposition zu halten bzw. festzulegen. Bevorzugt ist die Fixiereinrichtung gemäß Anspruch 12 in den Arbeitsbereich der Filament-Winding- Anlage ein- und ausschwenkbar, und sie kann im Einklang mit Anspruch 13 mit der Trenneinrichtung und/oder der Anbindeeinrichtung eine Baueinheit bilden.
Bei einem Verfahren zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern in Filament- Winding-Technik gemäß Anspruch 14 wird wenigstens ein bevorzugt mit einem Matrixmaterial getränkter Faserstrang nach dem Umwickeln eines rotationssymmetrischen, rotierend angetriebenen Grundkörpers mittels einer Trenneinrichtung durchtrennt, worauf die abgetrennten Fasern des fertiggestellten Wickelkörpers an diesem festgelegt werden, und der verbleibende Faserstrang wird von einer Anbindeeinrichtung an einen benachbarten neuen Grundkörper übergeben und mit dem freien Faserstrang-Ende an diesen angebunden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine herkömmlich benötigte Hülse als Hilfsmittel vollständig wegfällt. Die Rovings bzw. Tapes werden direkt am Produkt gehalten und abgeschnitten. Nach einem Wechsel des Formteils (Doms oder Liners) wird der Faden automatisch am folgenden Produkt angelegt und aufgewickelt. Der Wickelvorgang dauert an, bis die gewünschte Überdeckung des Grundkörpers durch die harzgetränkten Fasern programmgemäß erreicht ist. Die Anlage kann daher äußerst effizient betrieben werden, zumal Stillstandszeiten sich auf ein Wartungsminimum reduzieren. Das wiederum ist wegen der raschen Aushärtung des Harzes wichtig; längerer Stillstand brächte die gesamte Fertigung zum Erliegen.
Zweckmäßig wird nach Anspruch 15 das körperseitige Ende des abgetrennten Faserstrangs am fertiggestellten Wickelkörper in Faserrichtung und/oder in Wickelrichtung aufgestrichen, z.B. mit einer Rakel, einem Abstreifer o.dgl., wobei der fertiggestellte Wickelkörper laut Anspruch 16 beim Anlegen bzw. Anstreichen der abgetrennten Fasern um einen definierten Winkel in Wickelrichtung weitergedreht werden kann.
Gemäß Anspruch 17 wird der Faserstrang mit seinem freien Ende auf der Umfangs- fläche des Grundkörpers angebunden, vorteilhaft indem nach Anspruch 18 das freie Ende des Faserstrangs entgegen der Wickelrichtung des Grundkörpers an diesem angelegt und indem nach Anspruch 19 der Grundkörper beim Anbinden des Faserstrangs um einen definierten Winkel entgegen der Wickelrichtung gedreht wird. Günstig ist es insbesondere, wenn der Grundkörper im Einklang mit Anspruch 20 beim Anbinden des freien Faserstrang-Endes wenigstens eine volle Windung des Faserstrangs ohne Vorspannung aufnimmt.
Wichtig ist die Ausgestaltung von Anspruch 21 , wonach die Ablage des Faserstrangs auf dem Grundkörper entlang geodätischer Linien erfolgt. Da solche Linien die kürzesten Verbindungen zwischen zwei Punkten auf gekrümmten Oberflächen sind, erzielt man sparsame Bewicklung. Auch wird ein Abrutschen der Fasern vom Wickelkörper verhindert, weil alle äußeren Kräfte der Fasern senkrecht zu seiner Oberfläche wirken. Sehr einfach vollzieht sich die Anbindung des Faserstrangs laut Anspruch 22 nahe Polkappen des Grundkörpers, vor allem wenn gemäß Anspruch 23 das freie Faserstrang-Ende von der Anbindeeinrichtung auf der Achse oder Nabe des Grundkörpers fixiert wird.
Man kann eine Anbinde- und Abschneideeinrichtung ohne Halteeinrichtung verwenden, wobei die Fasern des freies Faserstrang-Endes unmittelbar nach dem Abtrennen auf einem neuen unbewickelten Körper abgelegt und in Faserrichtung angedrückt werden. Anspruch 24 sieht aber unterstützend vor, daß der Faserstrang vor dem Abtrennen von einer Fixiereinrichtung erfaßt und in Schnittposition festgelegt wird. Speziell kann laut Anspruch 25 ein Endlos-Faserstrang von einer kombinierten Abtrenn- und Anbindeeinheit unter Beibehaltung der Faserspannung erfaßt, an einem fertigen Wickelkörper durchtrennt und an einen benachbarten neuen Grundkörper angebunden werden.
Eine zyklische Verfahrensführung gibt der unabhängige Anspruch 26 mit den Schritten a) bis j) an, nach deren Beendigung mit Schritt k) ein neuer Zyklus gleicher Art beginnt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. In diesen enthaltene Beschriftungen und durch Pfeile gekennzeichnete Bewegungsrichtungen werden ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung erklärt. Es zeigen:
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung einer Filament-Winding- Anlage,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Trenneinrichtung einer Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Fasersträngen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anbindeeinrichtung einer Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Fasersträngen,
Fig. 4 eine Stirnansicht und eine Seitenansicht der Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Fasersträngen beim Wickeln,
Fig. 5 die Vorrichtung von Fig. 4 nach dem Wickelvorgang mit eingeschwenkter Trenneinrichtung,
Fig. 6 eine Stirnansicht des Wickelkörpers von Fig. 5 nach dem Durchtrennen des Faserstrangs, Fig. 7 eine Stirnansicht des Wickelkörpers von Fig. 5 beim Anlegen bzw. Anstreichen des körperseitigen Strangendes,
Fig. 8 eine Teildraufsicht auf eine Filament-Winding-Anlage mit einer Zuführeinrichtung in zwei verschiedenen Positionen,
Fig. 9 eine Stirnansicht eines unbewickelten Kunststoffzylinders beim Positionieren der Trenneinrichtung,
Fig. 10 eine Stirnansicht des Kunststoffzylinders von Fig. 9 während der Übergabe des Faserstrangs von der Trenneinrichtung an die Anbindeeinrichtung,
Fig. 11 eine Seitenansicht einer Anbindeeinrichtung und
Fig. 12 eine Seitenansicht einer Trenneinrichtung.
Das erfindungsgemäße System wird in einer in Fig. 1 schematisch dargestellten Filament-Winding-Anlage 10 eingesetzt, die eine CNC-gesteuerte Ein- oder Mehrspindel-Drehmaschine in Portal- oder Ständerbauweise aufweisen und Antriebe haben kann, mit denen zu bewickelnde Grundkörper 20 und eine Zuführeinrichtung 11 für einen Faserstrang 12 angetrieben werden. Die Bewegungsrichtungen der Baugruppen und Komponenten sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die Antriebsachsen sind mit x, y, z und u bezeichnet.
Der Grundkörper 20 ist im hier beschriebenen Beispiel ein blasgeformter Kunststoffzylinder 22 mit gewölbten Enden bzw. Polkappen 24, wovon eine mit einem Einlaß oder einem Füllstutzen versehen ist.
Der Faserstrang 12 kann ein Glasfaserband sein, das z.B. aus 8 Rovings mit jeweils 1200 tex besteht. Es durchläuft ein (nicht dargestelltes) Imprägnierbad z.B. mit Tauchtränkung und gelangt anschließend harzbeladen über einen (ebenfalls nicht gezeigten) Spulenständer an den Grundkörper 20. Ein Verlegeauge 16 am Ende eines Verlegearms 17 führt das Faserband 12 CNC-gesteuert über den Grundkörper 20, wobei dessen Antriebsspindel und der Antrieb des Verlegearms 17 synchron gesteuert werden, so daß der Wickelvorgang kontrolliert abläuft.
Besonders rationell ist eine (nicht dargestellte) Kombination von zwei gleichartigen Filament-Winding-Anlagen 10, die Drehmaschinen mit zehn Spindeln haben, nämlich zwei Gruppen mit je 5 Spindeln links und rechts von einem gemeinsamen Antrieb 18. Es produzieren z.B. mit einer vorgegebenen Zykluszeit ständig jeweils die 5 Spindeln der einen Gruppe, während die andere Spindelgruppe durch Roboter entladen und neu beschickt wird. Dazu bringt ein (gleichfalls nicht dargestelltes) Fördersystem die Behälterrohlinge heran, die auf den Spindeln jeder Drehmaschine eingespannt werden.
Ist der Wickelvorgang abgeschlossen, wird der aus dem (nicht gezeigten) Imprägnierbad kommende Faserstrang 12 von dem Abtrenn- und Anbinde-System erfaßt, vom fertigen Wickelkörper 70 abgetrennt und an einem neuen Grundkörper 20 angebunden. Sensoren (nicht dargestellt) erfassen den Wickelzustand, so daß am Ende eines Wickelvorgangs ein Signal zum Trennen des Faserstrangs 12 und, nachdem dies vollzogen ist, ein zweites Signal zum Beginn des Anbindens am nächsten Grundkörper 20 gegeben wird. Nach der Entnahme wird der fertige Wickelkörper 70 in einem (nicht gezeichneten) Trockenofen ausgehärtet.
Für das Abtrennen der Rovings 12 vom fertigen Wickelkörper 70 ist eine Trenneinrichtung 30 vorgesehen (siehe Fig. 2), die den gesamten Faserstrang 12 mittels einer Greif- bzw. Fixiereinrichtung 40 ergreifen und in festgeklemmter Positiion mittels einer Schneideinrichtung 45 durchtrennen kann. Die Greif- bzw. Fixiereinrichtung 40 hat hierzu einen pneumatisch betriebenen Zylinder 41 als Antrieb für zwei Greifbacken 42, zwischen denen die Rovings fixierbar sind. Die erzeugte Klemmkraft zwischen den Greifbacken 42 ist derart bemessen, daß das Zuggewicht der Rovings 12 von bis zu 30 kg von dem System problemlos aufgenommen wird. Die Schneideinrichtung 45 besitzt ein Messer 46, das zum Durchtrennen der Rovings 12 von einem ebenfalls pneumatisch betriebenen Stellzylinder 48 linear antreibbar ist.
Die gesamte Trenneinrichtung 30 ist mit einem Tragarm 31 oder Tragrahmen an der Zuführeinrichtung 11 der Filament-Winding-Anlage 10 festgelegt, an dem endseitig die Greifeinrichtung 40 und die Schneideinrichtung 45 montiert sind. Ein Basisgelenk 33 vor der Zuführeinrichtung 11 ermöglicht das Verschwenken der Trenneinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Antriebswelle 22 des Grundkörpers 20, während ein Kopfgelenk 34 das Verschwenken der Greifeinrichtung 40 und der Schneideinrichtung 45 um die Längsachse L des Tragarms 31 vorsieht.
Das Anbinden des abgetrennten Faserstrangs 12 an einen neuen Grundkörper 20 erfolgt mittels einer Anbindeeinrichtung 50, die in Fig. 3 stark vereinfacht dargestellt ist. Sie sitzt berührungslos über der Antriebswelle 25 des Grundkörpers 20 in unmittelbarer Nähe zu einer Polkappe 24 des Kunststoffzylinders 22 und hat zwei gewölbte Klemmbacken 52 zum Greifen und Festlegen des Faserstrangs 12. Das Öffnen und Schließen der Klemmbacken 52 erfolgt über einen Hebel 53, der mit einem (hier nicht dargestellten) pneumatischen Stellzylinder 54 in Wirkverbindung steht.
Fig. 4 zeigt die Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Fasersträngen 12 mit seinen Systemkomponenten, nämlich der Trenneinrichtung 30 und der Anbindeeinrichtung 50. Beide liegen in den Positionen, die sie während des Wickelvorgangs einnehmen. Die Trenneinrichtung 30 wird von der Zuführeinrichtung 11 oberhalb des Kunststoffzylinders 22 geführt, während die Anbindeeinrichtung 50 vor der Polkappe 24 positioniert ist.
Der Wickelvorgang dauert z.B. etwa 8 min. Er endet mit einigen Radialwindungen, die unter kleinem Vorschub gefahren werden, wobei der Faserstrang 12 in einem Winkel von 90° zur Wickeldornachse 25 aufläuft, und zwar bevorzugt in der Längsmitte des Kunststoffzylinders 22 bzw. des fertigen Wickelkörpers 70 (siehe Fig. 5).
Um den fertigen Wickelkörper 70 vom Faserstrang 12 zu trennen, fährt die Zuführeinrichtung 11 mitsamt der Trenneinrichtung 30 entlang der z-Achse ein Stück weit zurück, bis die Greifeinrichtung 40 und die Schneideinrichtung 45 seitlich neben dem Wickelkörper 70 liegen. Von dort aus werden beide über das Kopfgelenk 34 um etwa 90° eingeschwenkt und in Arbeitsposition gebracht, wobei der Greifer 40 den Faserstrang 12 mit geöffneten Greifbacken 42 berührungsfrei übergreift, um Beschädigungen der Filamente und ungewolltes Abstreifen von Harz zu vermeiden.
Man erkennt, daß der Strang 12 - von oben betrachtet - ein geradlinig verlaufendes Band von z.B. 3,5 cm Breite ist, das durch Schließen der Greifbacken 42 gefaßt und von der Greifeinrichtung 40 in dieser Lage kraftschlüssig gehalten wird. Letztere bildet mithin zugleich eine Fixiereinrichtung für den Faserstrang 12, der nun im nächsten Schritt von der Schneideinrichtung 45 durchtrennt werden kann. Hierbei wird die hohe Zugspannung der Rovings 12 von der Greifeinrichtung 40 und damit von der Trenneinrichtung 30 aufgefangen.
Die Schneidphase zeigt Fig. 6. Das Messer 46 fährt in den Faserstrang 12 ein und und durchtrennt hierbei die einzelnen Rovings. Es entsteht ein körperseitiges Strangende 13, während der übrige Faserstrang 12 weiterhin fest von der Greifeinrichtung 40 fixiert wird. Beim Einfahren des Messers 46 wird das körperseitige Strangende 13 - wie in Fig. 7 zu sehen - von einem elastischen Abstreifer flach an den Wickelkörper 70 angelegt. Der Abstreifer 47 ist vorzugsweise eine Gummi- oder Kunststofflippe, die an einem (nicht näher bezeichneten) Messerbalken befestigt ist. Dieser wird nach dem Trennvorgang mit dem Messer 46 für kurze Zeit in unterer Position gehalten, während der Spindelantrieb (x-Achse) den Wickelkörper 22 bzw. 70 noch z.B. 2 Umdrehungen weiterdreht, wodurch das Ende 13 glatt festgelegt wird. Anschließend fährt das Messer 46 wieder in seine Ausgangsstellung zurück.
Zur Entnahme des jetzt fertigen Wickelkörpers 70 wird im folgenden Arbeitsschritt eine Querbewegung des Faserstrangs 12 ausgeführt, d.h. in y-Richtung (siehe Fig. 8). Dabei wird der Verlegearm 17 samt Verlegeauge 16 und Trenneinrichtung 30 von der einen zur anderen Seite der Filament-Winding-Anlage 10 bzw. ihres Antriebsständers verfahren, wo sich bereits ein neuer Kunststoffzylinder 22 befindet. Das weiterhin von der Trenneinrichtung 30 gehaltene freie Strangende 14 des abgetrennten Faserstrangs 12 wird hier von der Zuführeinrichtung 11 zunächst über der noch geschlossenen Anbindeeinrichtung 50 positioniert (siehe Fig. 9).
Nach dem Öffnen der Klemmbacken 52 über den Stellzylinder 54 wird der Faserstrang 12 von der Zuführeinrichtung 11 und der Trenneinrichtung 30 in die Anbindeeinrichtung 50 eingebracht, ohne daß hierbei eine Berührung stattfindet. Anschließend werden die Klemmbacken 52 geschlossen, wobei das Strangende 14 von der Anbindeeinrichtung 50 kraftschlüssig fixiert wird.
Damit nicht durch sofortiges Schließen der Backen 52 ein unerwünschtes Nachschleppen des anzubindenen Endes 14 erfolgt, wird die Trenneinrichtung - wie in Fig. 10 gezeigt - über das in dem Tragarm 31 integrierte Gelenk 33 nach unten geneigt, wodurch das Strangende 14 kurz bleibt.
Liegt das Strangende 14 in den Klemmbacken 52 fest, öffnen sich die Greifbacken 42 der Greifeinrichtung 40 und geben den Faserstrang 12 frei. Anschließend wird die Trenneinrichtung 30 über die Gelenke 33 und 34 aus dem Arbeitsbereich heraus in seine Ausgangsposition zurückgeschwenkt (siehe Fig. 4).
Das System ist nun in der Ausgangsposition für den Start eines neuen Wickelvorgangs. In dessen Anlauf rotiert die Wickel- bzw. x-Achse synchron mit der Zuführeinrichtung 11 , die das Verlegeauge 16 und die Trenneinrichtung 30 in y- und z- Richtung verbringt. Zwar sperren die verlegten Rovings 12 anfänglich vom Verlegeauge 16 her zur Tangente der Polkappe 24, doch bindet der Faserstrang 12 nach wenigen Umdrehungen des Kunststoffzylinder 22 dieses Strangdreieck ab (siehe Fig. 4 unten). Dann reicht auch die Haftreibung des Anfangswickels, um die Klemmbacken 52 der Anbindeeinrichtung 50 entlasten zu können, wodurch das Bewickeln völlig frei vor sich geht.
Während der neue Kunststoffzylinder 22 bewickelt wird, kann auf der anderen Seite der Filament-Winding-Anlage 10 der bereits fertige Wickelkörper 70 entnommen und durch einen neuen Grundkörper 20 ausgetauscht werden.
Man erkennt, daß die Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. zweckmäßig folgende Baugruppen vorsieht:
B1 „Trennen" mit den Funktionen „Faserstrang fixieren" durch "Greifen und Klemmen", ferner „Faserstrang trennen" und „Faserstrang transportieren";
B2 „Anbinden" durch „Faserstrang übergeben" und „Faserstrang anbinden";
B3 "Antriebe" für die vorgenannten Baugruppen; und
B4 "Kinematik" für die Abläufe der Baugruppen 1) und 2).
Zum Abtrennen von Fasersträngen 12, beispielsweise bis zu acht Rovings mit jeweils bis zu 2.400 tex, benötigt man Trenngeräte 45 hoher Standzeit von mindestens 23 h und geringer Bauhöhe, insbesondere unter 200 mm. Bevorzugt verwendet man daher als Messer 46 Scherbalken, die aneinander vorbeigleiten, eine auf eine Gegenlage drückende Klinge oder 2 in einem spitzen Winkel zueinander angeordnete Schneidklingen, welche die Rovings in einer von dem Antriebszylinder 42 erzeugten Relativbewegung durchtrennen, wobei der Faserstrang 12 automatisch zentriert wird. Alternativ kann jedoch auch ein rotierendes Skalpell verwendet werden. Oder man durchtrennt die Faserstränge 12 durch Sägen.
Für das Fixieren in den Baugruppen B1 und B2 können ebenfalls verschiedene Greif- und Klemmanordnungen gewählt werden. Für die Greifeinrichtung 40 der Trenneinrichtung 30 verwendet man bevorzugt einen pneumatischen Parallelgreifer oder zwei paralle aufeinander preßbare Flächenbacken. Die Anbindeeinrichtung 50 weist bevorzugt zwei aufeinander preßbare Halbschalen auf. Wichtig hierbei sind Auswahlkriterien wie Bauvolumen bzw. Platzbedarf und Funkionssicherheit, wobei allerdings auch der Preis eine bedeutsame Rolle spielt. Selbsthemmende Fixiermittel können daher auch in Betracht kommen.
Die Wirksamkeit von Greif- und Klemmeinrichtungen wird maßgeblich durch ihre Oberflächen-Beschaffenheit bestimmt, wobei es auf Form bzw. Geometrie und auf Rauhigkeit bzw. Griffigkeit der Greif- bzw. Klemmbacken ankommt. Die Greifbacken 42 der Greifeinrichtung 40 sind daher vorzugsweise rechteckig und eben ausgebildet mit glatten Greifbackenoberflächen, was den Vorteil einfacher Herstellung hat. Eine Abwandlung kann darin bestehen, daß die Backen keil- oder dachförmig gestaltet sind. Oder man versieht die Oberflächen mit genopptem Gummi bzw. Moosgummi. Die Anbindeeinheit verwendet gewölbte, insbesondere halbrunde Backen. Von Vorteil kann auch die Werkstoffpaarung Teflon/Metall sein, wobei die harzführenden Bereiche Zackennuten haben können. Um die Rovings 12 schonend packen zu können, verwendet man gerändelte Backen aus Metall und/oder Teflon.
Für die Lagerung der bewegten Teile eignen sich übliche Wälz- und Gleitlager, am besten fettlos und ohne Dichtungen. Es sollte verhindert werden, daß bei der Reinigung der Filament-Winding-Anlagen mit Azeton gelöstes Harz etwa unter Dichtungen kriechend eindringt. Offene Lager lassen sich daher gut ausspülen.
Bezüglich der Baugruppe B3 sind in Filament-Winding-Anlagen allgemein elektrische und/oder pneumatische Antriebe vorhanden, so daß auch für das erfindungsgemäße System solche Antriebe wegen ihrer Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit vorgesehen sind.
Eine Anforderung an den kinematischen Aufbau (Gruppe B4) ist, daß sich das Trenn-/Anbinde-System 30, 50 während der Strangverlegung nicht im Durchmesser des Wickelkerns befindet, aber an die Dornachse 25 heranbringen läßt. Mihin befindet sich die neigbare Trenneinrichtung 30 stets hinter dem Dorn. Denkbar ist aber auch, daß eine (nicht dargestellte) zentrale Steuerstange die Trenneinrichtung 30 und/oder die Anbindeeinrichtung 50 auf und ab bewegt. Letztere wird jeoch bevorzugt direkt an der Polkappe 24 des Doms bzw. des Wickelkörpers 20 liegen oder ihn zentrisch umkreisen. Eine andere Ausführungform der Erfindung geht aus Fig. 11 und 12 hervor. Die Anbindeeinrichtung 50 ist mittels einer Grundplatte 51 am Spannfutter einer (nicht näher gezeichneten) Drehmaschine befestigt. Die obere Klemmbacke 52 wird über einen in einer Achse 55 gelagerten Winkelhebel 53 von dem pneumatischen Zylinder 54 bewegt, der ebenfalls um einer Achse 56 schwenkbar gelagert ist, um Ausgleichsbewegungen ausführen zu können. Die untere Klemmbacke 52 ist starr ausgebildet.
Die Trenneinrichtung 30 ist in Seitenansicht in der Position vor dem Schnitt gezeichnet. Die Bewegungen der Greifeinrichtung 40 und der Schneideinrichtung 45 um die Schwenkachse 33 und die Drechachse 34 wird über pneumatische Antriebe 49 ausgeführt, die über (nicht sichtbare) Magnetventile mit der anlagenseitigen Druckluftversorgung in Verbindung stehen.
Die Erprobung des erfindungsgemäßen Systems ergab, daß die Greifmechanismen 40, 50 jeweils alle Rovings sicher erfaßten. Nur bei trockenem, noch ungetränktem Faserstrang 12 zogen sich einzelne Filamente unter hoher Zugspannung aus dem Greifer heraus, wogegen der imprägnierte Faserstrang 12 alle Filamente zusammenhielt. Weder beim Klemmen noch beim Schneiden der Rovings trat eine Verschmutzung durch Harzaustritt auf, und alle Schneidvorgänge erfolgten mit zuverlässigem, sauberem Schnitt. Beim Einschwenken der Trenneinrichtung 30 ging der Faserstrang 12 stets frei, d.h. er wurde nicht berührt. Seine Übergabe von der Trenn- an die Anbindeeinrichtung (also von 30 an 50) erfolgte absolut problemlos, so daß auch der neue Wickelvorgang selbst bei einer Verlege-Geschwindigkeit von 60 m/min einwandfrei verlief.
Eine noch andere Ausführungsform der Erfindung umfaßt folgende Verfahrensschritte:
a) Nach Fertigstellung eines zu wickelnden Produkts wird an der Filament-Winding- Anlage eine Abtrenn- und Anbindeeinheit in Arbeitsposition gebracht, z.B. eingeschwenkt, bei der die Trenneinrichtung 30 und die Anbindeeinrichtung 50 miteinander kombiniert worden sind. Daher bestitzt diese Abtrenn- und Anbindeeinheit keine an den Polkappen 24 angeordnete Klemmbacken 52 mehr, sondern nur noch eine Greifeinrichtung 40 mit Greifbacken 42; b) von dem fertigen Wickelprodukt ausgehende Fasern werden mittels der Greifeinrichtung erfaßt und festgeklemmt, ohne daß die Fasern des Faserstrangs ihre Vorspannung verlieren;
c) eine feststehende Klinge oder ein angetriebenes Messer durchtrennt die Fasern zwischen dem Produkt und der Greifeinrichtung;
d) die durchtrennten, vom Produkt abstehenden Fasern werden mit einem Abstreifer glatt an das Produkt angelegt, insbesondere an- bzw. aufgestrichen;
e) das fertige Produkt wird entnommen und die Trenneinrichtung wird zu einem benachbarten neuen Grundkörper bewegt, wobei der Faserstrang vor seinem freien Ende in der Greifeinrichtung eingespannt bleibt, so daß der Produktionsprozeß ohne Unterbrechungen oder Eingriffe von Hand weitergeführt werden kann;
f) eventuell am Abstreifer der Abtrenn- und Anbindeeinheit befindliche Harzreste werden auf der Oberfläche eines neuen unbewickelten Grundkörpers (z.B. auf einem Kunststoffbehälter) abgestrichen;
g) der von der Greifeinrichtung gehaltene Faserstrang wird in das Harz auf der Oberfläche des neuen Grundkörpers eingelegt;
h) durch synchronisiertes Öffnen der Greifeinrichtung und definiertes Rückwärtsdrehen des neuen Grundkörpers um einen vorgegebenen Winkel wird das freie Faserstrang-Ende auf der Oberfläche des neuen Grundkörpers festgelegt, bevorzugt mittels eines weiteren Abstreifers, z.B. einer in Faserrichtung über das freie Faserstrang-Ende streichenden Lippe;
i) nach erfolgter Drehrichtungsänderung wird das freie Faserstrang-Ende ohne Fadenspannung wenigstens einmal in Wickelrichtung um den Grundkörper gelegt, was durch eine über die Oberfläche samt Fasern streichende Lippe unterstützt werden kann;
j) nach der Anfangsbefestigung wird die Abtrenn- und Anbindeeinheit aus dem Anwendungsbereich herausgeschwenkt, damit der eigentliche Wickelvorgang beginnen kann; k) Nach dessen Beendigung beginnt der nächste Zyklus mit Verfahrensschritt a).
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Man erkennt, daß in einer Filament- Winding-Anlage 10 ein getränkter Faserstrang 12 auf einen rotierend angetriebenen Grundkörper 20 aufgewickelt wird. Eine Trenneinrichtung 30 dient zum Durchtrennen und Anlegen des Faserstrang-Endes 13 an einen fertigen Wickelkörper 70. Mit einer Anbindeeinrichtung 50 wird das freie Faserstrang-Ende 14 an einem nächsten Grundkörper 20 übergeben, bevorzugt in der Nähe der Polkappen 24. Einem Messer 46 einer Schneideinrichtung 45 ist ein elastischer Abstreifer 47 zugeordnet, der umfangsseitig etwa rechtwinklig zur Schnittrichtung über den Wickelkörper 70 führbar ist. Die Trenneinrichtung 30 ist in den Arbeitsbereich der Filament-Winding-Anlage ein- und ausschwenkbar, ggf. als Baueinheit mit der Anbindeeinrichtung 50. Die Bewegung des Wickelkörpers 70 ist mit der Trenneinrichtung 30 synchron gekoppelt. In Schnittposition ist der Faserstrang 12 mit einer Greifeinrichtung 40 fixierbar, die bevorzugt gemeinsam mit der Schneideinrichtung 45 in den Arbeitsbereich der Filament-Winding-Anlage ein- und ausgeschwenkbar ist.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichen liste
Längsachse 34 Kopfgelenk
40 Greifeinrichtung
Filament-Winding-Anlage 41 Zylinder
Zuführeinrichtung 42 Greif backe
Faserstrang 45 Schneideinrichtung körperseitiges Strangende 46 Messer freies Strangende 47 Abstreifer
Verlegeauge 48 Zylinder
Verlegearm 49 Druckzylinder
Wickelantrieb
50 Anbindeeinrichtung
Grundkörper / Wickelkörper 51 Grundplatte
Kunststoffzylinder 52 Klemmbacken
Polkappe 53 Hebel
Antriebswelle 54 Stellzylinder
55 Achse
Trenneinrichtung 56 Achse
Tragarm
Basisgelenk

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. in einer Filament-Winding-Anlage (10) zur Herstellung von rotationssymmetrischen Wickelkörpern (70), mit einer Zuführeinrichtung (11) für einen mit Matrixmaterial getränkten Faserstrang (12), der auf einen rotierend angetriebenen Grundkörper (20) aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Trenneinrichtung (30) zum Durchtrennen des Faserstrangs (12) und Anlegen seines körperseitigen Strang-Endes (13) an den fertiggestellten Wickelkörper (70) und wenigstens eine Anbindeeinrichtung (50) zum Anbinden des freien Faserstrang-Endes (14) an einen benachbarten neuen, unbewickelten Grundkörper (20) vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch geken nzeich net, daß die Trenneinrichtung (30) wenigstens eine Schneideinrichtung (45) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geken nzeich net, daß die Trenneinrichtung (30) wenigstens einen elastischen Abstreifer (47) aufweist, beispielsweise in Form einer Gummi- oder Kunststofflippe, die umfangsseitig über den Wickelkörper (20) führbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadu rch geken nzeichnet, daß der Abstreifer (47) etwa rechtwinklig zur Schnittrichtung der Schneideinrichtung (45) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Bewegung von Schneideinrichtung (45) und Abstreifer (47) mit der Bewegung des Wickelkörpers (20) synchron gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (30) und die Anbindeeinrichtung (50) in den Arbeitsbereich der Filament-Winding-Anlage ein- und ausschwenkbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn- und Anbindeeinrichtung (30, 50) eine Baueinheit bilden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindeeinrichtung (50) schwenkbar mit der Trenneinrichtung (30) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindeeinrichtung (50) wenigstens einen weiteren elastischen Abstreifer aufweist, beispielsweise in Form einer Gummi- oder Kunststofflippe, die umfangsseitig über den Wickelkörper (20) führbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des weiteren Abstreifers mit der Bewegung des Wickelkörpers (20) synchron gekoppelt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadu rch geken nzeich net, daß eine Greifeinrichtung (40) vorgesehen ist, mit welcher der Faserstrang (12) vor dem Abtrennen fixierbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadu rch gekennzeich net, daß die Greifeinrichtung (40) in den Arbeitsbereich der Filament-Winding-Anlage (10) ein- und ausschwenkbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch geken nzeichnet, daß die Fixiereinrichtung (40) mit der Trenneinrichtung (30) und/oder der Anbindeeinrichtung (50) eine Baueinheit bildet.
14. Verfahren zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. in einer Filament-Winding-Anlage (10), wobei wenigstens ein getränkter Faserstrang (12) nach dem Umwickeln eines rotierend angetriebenen Grundkörpers (20) mittels eine Trenneinrichtung (30) durchtrennt wird, wobei die abgetrennten Fasern (13) des fertiggestellten Wickelkörpers (70) an diesem festgelegt werden und wobei der Faserstrang (12) an einen benachbarten neuen Grundkörper (20) übergeben und mit dem freien Faserstrang-Ende (14) an diesen angebunden wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das körperseitige Ende (13) des abgetrennten Faserstrangs (12) am fertiggestellten Wickelkörper (70) in Faserrichtung und/oder in Wickelrichtung aufgestrichen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der fertige Wickelkörper (70) beim Anlegen bzw. Anstreichen der abgetrennten Fasern um einen definierten Winkel in Wickelrichtung weitergedreht wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadu rch gekennzeichnet, daß der Faserstrang (12) auf der Umfangsfläche des Grundkörpers (20) angebunden wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrangs (12) entgegen der Wickelrichtung des Grundkörpers (20) an diesem angelegt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadu rch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (20) beim Anbinden des Faserstrangs (12) um einen definierten Winkel entgegen der Wickelrichtung gedreht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadu rch gekennzeich net, daß der Grundkörper (20) nach dem Anbinden des Faserstrangs (12) wenigstens eine volle Windung des Faserstrangs (12) ohne Vorspannung aufnimmt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablage des Faserstrangs (12) auf dem Grundkörper (20) entlang geodätischer Linien erfolgt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadu rch gekennzeichnet, daß der Faserstrang (12) nahe Polkappen (24) des Grundkörpers (20) angebunden wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (14) des Faserstrangs in der Anbindeeinrichtung (50) fixiert wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstrang (12) vor dem Abtrennen von einer Fixiereinrichtung (40) erfaßt und in Schnittposition festgelegt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch geken nzeichnet, daß ein Endlos-Faserstrang (12) von einer kombinierten Abtrenn- und Anbindeeinheit (30, 40, 50) unter Beibehaltung der Faserspannung erfaßt, an einem fertigen Wickelkörper (70) durchtrennt und an einen benachbarten neuen Grundkörper (20) angebunden wird.
26. Verfahren zum Abtrennen und Anbinden von Verbundfasern, Faserbündeln u.dgl. in einer Filament-Winding-Anlage (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 14 bis 25, geken nzeich net durch folgende Verfahrensschritte:
a) Nach Fertigstellung eines Wickelprodukts (70) wird eine Abtrenn- und Anbindeeinheit (30, 40) in Arbeitsposition gebracht, z.B. eingeschwenkt;
b) von dem fertigen Wickelprodukt (70) ausgehende Fasern werden mittels einer Halteeinrichtung (40) erfaßt und festgeklemmt, ohne daß die Fasern des Faserstrangs (12) ihre Vorspannung verlieren;
c) eine feststehende Klinge oder ein angetriebenes Messer (46) durchtrennt die Fasern zwischen dem Wickelprodukt (70) und der Halteeinrichtung (40);
d) die durchtrennten, vom Wickelprodukt (70) abstehenden Fasern werden mit einem Abstreifer (47) glatt an das Produkt (70) angelegt, insbesondere an- bzw. aufgestrichen;
e) das fertige Produkt (70) wird entnommen und die Abtrenn- und Anbindeeinheit (30, 40) wird zu einem benachbarten neuen Grundkörper (20) bewegt, wobei der Faserstrang (12) vor seinem freien Ende (14) in der Halteeinrichtung (40) eingespannt bleibt, so daß der Produktionsprozeß ohne Unterbrechungen oder Eingriffe von Hand weitergeht;
f) eventuell am Abstreifer (47) der Abtrenn- und Anbindeeinheit (30;40) befindliche Harzreste werden auf der Oberfläche eines neuen unbewickelten Grundkörpers (20) abgestrichen, z.B. auf einem Kunststoffbehälter; g) der von der Halteeinrichtung (40) gehaltenen Faserstrang (12) wird mit seinem freien Ende (14) in das Harz auf der Oberfläche des neuen Grundkörpers (20) eingelegt;
h) durch Öffnen der Halteeinrichtung (50) und definiertes Rückwärtsdrehen des neuen Grundkörpers (20) um einen vorgegebenen Winkel wird das freie Faserstrang-Ende (18) auf der Oberfläche des neuen Grundkörpers (20) festgelegt, bevorzugt mittels eines Abstreifers (38), z.B. einer in Faserrichtung über das freie Faserstrang-Ende (18) streichenden Lippe;
i) nach erfolgter Drehrichtungsänderung wird das freie Faserstrang-Ende (18) ohne Fadenspannung wenigstens einmal in Wickelrichtung um den Grundkörper (20) geführt und bei Bedarf mit einer über die Oberfläche samt Fasern streichende Lippe (38) festgelegt;
j) nach der Anfangsbefestigung wird die Abtrenn- und Anbindeeinheit (30, 40) aus dem Anwendungsbereich in der Filament-Winding-Anlage (10) herausgeschwenkt, damit der eigentliche Wickelvorgang beginnen kann;
k) Nach dessen Beendigung beginnt der nächste Zyklus mit Verfahrensschritt a).
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