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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Handhaben
eines Materials. Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei dem
Material vorzugsweise um ein biegeweiches, flächiges Material wie etwa ein
textiles Material, wobei sich allerdings die Erfindung auch zur
Anwendung auf nicht flächige
Materialien eignet. Voraussetzung zur Anwendung der Erfindung ist,
daß das
zu handhabende Material entweder ganz oder zumindest zu einem gewissen
Anteil aus einem bei Erwärmung
erweichenden oder aufschmelzenden Material, insbesondere einem thermoplastischen
Material, besteht.
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Zur
schonenden Handhabung insbesondere von Textilien sind beispielsweise
vakuum- oder elektrostatisch wirkende Greifverfahren und Greifvorrichtungen
bekannt, die allerdings je weils ihre eigenen Nachteile mit sich
bringen. Beispielsweise besteht bei Vakuumgreifvorrichtungen bei
der Handhabung von lockeren Gelegen der Nachteil eines sehr hohen Saugluftbedarfs
und damit hoher Energiekosten. Auch beim Entnehmen einzelner Lagen
gestapelter Ware besteht häufig
die Schwierigkeit, nur genau eine Lage (und nicht mehrere gleichzeitig)
abzuheben, da sich eine unterdruckgestützte oder elektrostatische
Greifwirkung leicht durch mehrere Lagen hindurch fortsetzt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur schonenden und prozeßsicheren
Handhabung von solchen Materialien zu schaffen, die zumindest anteilig
erweich- oder schmelzbar sind.
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Im
Hinblick auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zum Handhaben eines Materials gelöst, mit den Schritten:
Bereitstellen
eines Materials, das ganz oder teilweise oberhalb einer ersten Grenztemperatur
in einem ausreichend fließbaren
Zustand und unterhalb einer zweiten Grenztemperatur ausreichend
fest ist; Bereitstellen wenigstens eines Greifelements mit wenigstens
einer Greiffläche;
Festlegen wenigstens eines Greifbereichs des Materials; Erwärmen des
wenigstens einen Greifbereichs auf eine Temperatur oberhalb der
ersten Grenztemperatur, und vorher, gleichzeitig oder anschließend, In-Kontakt-Bringen wenigstens
einer Greiffläche
mit wenigstens einem Greifbereich; Bewirken einer stoffschlüssigen Verbindung
zwischen Greifbereich und Greiffläche; Handhaben des Materials,
und vorher, gleichzeitig oder anschließend, Abkühlen der wenigstens einen Greiffläche und
des wenigstens einen Greifbereichs auf eine Temperatur unterhalb
der zweiten Grenztemperatur; und Lösen des wenigstens einen Greifbereichs von
der wenigstens einen Greiffläche.
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Wenn
das Material einen definierten Schmelzpunkt oder eine temperaturmäßig eng
begrenzte Erweichungszone aufweist, können die erste und zweite Grenztemperatur
miteinander über einstimmen
oder einen geringen Abstand voneinander haben. Bei anderen Materialien
sind größere Abstände zwischen
den beiden Grenztemperaturen zweckmäßig.
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In
einer ersten Variante kann vorgesehen sein, daß das Erwärmen des wenigstens einen Greifbereichs
ohne materiellen Kontakt zwischen Greiffläche und Greifbereich ausgeführt wird.
Beispielsweise kann das Erwärmen
durch Wärmestrahlung,
Mikrowellenenergie, Laserstrahlen oder Kontakt mit einem erwärmten Fluid
ausgeführt
werden. In einer anderen Variante kann vorgesehen sein, daß das Erwärmen des
wenigstens einen Greifbereichs durch materiellen Kontakt zwischen
Greiffläche
und Greifbereich ausgeführt
wird. Das Greifelement kann beispielsweise elektrisch oder durch
Kontakt mit einem Beheizungsmedium erwärmt werden. Bei dem Beheizungsmedium
kann es sich um einen Festkörper oder
ein Fluid, insbesondere ein Gas wie etwa Luft, handeln.
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Das
Abkühlen
des wenigstens einen Greifbereichs auf eine Temperatur unterhalb
der zweiten Grenztemperatur kann durch Kontakt mit einem Kühlmedium
ausgeführt
werden, bei dem es sich insbesondere um ein Fluid, etwa Luft, handeln
kann, oder alternativ mittels eines thermoelektrischen Effekts wie
etwa des Peltier-Effekts.
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Das
Lösen kann
durch mechanisches oder elektrostatisches Einwirken auf den wenigstens
einen erfaßten
Greifbereich bewirkt oder unterstützt werden.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, daß die
Greiffläche
verformt wird, und/oder daß der
erfaßte
Greifbereich von der Greiffläche
abgestoßen
wird. Das Abstoßen
kann pneumatisch, mechanisch oder elektrostatisch erfolgen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum
Handhaben eines Materials gelöst,
das ganz oder teilweise oberhalb einer ersten Grenztemperatur in
einem ausreichend fließbaren
Zustand und unterhalb einer zweiten Grenztemperatur ausreichend
fest ist, mit: wenigstens einem Greifelement mit wenigstens einer
Greiffläche; einem
Mittel zum Er wärmen
wenigstens eines festgelegten Greifbereichs des Materials; einem
Mittel zum Abkühlen
des wenigstens einen Greifbereichs und/oder der wenigstens einen
Greiffläche,
die in Kontakt miteinander stehen; und einer Einrichtung zum Bewegen
des Greifelements zwischen einer Aufnahme- und einer Ablageposition.
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Zweckmäßigerweise
umfaßt
die Vorrichtung eine Steuerung zum Steuern der Erwärmung, der
Abkühlung
und der Bewegung des wenigstens einen Greifbereichs und Greifelements,
insbesondere zum Ausführen
des Verfahrens nach der Erfindung.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
wenigstens eine Greiffläche
glatt, poliert, mikrorauh oder mikrostrukturiert ist.
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In
einer ersten Variante ist vorgesehen, daß das Mittel zum Erwärmen dadurch
gebildet ist, daß wenigstens
ein Greifelement beheizbar ist. Das Greifelement kann elektrisch
oder durch Kontakt mit einem Beheizungsmedium beheizbar sein. Bei
dem Beheizungsmedium kann es sich um einen Festkörper oder ein Fluid handeln,
insbesondere ein Gas wie etwa Luft. In einer anderen Variante ist
vorgesehen, daß das
Mittel zum Erwärmen
eine separat von dem wenigstens einen Greifelement ausgebildete
Beheizungseinrichtung umfaßt.
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Die
Erfindung sieht vor, daß die
Beheizungseinrichtung Wärmestrahlung,
Mikrowellenenergie, Laserstrahlen oder ein erwärmtes Fluid wie etwa Heißluft abgibt.
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Es
kann vorgesehen sein, daß das
Mittel zum Abkühlen
dadurch gebildet ist, daß wenigstens ein
Greifelement kühlbar
ist. Hierbei kann das wenigstens eine Greifelement thermoelektrisch,
beispielsweise mittels Peltier-Effekt, oder durch Kontakt mit einem
Kühlmedium,
beispielsweise eine Flüssigkeit
oder ein Gas, kühlbar
sein.
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Es
kann vorgesehen sein, daß das
wenigstens eine Greifelement Kühlkanäle zur Durchleitung eines
Kühlmediums
aufweist.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung
ein Abwurfmittel zum Lösen
des Greifbereichs von der Greiffläche aufweist. Das Abwurfmittel
kann pneumatisch, mechanisch und/oder elektrostatisch wirken.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Ausgangspunkt
der vorliegenden Erfindung ist die Notwendigkeit, steigende Stückzahlen
bei der Fertigung von Bauteilen ausgehend von textilen Grundstoffen
bei gleichzeitig verbesserter Wirtschaftlichkeit der Herstellungsverfahren
bewältigen
zu können.
Werkstoffe aus faserverstärkten
Kunststoffen werden insbesondere in den Bereichen der regenerativen
Energien und der Luftfahrt genutzt. Dafür sind entsprechende Fertigungstechnologien
erforderlich, die eine kostengünstige
Serienfertigung großflächiger Bauteile
aus faserverstärkten
Kunststoffen zulassen, wie beispielsweise Rotorblätter von
Windkraftanlagen. Eine Automatisierung der Handhabungsprozesse führt maßgeblich
zu einer Reduzierung von Prozeßunsicherheiten
und trägt
zur Kostensenkung bei.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird ein zu handhabendes Material
bereitgestellt, bei dem es sich im Rahmen der Erfindung um ein Material
handeln muß,
welches zumindest anteilig schmelzbare Komponenten aufweist, beispielsweise
Faseranteile, die sich durch Temperaturerhöhung oberhalb einer ersten
Grenztemperatur in einen klebrigen, formbaren oder flüssigen oder
zähflüssigen Zustand
bringen lassen, der die Möglichkeit
bietet, daß das
Material eine Greiffläche
soweit benetzt, daß eine
adhäsive stoffschlüssige Verbindung
zwischen dem Material und der Greiffläche hergestellt wird und eine
Haltekraft übertragen
werden kann.
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Ein
oder mehrere ausgewählte
Greifbereiche des Materials werden mindestens auf die erste Grenztemperatur
erwärmt,
was auf unterschiedliche Weisen erfolgen kann. Entweder kann das
entsprechende Greifelement der Vorrichtung erwärmt werden, beispielsweise
elektrisch oder durch Kontakt mit einem Wärmeträger wie etwa einem erwärmten Gas, wobei
das Greif element vor, während
oder nach der Erwärmung
in Kontakt mit dem Greifbereich gebracht wird, so daß das Material
innerhalb des Greifbereichs durch Wärmeleitung erwärmt wird
und nach Erreichen des ausreichend fließbaren Zustands eine stoffschlüssige Verbindung
mit dem Greifelement eingeht, oder aber es wird der Greifbereich
ohne unmittelbaren Kontakt mit dem Greifelement erwärmt und erst
dann in Kontakt mit dem Greifelement gebracht, wobei die Aufheizung
z.B. durch konvektive Wärmeübertragung
von einer Gasströmung
oder durch Wärmestrahlung
bzw. sonstige Energieeinstrahlung (Mikrowelle, Laser) erfolgen kann.
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Nach
Ausführen
einer gewünschten
Handhabungsoperation muß zumindest
die Grenzfläche der
stoffschlüssigen
Verbindung zwischen dem Greifbereich des Materials und der Greiffläche des
Greifelements soweit abgekühlt
werden, daß das
Material eine Festigkeit annimmt, die ein Lösen des Materials von der Greiffläche ermöglicht,
ohne daß hierfür eine erhebliche
Kraft benötigt
wird, und möglichst
auch ohne daß Rückstände des
Materials auf der Greiffläche
zurückbleiben.
Maßgeblich
hierfür
ist die zweite Grenztemperatur, die ebenso wie die erste Grenztemperatur
zweckmäßigerweise
für daß jeweils
verwendete Material durch einfache Experimente bestimmt wird. Im
einfachsten Falle genügt
es, das Greifelement und den Greifbereich des Materials lediglich
in der umgebenden Luft abkühlen
zu lassen. Bei höheren
Anforderungen an kurze Taktzeiten müssen allerdings höhere Kühlraten
erzeugt werden, was beispielsweise durch thermoelektrische Kühlung oder
dadurch erreicht werden kann, daß das Greifelement konvektiv
gekühlt
wird, etwa indem in dem Greifelement Kühlkanäle zur Durchströmung mit Kühlfluid,
beispielsweise Flüssigkeit
oder Kühlluft, vorgesehen
sind.
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Um
eine hohe Abgabesicherheit zu erreichen, ist es zweckmäßig, an
dem bzw. jedem Greifelement ein Abwurfmittel vorzusehen, um sicherzustellen,
daß der
Greifbereich zuverlässig
von der Greiffläche
gelöst
wird.
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Gegenwärtig werden
zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen insbesondere
zwei Prozeßvarianten
eingesetzt, nämlich das
Vakuum-Infusions-Verfahren und das Autoklav-Verfahren.
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Beim
Vakuum-Infusions-Verfahren ist ein erster Prozeßschritt der textiltechnische
Aufbau einer Bauteilstruktur aus trockenen Textilien. In einem nachfolgenden
Schritt wird dieser textiltechnische Aufbau mit einem Harz infiltriert
und ausgehärtet.
Es ist bekannt, daß die
textile Halbzeuge, z.B. sogenannte Multiaxialgelege, je nach Textilstruktur
mehr oder weniger empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen
im trockenen Zustand sind, was eine angepaßte Handhabungstechnologie
voraussetzt.
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Ein
Beispiel für
gemäß der Erfindung
handhabbare Materialien sind mit sogenannten Binder konfektionierte
Fasern bzw. Multiaxialgelege. Diese Binder basieren auf thermoplastischen
Kunststoffsystemen und dienen als Beschichtung der Faseroberfläche, um
die Reibung zwischen den Fasern für eine verbesserte Drapierbarkeit
zu minimieren und eine optimale Faser-Matrix-Haftung zu ermöglichen. Aufgrund
der thermoplastischen Ausprägung
des Binders kann dieser reversibel jederzeit thermisch aufgeweicht
bzw. aufgeschmolzen und aktiviert werden, ohne daß sich dessen
Eigenschaften ändern.
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Erfindungsgemäß wird bei
derartigen Materialien der Binder als Medium zur Kraftübertragung während der
Handhabung genutzt. Durch eine in der Vorrichtung integrierte oder
extern angeordnete Beheizung wird der Binder auf eine Temperatur
oberhalb der ersten Grenztemperatur aufgeheizt und dadurch in einen
ausreichend fließbaren,
schmelzeähnlichen
Zustand gebracht, in dem er eine adhäsive, stoffschlüssige Bindung
mit einer Greiffläche
eingehen kann.
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Je
nach Art des in einen fließbaren
bzw. klebrigen Zustand bringbaren Materials (thermoplastischer Kunststoff
oder auch anderes Material) können sich
hierbei unterschiedliche Anforderungen an die Oberflächenqualität der Greiffläche stellen,
wobei sich eine günstige
Haltekraft entweder bei einer glatten oder auch polierten Greiffläche einstellen
kann, oder aber eher bei einer rauhen, mikrorauhen oder auch mikrostrukturierten
Oberfläche.
Insbesondere kann vorgesehen sein, daß eine mikrorauhe oder mikrostrukturierte
Oberfläche
Hinterschneidungen im mikroskopischen Maßstab aufweist, so daß eine feste
Anhaftung auch dann gegeben ist, wenn die Greiffläche bzw.
der Greifbereich abgekühlt
sind. In den meisten Anwendungsfällen
wird jedoch bevorzugt, daß das
Material ausschließlich
im erwärmten
Zustand, d.h. oberhalb der ersten Grenztemperatur, adhäsiv an der
Greiffläche
anhaftet und sich nach Abkühlung
unterhalb der zweiten Grenztemperatur entweder selbsttätig ablöst oder
durch Aufbringen einer geringfügigen
Ablösekraft
gelöst
werden kann.
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Der
zur Handhabung des Materials benötigte ausreichend
fließbare
Zustand zeichnet sich dadurch aus, daß das aufgeweichte Material,
das sich oberhalb der ersten Grenztemperatur befindet, so fließfähig bzw.
klebrig ist, daß es
die Greiffläche
der Vorrichtung benetzt und in einen adhäsiven Zustand gelangt, der
die Übertragung
einer gewünschten
Handhabungskraft zum Anheben oder Verschieben des Materials ermöglicht.
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In
dem ausreichend festen Zustand unterhalb der zweiten Grenztemperatur
hat das Material eine Festigkeit, die ein Ablösen von der Greiffläche mit
einer Kraft ermöglicht,
die geringer sein sollte als die übertragbare Haltekraft im Adhäsionszustand oberhalb
der ersten Grenztemperatur. Bevorzugt ist die erforderliche Lösekraft
im festen Zustand sehr gering, bevorzugt so gering, daß bereits
das Eigengewicht des Materials ausreicht, um den jeweiligen Greifbereich
von der Greiffläche
zu lösen.
Zweckmäßigerweise
ist das Material unterhalb des zweiten Grenzbereichs auch in dem
Sinne ausreichend fest, daß nach
dem Ablösen
kein Material an der Greiffläche
zurückbleibt.
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Um
die Abkühlung
zu beschleunigen, kann eine Kühleinheit
vorgesehen sein, durch die ein jeweiliges Greifelement und/oder
der durch dessen Greiffläche
erfaßte
Greifbereich des Materials abgekühlt
wird bzw. werden, wobei mit der Kühleinheit hohe Kühlraten
erzeugt werden können.
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Zur
Verbesserung der Ablage kann zur Unterstützung der Lösung des Greifbereichs von
der Greiffläche
ein pneumatisches, mechanisches und/oder elektrostatisch wirkendes
Abwurfmit tel vorgesehen sein. Beispielsweise können Luftbohrungen in die Greiffläche münden, durch
die zum Abwerfen ein Luftstoß zugeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich können in
Bohrungen längsverschiebliche
Auswerferstifte vorgesehen sein, die teilweise aus der Greiffläche hervortreten
können
und den Greifbereich mechanisch von der Greiffläche abstoßen. Auch eine elektrostatische
Aufladung der Greiffläche
kann vorgesehen sein.
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Beim
Autoklav-Verfahren ist das Ausgangsmaterial für Verbundmaterialien ein sogenanntes Prepreg-Halbzeug.
Dies sind mit Harz getränkte
Faserbändchen
oder -bahnen. Um eine vorzeitige Aushärtung des Harzes zu vermeiden,
wird das imprägnierte
Halbzeug tiefgekühlt
gelagert. Vor der Verwendung wird das Halbzeug aufgetaut und daraus
die notwendigen Zuschnitte herausgeschnitten, die dann, meist manuell,
in eine Form eingelegt werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
das kalte oder gefrorene Prepreg auf eine umformfähige oder
fließbare
Temperatur aufgetaut werden, was gleichzeitig zu einer erhöhten Klebrigkeit des
Harzes führt.
Damit kann eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen Greiffläche
und Greifbereich aufgebaut werden, so daß eine Handhabung und ein Transport
des Halbzeugs möglich
ist. Danach werden das Halbzeug und die Greiffläche abgekühlt, was zu einem Verfestigen
des Harzes und Lösen
der Greiffläche
führt.
Diese Vorgehensweise bietet zudem den Vorteil der besseren Positionierung
und der Verlängerung
der Tropfzeit bis zur Aushärtung,
was für
den Produktionsablauf Vorteile bietet.
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Im
Unterschied zum Vakuum-Infusions-Verfahren liegen beim Autoklav-Verfahren
die Heizraten und das Temperaturfenster (Differenz zwischen erster
und zweiter Grenztemperatur) auf einem relativ niedrigen Niveau.
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Als
weitere Prozeßvariante,
für die
die Erfindung große
Vorteile bietet, ist das Tow-Placement-Verfahren
zu nennen. Hierbei werden einzelne Fasern oder Faserbündel mit
einer thermoplastischen Matrix In-Line getränkt und auf einer Oberfläche drapiert.
Dann werden die einzelnen Fasern durch das Abkühlen der thermoplastischen
Matrix zu einem Bauteil kon solidiert. Aufgrund der thermoplastischen
Matrix kann die Erfindung vorteilhaft zur Handhabung eingesetzt
werden.
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Die
Erfindung hat ferner den Vorteil, daß auch bestehende Anlagen zur
automatisierten Herstellung von Verbundwerkstoffen oder -teilen
zur Ausführung
der Erfindung nachgerüstet
werden können.