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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuschneiden und Handhaben
eines im Wesentlichen flächenhaften
Zuschnittes aus einem auf einem Schneidetisch aufliegenden flächenhaften CFK-Halbzeug
mittels einer Schneideinrichtung, wobei der herausgetrennte Zuschnitt
mittels eines Vakuumeffektors ansaugbar und zumindest anhebbar ist.
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Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Zuschnitten
aus einem flächenhaften
Zuschnitt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei unvollständige Durchtrennungen
selbsttätig
erkannt und erforderlichenfalls automatisch beseitigt werden.
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Im
modernen Flugzeugbau finden zunehmend Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen Verwendung.
Zur Herstellung derartiger Bauteile wird eine Vielzahl von flächenhaften
Faserhalbzeugen zur Schaffung eines Faservorformlings übereinander
geschichtet, bis eine vorgegebene Bauteilform erreicht ist. Die
einzelnen Verstärkungsfaserlagen
können
jeweils unterschiedliche Umfangsgeometrien aufweisen, um Vorformlinge
mit einer nahezu beliebigen Oberflächengeometrie herzustellen.
Hierzu ist es erforderlich, aus dem flächenhaften Faserhalbzeug Zuschnitte
mit einer entsprechenden Umfangsgeometrie auf geeigneten automatischen
Schneideinrichtungen mit hoher Genauigkeit herauszutrennen. Als
Faserhalbzeuge kommen be vorzugt Gewebe, Gelege oder Gestricke mit
Kohlenstofffasern zum Einsatz (so genannte ”CFK-Halbzeuge”).
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Der
auf diese Weise mit Kohlenstofffasern gebildete, einer dreidimensionalen
Gestalt des zu fertigenden CFK-Bauteils im Wesentlichen folgende (Faser-)Vorformling,
wird im Zuge eines Fertigungsverfahrens zum Beispiel in eine Form
eingelegt, die der geometrischen Gestalt des zu fertigenden CFK-Bauteils
entspricht, und mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial,
wie beispielsweise einem Epoxidharz, imprägniert. Abschließend oder
zeitgleich erfolgt unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur
die Aushärtung
zu einem maßhaltigen
Bauteil (so genanntes ”RTM-Verfahren”, ”Resin Transfer
Molding”).
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Um
eine möglichst
vollautomatische Herstellung der Faservorformlinge im RTM-Verfahren zu erreichen,
müssen
die herausgetrennten Zuschnitte beispielsweise mittels eines Vakuumeffektors
angesaugt, angehoben und beispielsweise in ein RTM-Formwerkzeug
zum schichtweisen Aufbau eines Vorformlings abgelegt werden, damit
in einem abschließenden
Prozessschritt die Imprägnierung mit
dem aushärtbaren
Kunststoffmaterial erfolgen kann. Der Vakuumeffektor der Vorrichtung
wird im Allgemeinen mittels eines Handhabungsgeräts, insbesondere mittels eines
Knickarmroboters mit mehreren Freiheitsgraden, vollautomatisch im
Raum positioniert.
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Probleme
im automatischen Fertigungsablauf treten auf, wenn während des
automatischen Zuschneidvorgangs in der Schneidevorrichtung nicht alle
Kohlenstofffasern vollständig
durchtrennt werden. In diesem Fall kommt es bei dem Versuch, den Zuschnitt
mittels des Vakuumeffektors vom Schneidetisch abzuheben, in aller
Regel zu Störungen
im Produktionsfluss, da sich die Position des Zuschnittes unter
dem Vakuumeffektor verschiebt. Damit ist die genaue räumliche
Position des Zuschnittes nicht mehr bekannt und dessen korrekte
Positionierung in Bezug auf ein Formwerkzeug nicht mehr gewährleistet.
Eine Lagekorrektur ist in diesem Fall, vorausgesetzt der Zuschnitt
ist durch das Abreißen
vom CFK-Halbzeug nicht in seiner Integrität beschädigt, nur noch durch eine aufwendige
manuelle Nachpositionierung möglich.
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Die
Druckschrift
DE 699
05 752 T2 betrifft eine Gewebeauflegevorrichtung zur Herstellung
eines Verbundlaminates, wobei das schrittweise Auflegen von Gewebe
für die
Herstellung von Laminaten und insbesondere der Zuschnitt an der
Formstation offenbart ist.
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Die
Druckschrift
DE 23 01
736 A beschreibt eine Vorrichtung zum Schneiden eines Flachmaterials,
wobei computerbasierte Schneidanweisungen an Schneidköpfe übermittelt
werden, denen jeweils Schneidzonen in Verschubrichtung der Materialbahn zugeordnet
sind.
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Die
Druckschrift
DE 102
52 671 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, dreidimensionalen
Kunststoffteilen, wobei eine partielle Unterbrechung des Fadengeleges
in Bereichen der stärksten
Verformung in ausgewählten
Bereichen stattfindet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum voll automatisierten
Zuschneiden von Zuschnitten aus einem flächenhaften CFK-Halbzeug als
Ausgangsmaterial zu schaffen, bei der eine nicht vollständige Durchtrennung
von Kohlenstoff fasern selbsttätig
erkannt wird und gegebenenfalls nicht vollständig durchtrennte Kohlenstofffasern
nach dem eigentlichen Schneidvorgang selbsttätig durchtrennt werden. Darüber hinaus
soll die Vorrichtung in der Lage sein, einen ordnungsgemäß herausgetrennten Zuschnitt
selbsttätig
an eine nachgeschaltete Produktionsstufe weiterzuleiten bzw. zu übergeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Dadurch,
dass mindestens eine Zuschnittelektrode mit dem Zuschnitt kontaktierbar
ist und mindestens eine Randelektrode mit einem vom CFK-Halbzeug
abgetrennten Randabschnitt kontaktierbar ist und die mindestens
zwei Elektroden an eine Spannungsquelle sowie eine Messeinrichtung angeschlossen
sind, wobei mittels der Messeinrichtung die vollständige Abtrennung
des Zuschnittes vom CFK-Halbzeug ermittelbar ist, kann ein nicht vollständig aus
dem CFK-Halbzeug herausgeschnittener bzw. abgetrennter Zuschnitt
vollautomatisch erkannt werden. Die Signaleinrichtung ermöglicht in diesem
Fall beispielsweise eine einfache optische Signalisierung und/oder
die Weiterleitung eines entsprechenden Fehlersignals an eine Steuer-
und Regeleinrichtung, durch die weitere Schritte zur vollständigen Abtrennung
des Zuschnittes vom CFK-Halbzeug eingeleitet werden können.
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Der
Begriff ”CFK-Halbzeug” definiert
eine im Wesentlichen flächenhafte,
anfänglich
noch ”trockene” Verstärkungsfaseranordnung.
Die Verstärkungsfaseranordnung
ist bevorzugt mit einem Kohlenstofffasergelege, -gewebe, -gestrick,
-gewirk oder dergleichen, das noch nicht abschließend mit
einem aushärtbaren
Kunststoffmaterial zur Schaffung des fertigen CFK-Bauteils durchtränkt bzw.
imprägniert ist,
gebildet. Grundsätzlich
ist die Erfindung auch auf andere Faserhalbzeuge – eine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit
der Verstärkungsfasern
zur Durchtrennungsindikation vorausgesetzt – anwendbar. Alternativ kann
die Erfindung – eine
entsprechende Schneidetechnik vorausgesetzt – auch auf flächenhafte ”Prepreg”-Materialien,
das heißt
auf bereits mit einem aushärtbaren
Kunststoffmaterial vorimprägnierte,
aber noch nicht oder nicht vollständig ausgehärtete Verstärkungsfaseranordnungen, insbesondere
Kohlenstofffaserverstärkungsanordnungen,
angewendet werden.
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Eine
Randelektrode ist mit einem vom CFK-Halbzeug abgetrennten bzw. abzutrennenden Randabschnitt
elektrisch kontaktierbar, während
eine Zuschnittelektrode mit dem herausgetrennten Zuschnitt elektrisch
verbindbar ist. Die beiden bevorzugt flächenhaft und nicht punktuell
ausgestalteten Elektroden können
zum Beispiel mit einem Lochrasterblech oder mit einem Gewebe bzw.
Geflecht aus einem leitfähigen
Material gebildet sein. Im Fall der im Ansaugbereich des Vakuumeffektors
angeordneten Zuschnittelektrode ermöglicht das Lochrasterblech
bzw. das Metallgewebe darüber
hinaus die ungehinderte Wirkung des Unterdrucks auf den angesaugten
Zuschnitt. In Folge der Wirkung des Unterdrucks wird der Zuschnitt
in der Regel mit einer ausreichend hohen Kraft an die Zuschnittelektrode
angepresst, sodass immer ein ausreichender elektrischer Kontakt
sichergestellt ist. Eine federnde Halterung zur Befestigung der
Zuschnittelektrode und Sicherstellung eines hinreichend hohen Anpressdrucks
für einen
ausreichenden elektrischen Kontakt ist daher – im Gegensatz zur Randelektrode – im Allgemeinen nicht
erforderlich.
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Die
Elektroden sind an eine Spanungsquelle sowie ein Messgerät, insbesondere
in der Form eines Strommessers oder eines Widerstandsmessgerätes, angeschlossen.
Bei der Spannungsquelle handelt es sich bevorzugt um eine Gleichspannungsquelle,
da durch Gleichstrom etwaige Widerstandsveränderungen bzw. Schwankungen
im Stromfluss einfacher und präziser
erfassbar sind. Alternativ kann die Messung jedoch auch unter Verwendung
einer Wechselspannungsquelle erfolgen.
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Wenn
beispielsweise das ungeschnittene CFK-Halbzeug auf dem Schneidetisch
aufliegt und der Vakuumeffektor vollständig auf das CFK-Halbzeug abgesenkt
ist, fließt
zunächst
ein (Anfangs- bzw. Ruhe-)Gleichstrom I von deutlich mehr als 0 mA ausgehend
vom Pluspol der Gleichspannungsquelle, über den Strommesser und die
Randelektrode durch das elektrisch leitfähige CFK-Halbzeug hindurch über die
Zuschnittelektrode zurück
zum Minuspol der Gleichspannungsquelle. Eine absolute Höhe dieses Gleichstroms
I hängt
neben der Leitfähigkeit
des CFK-Halbzeugs auch von der geometrischen Gestalt des Zuschnittes,
der Flächenausdehnung
der Elektroden, deren Anpressdruck sowie der geometrischen Gestalt
des CFK-Halbzeugs ab und beträgt
bei typischen Zuschnitten bis zu 10 A (Ampére).
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Bei
dem CFK-Halbzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kohlenstofffasergewebe
mit Binder, wie beispielsweise Hexcel® G0926
und Hexcel®G1157.
Grundsätzlich
kann die Vorrichtung für den
Zuschnitt beliebiger Verstärkungsfasergewebe, -gelege
oder dergleichen eingesetzt werden, solange diese über eine
ausreichende elektrische Leitfähigkeit
verfügen,
um unvollständige
Durchtrennungen von diskreten Verstärkungsfasern sicher zu detektieren.
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Nach
dem Auflegen auf den Schneidetisch wird der Zuschnitt – in der
Regel bei vollständig
angehobenem Vakuumeffektor – mit
einer geforderten Umfangskontur durch ein mit einer hohen Frequenz von
bis zu 18.000 Hüben/Minute
vertikal oszillierendes Messer aus dem flächenhaften CFK-Halbzeug vollautomatisch
herausgeschnitten.
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Zur
Feststellung der vollständigen
Durchtrennung sämtlicher
Kohlenstofffasern nach dem Abschluss des Schneidvorgangs wird der
Vakuumeffektor dann auf den herausgetrennten Zuschnitt abgesenkt,
wodurch dieser angesaugt und festgehalten wird. Hierbei fließt zunächst ein
(Mess-)Strom I – unabhängig davon
ob alle Kohlenstofffasern im CFK-Halbzeug ordnungsgemäß durchtrennt
wurden oder nicht – mit
einer im Vergleich zum (Anfangs- bzw. Ruhe-)Strom I, der im nicht
geschnittenen Zustand fließt,
im Wesentlichen unveränderten
Stärke weiter,
da die aneinandergrenzenden Schnittflächen zwischen dem Zuschnitt
und dem CFK-Halbzeug immer noch einen Stromdurchgang erlauben.
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Abschließend wird
der Zuschnitt durch das Nachobenfahren des Vakuumeffektors bis auf
eine Messhöhe
von wenigen Millimetern angehoben. Fällt der Strom I in diesem geringfügig angehobenen
Zustand des Zuschnittes jedoch nicht bis auf einen Wert in der Größenordnung
von 0 mA ab, ist dies ein sicheres Anzeichen dafür, dass der vorangegangene Schneidvorgang
unvollständig
war, das heißt
das zwischen dem Zuschnitt und dem diesen umgebenden Randabschnitt
des CFK-Halbzeugs
noch Brückenfilamente,
Kohlenstofffaserbrücken
bzw. diskrete Kohlenstofffasern verblieben sind, durch die der Gleichstrom
I, wenn auch in erheblich verminderter Stärke, immer noch weiter fließen kann.
In diesem Fall ist es erforderlich, jedes weitere Anheben des Zuschnittes
und dessen Weitertransport an nachgeschaltete Produktionsstufen
bzw. Produktionseinheiten unverzüglich
zu stoppen, um den gesamten Fertigungsfluss nicht zu beeinträchtigen.
Die Messhöhe entspricht
bevorzugt mindestens einer Materialstärke des CFK-Halbzeugs zuzüglich eines
Sicherheitszuschlages von einigen Millimetern.
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Das
von dem Strommesser bzw. dem Widerstandsmesser als Messeinrichtung
generierte Ausgangssignal bzw. der Strom I kann zur einfachen Benachrichtigung
bzw. Information eines Benutzers bzw. Maschinenführers über den Störfall und/oder auch als elektrisches
Fehlersignal zur Weiterleitung an eine Steuer- und Regeleinrichtung der
gesamten (Schneid-)Vorrichtung genutzt werden, um beispielsweise
eine automatisierte Durchtrennung der nicht vollständig durchschnittenen
Fasern zu veranlassen.
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Eine
Fortbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die mindestens zwei
Elektroden, die Spannungsquelle, die Messeinrichtung sowie das ungeschnittene
CFK-Halbzeug in einem abgesenkten Zustand des Vakuumeffektors einen
geschlossenen elektrischen Stromkreis bilden.
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Hierdurch
kann die vollständige
Durchtrennung des CFK-Halbzeuges auf einfache und vor allem zuverlässige Art
und Weise durch das Vorhandensein eines elektrischen Stromflusses
I in einem geschlossenen Stromkreis erfasst werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass
die Messeinrichtung insbesondere ein Strommesser ist, wobei ein
Strom I mit einer Stromstärke
von deutlich mehr als 0 mA bei einem um eine Messhöhe angehobenen
Zuschnitt eine unvollständige
Durchtrennung des Zuschnittes anzeigt.
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Hierdurch
werden Messfehler vermieden, da die Stromstärke des Stroms I bei nicht
auf eine Messhöhe
von beispielsweise 5 mm angehobenen Zuschnitt aufgrund von Strömen im Kontaktbereich
zwischen den aneinanderstoßenden
Schnittflächen
des CFK-Halbzeugs und des Zuschnittes immer größer als 0 mA ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Strom I kurzzeitig
bzw. impulsartig auf einen Maximalwert IMax angehoben
werden, um etwaig noch zwischen dem Zuschnitt und dem CFK-Halbzeug
bestehende Kohlenstofffaserbrücken bzw.
Kohlenstofffaserfilamente durch erhöhten Stromfluss durchzuschmelzen
und auf diese Weise die vollständige
Trennung zu vollziehen.
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Hierdurch
kann die erfindungsgemäße Zuschneidevorrichtung
in voll automatisierten Produktionslinien zur Herstellung von CFK-Bauteilen
eingesetzt werden. Der zum Schmelzen von verbliebenen Kohlenstofffaserbrücken erforderliche
Maximalwert des Stroms IMax beträgt bis zu
100 A (Ampére).
Nach dem vollständigen
Aufschmelzen der Kohlenstofffaserbrücken kann der Zuschnitt mittels
des Vakuumeffektors, mit einem Handhabungsgerät, insbesondere einem Knickarmroboter
mit mindestens sechs Freiheitsgraden, weiteren Produktionsstufen,
beispielsweise einem Formwerkzeug für einen nachgeschalteten RTM-Prozess,
zugeführt
werden.
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Darüber hinaus
wird die erfindungsgemäße Aufgabe
durch ein Verfahren nach Maßgabe
des Patentanspruchs 11 mit den folgenden Schritten gelöst:
- a) Ablegen eines im Wesentlichen flächenhaften CFK-Halbzeugs
auf einen Schneidetisch,
- b) Herausschneiden eines Zuschnittes mit einer vorgegebenen
Umfangskontur aus dem CFK-Halbzeug mittels einer Schneideinrichtung,
- c) Absenken eines Vakuumeffektors zum Ansaugen und Ablegen des
Zuschnittes, wobei mindestens eine Zuschnittelektrode den Zuschnitt
kontaktiert und mindestens eine Randelektrode einen abgetrennten
Randabschnitt des CFK-Halbzeugs kontaktiert,
- d) Anheben des Zuschnittes mittels des Vakuumeffektors zumindest
bis auf eine Messhöhe, und
- a) Messen eines zwischen den mindestens zwei Elektroden fließenden Stroms
I mittels einer Messeinrichtung, insbesondere eines Strommessers, wobei
ein Strom I von mehr als 0 mA eine unvollständige Heraustrennung des Zuschnittes
aus dem CFK-Halbzeug anzeigt.
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Durch
diese Vorgehensweise wird eine sehr zuverlässige Detektion von nach dem
Abschluss des Schneidvorgangs noch unvollständig durchtrennt gebliebenen
Kohlenstofffaserbrücken
ermöglicht. Durch
das Anheben des Zuschnittes auf eine Messhöhe werden Fehlerströme, die
zu unrichtigen Messergebnissen führen
würden,
vermieden, denn unmittelbar nach dem Schneidvorgang liegen die Schnittflächen des
CFK-Halbzeugs und des Zuschnittes in der Trennzone immer noch unmittelbar
aneinander an, wodurch unabhängig
von einer vollständigen Durchtrennung
immer ein Strom I fließt,
der zu Fehlinterpretationen führen
kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens
sind in den weiteren Patentansprüchen
dargelegt.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 Eine
Vorrichtung in einer Grundstellung mit einem auf dem Schneide tisch
abgelegten CFK-Halbzeug und vollständig abgehobenen Vakuumeffektor,
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2 die
Vorrichtung mit vollständig
abgesenktem Vakuumeffektor,
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3 die
Vorrichtung mit einem auf Messhöhe
angehobenen und einwandfrei herausgetrennten Zuschnitt, und
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4 die
Vorrichtung mit einem auf die Messhöhe angehobenen, aber unvollständig herausgetrennten
Zuschnitt (Kohlenstofffaserbrücken).
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In
der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die
gleiche Bezugsziffer auf.
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Die 1 und 2 zeigen
eine schematisierte Darstellung der Vorrichtung mit einem auf dem Schneidetisch
aufliegenden (CFK)-Halbzeug, wobei der Vakuumeffektor in der 1 angehoben
und in der 2 vollständig abgesenkt ist. Der eigentliche Zuschnittvorgang
des auf dem Schneidetisch aufliegenden CFK-Halbzeugs wird bevorzugt
in der in 1 dargestellten angehobenen
Position des Vakuumeffektors mittels einer geeigneten Schneideinrichtung
durchgeführt
und ist in der 1 abgeschlossen. Das CFK-Halbzeug
bzw. der Zuschnitt kann eine ebene oder eine in mindestens einer Raumrichtung
(geringfügig)
gekrümmte
Oberflächengeometrie
aufweisen (sphärisch
gekrümmt).
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Die
Vorrichtung 1 umfasst unter anderem einen Schneidetisch 2 und
einen Vakuumeffektor 3 mit einer Randelektrode 4 und
einer Zuschnittelektrode 5. Auf dem Schneidetisch 2 ist
ein mittels der Vorrichtung 1 zuzuschneidendes, flächenhaftes
CFK-Halbzeug 6 abgelegt. Die Zuschnittelektrode 5 ist
in einem Ansaugbereich 7 des Vakuumeffektors 3 angeordnet und
stellt beim Absenken des Vakuumeffektors 3 in Richtung
des Pfeils 8 einen elektrischen Kontakt mit dem CFK-Halbzeug 6 bzw.
mit dem aus diesem herauszutrennenden Zuschnitt 9 her.
Die Randelektrode 4 ist im Bereich einer Außenkante 10 des
Vakuumeffektors 3 mittels einer Halterung 11 befestigt.
Beim Absenken des Vakuumeffektors 3 stellt die Randelektrode 4 einen
elektrischen Kontakt mit einem Randabschnitt 12 des CFK-Halbzeugs 6 her,
der im Zuge des Herausschneidens des Zuschnittes 9 entsteht.
Die Halterung 11 weist eine (Druck) Feder 13 auf,
so dass die Randelektrode 4 beim Absenken des Vakuumeffektors 3 parallel
zum schwarzen Doppelpfeil federnd auf das CFK-Halbzeug 6 aufsetzbar
ist und der elektrische Kontakt auch bei einer geringfügigen Anhebung
(zumindest bis auf eine Messhöhe) des
Vakuumeffektors 3 entgegen der Orientierung des Pfeils 8 erhalten
bleibt. Der vertikale Federweg der Halterung 11 der Randelektrode 4 kann
bis zu einige Millimeter betragen. Beide Elektroden 4, 5 sind beispielsweise
mit einem metallischen Lochblech oder mit einem Metallgeflecht gebildet,
um eine möglichst
große
Kontaktfläche
auf dem CFK-Halbzeug 6 zu schaffen. Das Lochblech bzw.
das Metallgeflecht der Elektroden 4, 5 ist bevorzugt
mit einer elektrisch gut leitfähigen
und korrosionsbeständigen
Metalllegierung, beispielsweise mit einer Kupfer-, einer Silberlegierung,
einer Aluminiumlegierung, einer Titanlegierung oder einer beliebigen
Kombination hiervon gebildet.
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Sowohl
die Randelektrode 4 als auch die Zuschnittelektrode 5 sind über elektrische
Leitungen, von denen lediglich eine elektrische Leitung 14 repräsentativ
für die Übrigen mit
einer Bezugsziffer versehen ist, mit einer Spannungsquelle 15 sowie
einer Messeinrichtung 16 zur Bildung eines zumindest im abgesenkten
Zustand des Vakuumeffektors 3 geschlossenen elektrischen
(Gleich-)stromkreises miteinander verbunden.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
der 1 bis 4 ist die Messeinrichtung 16 ein (Gleich-)Strommesser 17 und
die Spannungsquelle 15 ist bevorzugt als eine Gleichspannungsquelle 18 mit
einem Pluspol und mit einem Minuspol ausgeführt. Zwischen dem Pluspol und
dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 18 herrscht eine
elektrische Gleichspannung U, in deren Folge in den Leitungen 14 bei
einem hinreichend kleinen elektrischen Widerstand zwischen der Randelektrode 4 und
der Zuschnittelektrode 5 ein Strom I fließt, der
vom Strommesser 17 gemessen und zur Anzeige gebracht wird. Darüber hinaus
kann der Strommesswert des Strommessers 17 an eine nicht
dargestellte Steuer- und Regeleinrichtung zur Auswertung und automatischen Veranlassung
hiervon abhängiger
Verfahrensschritte weiter geleitet werden. In der Darstellung der 1 hat
der Strom I in etwa einen Wert von 0 mA, da zwischen den beiden
Elektroden 4, 5 ein hinreichend hoher (Luft-)Isolationswiderstand
besteht.
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Der
Vakuumeffektor 3 ist an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät, insbesondere
einem Knickarmroboter (Standard-Industrieroboter) mit mindestens
sechs Freiheitsgraden, zur beliebigen Positionierung des angesaugten
Zuschnittes 9 im Raum befestigt. Die freie Positionierung
des Zuschnittes 9 im Raum mittels des Handhabungsgerätes erfolgt
in der vollständig
vom Schneidetisch 2 abgehobenen Position des Vakuumeffektors 3,
die in der 1 gezeigt ist. Der Vakuumeffektor 3 verfügt über eine
Vielzahl von bevorzugt matrixförmig
angeordneten Saugeinrichtungen, beispielsweise in der Form von kleinen
Saugnäpfen
oder Saugröhrchen, zum
Ansaugen und Festhalten des trockenen Zuschnittes 9 im
Ansaugbereich 7, von denen der besseren Übersicht
halber lediglich eine Saugeinrichtung 19 repräsentativ
für die Übrigen mit
einer Bezugsziffer versehen ist. Hierbei werden vorzugweise nur
diejenigen Saugeinrichtungen 19 mit Unterdruck beaufschlagt,
die zur Abdeckung des Zuschnittes 9 benötigt werden. Der Vakuumeffektor 3 ist
in der Lage, kontrolliert von der nicht dargestellten Steuer- und
Regeleinrichtung, Zuschnitte 9 mit nahezu beliebigen geometrischen
Formen anzusaugen und vom Schneidetisch 2 entgegen der
Orientierung des Pfeils 8 abzuheben und an nachgeschaltete
Produktionseinheiten zu übergeben.
Beispielsweise lassen sich mittels des Vakuumeffektors 3 Zuschnitte 9 automatisiert
in ein Formwerkzeug für
einen nachgeschalteten RTM-Herstellungsprozess einlegen, darin positionieren
und stapeln, um eine weitgehend vollautomatische Herstellung von
maßhaltigen
CFK-Bauteilen zu ermöglichen.
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In
der Darstellung der 2 ist der Vakuumeffektor 3 in
einer auf das bereits geschnittene CFK-Halbzeug 6 abgesenkten
Position dargestellt. Hierdurch treten die Randelektrode 4 und
die Zuschnittelektrode 5 in elektrischen Kontakt mit dem CFK-Halbzeug 6.
Infolge der an den Elektroden 4, 5 anliegenden
Gleichspannung U der Gleichspannungsquelle 18 fließt aufgrund
der immer vorhandenen elektrischen Leitfähigkeit des CFK-Halbzeugs 6 ein
elektrischer Strom I von deutlich mehr als 0 mA durch die elektrischen
Leitungen 14. Dieser Strom I ist im Vergleich zu dem im
Fall des ungeschnittenen Zuschnittes 9 bei abgesenktem
Vakuumeffektor 3 fließenden
Strom I nur geringfügig
reduziert, da die aneinander grenzenden Schnittflächen im
Bereich der Trennzone immer noch einen hinreichend kleinen Übergangswiderstand
bzw. eine ausreichend große Leitfähigkeit
aufweisen. Die Stärke
des Stroms I wird vom Strommesser 17 gemessen und als Strommesswert
zur Anzeige gebracht und/oder an die Steuer- und Regeleinrichtung
der gesamten Vorrichtung 1 weitergeleitet.
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Bevorzugt
im vollständig
abgehobenen Zustand (vgl. 1) erfolgt
mittels einer nur schematisch angedeuteten Schneideinrichtung 20 das
Heraustrennen bzw. das Herausschneiden des Zuschnittes 9 aus
dem CFK-Halbzeug 6, wobei der Randbereich 12 des
CFK-Halbzeugs 6 stehen bleibt. Bei der Schneideinrichtung 20 handelt
es sich bevorzugt um mindestens ein mit hoher Frequenz von bis zu
18.000 Hüben
pro Minute vertikal oszillierendes Messer bzw. eine Schneide, das
automatisch entlang einer beliebigen Sollkontur des Zuschnittes 9 geführt wird.
Die Schneideinrichtung 20 ist zumindest in der Ebene des
CFK-Halbzeugs, wie in der 1 mit den
gekreuzten Doppelpfeilen angedeutet, und gegebenenfalls auch in
der z-Richtung frei positionierbar. In der Darstellung der 2 ist
die Schneideinrichtung 20 vom Schneidetisch 2 abgehoben
bzw. entfernt, was durch den vertikal nach oben weisenden Pfeil
im Bereich der Schneideinrichtung 20 angedeutet ist. Durch
die Wirkung der Feder 13 an der Halterung 11 wird
ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen der Randelektrode 4 und
dem Zuschnitt 9 erreicht. Nach dem Abschluss des Schneidvorgangs
fließt
unabhängig
von der vollständigen
Durchtrennung aller Kohlenstofffasern immer noch ein – wenn auch
unter Umständen
reduzierter Strom I – da
die nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Schnittflächen des
Zuschnittes 9 im Schnittbereich auf Stoß an entsprechenden Schnittflächen des
CFK-Halbzeugs 6 anliegen.
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Die 3 illustriert
einen erfolgreich verlaufenen Schneidvorgang, während in der 4 exemplarisch
eine einzelne Kohlenstofffaserbrücke
nach dem Abschluss des Schneidvorgangs zwischen dem Zuschnitt 9 und
dem CFK-Halbzeug 6 stehen geblieben ist. In den 3, 4 ist
der Vakuumeffektor 3 nicht in der vollständig abgehobenen
Position (vgl. 1) sondern in der sogenannten
Messposition dargestellt. Nach dem Abschluss des eigentlichen Schneidvorgangs
zum Heraustrennen des Zuschnitts 9 aus dem umgebenden CFK-Halbzeug 6 wird
der Vakuumeffektor 3 zusammen mit dem angesaugten Zuschnitt 9,
wie aus 3 ersichtlich, geringfügig in Richtung
des Pfeils 21 auf eine Messhöhe 22 in Relation
zu einer nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Oberseite des CFK-Halbzeugs 6 angehoben. Wenn
der vorangegangene Schneidvorgang erfolgreich verlaufen ist, fließt kein
Strom I mehr durch die elektrischen Leitungen 14, das heißt die Stromstärke des
Stroms I liegt in der Größenordnung
von 0 mA, so dass der Strommesser 17 nicht ausschlägt (Stromabriss)
und kein Fehlersignal an die Steuer- und Regeleinrichtung abgegeben wird.
Das Anheben des Vakuumeffektors 3 vom Schneidetisch 2 auf
die Messhöhe 22 ist
für die
Verlässlichkeit
der Resultate von Bedeutung, da auch im Fall einer vollständigen Durchtrennung
bei nicht angehobenem Zuschnitt 9 stets noch ein Strom
I durch die Trennzone (Schnittbereich bzw. Schnitt) zwischen dem
CFK-Halbzeug 6 und
dem herausgeschnittenen Zuschnitt 9 fließt.
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Die
Messhöhe 22 kann
bis zu 5 mm betragen, bevorzugt wird jedoch lediglich eine Messhöhe 22 eingestellt,
die geringfügig
größer ist
als eine Materialstärke
des CFK-Halbzeugs 6.
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In
der 4 befindet sich der Vakuumeffektor 3 gleichfalls
in der sogenannten Messposition, jedoch ist nach dem Abschluss des
Schneidvorgangs zwischen dem CFK-Halbzeug 6 sowie dem herausgetrennten
Zuschnitt 9 eine Kohlenstofffaserbrücke 23, wie mit dem
strichlinierten Kreis hoher Strichstärke angedeutet, stehen geblieben.
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Infolge
dieser unvollständigen
Heraustrennung des Zuschnitts 9 aus dem CFK-Halbzeug 6 fließt ein Strom
I durch die Leitungen 14, der eine Stromstärke von
deutlich mehr als 0 mA aufweist. Hierdurch schlägt der Strommesser 17 aus
und ein entsprechendes Steuersignal bzw. Fehlersignal wird zur Steuer-
und Regeleinrichtung weitergeleitet. Würde der Vakuumeffektor 3 ungeachtet
dieses Fehlers weiter in Richtung des Pfeils 21 angehoben,
so würde
die Kohlenstofffaserbrücke 23 beim
Erreichen einer hinreichend großen
Zugkraft zwar abreißen.
Jedoch kann der vom Vakuumeffektor 3 angesaugte Zuschnitt 9 infolge
dieser Krafteinwirkung auf dem Ansaugbereich 7 verrutschen,
so dass keine definierte Position des Zuschnittes 9 mehr
gegeben ist und beispielsweise das nachfolgende automatisierte Einlegen
des Zuschnittes 9 in ein Formwerkzeug für einen RTM-Prozess nicht mehr
problemlos möglich
ist.
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Um
einen derartigen vollautomatischen Produktionsprozess nicht zu stören, wird
für den
Fall, dass die Steuer- und Regeleinrichtung das Fehlersignal in
Form einer unvollständigen
Durchtrennung zugeht, der Strom I kurzzeitig (gepulst) bis auf einen Maximalwert
IMax in einer Größenordnung von bis zu 100 A
erhöht,
um die Kohlenstofffaserbrücke 23 schnell
durchzuschmelzen, aufzubrennen bzw. zu durchtrennen. Anschließend kann
der Zuschnitt 9 vom Vakuumeffektor 3 in gewohnter
Weise in Richtung des Pfeils 21 vollständig vom Schneidetisch 2 abgehoben
und an nachfolgende Produktionsstufen weitergeleitet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
unter bevorzugter Verwendung der Schneidvorrichtung 1 gestaltet
sich wie folgt.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird ein flächenhaftes CFK-Halbzeug 6 auf
den Schneidetisch 2 der Vorrichtung 1 aufgelegt.
Beim Absenken des Vakuumeffektors 3 auf ein ungeschnittenes
CFK-Halbzeug 6 stellt sich in der Regel ein (Ruhe)Strom
I von bis zu einigen A (Ampére)
ein.
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In
einem zweiten Arbeitsschritt – bei
vorzugsweise vollständig
angehobenem Vakuumeffektor 3 – erfolgt das bevorzugt vollautomatische
Herausschneiden des Zuschnittes 9 aus dem CFK-Halbzeug 6,
wobei eine nahezu beliebige Konturierung des Zuschnittes 9 möglich ist.
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In
einem dritten Verfahrensschritt wird der Vakuumeffektor 3 auf
das CFK-Halbzeug 6 abgesenkt und der Zuschnitt 9 anschließend mittels
Unterdruck angesaugt. Hierdurch wird die Gleichspannungsquelle 18 über die
elektrischen Leitungen 14 mit der Randelektrode 4 und
der Zuschnittelektrode 5 zu einem geschlossenen, elektrischen (Gleich-)Stromkreis
verbunden. Auch bei einer vollständigen,
das heißt
ordnungsgemäßen Heraustrennung
des Zuschnittes 9 aus dem Grundmaterial, fließt in diesem
Zustand ein Strom I, der immer noch größer als 0 mA ist, aber in der
Regel erheblich kleiner ist als der Strom I, der vor dem Schnittvorgang fließt. Denn
im Schnittbereich berühren
sich nach wie vor der Zuschnitt 9 und das CFK-Halbzeug 6 entlang der
gegenüberliegenden
Schnittflächen,
sodass immer noch ein ausreichend kleiner Übergangswiderstand für den Stromfluss
I besteht.
-
In
einem vierten Verfahrensschritt wird der Vakuumeffektor 3 zusammen
mit dem angesaugten Zuschnitt 9 in vertikaler Richtung
auf eine Messhöhe 22 verfahren,
das heißt
vom Schneidetisch 2 abgehoben. Durch die Feder 13 an
der Halterung 11 ist auch beim Anheben des Vakuumeffektors 3 ein
sicherer Kontakt zwischen der Randelektrode 4 und dem Randabschnitt 12 des
CFK-Halbzeugs 6 gewährleistet.
Die Messhöhe 22 beträgt bis zu
5 mm, bevorzugt entspricht die Messhöhe 22 jedoch in etwa
der Materialstärke
des (einlagigen) CFK-Halbzeugs 6.
-
In
einem fünften
Verfahrensschritt erfolgt schließlich die relevante Messung
eines Stroms I mittels des Strommessers 17, der zwischen
der Randelektrode 4, der Zuschnittelektrode 5 und
der Gleichspannungsquelle 18 fließt, wenn ein unvollständiger Schnitt
erfolgt ist.
-
Für den Fall,
dass der Schneidvorgang korrekt verlaufen ist, das heißt es sind
keinerlei Kohlenstofffaserbrücken 23 bzw.
diskrete Kohlenstofffaserfilamente zwischen dem Zuschnitt 9 und
dem CFK-Halbzeug 6 verblieben, hat der Strom I bzw. der Strommesswert
einen Wert von etwa 0 mA. Dieser Strom I in der Größenordnung
von 0 mA wird vom Strommesser 17 als ein eindeutiges ”Fehlerfrei”-Signal
an die Steuer- und Regeleinrichtung weitergegeben, die hierdurch
die Weiterleitung bzw. den Weitertransport des Zuschnittes 9 an
nachgeschaltete Produktionsstufen veranlasst.
-
Sind
jedoch Kohlenstofffaserbrücken 23 zurückgeblieben,
so ist die Stromstärke
des Stroms I beim Anheben des Zuschnittes 9 immer noch
deutlich größer als
0 mA. In diesem Fall stellt der an die Steuer- und Regeleinrichtung
weiter geleitete Strommesswert des Strommessers 17 ein ”Fehlersignal” dar.
-
In
diesem Fall kann eine automatische Erhöhung des Stromes I auf einen
Maximalwert IMax von bis zu 100 A (Ampére) erfolgen,
der das sofortige Aufschmelzen bzw. Verglühen (Durchbrennen) der Kohlenstofffaserbrücken 23 und
damit die endgültige Abtrennung
des Zuschnittes 9 vom CFK-Halbzeug 6 bewirkt.
-
Anschließend kann
der Zuschnitt 9 in gewohnter Weise und ohne Störungen im
automatischen Produktionsfluss an eine nachfolgende Fertigungsstation
weitergeführt
werden. Hierbei werden beispielsweise mehrere Zuschnitte 9 in
einer Form für
einen nachfolgenden RTM-Prozess übereinander gelegt
und abschließend
unter Anwendung von Druck und Temperatur mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial,
insbesondere einem Epoxidharz zur Schaffung des fertigen CFK-Bauteils
durchtränkt bzw.
imprägniert.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Schneidetisch
- 3
- Vakuumeffektor
- 4
- Randelektrode
- 5
- Zuschnittelektrode
- 6
- CFK-Halbzeug
- 7
- Ansaugbereich
(Vakuumeffektor)
- 8
- Pfeil
- 9
- Zuschnitt
- 10
- Außenkante
(Vakuumeffektor)
- 11
- Halterung
- 12
- Randabschnitt
(CFK-Halbzeug)
- 13
- Feder
- 14
- (elektrische)
Leitung
- 15
- Spannungsquelle
- 16
- Messeinrichtung
- 17
- (Gleich-)Strommesser
- 18
- Gleichspannungsquelle
- 19
- Saugeinrichtung
(Vakuumeffektor)
- 20
- Schneideinrichtung
- 21
- Pfeil
- 22
- Messhöhe
- 23
- Kohlenstofffaserbrücke