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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings aus einer Mehrzahl zugeschnittener und entsprechend einer vorgegebenen Form des Vorformlings gelegter Formelemente, eine Vorrichtung zum Ausführen wenigstens eines Teils des Verfahrens, ein endlosfaserverstärktes Formteil aus thermoplastischen Kunststoffen, das mittels eines mit einem derartigen Verfahren aufgebauten Vorformlings hergestellt ist, ein Computerprogrammprodukt mit Steueranweisungen, die dazu vorgesehen sind, bei Ausführung durch einen Prozessor eine Vorrichtung zu steuern, die wenigstens einen Teil des Verfahrens ausführt, sowie ein Speichermedium, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
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Ein Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen unter Verwendung eines dreidimensionalen Vorformlings sowie ein Kraftfahrzeugformteil sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 013 131 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden zugeschnittene, im Wesentlichen flächig ausgebildete, unidirektional-faserverstärkte Matten mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix fortlaufend auf einem die Grobkontur des Formteils vorgebenden Werkstückträger abgelegt. Die Matten werden auf dem Werkstückträger zu einem dreidimensionalen Vorformling aufgebaut, wobei eine Faserorientierung der Matten auf im späteren Einsatz des Formteils angreifende Kräfte und daraus innerhalb des Formteils resultierende Lastpfade abgestimmt wird. Während oder nach Abschluss des Aufbaus werden die Matten zueinander in der Lage fixiert. Der Vorformling wird wenigstens bis an die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix erwärmt. Nach Einbringen des dreidimensionalen Vorformlings in ein die endgültige Kontur des Formteils formendes Formwerkzeug und Einstellen eines homogenen Formwerkzeuginnendrucks, um eine Konsolidierung des Vorformlings bei gleichzeitigem Erhalt der Faserorientierung innerhalb des Vorformlings zu gewährleisten, wird das konsolidierte Formteil schließlich aus dem Formwerkzeug entnommen.
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Bei bekannten Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings werden einzelne Matten möglichst genau relativ zueinander ausgerichtet und abgelegt, um eventuelle Spalte zwischen den Matten oder Verdickungen infolge mehrerer sich überlappender Matten zu vermeiden, was zu einer inhomogenen inneren Struktur des Vorformlings und damit auch eines aus diesem hergestellten Formteils führen kann. Beispielsweise positionieren beim automatisierten Aufbau von Vorformlingen Legeroboter gemäß eingelesener Sollwert-Muster einzelne Matten reproduzierbar und hochgenau mit einer Abweichung von weniger als 0,1 mm auf einem dem späteren Vorformling entsprechenden Positiv oder Werkstückträger. Hierzu sind sowohl kostspielige Präzisionseinrichtungen zum Positionieren der Matten beim Legen als auch entsprechende Erfassungseinrichtungen zum Erfassen der Positionen einzelner zum Legen bereitgestellter oder gelegter Matten notwendig. Darüber hinaus wird der Legevorgang infolge der Notwendigkeit präzisen Legens der Matten und des präzisen Erfassens von Positionen einzelner Matten, was mittels kamerabasierter Systeme geschieht, vor allem wegen zeitraubenden Auswertungen von Kamerabildern verzögert. Typischerweise nimmt die Ablage einer einzelnen Matte einschließlich einer integrierten Bilderfassung eine Zeit von ungefähr vier Sekunden in Anspruch.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings, eine Vorrichtung zum Ausführen wenigstens eines Teils des Verfahrens, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Speichermedium zu schaffen, die einen kostengünstigeren und schnelleren Aufbau von Vorformlingen ermöglichen, um damit ein Formteil zu schaffen, das kostengünstiger und schneller hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch das Formteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14, durch das Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und durch das Speichermedium mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings aus einer Mehrzahl zugeschnittener und entsprechend einer vorgegebenen Form des Vorformlings gelegter Formelemente die folgenden Schritte auf:
- (a) Bereitstellen eines Grundformelementes in einer Grundposition;
- (b) Halten eines nachfolgenden Formelements mit einem Haltemittel;
- (c) Vermerken einer relativen Position des in Schritt (b) gehaltenen Formelements in Bezug auf das Haltemittel;
- (d) Transportieren des in Schritt (b) gehaltenen Formelements entlang eines Transportweges zu einer Ablageposition;
- (e) Ablegen des in Schritt (d) transportierten Formelements;
- (f) Ermitteln wenigstens einer relativen Position des in Schritt (e) abgelegten Formelements in Bezug auf das Grundformelement oder in Bezug auf wenigstens ein zuvor abgelegtes Formelement oder mehrere oder alle zuvor abgelegte Formelemente unter Verwendung der in Schritt (c) vermerkten relativen Position und/oder des Transportweges aus Schritt (d) und/oder der Ablageposition aus Schritt (d);
- (g) Ermitteln von Transportweg und Ablageposition für wenigstens ein nachfolgend abzulegendes Formelement oder mehrere oder alle nachfolgend abzulegenden Formelemente unter Verwendung wenigstens einer oder mehrerer oder aller der in Schritt (f) ermittelten relativen Positionen;
- (h) sukzessives Wiederholen der Schritte (b) bis (g) bis der Vorformling fertiggestellt ist, wobei zur ersten Ausführung des Schrittes (d) Transportweg und Ablageposition vorgegeben und bei nachfolgenden Ausführungen des Schrittes (d) ein jeweiliger Transportweg und eine jeweilige Ablageposition verwendet werden, die bei einer jeweils zuvor erfolgten Ausführung des Schrittes (g) ermittelt worden sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird sowohl auf ein präzises Ablegen der Formelemente als auch auf ein genaues Erfassen der Position der Formelemente nach Ablegen mittels physikalische Erfassungseinrichtungen (z.B. durch ein optisches System) verzichtet. Stattdessen werden die relativen Positionen der einzelnen Formelemente in Bezug auf andere bereits gelegte Formelemente unter Verwendung von deren Position relativ zum Haltemittel und/oder dem Transportweg und/oder der Ablageposition eines oder mehrerer zuvor abgelegter Formelemente ermittelt oder errechnet. Letztendlich kann auf diese Weise ein virtuelles räumliches Modell des Vorformlings in den verschiedenen Stadien seines Aufbaus erzeugt werden. Anhand der relativen Positionen bereits abgelegter Formelemente werden dann jeweilige Transportwege und Ablagepositionen von jeweiligen nachfolgend abzulegenden Formelementen mit Hinblick auf den aufzubauenden Vorformling ermittelt, entlang derer nachfolgende Formelemente jeweils transportiert werden und an denen dieselben jeweils abgelegt werden. Zur Berechnung des Transportwegs und/oder der Ablageposition noch abzulegender Formelemente können zusätzlich die Abmessungen, die Größe oder die Form der Formelemente herangezogen werden. Handelt es sich bei den Formelementen um unidirektional-faserverstärkte Matten, so kann in die Berechnung zudem eine Faserrichtung der Formelemente einfließen. Dabei wird nicht versucht, beim Ablegen von Formelementen die Entstehung von Spalten zwischen abgelegten Formelementen oder Überlappungen mehrerer Formelemente zu vermeiden, eine mögliche Entstehung von Spalten und Überlappungen kann vielmehr in Kauf genommen werden, da deren Positionen anhand der relativen Positionen bereits abgelegter Formelemente ermittelt oder errechnet und Transportwege und Ablagepositionen nachfolgend abzulegender Formelemente unter Berücksichtigung dieser Spalte und Überlappungen ermittelt oder errechnet werden können. Hierdurch lässt sich ein Vorformling mit einer weitestgehend homogenen Materialverteilung aufbauen der, sofern zum Beispiel unidirektional-faserverstärkte Matten als Formelemente verwendet werden, zudem eine vorgegebene Faserrichtung aufweist. Ferner können Informationen über die Dickenverteilung einzelner Formelemente berücksichtigt werden, in dem diese lokale Dickenverteilungen beim Ablegen nachfolgender Formelemente ausgeglichen werden können. Entsprechende Informationen über die Dickenverteilung eines Formelements werden vorzugsweise vor der Übergabe an das Haltemittel erfasst und nachfolgend berücksichtigt. Insgesamt ist das erfindungsgemäße Verfahren somit erheblich schneller als herkömmliche Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings, die ein sehr präzises Ablegen der Formelemente erfordern, so dass die erforderliche Zeit zum Aufbau eines Vorformlings gegenüber bekannten Verfahren um bis zu 75% verringert werden kann. Zudem können die während der Durchführung des Verfahrens ermittelten relativen Positionen der abgelegten Formelemente bzw. das virtuelle Modell des Vorformlings gespeichert werden, um diese Daten beispielsweise für verschiedene Simulationen wie zum Beispiel Stabilitätssimulationen zur Verfügung zu stellen oder um den Aufbau des Vorformlings später reproduzieren zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet damit aber auch die Möglichkeit, Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle simultan durchzuführen.
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Bevorzugt werden beim erfindungsgemäßen Verfahren anhand von im Schritt (f) ermittelten relativen Positionen wenigstens ein Spalt oder wenigstens ein Hohlraum zwischen wenigstens zwei abgelegten Formelementen oder wenigstens ein Überlappungsbereich mehrerer Formelemente festgestellt und es werden im nachfolgenden Schritt (g) Transportweg und Ablageposition mit der Maßgabe ermittelt, den Spalt oder den Hohlraum oder den Überlappungsbereich beim Ablegen eines oder mehrerer nachfolgender Formelemente auszugleichen. Sofern die Formelemente über ein gewisses Fließverhalten oder geeignete plastische Eigenschaften verfügen, kann auf ein Ausgleichen der Spalte und Verdickungen oder Überlappungsbereiche beim Legen der Formelemente zumindest dann verzichtet werden, wenn diese eine gewisse Größe nicht überschreiten, da diese bei der weiteren Bearbeitung des Vorformlings aufgrund der genannten Eigenschaften der Formelemente entweder ausgefüllt oder verdünnt werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird anhand von im Schritt (f) ermittelten relativen Positionen wenigstens ein Hohlraum zwischen wenigstens zwei abgelegten Formelementen festgestellt und dessen Lage, Form und Abmessungen ermittelt, wobei wenigstens ein entsprechendes Füllformelement zugeschnitten und im Hohlraum angeordnet wird. Insbesondere kann ein einzelnes Füllformelement zugeschnitten werden, das den gesamten Hohlraum im Wesentlichen ausfüllt. Das Auffüllen von Hohlräumen mittels geeignet zugeschnittener Füllformelemente ist besonders dann vorteilhaft, wenn es sich um vergleichsweise große Hohlräume handelt, bei denen nicht gewährleistet ist, dass diese bei der späteren Bearbeitung des Vorformlings aufgrund der Fließeigenschaften oder der plastischen Eigenschaften der Formelemente ausgeglichen werden.
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Grundsätzlich können beim erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens die Schritte (b) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sein oder es können die Schritte (b) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sein und der Schritt (a) kann manuell ausgeführt werden oder es können alle Schritte (a) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sein. Dabei ist der letzte Fall, bei dem alle Verfahrensschritte automatisiert ausführbar sind, besonders bevorzugt, um das Verfahren in der vollautomatischen Produktion von Formteilen einsetzen zu können.
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Besonders bevorzugt werden alle Formelemente mit im Wesentlichen gleicher Form zugeschnitten, wobei alle Formelemente im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen oder wenigstens zwei der Formelemente verschiedene Abmessungen aufweisen. Hierdurch wird das Aufbauen von Vorformlingen noch einmal vereinfacht, da eine das Verfahren ausführende Vorrichtung Formelemente mit nur wenigen, typischerweise nicht mehr als drei, vier oder fünf verschiedenen, fest vorgegebenen Formen handhaben muss. Im Falle flächiger Formelemente kann für diese zum Beispiel eine sechseckige Form vorgesehen sein. Insbesondere wenn unidirektional-faserverstärkte Matten als Formelemente verwendet werden sind rechteckige Formen für die Formelemente bevorzugt, damit es nicht zu Faserverkürzungen kommt. Bei einer sechseckigen Form kommt es hier ansonsten in den bei der Herstellung aus einem Rechteck abgeschnittenen Eckbereichen des Rechteckes zu einer Verkürzung der Fasern im Vergleich zu dem Mittelbereich des Rechtecks.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Grundelement im Schritt (a) auf einem Werkstückträger abgelegt, welcher eine dreidimensionale Form des Vorformlings vorgibt. Dieser Werkstückträger kann manuell oder automatisch bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Werkstückträger von einer Fördereinrichtung wie zum Beispiel einem Förderband zu einer geeigneten Position gefördert werden, so dass das Grundformelement nach dessen Ablage auf dem Werkstückträger die Grundposition einnimmt.
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Als Formelemente werden besonders bevorzugt im Wesentlichen flächige unidirektional-faserverstärkte Matten mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix verwendet. Derartige Formelemente finden vor allem bei der Herstellung von Formteilen im Kraftfahrzeugbau ihren Einsatz. Häufig besteht jede Lage eines 0,25 mm dicken Formteils, dessen Vorformling mit solchen Matten aufgebaut wird, aus 15 einzelnen Matten, wobei jede Matte und damit jede Lage eine Dicke von 0,25 mm hat. Werden derartige Matten auf einem Werkstückträger abgelegt, so werden diese vorzugsweise vor dem Ablegen zumindest teilweise vorgewärmt, um deren Flexibilität zu erhöhen. Dadurch passen sich die Matten beim Ablegen einer dreidimensionalen Grobkontur des Werkstückträgers besser an. Um die Flexibilität der Matten aufrechtzuerhalten, kann ferner ein Beheizen des Werkstückträgers vorgesehen sein.
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Eine das erfindungsgemäße Verfahren ganz oder teilweise ausführende Vorrichtung kann zum automatisierten Ausführen von wenigstens der Schritte (b) bis (h) oder aller Schritte (a) bis (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Grundformelement manuell in die Grundposition gebracht und dort abgelegt werden, oder das Grundformelement wird von der Vorrichtung in die Grundposition gebracht bzw. in dieser abgelegt.
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Zum Transportieren der Formelemente kann die Vorrichtung wenigstens einen das Haltemittel aufweisenden Roboterarm umfassen. Mit diesem Roboterarm ergreift die Vorrichtung Formelemente, die zum Beispiel in einem Magazin oder an einem Lagerort bereitgestellt sind oder von einer Zuführeinrichtung zugeführt werden, und transportiert diese zur Ablageposition, während sie die Formelemente mit dem Haltemittel hält. Dabei kann die Vorrichtung selber ortsfest oder mobil ausgeführt sein. Bei einer ortsfesten Ausführung der Vorrichtung bewegt sich bevorzugt nur ein Teil der Vorrichtung, meist der Roboterarm, beim Transportieren der Formelemente. Ist die Vorrichtung jedoch mobil ausgeführt, so kann sie sich als Ganzes einschließlich dem Roboterarm bewegen. Zum Beispiel kann es sich bei der Vorrichtung um einen mobilen Roboter handeln, der in einem an einer Wand einer Halle befindlichen Regal bereitgestellte Formelemente ergreift und sich dann an die gegenüberliegende Seite der Halle begibt, um die Formelemente in der dort befindlichen Ablageposition abzulegen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist diese wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Grundposition und/oder der relativen Position im Schritt (c) auf. Sofern das erfindungsgemäße Verfahren von einer Vorrichtung ganz oder teilweise automatisch ausgeführt wird, kann die Grundposition entweder von der Vorrichtung aus einem externen Speicher eingelesen oder sie kann manuell in die Vorrichtung eingegeben werden. Alternativ kann die Vorrichtung über Einrichtungen wie einen Sensor verfügen, mit denen sie die Grundposition anhand des in der Grundposition abgelegten Grundformelements erfasst. Ferner kann die Vorrichtung die relative Position des gehaltenen Formelements in Bezug auf das Haltemittel vermerken, nachdem ihr diese relative Position beispielsweise manuell eingegeben worden ist oder nachdem sie diese Position aus einem externen Speicher eingelesen hat. Die Formelemente können andererseits auch in einer vorgegebenen Position abgelegt werden, in welcher die Vorrichtung die Formelemente auf eine vorgegebene Weise ergreift, so dass die relative Position des Formelements zum Haltemittel bereits vor Ergreifen der Formelemente der Vorrichtung bekannt ist und von dieser vermerkt wird. Ferner kann die Vorrichtung eine Einrichtung wie einen Sensor aufweisen, mit der sie die relative Position des Formelements in Bezug auf das Haltemittel für jedes Formelement einzeln erfasst und anschließend vermerkt. Dabei kann es sich bei dem Sensor zum Erfassen der Grundposition und dem Sensor zum Erfassen der relativen Position des Formelements in Bezug auf das Haltemittel auch um ein und denselben Sensor handeln. Vorteilhafterweise sind die Sensoren dazu ausgelegt, lediglich einfache geometrische Grundformen oder Ecken der Formelemente zu erfassen, um die Kosten für die Sensoren und zeitraubende Auswertungen von Kamerabildern zu vermeiden.
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Sofern beispielsweise das Zuschneiden eines Füllformelementes vorgesehen ist, kann die Vorrichtung auch vorteilhaft eine Schneideeinrichtung zum bevorzugt automatischen Zuschneiden des Füllformelements aufweisen. Damit lassen sich Füllformelemente automatisch während des Aufbauens des Vorformlings in diesen mit einbauen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Lagefixierung von Formelementen zueinander während des Aufbaus des Vorformlings und/oder nach dessen Fertigstellung. Dies bietet den Vorteil, dass der Vorformling eine deutlich verbesserte Handhabbarkeit aufweist. Die Lagefixierung der Formelemente zueinander kann mittels eines Schweißverfahrens wie zum Beispiel durch Ultraschallschweißen, Heizelementschweißen oder ein Laserschweißverfahren erfolgen. Darüber hinaus kann die Lagefixierung der Formelemente zueinander durch textiltechnische Verfahren wie Vernadeln oder Vernähen erfolgen.
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Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Fördereinrichtung zum Fördern des Grundformelementes in die Grundposition und/oder zum Fördern eines Werkstückträgers zum Aufnehmen des Grundformelementes. Mit einer derartigen Fördereinrichtung, beispielsweise einem Förderband, lässt sich der Vorformling nach dessen Aufbau zudem zur weiteren Herstellung eines Formteils aus diesem Vorformling entlang einer Vielzahl von Stationen, insbesondere einer Vielzahl von Roboterstationen, bewegen, wodurch sich die Verfahrenszeit bis zur Fertigstellung des Formteils verringert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen;
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2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 verschiedentlich gelegte Matten mit Überlappungen;
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4 gelegte Matten mit einem Hohlraum einmal mit einem und einmal ohne ein den Hohlraum ausfüllendes Füllformelement;
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5 einen Vergleich zwischen Soll-Position und Ist-Position einer Matte nach deren Ablage.
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In der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen 2 aus thermoplastischen Kunststoffen gezeigt. Auf mehreren Fördereinheiten 3 werden dabei zugeschnittene, im Wesentlichen flächig ausgebildete, unidirektional-faserverstärkte Matten 4 mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix als Formelemente bereitgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Matten 4 von den Fördereinheiten 3 aus einem Magazin entnommen und auf einer bestimmten Position bereitgestellt. Alternativ kann die Bereitstellung der Matten 4 über eine Abroll- und/oder Schneideinheit erfolgen, die hier nicht näher dargestellt ist. Die Matten 4 werden mit dem Ziel, deren Flexibilität zu erhöhen, vor dem Ablegen zumindest teilweise vorgewärmt. Im Anschluss erfolgt ein Transfer der Matten 4 zu einem die Grobkontur des Formteils 2 vogebenden Werkstückträger 5. Der Werkstückträger 5 selbst wird auf einer Förderstrecke 6 mittels Förderbändern 7 bewegt. Auf dem Werkstückträger 5 werden die zugeschnittenen Matten 4 derart abgelegt und fortlaufend zu einem dreidimensionalen Vorformling 8 aufgebaut, dass die Faserorientierung der Matten 4 auf im späteren Einsatz des Formteils 2 angreifende Kräfte sowie daraus innerhalb des Formteils 2 resultierende Lastpfade abgestimmt wird. Den Transfer, das Ablegen und das Aufbauen des Vorformlings 8 übernehmen mehrere Roboterstationen oder Robotersysteme 9, die entlang der Förderstrecke 6 angeordnet sind. Die Robotersysteme 9 weisen Roboterarme 10 mit Haltemitteln 11 zum Ergreifen und Halten der Matten 4 auf.
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung 1 baut von einer Steuereinheit 12 gesteuert den Vorformling 8 mittels eines automatisierten Verfahrens auf, das in der 2 als Flussdiagramm dargestellt ist.
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Das Verfahren startet mit dem Schritt S0.
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In einem nachfolgenden Schritt S1 wird eine erste der auf einer bestimmten Position bereitgestellten Matten 4 von einem der Roboterarme 10 ergriffen und auf dem Werkstückträger 5 abgelegt. Diese allererste auf dem Werkstückträger 5 abgelegte Matte 4 stellt ein in einer Grundposition bereitgestelltes Grundformelement dar. Grundsätzlich kann die Grundposition der Steuereinheit 12 vorbekannt sein, sofern beispielsweise die erste Matte 4 und der Werkstückträger 5 in jeweiligen vorbestimmten Positionen bereitgestellt werden und die erste Matte 4 vom Roboterarm 10 auf eine vordefinierte Weise ergriffen, zum Werkstückträger 5 transportiert und dort in einer vorgegebenen Position abgelegt wird. Andererseits kann die Vorrichtung 1 über Sensoren verfügen, mit denen sich die Grundposition der ersten Matte 4 nach deren Ablage auf dem Werkstückträger 5 erfassen lässt, oder mit denen sich die relative Position der vom Roboterarm 10 gehaltenen ersten Matte 4 in Bezug auf die Haltemittel 11 des Roboterarmes 10 erfassen lässt. Aus dieser relativen Position und des Transportweges der ersten Matte 4 zur Grundposition kann im letzteren Fall die Grundposition der ersten Matte 4 von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 ermittelt werden.
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Daraufhin ergreift derselbe oder ein anderer Roboterarm 10 im Schritt S2 eine zweite Matte 4 und hält diese mit seinen Haltemitteln 11. Je nach Ausführung der Vorrichtung 1 und des aufzubauenden Vorformlings 8 kann der Werkstückträger 5 zwischen den Schritten S1 und S2 auch von einem Robotersystem 9 zu einem anderen der Robotersysteme 9 bewegt werden, so dass jeder der Schritte S1 und S2 von einem jeweiligen anderen Robotersystem 9 ausgeführt wird, oder es werden beide Schritte S1 und S2 von ein und demselben Robotersystem 9 ausgeführt.
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Im Schritt S3 wird die relative Position der vom Roboterarm 10 gehaltenen zweiten Matte 4 in Bezug auf das Haltemittel 11 des Roboterarms 10 vermerkt. Analog zum Schritt S1 kann diese relative Position entweder durch Bereitstellen der zweiten Matte 4 in einer vorgegebenen Position und vordefiniertes Ergreifen derselben durch den Roboterarm 10 vordefiniert sein, oder der Roboterarm 10 verfügt über entsprechende Sensoren, mit denen sich die relative Position der vom Roboterarm 10 gehaltenen zweiten Matte 4 in Bezug auf das Haltemittel 11 des Roboterarms 10 erfassen lässt.
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Die von den Haltemitteln des Roboterarms 10 gehaltene zweite Matte 4 wird im Schritt S4 vom Roboterarm 10 entlang eines Transportweges zu einer Ablageposition transportiert. Bei der erstmaligen Ausführung des Schrittes S4, bei der die unmittelbar nach dem Grundformelement abzulegende zweite Matte 4 transportiert und abgelegt wird, sind der Transportweg und die Ablageposition für diese Matte 4 noch vorgegeben, bei nachfolgenden Ausführungen des Schrittes S4 werden hingegen, wie im Folgenden noch beschrieben wird, ermittelte oder errechnete Transportwege und Ablagepositionen für nachfolgend abzulegende Matten 4 verwendet.
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In der Ablageposition wird die vom Roboterarm 10 transportierte zweite Matte 4 sodann abgelegt, was dem Schritt S5 des in der 1 gezeigten Verfahrens entspricht. Beim Ablegen der zweiten Matte 4 wird auf eine hohe Präzision verzichtet, um das Verfahren nicht zu verzögern.
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Nach Ablegen der zweiten Matte 4 wird von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 im Schritt S6 deren relative Position in Bezug zur ersten Matte 4 bzw. zum Grundformelement ermittelt, wozu deren Ablageposition, ihr Transportweg und ihre relative Position in Bezug auf das Haltemittel 11, von dem sie während des Transports gehalten wurde, verwendet werden. Dies ist möglich, da die Grundposition der ersten Matte 4 bekannt ist.
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Hierauf erfolgt im Schritt S7 eine Abfrage mit der bestimmt wird, ob der Vorformling 8 nunmehr fertiggestellt ist oder nicht. Ist der Vorformling 8 vollständig aufgebaut, endet das Verfahren mit dem nachfolgenden Schritt S8. Sofern der Vorformling 8 noch nicht fertiggestellt ist, fährt das Verfahren mit Schritt S9 fort.
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Im Schritt S9 werden von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 für eine nachfolgend abzulegende dritte Matte 4 der Transportweg und die Ablageposition ermittelt oder errechnet, wofür die Grundposition und die relative Position der abgelegten zweiten Matte 4 verwendet werden. Daraufhin werden die Schritte S2 bis S7 wiederholt, d. h. es wird im Schritt S2 eine neue dritte Matte 4 vom Roboterarm 10 aufgenommen und vom Haltemittel 11 gehalten, die relative Position der gehaltenen dritten Matte 4 in Bezug auf das Haltemittel 11 wird im Schritt S3 vermerkt, die dritte Matte 4 wird im Schritt S4 entlang des im Schritt S9 zuvor ermittelten Transportweges zu der im Schritt S9 zuvor ermittelten Ablageposition transportiert und im Schritt S5 dort abgelegt, es wird im Schritt S6 die relative Position der dritten Matte 4 in Bezug auf die erste Matte 4 und auf die zweite Matte 4 ermittelt, und es erfolgt nachfolgend im Schritt S7 eine Entscheidung darüber, ob der Vorformling 8 fertiggestellt ist oder nicht, woraufhin das Verfahren entweder mit Schritt S8 endet oder mit Schritt S9 fortfährt, wo Transportweg und Ablageposition der nächsten abzulegenden Matte 4 unter Verwendung der Grundposition sowie der relativen Positionen der ersten, zweiten und dritten abgelegten Matte 4 ermittelt werden. Anschließend beginnt eine neuerliche Wiederholung der Verfahrensschritte mit dem Schritt S2, wobei die im zuletzt ausgeführten Schritt S9 ermittelten Werte für den Transportweg und die Ablageposition für die jeweilige nächste Matte 4, die aufgenommen und abgelegt wird, verwendet werden.
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Auf diese Weise wird der Vorformling 8 sukzessive aufgebaut, wobei mit jedem Ablegen einer neuen Matte 4 die im Schritt S9 zu berücksichtigende Anzahl relativer Positionen einzelner Matten 4 in Bezug auf andere Matten 4 kumulativ zunimmt. Die relativen Positionen der einzelnen Matten 4 stellen zu einem bestimmten Zeitpunkt ein virtuelles oder mathematisches, räumliches Modell des Vorformlings 8 in einem jeweiligen Stadium seines Aufbaus dar. Anhand dieses Modells ist es möglich, den Vorformling 8 vorausschauend aufzubauen. Ferner erleichtert das Modell die Prozessüberwachung und bietet eine Möglichkeit zur Qualitätskontrolle.
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Im Unterschied zu bekannten Verfahren kann das Ablegen der Matten 4 im Schritt S5 des in der 2 dargestellten Verfahrens mit geringer Präzision erfolgen, da die Ablagepositionen für nachfolgend abzulegende Matten 4 stets aufs Neue berechnet werden, was es ermöglicht, eventuelle infolge der geringen Präzision beim Ablegen der Matten 4 entstandene Unregelmäßigkeiten durch entsprechendes Legen nachfolgender Matten 4 auszugleichen. Beispielsweise kann die wiederholte Ausführung des Schrittes S5 im Verlauf des Verfahrens dazu führen, dass sich aufgrund der geringen Präzision beim Ablegen der Matten 4 zwischen einzelnen Matten 4 Spalte bzw. Hohlräume oder Überlappungszonen mehrerer Matten 4 bilden. In der 3 sind Beispiele für drei sich bereichsweise überlappende Matten 4 mit Zonen gezeigt, in denen sich die Matten 4 dreifach überlappen, in denen sie sich doppelt überlappen und in denen keine Überlappung der Matten 4 stattfindet. Derartige Unregelmäßigkeiten können anhand der im Schritt S6 ermittelten relativen Positionen der gelegten Matten 4 festgestellt werden.
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Bevorzugt wird parallel zur Ausführung des in der 2 gezeigten Verfahrens der sich im Aufbau befindliche Vorformling 8 auf derartige Unregelmäßigkeiten hin von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 überwacht, um diese im weiteren Verlauf seines Aufbaus durch geeignetes Ermitteln der Transportwege und Ablagepositionen im Schritt S9 und entsprechendes Legen nachfolgender Matten 4 auszugleichen. Solange derartige Unregelmäßigkeiten klein genug sind, können sie auch ignoriert werden, da die Matten 4 bei Erwärmen ein gewisses Fließvermögen zeigen und sich diese Unregelmäßigkeiten ausgleichen, wenn der Vorformling 8 im Zuge seiner weiteren Verarbeitung erwärmt wird. Sind die Unregelmäßigkeiten jedoch zu groß, müssen sie aktiv von der Vorrichtung 1 behoben werden. Im Falle von Verdickungen aufgrund mehrerer sich überlappender Matten 4 können nachfolgend zu legende Matten 4 zum Beispiel so gelegt werden, dass im Umfeld der Verdickung keine weiteren oder nur wenige Überlappungen vorkommen, während im Falle von Spalten nachfolgende Matten 4 so gelegt werden können, dass sich oberhalb des Spaltes möglichst Überlappungsbereiche der Matten 4 ergeben.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 weist die Vorrichtung 1 eine in der 1 nicht gezeigte Schneideeinrichtung zum Zuschneiden von Füllformelementen auf, die zum Auffüllen von Hohlräumen zwischen gelegten Matten 4 vorgesehen sind. Sofern bei dieser Ausführungsform die Steuereinheit 12 einen Hohlraum zwischen gelegten Matten 4 feststellt, der so groß ist, dass bei ihm nicht zu erwarten ist, dass er bei späterem Erwärmen des Vorformlings 8 ausgeglichen wird, so ermittelt sie wiederum anhand der relativen Positionen der bereits gelegten Matten 4 die Lage, Form und Abmessungen des Hohlraumes. In der 4 ist links ein solcher Hohlraum 13 zwischen zwei Matten 4 eines Vorformlings 8 stark vereinfacht dargestellt. Von der Steuereinheit 12 werden die Informationen über die berechnete und/oder ermittelte Form und Abmessungen des Hohlraumes 13 an die Schneideeinrichtung übertragen, die anhand dieser Daten ein dieser Form und diesen Abmessungen entsprechendes Füllformelement 14 aus einer bereitgestellten Matte 4 zurechtschneidet. Vom Robotersystem 9 wird dieses Füllformelement 14 anschließend als eine der im Verfahren der 2 zu legenden Matten 4 unter Berücksichtigung der Lage des Hohlraumes 13 in denselben gelegt und der Hohlraum 13 wird damit mit dem Füllformelement 14 ausgefüllt, wie in 4 rechts zu sehen ist.
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Für die Matten 4 werden nur wenige, meist nicht mehr als drei oder vier, verschiedene Formen oder Abmessungen vorgesehen. Es ist auch möglich, dass alle Matten 4, mit denen der Vorformling 8 aufgebaut wird, mit derselben Form und zudem mit denselben Abmessungen zugeschnitten werden. Bevorzugt werden für die Matten 4 rechteckige Formen gewählt, um Faserverkürzungen zu vermeiden und weil außerdem derartige Matten mit optischen Sensoren besonders einfach und schnell detektierbar sind, wodurch die relativen Positionen im Schritt S6 rasch ermittelt werden können. Beispielsweise genügt es, wenn die optischen Sensoren lediglich Referenzpunkte, vorzugsweise mindestens 2 Eckpunkte, der rechteckigen Matten 4 detektieren, um im Schritt S6 deren relative Positionen zu ermitteln. Dies ist in der 5 näher dargestellt.
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Zu sehen sind in der 5 in einer grob vereinfachten Darstellung eine vorgesehene Soll-Position für eine gelegte Matte 4 innerhalb eines sich im Aufbau befindlichen Vorformlings 8, die gestrichelt gezeichnet ist, und die mit durchgezogenen Linien eingezeichnete tatsächliche Ist-Position nach Ablegen der Matte 4, die von der Soll-Position etwas abweicht, da das Ablegen der Matte 4 mit relativ geringer Genauigkeit erfolgt. Die Matte 4 ist von einer viereckigen Form, wobei zwei diagonal entgegengesetzte Ecken der Matte 4 als Referenzpunkte dienen. Diese in der 5 als schwarze Kreise markierten Referenzpunkte können von den optischen Sensoren besonders leicht und zuverlässig erfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010013131 A1 [0002]
