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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehenen Faservorformlings in einem Formwerkzeug, bei welchem ein flächiger Fasermaterialzuschnitt zum Formwerkzeug transportiert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine für einen solchen Transport vorgesehene Transporteinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Herstellung eines Faserverbundbauteils (z. B. CFK-Bauteil) einen oder mehrere Faservorformlinge zu verwenden, die jeweils zunächst als Zuschnitt eines Fasermaterials (textiles Halbzeug) bereitgestellt werden müssen.
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Die weitere Verarbeitung eines Faservorformlings erfolgt hierbei unter Verwendung eines Formwerkzeuges: Ein z. B. mit einem speziellen ”Binder” versetzter Fasermaterialzuschnitt oder ein bereits mit dem Matrixmaterial (des herzustellenden Faserverbundbauteils) vorimprägnierter Fasermaterialzuschnitt (”Prepreg”) wird zu dem betreffenden Werkzeug (z. B. Pressenwerkzeug) transportiert, dort eingelegt und durch einen geeigneten Umformprozess (gegebenenfalls einschließlich Infiltration und/oder z. B. thermischer Aushärtung) in eine gewünschte Form bzw. Geometrie gebracht.
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Gemäß einer Variante resultiert damit ein formstabiler Vorformling, der erst in wenigstens einem weiteren Prozessschritt, allein oder zusammen mit weiteren Komponenten, zu einem fertigen Faserverbundbauteil vollständig ausgehärtet wird, gegebenenfalls nach vorheriger Infiltration von Matrixmaterial in den Vorformling.
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Gemäß einer anderen Variante resultiert damit bereits das fertige Faserverbundbauteil, wobei je nach Art des Fasermaterialzuschnittes (”trocken” oder ”mit Matrixmaterial imprägniert”) dem finalen Aushärteschritt gegebenenfalls noch ein Infiltrationsschritt vorausgeht.
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Bei dem Matrixmaterial kann es sich insbesondere um einen duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff handeln.
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Herkömmlicherweise erfolgt der Transport des flächigen Fasermaterialzuschnittes in das Formwerkzeug manuell.
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Durch am bzw. im Werkzeug integrierte Heizkomponenten kann im Verlauf des Umformprozesses eine Temperierung, z. B. zur thermischen Aktivierung eines Binders, bewerkstelligt werden. Ein Bindermaterial dient zum Formerhalt des gefertigten Vorformlings bzw. Bauteils und muss zur Durchführung einer Umformung aktiviert werden.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2011 054 287 A1 sind ein Verfahren und eine Transporteinrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Bei diesem Stand der Technik wird ein roboterartiger Greifer verwendet, um einen mit dem Faservorformling (Halbzeug) versehenen Rahmen in ein Presswerkzeug einzulegen. Der Rahmen enthält Kontaktelektroden, so dass der Faserformling bereits während des Transports zum Presswerkzeug vorgewärmt werden kann.
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Aus der
WO 02/30657 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundplatten bekannt. Bei dieser Herstellung wird ein Faservorformling durch wenigstens zwei Presselemente (z. B. Pressplatten oder Presswalzen) komprimiert, wobei gleichzeitig ein Aufheizen des Faservorformlings durch eine elektrische Bestromung in dem Presswerkzeug erfolgt.
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Aus der
DE 10 2010 023 044 A1 ist eine auch als ”Tapeleger” zu bezeichnende Legevorrichtung zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil bekannt. Mittels dieser bekannten Vorrichtung wird ein quasi-unendliches Fasermaterial (Faserbündel aus Carbonfasern) in automatisierter Weise mittels eines Roboters entlang einer vorgegebenen Raumkurve auf ein Trägermaterial abgelegt, wobei zur thermischen Aktivierung eines im Fasermaterial enthaltenen Bindermaterials ein induktives Aufheizen des abgelegten Fasermaterials erfolgt. Dieser Stand der Technik ist ein Beispiel für einen Preformprozess, bei dem eigens vorgesehene Aufheizkomponenten (wie z. B. Induktionsheizspulen, Wärmelampen, Infrarotstrahler, beheizte Hauben, Heizplatten etc.) verwendet werden. Die Erwärmung des betreffenden Fasermaterials erfolgt hierbei zumeist in einer wärmeisolierten Kammer, um Wärmeverluste einzudämmen.
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Das Fasermaterial kann somit aber erst in der Kammer bzw. am betreffenden Formwerkzeug aufgeheizt werden, was einen nicht unerheblichen Zeitaufwand bedeutet. Diese bekannte Art und Weise des Wärmeeintrages von außen in das Fasermaterial führt bei einer Serienfertigung nachteiligerweise zu erhöhten Zykluszeiten und ist außerdem relativ energieintensiv.
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Aus der
DE 103 53 070 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Binderaktivierung auf einem Faservorformling (Faserhalbzeug bzw. Preform) bekannt, wobei die Binderaktivierung durch direktes Erwärmen von Kohlenstofffasern durch eine elektrische Bestromung des Faservorformlings erfolgt.
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Aus der
DE 103 51 178 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohlefaserverbundwerkstoffteilen bekannt, bei welchem ein Schmelzen eines thermoplastischen Matrixsystems durch Anlegen von elektrischem Strom an einem Faservorformling außerhalb der nichtleitenden Form eines Formwerkzeuges erreicht wird.
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Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hinsichtlich des erforderlichen Aufwandes an Zeit und Energie verbessertes Verfahren und eine in dieser Hinsicht verbesserte Transporteinrichtung zum Bereitstellen eines Faservorformlings anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Transporteinrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Transport mittels einer Transporteinrichtung erfolgt und während des Transports ein Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes durch eine elektrische Bestromung des Fasermaterialzuschnittes erfolgt, wobei der Fasermaterialzuschnitt in der Transporteinrichtung derart elastisch vorbelastet wird, dass eine Längenänderung im Fasermaterialzuschnitt ausgleichbar ist.
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Die erfindungsgemäße Transporteinrichtung umfasst dementsprechend Mittel zum Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes während des Transports durch eine elektrische Bestromung des Fasermaterialzuschnittes, wobei die Transporteinrichtung elastisch vorbelastbare Greif/Bestromungseinheiten zum Ausgleichen einer Längenänderung im Fasermaterialzuschnitt aufweist. Eine solche direkte Stromeinleitung kann z. B. an mehreren fest definierten Stellen des Zuschnittes erfolgen.
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Mit der Erfindung kann die Erzeugung eines Faservorformlings gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren signifikant beschleunigt werden, da vorteilhaft schon während des Transportprozesses ein Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes erfolgt. Der Zuschnitt fungiert somit selbst als elektrische Widerstandsheizung und erwärmt sich während des Transports. Der hierfür notwendige Energieaufwand, etwa zur Binderaktivierung, wird durch das erfindungsgemäß vorgesehene ”direkte Aufheizungskonzept”, nämlich eine elektrische Bestromung des Fasermaterialzuschnittes, auf ein Minimum reduziert. Die Nutzung des Transportprozesses zusätzlich für ein Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes ermöglicht insbesondere bei einer Serienfertigung von Faservorformlingen bzw. deren Verarbeitung zu Faserverbundbauteilen eine besonders vorteilhafte Verringerung von Zykluszeiten. Vorteilhaft ist kein separater Erwärmungsschritt notwendig.
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Die bei der Erfindung vorgesehene elastische Vorbelastung des Fasermaterialzuschnittes in der Transporteinrichtung trägt insofern ebenfalls zur Zeiteinsparung bei, als damit z. B. ein Umrüsten oder Loslassen oder neues Ausrichten oder Befestigen/Greifen des zum Formwerkzeug transportierten Faservorformlings entbehrlich ist und der Faservorformling z. B. beim Umformen an der Transporteinrichtung verbleiben kann.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Fasermaterialzuschnitt Kohlenstofffasern enthält, beispielsweise im Hinblick auf eine Herstellung von CFK-Bauteilen.
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Der Einsatz der Erfindung ist jedoch prinzipiell nicht auf bestimmte Arten von Faservorformlingen bzw. herzustellenden Faserverbundbauteilen eingeschränkt. Die einzige praktisch relevante Voraussetzung besteht darin, dass der zu verarbeitende bzw. zu heizende Fasermaterialzuschnitt keine allzu geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen darf. Sofern die darin enthaltenen Fasern nicht ohnehin eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen, kann diese z. B. durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung von enthaltenen Fasern und/oder anderweitiges Einbringen elektrisch leitfähigen Materials in den Fasermaterialzuschnitt geschaffen oder verbessert werden (Hierfür kann z. B. ein Binder- bzw. Matrixmaterial geeignet gewählt bzw. modifiziert werden).
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In einer Ausführungsform enthält der Fasermaterialzuschnitt ein thermisch aktivierbares Bindermaterial, z. B. ein thermoplastisches Bindermaterial. Das Bindermaterial kann z. B. in Form einer oder mehrerer Binderlagen (mit dem eigentlichen Fasermaterial gestapelt) im Fasermaterialzuschnitt integriert sein. Derartige Binderlagen können aus dem Bindermaterial als solchem oder aus Bindematerial auf bzw. in einem Träger (z. B. dünnes Vlies) gebildet sein.
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In einer Ausführungsform wird die Erfindung zur Verarbeitung von flächigen Fasermaterialzuschnitten mit einer Fläche von mehr als 1 m2 eingesetzt.
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Der Fasermaterialzuschnitt kann z. B. ein Gewebe, Geflecht, Gelege oder Vlies (jeweils ein- oder mehrlagig) der für das Faserverbundbauteil vorgesehenen Verstärkungsfasern enthalten. Ein derartiges textiles Halbzeug kann mit Bindermaterial und/oder Matrixmaterial (z. B. Epoxidharzsystem oder dergleichen) imprägniert sein. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere der bereits erwähnten flächigen Bindermateriallagen enthalten sein.
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Im einfachsten Fall erfolgt die elektrische Bestromung des Fasermaterialzuschnittes während des Fasermaterialtransports mittels zwei Elektroden.
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Als ”Elektrode” wird hier ein in gesteuerter Weise auf ein bestimmtes elektrisches Potential bringbarer elektrischer Anschluss bezeichnet, von welchem ausgehend ein elektrischer Strom zum Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes durch diesen hindurch und zu (wenigstens) einer weiteren Elektrode (auf anderem elektrischen Potential) fließen gelassen werden kann.
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Jede Elektrode kann hierbei elektrisch mit einem oder mehreren ”Elektrodenkontakten” verbunden oder verbindbar sein, welche jeweils zwecks ”Stromeinleitung” an einer Stromeinleitungsstelle in unmittelbarem Kontakt mit dem Fasermaterialzuschnitt stehen.
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Der Begriff ”Stromeinleitung” soll hierbei der Einfachheit halber unabhängig davon verwendet werden, ob im engeren Sinne eine Stromeinleitung (technische Stromrichtung von dem Elektrodenkontakt zu dem Fasermaterialzuschnitt) oder eine Stromausleitung (technische Stromrichtung von dem Fasermaterialzuschnitt zu dem Elektrodenkontakt) erfolgt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bestromung mittels mehr als zwei Elektroden erfolgt, die im einfachsten Fall jeweils mit einem Elektrodenkontakt elektrisch verbunden sind. Alternativ kann wenigstens eine dieser Elektroden auch mit mehreren Elektrodenkontakten elektrisch verbunden oder verbindbar sein.
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Unabhängig von der Anzahl der Elektroden ist es möglich, eine elektrische Verbindung zwischen einer bestimmten Elektrode und einem bestimmten Elektrodenkontakt steuerbar, insbesondere z. B. schaltbar auszubilden.
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Insbesondere für den bevorzugten Fall, dass die zur Stromeinleitung vorgesehenen Elektrodenkontakte den Fasermaterialzuschnitt während des Transports an fest vorgegebenen Stromeinleitungsstellen kontaktieren, kann mittels der genannten Steuerbarkeit bzw. Schaltbarkeit vorteilhaft ein während des Transports des Fasermaterialzuschnittes ”zeitlich variierendes Bestromungsschema” realisiert werden. Hierzu ein Beispiel: Wenn an einem Fasermaterialzuschnitt eine größere Anzahl (z. B. drei, vier, fünf, sechs oder mehr) Elektrodenkontakte angeordnet sind (z. B. über die Fläche und/oder den Umfang des Zuschnittes verteilt), wobei eine Bestromung jedoch nur über zwei auf unterschiedlichem elektrischen Potential befindliche Elektroden und (z. B. im Wesentlichen diametral einander entgegengesetzte) Elektrodenkontakte erfolgen soll, so kann gemäß eines Bestromungsschemas durch entsprechendes Zuschalten und Wegschalten von Elektrodenkontakten ein zur Stromeinleitung vorgesehenes ”Elektrodenkontaktpaar” während des Transports ein- oder mehrmals gewechselt werden, um die Wärmeerzeugung im Fasermaterialzuschnitt durch die resultierende zeitliche Variation der Stromflußpfade zu vergleichmäßigen. Mehrere getrennte Stromeinleitungsstellen können individuell genutzt werden. Durch eine angepasste Ansteuerung (Zuschalten, Wegschalten, Potentialeinstellung bzw. Heizstromeinstellung) kann zuschnittsbezogen effizient eine gewünschte Temperierung während des Transports eingestellt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bestromung über punktförmige und/oder linienförmige Stromeinleitungsstellen am Fasermaterialzuschnitt erfolgt.
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Die Begriffe ”punktförmig” bzw. ”linienförmig” sind hierbei aus praktischer Sicht so zu verstehen, dass die ”Punktfläche” bzw. ”Linienstärke” hierbei nicht verschwindend gering sein muss, sondern wesentlich geringer (z. B. um wenigstens einen Faktor 10, insbesondere wenigstens um einen Faktor 20) als die größte Abmessung des betreffenden Fasermaterialzuschnittes.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bestromung mittels Elektroden erfolgt, von denen Elektrodenkontakte von einer oder von beiden Flachseiten des Fasermaterialzuschnittes her am Fasermaterialzuschnitt anliegen oder in das Innere des Fasermaterialzuschnittes hineinragen. Alternativ oder zusätzlich kommt insbesondere für relativ dicke Fasermaterialzuschnitte in Betracht, Elektrodenkontakte auch von einer Seitenfläche her, also in einer in der Zuschnittebene liegenden Richtung am Fasermaterialzuschnitt anliegen oder in das Innere desselben hineinragen zu lassen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während des Transports das Aufheizen des im Wesentlichen gesamten Fasermaterialzuschnittes erfolgt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Transport des Fasermaterialzuschnittes mittels eines Roboters, insbesondere Industrieroboters (z. B. Gelenkarmroboter) erfolgt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Fasermaterialzuschnitt während des Transports (zumindest) an Randbereichen des Fasermaterialzuschnittes gehalten wird.
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Besonders vorteilhaft können bei der Erfindung die Funktionen ”Halten des Fasermaterialzuschnittes während des Transports” und ”Bestromen des Fasermaterialzuschnittes während des Transports” wenigstens teilweise durch ein und dieselben Komponenten (einer ”Halte- und Stromeinleitungseinrichtung”) einer zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Einrichtung (z. B. Roboter bzw. Endeffektor an einem Roboter) bewerkstelligt werden.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine Transporteinrichtung zum Transportieren eines Fasermaterialzuschnittes zu einem Formwerkzeug vorgesehen, um damit einen Faservorformling im Formwerkzeug bereitzustellen, wobei die Transporteinrichtung Mittel zum Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes während des Transports durch eine elektrische Bestromung des Fasermaterialzuschnittes umfasst, und wobei die Transporteinrichtung elastisch vorbelastbare Greif/Bestromungseinheiten zum Ausgleichen einer Längenänderung im Fasermaterialzuschnitt aufweist.
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Die oben für das erfindungsgemäße Verfahren bereits beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Gestaltungsdetails können in analoger Weise, einzeln oder in beliebigen geeigneten Kombinationen, auch für die erfindungsgemäße Transporteinrichtung vorgesehen sein.
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So kann die Transporteinrichtung beispielsweise mehrere Elektroden mit Elektrodenkontakten zur punktförmigen und/oder lininförmigen Stromeinleitung am Fasermaterialzuschnitt umfassen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Transporteinrichtung einen Handhabungsrahmen mit Mitteln zum lösbaren Halten des Fasermaterialzuschnittes an Randbereichen des Fasermaterialzuschnittes umfasst.
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Mit der Erfindung kann insbesondere ein zum Einsatz an einem Roboter vorgesehener Endeffektor mit integrierter Zuschnitterwärmung für einen wenigstens teilweise automatisierten Preform- bzw. Faserverbundherstellungsprozess bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die genannten Haltemittel, oder Teile davon, außerdem als Elektrodenkontakte zur Bestromung des Fasermaterialzuschnittes genutzt. Demnach können bei der Erfindung die Komponenten zur Stromeinleitung in der zum Transport ohnehin erforderlichen ”Zuschnitthaltevorrichtung” integriert sein.
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Die Transporteinrichtung kann einen Roboter, insbesondere Industrieroboter (z. B. mehrachsiger Gelenkarmroboter) umfassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine Draufsicht einer Anordnung zur Verarbeitung von Fasermaterialzuschnitten zu Faserverbundbauteilen,
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2 ein Ablaufdiagramm eines mit der Anordnung gemäß 1 durchgeführten Herstellungsverfahrens,
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3 eine perspektivische Ansicht eines in der Anordnung von 1 verwendbaren Halte/Bestromungsmoduls,
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4 eine Seitenansicht des Halte/Bestromungsmoduls von 3,
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5 bis 8 der 4 entsprechende Ansichten des Halte/Bestromungsmoduls in verschiedenen Stadien bei der Durchführung des Herstellungsverfahrens,
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9 eine Draufsicht eines modifizierten Teils einer Anordnung der in 1 dargestellten Art,
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10 eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung der Anordnung von 9 als Endeffektor an einem Industrieroboter, und
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11 eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung einer möglichen Verwendungssituation der in 10 dargestellten Anordnung.
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1 zeigt eine zum automatisierten Umformen von Fasermaterialzuschnitten (z. B. Kohlenstoff-Trockenfaserzuschnitte oder -Prepregs) vorgesehene Anordnung 10, umfassend eine Anlieferungsstation 12, einen Industrieroboter 14 mit einem Endeffektor 16 (und bei 18 symbolisierter Energieversorgungs- und Steuereinheit), und ein Formwerkzeug 20 (z. B. beheizbares Pressenwerkzeug).
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Bei dem mit der Anordnung 10 durchgeführten Verfahren werden jeweilige an der Anlieferungsstation 12 bereitgestellte Fasermaterialzuschnitte (textile Halbzeuge, z. B. trockene Zuschnitte, oder vorimprägnierte ein- oder mehrlagige Kohlenstofffaser-Prepregs) mittels des Endeffektors 16 des Roboters 14 aufgenommen und in automatisierter Weise zum Werkzeug (”Preformwerkzeug”) 20 transportiert, dort abgelegt bzw. eingelegt, und zu einem Vorformling (oder alternativ zum fertigen Faserverbundbauteil, z. B. CFK-Bauteil) weiterverarbeitet.
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Zur Veranschaulichung des Transportvorganges ist in 1 der Roboter 14 samt Endeffektor 16 für zwei Stadien gleichzeitig eingezeichnet, nämlich zum einen (in der Figur links) im Stadium der Aufnahme eines angelieferten Fasermaterialzuschnittes 30 und zum anderen (in der Figur rechts) im Stadium kurz vor der Ablage dieses Fasermaterialzuschnittes 30 am Werkzeug 20.
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Für diesen Transport verschwenkt der Endeffektor 16 in Richtung des in 1 eingezeichneten Pfeils 32 um eine stationäre Roboterbasis 34, die im dargestellten Beispiel im Bereich zwischen Anlieferungsstation 12 und Werkzeug 20 positioniert ist.
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Nach der Ablage eines jeweiligen Fasermaterialzuschnittes 30 am Werkzeug 20 wird der Fasermaterialzuschnitt 30 unter Temperatur- und Druckeinwirkung zur Herstellung des gewünschten Bauteils (Vorformling oder gebrauchsfertiges Bauteil) umgeformt.
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Hinsichtlich der Ausgestaltung der an der Anordnung 10 angelieferten Fasermaterialzuschnitte 30 sowie hinsichtlich deren Verarbeitung mittels des Werkzeuges 20 kann auf die vielfältig aus dem Stand der Technik der Faserverbundtechnologie (hier: Preformtechnik) bekannten Ausgestaltungen bzw. Details zurückgegriffen werden.
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Eine Besonderheit der dargestellten Anordnung 10 bzw. des damit durchgeführten Herstellungsverfahrens besteht jedoch darin, dass der Transport des Fasermaterialzuschnittes 30 zum Werkzeug 20 in automatisierter Weise (mittels des Roboters 14 samt Endeffektor 16) erfolgt und während dieses Transports ein Aufheizen des Fasermaterialzuschnittes 30 durch eine elektrische Bestromung des Fasermaterialzuschnittes 30 erfolgt.
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In der Energieversorgungs- und Steuereinheit 18 des Robotersystems integriert oder damit verbunden ist ein Heizgerät, welches die erforderliche(n) Heizspannungen) für die Beheizung des Zuschnittes 30 liefert (Wechsel- oder Gleichspannungen möglich). Im Heizgerät integriert oder damit verbunden kann eine in Koordination mit der eigentlichen Roboteransteuerung ansteuerbare, z. B. halbleiterelektronische Verschaltungsanordnung vorgesehen sein, mittels welcher eine instationäre und variabel anpassbare Verteilung der elektrischen Energie auf verschiedene Elektrodenkontakt-Anschlüsse bzw. -Anschlusspaare realisiert werden kann, etwa um eine bestimmte oder eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Zuschnittes 30 zu erzielen.
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Mit der beschriebenen Anordnung ist somit insbesondere eine voll automatisierte Erstellung von Vorformlingen möglich. Alternativ können damit jedoch auch gebrauchsfertige Faserverbundbauteile erstellt werden.
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Mithin wird bei der Herstellung des Vorformlings (bzw. Faserverbundbauteils) bereits eine Phase der Bereitstellung des Faservorformlings im Werkzeug 20, und zwar während des Transports des betreffenden Fasermaterialzuschnittes 30 zum Werkzeug 20, ein vorteilhaftes Aufheizen des Fasermaterials realisiert. Die Art und Weise der Aufheizung, nämlich durch eine direkte elektrische Bestromung, ist hierbei besonders energieeffizient, da die Wärme unmittelbar dort erzeugt wird, wo sie benötigt wird.
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Die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Bereitstellung eines Vorformlings seien mit Bezug auf das in 2 dargestellte Ablaufdiagramm nochmals wie folgt erläutert:
In einem ersten Schritt S1 erfolgt die Aufnahme eines Fasermaterialzuschnittes 30 mittels einer ”Transporteinrichtung”, die im dargestellten Beispiel vom Roboter 14 und dessen Endeffektor 16 gebildet ist.
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In einem Schritt S2 erfolgt der eigentliche Transport des Zuschnittes 30 mit gleichzeitigem Beheizen des von der Transporteinrichtung gehaltenen Zuschnittes 30 durch elektrisches Bestromen.
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In einem Schritt S3 erfolgt das Ablegen des aufgeheizten Zuschnittes 30 am Werkzeug 20.
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Ein optionaler Schritt S4 kann vorgesehen sein, falls als Zuschnitt 30 ein noch nicht mit dem Matrixmaterial vorimprägnierter Fasermaterialzuschnitt vorgesehen ist. Im Schritt S4 erfolgt dann ein Infiltrieren des betreffenden Fasermaterialzuschnittes mit dem Matrixmaterial (z. B. Epoxidharz).
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In einem Schritt S5 erfolgt ein Betrieb des Werkzeuges 20 zum Umformen und gegebenenfalls auch teilweisen bzw. vollständigen Aushärten des eingelegten Zuschnittes 30, so das der Vorformling bzw. das Bauteil fertiggestellt wird.
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Nochmals auf 1 zurückkommend umfasst der Endeffektor 16 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen ringförmig geschlossenen Rahmen 40, an welchem eine Mehrzahl von Halte/Bestromungsmodulen 42 zum Halten und Bestromen des Fasermaterialzuschnittes 30 angebracht ist.
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Die Halte/Bestromungsmodule 42 besitzen somit vorteilhaft eine Doppelfunktion, nämlich einerseits zum Halten des Zuschnittes 30 während des Transports an seinen Randbereichen, und zum anderen zur Stromeinleitung an diesen Stellen.
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Die Stromzufuhr zu den einzelnen Modulen 42 erfolgt über eine von der Energieversorgungs- und Steuereinheit 18 zum Endeffektor 16 verlaufende Leitungsanordnung 44. Die Einheit 18 versorgt und steuert im dargestellten Beispiel sowohl die Bewegungen des Roboters 14 als auch den Betrieb der Halte/Bestromungsmodule 42. Die Module 42 können jeweils eine in dieser Weise ansteuerbare Greifeinrichtung aufweisen, um ein zumindest teilautomatisiertes Aufnehmen des Fasermaterialzuschnittes 30 an der Anlieferungsstation 12 zu realisieren. Die Greifeinrichtung kann hierbei zangenartig ausgebildet sein, um den betreffenden Randbereich des Zuschnittes 30 klemmend zu halten und z. B. über die entsprechenden Klemmkomponenten (z. B. Spannbacken etc.) zusätzlich auch die Stromeinleitung zu realisieren. Eine hierfür geeignete Ausgestaltung der Halte/Bestromungsmodule 42 wird unten mit Bezug auf die 3 bis 8 beschrieben.
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Durch eine angepasste Stromeinleitungssteuerung für eine zu verarbeitende Zuschnittgeometrie lässt sich Aufheizzeit und notwendiger Energieeintrag reduzieren bzw. optimieren. Es versteht sich, dass die in 1 beispielhaft eingezeichnete Anzahl von 7 Halte/Bestromungsmodulen 42 in aüßerst vielfältiger Weise gemäß eines zeitlich variierenden Bestromungsschemas betrieben werden kann. Im einfachsten Fall fließt zu jedem Zeitpunkt ein Heizstrom von einem der Module 42 zu einem anderen Modul 42. Bevorzugt fließen jedoch zu jedem Zeitpunkt Ströme von mehreren der Module 42 zu mehreren anderen der Module 42.
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Bei dem Beispiel gemäß 1 ist die Transporteinrichtung bestehend aus dem Roboter 14 und dem Endeffektor 16 vorteilhaft modular aufgebaut. So kann zur Anpassung an verschiedene Größen und/oder Formate des Fasermaterialzuschnittes 30 vorteilhaft ein jeweils passender Rahmen 40 am Roboter 14 montiert werden. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, die einzelnen Halte/Bestromungsmodule 42 mit Mitteln zur lösbaren Befestigung (z. B. Verschraubung) an einem derartigen Rahmen 40 auszustatten. Diese Befestigungsmittel und korrespondierend dazu am Rahmen 40 vorgesehene Befestigungsmittel sind hierbei bevorzugt so vorgesehen, dass die Anzahl und konkrete Anordnung der Halte/Bestromungsmodule 42 an einem bestimmten Rahmen 40 variabel ist.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Die 3 und 4 zeigen ein spezielleres Ausführungsbeispiel eines beispielsweise in der Anordnung 10 von 1 verwendbaren Halte/Bestromungsmoduls 42a.
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Das Modul 42a umfasst eine Greif/Bestromungseinheit 50a zum Greifen und Bestromen des (in den 3 und 4 nicht dargestellten) Fasermaterialzuschnittes und eine am betreffenden (in den 3 und 4 nicht dargestellten) Rahmen anzubringende Lineareinheit 60a zur Bewerkstelligung von Verlagerungsvorgängen (hier: Linearverschiebungen) der Greif/Bestromungseinheit 50a bezüglich des Rahmens.
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Die Greif/Bestromungseinheit 50a umfasst im dargestellten Beispiel zwei zangenartig zueinander bewegbare Spannbacken 52a und 54a. Im Beispiel ist die (obere) Spannbacke 52a feststehend, wohingegen die (untere) Spannbacke 54a schwenkbeweglich gelagert ist. Beim Öffnen bzw. Schließen der Spannbacken 52a, 54a ist im dargestellten Beispiel ein Verschwenkungswinkel von mehr als 90° vorgesehen.
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Die 3 und 4 zeigen die Spannbackenanordnung 52a, 54a im geschlossenen Zustand. Der Antrieb, hier Schwenkantrieb der verschwenkbar gelagerten Spannbacke 54 wird durch einen Kraftspanner 56a der Greif/Bestromungseinheit 50a bewerkstelligt, der z. B. elektrisch oder hydraulisch betätigbar ausgebildet sein kann. Die Greif/Bestromungseinheit 50a ist wie dargestellt mit der Lineareinheit 60a verbunden (z. B. verschraubt).
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Die Lineareinheit 60a umfasst im dargestellten Beispiel einen wieder z. B. elektrisch oder hydraulisch antreibbaren Linearschlitten 62a mit einer ein- und ausfahrbaren Schubstange 64a zur ansteuerbaren Variation des Abstandes zwischen den Einheiten 50a und 60a.
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Der Linearschlitten 62a bzw. dessen Korpus ist im dargestellten Beispiel nicht stationär am Rahmen sondern entlang einer parallel zur Schubstange 64a verlaufenden Führungsschiene 66a verschieblich gelagert, wobei diese Führungsschiene 66a mittels eines Befestigungsbleches 68a stationär am Rahmen angebracht ist. Mittels einer Zugfeder 70a ist der Linearschlitten 62a in Richtung weg von der Greif/Bestromungseinheit 50a vorbelastet.
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Die Funktionsweise des Halte/Bestromungsmoduls 42a im Rahmen eines Verfahrens der vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 bereits beschriebenen Art wird nachfolgend mit Bezug auf die 5 bis 8 erläutert. In diesen Figuren ist jeweils auch der zu verarbeitende Fasermaterialzuschnitt 30a eingezeichnet.
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5 zeigt einen Ausgangszustand des Moduls 42a. Die Spannbacken 52a, 54a sind geschlossen, der Zuschnitt 30a ist jedoch noch nicht aufgenommen. An der Lineareinheit 60a ist die Schubstange 64a eingefahren und die Zugfeder 70a entspannt, so dass die Greif/Bestromungseinheit 50a sich in einer zurückgefahrenen Stellung befindet.
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Zur Einleitung der Zuschnittsaufnahme werden in angesteuerter Weise die Spannbacken 52a, 54a mittels des Kraftspanners 56a geöffnet und mittels des Linearschlittens 62a durch Ausfahren der Schubstange 64a in eine zum Ergreifen des Zuschnittes 30a geeignete Stellung gebracht. 6 zeigt dieses Stadium des Verfahrensablaufs.
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Sodann werden die Spannbacken 52a, 54a geschlossen, so dass der Zuschnitt 30a am betreffenden Randbereich ergriffen wird. Daraufhin wird die Schubstange 64a wieder eingefahren, so dass der ergriffene Zuschnitt 30a im Rahmen abgespannt wird. Dieses Stadium ist in 7 dargestellt. Der in 7 eingezeichnete Pfeil verdeutlicht die Abspannrichtung (Linearbewegung der Greif/Bestromungseinheit 50a bezüglich der Lineareinheit 60a bzw. des Rahmens).
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Durch eine beispielsweise simultane Ansteuerung sämtlicher Halte/Bestromungsmodule 42a in der beschriebenen Weise ist die Aufnahme des Zuschnittes 30a von der Transporteinrichtung (vgl. Schritt S1 in 2) abgeschlossen. In dieser Situation gemäß 7 erfolgt sodann der Transport des aufgenommenen Zuschnittes 30a durch die geeignete Betätigung der Transporteinrichtung (z. B. Verschwenkung eines Roboterarms) mit gleichzeitigem Heizen des Zuschnittes 30a während des Transports.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel können vorteilhaft die Spannbacke 52a und/oder die Spannbacke 54a als Elektrodenkontakte zur Stromeinleitung genutzt werden, wobei deren Verkabelung mit einer Energieversorungs- und Steuereinheit (vgl. Einheit 18 in 1) auch ein individuelles Zuschalten und Wegschalten, d. h. Verbinden bzw. Trennen von einer Bestromungselektrode der Energieversorgungs- und Steuereinheit bewerkstelligen kann (vgl. Schritt S2 in 2).
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Am Ende des Transportprozesses, d. h. nach dem Ablegen des aufgeheizten Zuschnittes 30a am betreffenden Formwerkzeug (vgl. Schritt S3) ist im dargestellten Beispiel vorgesehen, dass der Zuschnitt 30a nicht von der Transporteinrichtung freigegeben wird, sondern während des mittels des Werkzeuges durchgeführten Verarbeitungsschrittes (insbesondere Umformung, vgl. Schritte S4 und S5 in 2) noch weiter von den Halte/Bestromungsmodulen 42a gehalten und gegebenenfalls auch bestromt wird.
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Ein Halten des Zuschnittes 30a nur an dessen Rand realisiert gewissermaßen eine ”Schwebeaufnahme”. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang eine rahmenartige Ausgestaltung des betreffenden Endeffektors (vgl. z. B. Endeffektor 16 in 1), welche eine Zugänglichkeit des aufgewärmten Zuschnittes 30a von oben und unten, für ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil, gewährleistet.
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Im dargestellten Beispiel sehr vorteilhaft wird durch die elastische Vorbelastung im Bereich der Lineareinheit 60a, hier also die Zugfeder 70a, eine gewisse Nachgiebigkeit der Greif/Bestromungseinheiten 50a realisiert. Dadurch kann der Zuschnitt 30a im gespannten Zustand z. B. zwischen formgebenden Ober- und Unterteilen eines betreffenden Pressenwerkzeuges gehalten werden, wobei während des Umformporzesses vorteilhaft eine dadurch gegebenenfalls entstehende Längenänderung ausgeglichen werden kann.
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8 veranschaulicht einen solchen Zustand, bei welchem der ergriffene und gespannte, im Werkzeug positionierte Zuschnitt 30a beim Umformprozess die Greif/Bestromungseinheiten 50a wieder mehr oder weniger von den jeweiligen Lineareinheiten 60a wegziehen kann (vgl. Doppelpfeil in 8).
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Die von der Lineareinheit 60a ausgeübte Zugkraft und/oder die von der Greif/Bestromungseinheit 50a ausgeübte Klemmkraft kann einstellbar vorgesehen sein, etwa in Anpassung an das zu verarbeitende Fasermaterial und/oder die mit dem Werkzeug durchgeführte Verarbeitung.
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Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, dass die von der Transporteinrichtung bewerkstelligte elektrische Beheizung des Zuschnittes 30a noch eine Zeit lang weiterbetrieben wird, nachdem der Umformprozess bereits begonnen hat.
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Nach Abschaltung der Heizung entzieht das üblicherweise z. B. aus Metall gebildete Werkzeug schnell Wärme aus dem Zuschnitt 30a, so dass z. B. ein enthaltener Thermoplastbinder erstarrt und der erstellte Vorformling seine Form beibehält.
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Der erstellte Vorformling kann sodann z. B. von demselben Roboter bzw. Endeffektor wieder aus dem Werkzeug entnommen werden.
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Die Spannbacken 52a, 54a können z. B. aus Aluminium oder Kupfer oder anderen Metallen bzw. Metalllegierungen gebildet sein. Denkbar ist auch eine Materialkombination, beispielsweise ein Backenkorpus aus einem Metall (z. B. Aluminiumlegierung) und ein oder mehrere daran angebrachte Stromeinleitungselemente aus einem Metall mit noch größerer elektrischer Leitfähigkeit (z. B. Kupfer bzw. Kupferlegierung).
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Je nach konkreter Dimensionierung der Spannbacken 52a, 54a bzw. der stromeinleitenden Elemente in Relation zu den Abmessungen des zu heizenden Zuschnittes 30a kann mit diesen Spannbacken in einfacher Weise z. B. eine jeweils punktförmige oder linienförmige Stromeinleitung am Zuschnitt 30a realisiert werden.
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Im beschriebenen Beispiel liegen die zur Bestromung vorgesehenen Elektrodenkontakte (Spannbacken 52a und/oder Spannbacken 54a) von einer bzw. beiden Flachseiten des Zuschnittes 30a her am Zuschnitt 30a an. Abweichend davon könnte durch entsprechende Formgestaltung der Spannbacken auch vorgesehen sein, dass die Elektrodenkontakte von einer bzw. beiden Flachseiten des Zuschnittes 30a her in das Innere des Zuschnittes 30a hineinragen. Insbesondere bei dickeren Zuschnitten 30a ist darüber hinaus denkbar, die Elektrodenkontakte vom lateralen Rand des Zuschnittes 30a her anliegen oder hineinragen zu lassen.
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Die 9 bis 11 veranschaulichen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer für die Erfindung geeigneten Transporteinrichtung und deren Verwendung.
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9 zeigt einen Endeffektor 16b, umfassend einen Rahmen 40b und daran angeordnete Halte/Bestromungsmodule 42b, beispielsweise der mit Bezug auf die 3 bis 8 bereits beschriebenen Art.
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Eine Besonderheit des Endeffektors 16b besteht darin, dass dessen Rahmenkomponenten aus modulartig zusammenmontierbaren Rahmenprofilen gebildet ist. Die einzelnen Rahmenprofile sind gewissermaßen einem ”Baukasten” entnommen und können für Verschraubungen (z. B. bei 80b) und/oder für gelenkige Anbindungen (z. B. bei 82b) geeignet ausgebildet sein. Ein solcher modularer Aufbau des Halterahmens 40b ermöglicht vorteilhaft die Handhabung hinsichtlich der Geometrie unterschiedlicher Fasermaterialzuschnitte bzw. Vorformlinge.
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Eine weitere Besonderheit des Endeffektors 16b besteht darin, dass unter Nutzung der profilierten Formgestaltung der Rahmenkomponenten die einzelnen Halte/Bestromungsmodule 42b für deren einfache Positionsanpassung entlang der Profile verschoben und z. B. durch eine (z. B. Schraub-)Klemmung fixiert werden können.
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Ansonsten entspricht die Funktionsweise des Endeffektors 16b den oben bereits beschriebenen Beispielen. So kann der Endeffektor 16b beispielsweise an einem Industrieroboter 14b angebracht verwendet werden, wie dies in 10 gezeigt ist.
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11 zeigt schließlich eine mögliche Fertigungsanordnung 10b unter Verwendung der Transporteinrichtung 14b, 16b.
