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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Bänder und mehrere Greifer, die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Bänder an ihrem Anfang greifen können, aufweist, wobei jeder Greifer auf einem Pfad zwischen einer Maximalposition und einer Abholposition hin und her bewegbar ist, und wobei die Abholposition an einer Garnübergabestelle vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation ist als die Maximalposition, wobei die Greifer jeweils einzeln auf zueinander im Wesentlichen parallelen Pfaden bewegbar sind, so dass die Garne oder Rovings oder Bänder parallel aufgespannt werden können.
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Faserverstärkter Kunststoff besteht aus Matrixmaterial und aus Fasern, die in das Matrixmaterial eingebettet sind und die u.a. die Zugfestigkeit liefern. Faserverstärkter Kunststoff wird besonders für hochbelastetete Bauteile verwendet, die trotzdem noch möglichst leicht sein sollen. Da die Fasern in Querrichtung keine Festigkeit vermitteln, müssen die Fasern so ausgerichtet sein, dass ihre Längsrichtung mit der jeweiligen Belastungsrichtung möglichst gut übereinstimmt. Um das zu erreichen, müssen die Fasern oft in verschiedene Richtungen gelegt werden. Je besser und genauer die Faserlage an die Belastung angepasst ist und je gleichmäßiger die Fasern angeordnet sind, umso besser wird das Bauteil sein. Für Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff gibt es zahlreiche Herstellverfahren. Für die Produktion von großen Stückzahlen gut anwendbare Verfahren gibt es derzeit allerdings nur bei rotationssymmetrischen oder plattenbzw. strangförmigen Bauteilen durch Wickeln oder Platten- bzw. Strangpressen.
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Komplexere hochwertige 3-D-Strukturen lassen sich dagegen nur sehr aufwändig herstellen, da das Herstellen der benötigten Faservorformlinge schwierig, langsam und teuer ist. Hochwertige Strukturen werden meist mit Endlosfasern hergestellt. Bei vielen Verfahren werden zunächst Faservorformlinge entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Bauteilform, sogenannte Preforms hergestellt, die überwiegend aus Fasern bestehen, welche oft in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind, um die notwendigen Faserrichtungen zu erzielen. Anschließend werden die Faservorformlinge dann mit dem Matrixmaterial getränkt oder bestrichen, gepresst und ausgehärtet oder gepresst und konsolidiert. Sowohl für das Herstellen der Faservorformlinge als auch für das Tränken und/oder Aushärten bzw. Konsolidieren der Bauteile können Formwerkzeuge entsprechend der gewünschten Bauteilform benutzt werden, auf oder in die der Faservorformling oder das Bauteil gelegt und gepresst wird.
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Damit die Faservorformlinge eine ausreichende Formstabilität für die Weiterverarbeitung aufweisen, werden sie mit kleinen Mengen Kleber oder Binder versehen und nach dem dreidimensionalen Drapieren fixiert, z.B. durch Trocknung oder durch Erhitzen und Abkühlen. Die Faservorformlinge werden meist durch Übereinanderlegen und Fixieren von vorgefertigten und vorverbundenen flächigen Halbzeugen erstellt. Solche Halbzeuge sind etwa Tapes oder Gewebe, Gelege oder Vliese, bei denen eine Vielzahl von einzelnen Garnen oder Rovings bereits zu einem flächigen Gebilde verwebt, vernäht oder verklebt sind. Von einem Garn spricht man bei Verwendung sogenannter Endlosfasern, d.h. wenn die Fasern von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden. Zahlreiche Garne, die unverdreht gleichzeitig von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden, nennt man Garnbündel oder Roving. Dabei können die Rovings aus bis zu mehreren Zehntausend Einzelgarnen, die auch Filamente genannt werden, bestehen. Häufig ist dabei ein hoher Anteil manueller Tätigkeiten notwendig. Komplexere Formen sind maschinell und mit hoher Stückzahl noch nicht herstellbar.
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Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Faservorformlingen für komplexere Bauteile ist das automatisierte Faserlegen. Dabei werden schmale Garnbündel oder Bänder aus Garnbündeln von einem Faserlegekopf über dem Formwerkzeug hin und her geführt, und dabei nebeneinander und übereinander darauf abgelegt, angepresst und fixiert. Für komplexere Bauteile ist eine aufwändige roboterartige Steuerung des Faserlegekopfes notwendig. Auch bei Einsatz von zwei, drei oder sogar vier Faserlegeköpfen parallel ist die Fertigungsgeschwindigkeit noch relativ langsam, da die Köpfe oft lange Wege zurücklegen müssen und da sukzessive mit schmalen Faserbündeln gearbeitet wird. Des Weiteren haben sie eine sehr lange und komplizierte Garnnachführung vom Spulengatter zum mehrachsig bewegten Legekopf. Eine solche Garnnachführung in Schläuchen mit speziellen Führungsklingen, um ein Verdrehen der Rovings zu verhindern, ist beispielsweise in
US 2008/0202691 A1 dargestellt.
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Die noch unveröffentlichte Anmeldung
DE 10 2011 007 018 der Anmelderin beschreibt eine Vorrichtung zum automatisierbaren Herstellen von Faservorformlingen mit mehreren parallel bewegbaren Greifern zum Aufspannen und Ablegen von Fasern in einer Lage auf einem Formwerkzeug. Die Greifer sind hierbei an einer Führungsvorrichtung, z.B. einer Stange befestigt, damit sie frei auskragend verfahren werden können. Für die Herstellung größerer Bauteile ist allerdings ein großer Verfahrweg nötig. Das führt entweder aufgrund von Durchbiegung und Schwingungen der Führungsvorrichtung zu einer gewissen Ungenauigkeit oder die Führungsvorrichtung muss entsprechend massiv ausgeführt werden, was die Verfahrgeschwindigkeit und damit die Arbeitsgeschwindigkeit wegen des Gewichts bzw. wegen der Trägheit begrenzt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Vorrichtung so weiterzuentwickeln, dass eine höhere Genauigkeit beim Herstellen der Faservorformlinge erzielt wird und gleichzeitig eine große Flexibilität und hohe Arbeitsgeschwindigkeit möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. An jedem Greifer ist ein erstes Positionierelement befestigt ist und zu jedem ersten Positionierelement ist mindestens ein entsprechendes zweites Positionierelement vorhanden ist, wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des zweiten Positionierelementes an einer Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers festlegbar ist. Die Greifer werden durch die Führungsvorrichtung, die beispielsweise als Stange oder Träger ausgeführt sein kann, entlang ihres Pfades verfahren. Mit Hilfe des ersten und zweiten Positionierelementes werden die Greifer an einer Position genau positioniert, so dass die Lage des Greifers exakt vorbestimmt werden kann, ohne dass aufwändige Regelung oder Programmierung bzw. eine hochgenaue und sehr steife Führungsvorrichtung notwendig sind. Die Positionierelemente könne hierzu jeweils eine Anschlagfläche aufweisen. Die Anschlagfläche kann sowohl in Richtung des Pfades als Anschlag dienen, als auch in eine oder beide Raumrichtungen senkrecht zum Pfad. Die Anschlagfläche kann dazu mehrere, zum Beispiel abgestufte oder gewinkelt angeordnete oder auch kegelförmige Anschlagflächen aufweisen. Das zweite Positionierelement kann auch verschiebbar entlang des Pfades des Greifers ausgeführt sein, um verschiedene Anschlagpositionen einstellen zu können. Durch die genauere Feinjustierung reicht es unter Umständen aus, wenn die Greifer durch die Führungsvorrichtung nur etwas ungenauer positioniert werden. Die Führungsvorrichtung kann daher leichter und einfacher ausgeführt sein. Die Führungsvorrichtung ist mit einem Antrieb verbunden, um den Greifer entlang seines Pfades verfahren zu können. Es können gegebenenfalls auch kräftigere und damit schwerere Greifer eingesetzt werden, ohne dass Toleranzprobleme auftreten. Insgesamt kann die Führung der Greifer mit mehr Toleranz ausgeführt werden, was Kosten erspart.
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Da weniger komplexer Steuerungsaufwand notwendig ist, können nicht nur mehr Teile pro Zeiteinheit gefertigt werden, sondern auch die Umstellung von einer Bauteilform auf eine andere ist viel schneller und flexibler möglich. Zusätzlich ist durch die mechanische Positionierung eine deutlich höhere Ausfallsicherheit gegeben als sie mit regelungstechnischen oder über Sensoren gesteuerten Lösungen unter vertretbarem Aufwand erreicht wird.
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Durch die genaue Positionierung kann auch die Aufnahme der Garne oder Rovings oder Bänder in den Greifer exakter erfolgen. Ebenso kann die Anordnung der aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder bzw. ihre Lage beim Ablegen genauer erfolgen. Dadurch wird es möglich, sehr schnell und mit wenig Fasermaterial, hochfeste und sehr belastungsgerecht gestaltete Faservorformlinge herzustellen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zu jedem ersten Positionierelement noch ein weiteres, drittes Positionierelement vorhanden ist, wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des dritten Positionierelementes an einer weiteren Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers festlegbar ist. Dadurch kann zumindest an zwei Stellen zum Beispiel beim Abholen der Garne oder Rovings oder Bänder an der Garnübergabestelle und an einem Formwerkzeug zur Ablage der Garne oder Rovings oder Bänder die Lage der Greifer genauer festgelegt werden.
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Besonders genau kann die Position festgelegt werden, wenn jeweils durch das Ineinandergreifen des ersten und des zweiten oder dritten Positionierelementes die Position des jeweiligen Greifers in einer Raumrichtung senkrecht zum Pfad, bevorzugt in beiden Raumrichtungen senkrecht zum Pfad festlegbar ist. Dadurch ist der Greifer und damit das aufgespannte Garn nicht nur entlang des Pfades, sondern auch quer dazu genauer positioniert.
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Eine vorteilhafte Ausführung sieht derart aus, dass jedes erste Positionierelement zumindest eine Erhebung, insbesondere eine kegelartige oder zentrierende Erhebung, aufweist und dass jedes zweite und/oder dritte Positionierelement eine entsprechend zur Erhebung passende Vertiefung aufweist. Dadurch greifen die Positionierelemente so ineinander, dass beim Zusammenfahren eine Zentrierung auf die gewünschte Position erfolgt.
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Eine alternative Ausführung sieht vor, dass jedes zweite und/oder dritte Positionierelement zumindest eine Erhebung, insbesondere eine kegelartige oder zentrierende Erhebung, aufweist und dass jedes erste Positionierelement zumindest eine entsprechend zur Erhebung passende Vertiefung aufweist.
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Für die erfindungsgemäße Ausführung sind ebenso Positionierelemente geeignet, die jeweils mehrere Erhebungen oder mehrere Vertiefungen aufweisen. Darüber hinaus kann auch sowohl das erste Positionierelement als auch das zweite und/oder dritte Positionierelement jeweils eine Erhebung und eine Vertiefung aufweisen, die beim Zusammenfahren wechselseitig ineinander eingreifen. Als Erhebung und dazu passende Vertiefung kommen auch in Betracht: Eckige oder zylindrische Zapfen, bevorzugt mit Anfasung an der Spitze, und dazu passende Löcher oder Führungsschienen mit entsprechenden Gegenstücken. Zusätzlich oder alternativ zur Anfasung der Erhebung, kann auch die jeweilige Vertiefung eine Anfasung aufweisen, um sicher Eingriff zu gewährleisten auch bei nicht ganz exakter Annäherung des Greifers.
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Es können auch für die Positionierung bezüglich der beiden Raumrichtungen quer zum Pfad zwei separate Erhebungen und Vertiefungen an den jeweiligen Positionierelementen vorhanden sein. Eine für die eine Raumrichtung und eine für die andere Raumrichtung. Zum Beispiel jeweils eine keilförmige Rippe und eine dazu passende Kerbe jeweils quer zur entsprechenden Raumrichtung.
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Da sich die Garnübergabestelle bevorzugt an der Maximalposition befindet, als bei maximal ausgefahrener Führungsvorrichtung ist es von besonders vorteilhaft, wenn das jeweilige zweite oder dritte Positionierelement an den Garnübergabestelle vorgesehen sind. Dadurch wird die Genauigkeit beim Klemmen der Garne oder Rovings oder Bänder in der Abholposition des Greifers erhöht.
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Besonders vorteilhaft kann die Erfindung auch eingesetzt werden für die nachfolgend beschrieben Vorrichtungen. Die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder können auf einem Tisch oder über ein Formwerkzeug, welche unter den aufgespannten Garnen oder Rovings oder Bändern angeordnet sind, abgelegt werden. Auf dem Tisch oder über dem Formwerkzeug entsteht eine Lage. Zum Abschneiden sind eine oder mehrere Trenneinrichtungen vorgesehen, die die Garne oder Rovings oder Bänder im Bereich der Garnübergabestellen trennen können. Nach dem Trennen kann eine weitere Lage beispielweise unter einem anderen Winkel aufgelegt werden.
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Die Garne oder Rovings oder Bänder sind bevorzugt aus Carbon-, Glas- oder Aramidfasern. Die Garne oder Rovings können auf dem Weg zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle gespreizt werden, so dass sie sauber nebeneinander liegend geklemmt werden. Das kann zum Beispiel durch mehrfaches Umlenken um Walzen oder Stangen erfolgen. Als Fasermaterial können auch Gewebe- oder Gelegebänder geklemmt werden. Um eine gewisse Formstabilität für den Faservorformling zu erreichen, können die Fasern oder Rovings oder Bänder bereits Bindermaterial enthalten oder es kann zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle oder nahe der Abholposition Bindermaterial aufgetragen werden. Das Bindermaterial kann auch erst auf die aufgespannte oder abgelegte Lage aufgebracht werden. Zum Beispiel durch Sprühen. Auf den Garnen oder Rovings oder Bändern kann auch bereits das Matrixmaterial aufgebracht sein, welches nach der Umformung dann konsolidiert bzw. ausgehärtet wird. In diesem Fall enthält der Faservorformling bereits Matrixmaterial in noch nicht ausgehärteter bzw. noch nicht voll konsolidierter Form.
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Die mehreren Abwickelstationen können beispielweise als sogenanntes Spulengatter ausgeführt sein. Dabei können die Garne oder Rovings von Spulen oder aus Garnknäuels (Bobbins) gezogen werden. Jede Garnübergabestelle bekommt Garne oder Rovings von einer oder von mehreren Abwickelstationen. An der Spule oder an der Garnübergabestelle oder dazwischen kann eine Einrichtung zur Regelung oder Einstellung und/oder eine Einrichtung zur Messung der Garnspannung vorhanden sein.
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Bevorzugt ist die Klemmbreite der Greifer jeweils 10 bis 500 mm, besonders bevorzugt 30 bis 100 mm. Dadurch lassen sich ausreichend fein die jeweiligen Bauteilkonturen abbilden. Gegebenenfalls können die Greifer auch verschiedene Breiten aufweisen, um entsprechende Konturen ohne unnötigen Aufwand abbilden zu können.
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Um eine sinnvolle Fläche für die Herstellung von Faservorformlingen erzeugen zu können bei gleichzeitig guter Flexibilität der Vorrichtung, ist es vorteilhaft, wenn mindestens 5 Greifer, bevorzugt mindestens 10 Greifer, besonders bevorzugt mindestens 20 bis maximal 40 Greifer vorhanden sind. Dadurch können komplexere Konturen gut abgebildet werden. Bei mehr als 40 Greifern wird allerdings der apparative Aufwand zu groß.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt einen Tisch aufweisen, der um eine Achse im Wesentlichen senkrecht zu den Pfaden drehbar ist und der im Wesentlichen senkrecht zu den Pfaden angehoben und abgesenkt werden kann. Durch das Anheben kann der Tisch beispielsweise in die Ebene der aufgespannten Garne gebracht werden, so dass diese besser auf ihm abgelegt werden können. Das Drehen des Tisches ermöglicht das Ablegen mehrerer Lagen unter verschiedenen Faserwinkeln für eine belastungsgerechte Herstellung des Faservorformlings, beispielsweise unter +/–30°, +/–45°, +/–60°, +/–90°. Der drehbare Tisch ist daher bevorzugt um +/–30° bis +/–90° drehbar.
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Um 3-dimensional verformte Faservorformlinge zu erzeugen, kann ein erstes Formwerkzeug vorhanden sein, das zwischen die Abholposition und die Maximalposition zumindest einiger Greifer gebracht werden kann, insbesondere so, dass dadurch die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder über das erste Formwerkzeug drapiert werden. Das erste Formwerkzeug kann beispielsweise auf dem Tisch befestigt sein und über diesen angehoben und abgesenkt, sowie gedreht werden. Besonders beim 3-dimensionalen Umformen mit gegebenenfalls hohem Umformgrad ist es wichtig, dass je Greifer unterschiedlich viel Garnlänge mit konstanter Garnspannung ausgezogen werden kann. Hier bietet die Erfindung große Vorteile ohne übermäßigen Aufwand, insbesondere da keine komplizierte Regelung notwendig ist. Durch die konstante Garnspannung kann ein Verziehen der Struktur des Faservorformlings reduziert werden.
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Zusätzlich zum ersten Formwerkzeug können eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge vorhanden sein, die so mit dem ersten Formwerkzeug zusammengefahren werden können, dass sie die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder 3-dimensional umformen. Dadurch sind stärkere Umformungen und auch eine genauere Formgebung möglich. Das weitere Formwerkzeug kann als eine Haube ausgebildet sein, die eine Gegenform zum ersten Formwerkzeug bildet und die Faserlage an dieses andrückt. Die weiteren Formwerkzeuge können auch als mehrere Stempel oder Teilhauben ausgebildet sein, die die Faserlage nur an bestimmten Stellen an das erste Formwerkzeug andrücken, zum Beispiel in konkaven Bereichen oder an Kanten Übergängen der Form. Die weiteren Formwerkzeuge können auch in verschiedenen Richtungen und gegenüber der Vertikalen geneigt verfahrbar ausgeführt werden, um die Faserlagen der gewünschten Form entsprechend an das erste Formwerkzeug andrücken zu können. Auch hier lässt sich die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzen.
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Um das Bindermaterial zu aktivieren oder um die Lagen formbar zu machen, kann das erste und/oder eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge beheizt sein. Ebenso kann das erste und/oder eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge aber auch gekühlt sein, um bereits vorgewärmtes Bindermaterial bei der Formgebung wieder zu verfestigen. Weiterhin kann eine Heizeinrichtung, insbesondere eine IR-Strahlereinrichtung oder eine beheizte Platte, vorgesehen sein, die die Fasern oder Rovings oder Bänder beim oder nach dem Aufspannen erwärmt. Dadurch kann Bindermaterial aktiviert oder die aufgespannte Lage verformbarer gemacht werden.
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Um die Ablagegenauigkeit zu Erhöhen und damit um bessere Faservorformlinge herstellen zu können, ist es von Vorteil das jeweilige zweite oder dritte Positionierelement an dem Tisch oder an dem ersten Formwerkzeug vorzusehen. Die ersten Positionierelemente können entweder so angeordnet sein, dass sie bei einer Bewegung des Greifers auf das zwischen Greifer und Garnübergabestelle befindliche erste Formwerkzeug in Eingriff mit dem zweiten oder dritten Positionierelement kommen. Oder die ersten Formwerkzeuge sind so angebracht, dass sie bei einer Bewegung des ersten Formwerkzeuges zwischen die Greifer und die Garnübergabestellen mit den zweiten oder dritten Positionierelementen in Eingriff kommen und so die genaue Positionierung der Greifer bewirken.
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Um die Garnspannung konstant halten zu können oder um überschüssig aufgespannte Garnlänge zurückziehen zu können, kann jedem Greifer zumindest eine Garnspeichereinrichtung zugeordnet sein, die zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle vorgesehen ist.. Die Garnspeichereinrichtung weist zumindest zwei ortsfest gelagerte Umlenkelemente und zumindest eine translatorisch, insbesondere im Wesentlichen vertikal zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition frei verschiebbar gelagerte Spannrolle auf, wobei die Umlenkelemente und die Spannrolle von den Garnen oder Rovings oder Bändern so umschlungen sind, dass die Spannrolle im Garnverlauf zwischen den Umlenkelementen angeordnet ist. Unter translatorisch frei verschiebbar gelagert wird verstanden, dass die Spannrolle in einer im Wesentlichen geradlinigen Weise verschiebbar ist. Beispielsweise in einer Schiene oder einer Führung und ohne dass dafür ein Antrieb vorgesehen ist. Eine Dämpfung oder eine gewisse Reibung oder eine gewisse Haltekraft können trotzdem vorhanden sein. Unter translatorisch soll gleichwohl auch noch eine geringe Krümmung des Verschiebeweges verstanden werden. Dabei besitzt die Spannrolle eine erste und eine zweite Endposition, zwischen denen sie verschiebbar ist. Die erste Endposition ist näher an den beiden Umlenkelementen als die zweite Endposition.
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Die Verschiebung wird durch eine kurzzeitige kleine Änderung in der Garnspannung ausgelöst, welche gegen die Gewichtskraft der Spannrolle oder gegen eine Haltekraft zum Beispiel von einer Feder wirkt. Durch die Verschiebung von der ersten Endposition in Richtung zur zweiten Endposition wird der Garnlaufweg zwischen den beiden Umlenkelementen verlängert, so dass Lauflänge zwischengespeichert wird. Die Geschwindigkeit der Garne oder Rovings oder Bänder ist während dieser Verschiebung am Auslauf kleiner als am Einlauf in die Garnspeichereinrichtung. Bei einer Verschiebung von der zweiten in Richtung zur ersten Endposition wird der Garnlaufweg zwischen den beiden Umlenkelementen verkürzt, die gespeicherte Lauflänge wird verringert. Während dieser Verschiebung ist die Geschwindigkeit am Auslauf größer als am Einlauf.
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Somit ist eine kurzzeitige Entkoppelung oder Umkehrung der Geschwindigkeiten beim Abwickeln und beim Aufspannen durch die Greifer oder beim Umformen möglich. Die Entkoppelung der Geschwindigkeit kann dafür genutzt werden, dass durch den Greifer beim Aufspannen bis über das Formwerkzeug hinaus ausgezogenes Garn zurückgezogen und somit die Garnspannung konstant gehalten wird, während der Greifer wieder in Richtung zum ersten Formwerkzeug verfahren wird, bis das erste Positionierelement mit dem am Formwerkzeug oder am Tisch befestigten Positionierelement im Eingriff ist. Die Garnspeichereinrichtung reagiert ohne extra Regelung auf die von außen vorgegebenen Geschwindigkeiten oder Garnspannungen und kompensiert somit vorübergehend auftretende Unterschiede. Die ortsfest gelagerten Umlenkelemente sind beispielsweise drehbar gelagerte Walzen oder Umlenkstangen.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden.
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1–4 bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
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1 beim Abholen der Rovings (Seitenansicht)
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2 beim Abholen der Rovings (Draufsicht)
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3 beim Aufspannen der Rovings (Draufsicht)
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4 beim Umformen der Rovings (Seitenansicht)
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5 Detail-Darstellung für eine Ausführung der Positionierelemente
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6 Darstellung eines Ausschnittes einer Vorrichtung beim Aufspannen (Draufsicht)
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7 Darstellung eines Ausschnittes einer Vorrichtung beim Anfahren der Greifer an erstes Formwerkzeug (Draufsicht)
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Die in den Figuren dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden für das Verarbeiten von Rovings beschrieben. Sie lassen sich aber analog genauso für Garne oder Bänder einsetzen. Die Vorrichtungen sind geeignet dazu, die folgenden Verfahrensschritte nacheinander oder teilweise parallel zueinander auszuführen:
- – Bereitstellen der Rovings und eventuell des Bindermaterials
- – Greifen der benötigten Rovings und eventuell des Bindermaterials, dabei Positionieren der Greifer durch die Positionierelemente
- – Aufspannen der benötigten Rovings durch entsprechendes Positionieren der Greifer
- – Drapieren oder Ablegen über ein erstes Formwerkzeug und dabei Heranfahren der Greifer an das erste Formwerkzeug mit Positionierung der Greifer durch Positionierelemente
- – Umformen mit einem weiteren Formwerkzeug
- – Fixieren der Lage aus Rovings
- – Abtrennen der Rovings im Bereich der Garnübergabestellen
- – Öffnen der Formwerkzeuge
- – Drehen und/oder Weitergeben eines Formwerkzeuges mit der aufgebrachten Lage
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Wiederholung des Ablaufes für das Aufbringen weiterer Lagen in derselben Vorrichtung oder in einer oder mehreren weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
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Als Fasermaterial für die Garne oder Rovings können Fasern z.B. aus Kohlenstoff (Carbon), Glas, oder Aramid oder andere Fasern verwendet werden. Und als Matrixmaterial für den faserverstärkten Kunststoff kommt z.B. thermoplastischer oder duromerer Kunststoff in Frage. Als Bindermaterial kann thermoplastischer Kunststoff, Duromer oder Klebstoff verwendet werden. Es kann entweder bereits als Hybridgarn oder Hybrid-Roving vorliegen, d.h. einzelne Fasern oder Garne sind aus Bindermaterial, oder es kann zusammen mit den Rovings vom Greifer mit aufgespannt werden oder es wird auf die drapierten Rovings aufgebracht oder aufgesprüht.
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Die 1–4 zeigen eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung. In 1 und 2 ist das Abholen der Rovings mithilfe der Greifer dargestellt. Einmal in Seitenansicht und einmal in Draufsicht. Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung ist ebenfalls erkennbar. Die Bereitstellung der Garne oder Rovings erfolgt über eine Vielzahl von Abwickelstationen 1, 2, 3, 4, in denen das Fasermaterial in Form von Spulen oder Garnknäuel (sogenannte Bobbins) bereitgestellt wird, und die in mehreren Reihen 1, 2 nebeneinander, hintereinander oder übereinander angeordnet sind. Die Anfänge der Garne oder Rovings 20 sind nur im jeweils benutzten Bereich für die benutzten Abwickelstationen 3, 4 schematisch dargestellt. Auch alle anderen Anfänge werden zu den entsprechenden Garnübergabestellen 14 eingefädelt, so dass sie von den zugehörigen Greifern in Abholposition 8 erfasst werden können. Die Lage der Abholpositionen ist mit 11 gekennzeichnet. So etwas wird zusammen auch als Spulengatter bezeichnet. Auf der anderen Seite der Vorrichtung sind die Greifer 6 in ihren Maximalpositionen 12 dargestellt. Die Klemmbreite eines Greifers ist bevorzugt etwas breiter als die wirkliche Breite der von einem Greifer geklemmten Rovings. Auch wenn nur gleichbreite Greifer dargestellt sind, so sind selbstverständlich auch Greifer mit unterschiedlichen Breiten möglich. Die Greifer müssen nicht unbedingt ihre Maximal- und Abholpositionen in einer Linie haben. Die Greifer sind jeweils an eine Führungsvorrichtung 10 gekoppelt. Die Führungsvorrichtung kann beispielsweise eine Stange oder ein Träger sein. Die Führungsvorrichtungen sind mit einem Antriebssystem verbunden. In der gezeigten Vorrichtung werden die Greifer parallel zueinander, auf linearen, waagrechten Pfaden verfahren. Sie können einzeln auch auf verschiedene Positionen verfahren werden.
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Die Greifer 8 befinden sich in Abholposition und holen jeweils an der ihnen zugeordneten Garnübergabestelle die Rovings ab, indem sie deren Anfänge 20 greifen. Um den Greifer 8 bei voll ausgefahrener Führungsvorrichtung 10 möglichst einfach aber genau positionieren zu können, sind ein erstes Positionierelement am Greifer 8 und ein zweites Positionierelement an der Garnübergabestelle 14 vorhanden, die sich in der Abholposition im Eingriff 26 befinden.
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Es können mehrere Abwickelstationen 3, 4, zu einer Gruppe zusammengefasst und einem Greifer 8 zugeordnet werden. Ein Greifer 8 kann mehrere Rovings zusammen greifen. Auf jeden Fall sollten mindestens so viele Abwickelstationen 3, 4 wie Greifer 8 vorgesehen sein. Jedem Greifer 8 ist eine Garnübergabestelle 14 zugeordnet. Weiterhin kann es einen Bindermaterialvorrat geben, der beispielsweise zwischen den Reihen der Abwickelstationen angeordnet sein kann. Das Bindermaterial kann aber auch zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle oder auf die aufgespannten Rovings aufgetragen werden. Zwischen Abwickelstation 3, 4 und Garnübergabestelle 14 ist eine Garnspeichereinrichtung 13 angeordnet. Für jeden Greifer 8 ist eine eigene Garnspeichereinrichtung 13 vorgesehen, die je nach der jeweiligen Abzugsgeschwindigkeit reagieren können. Die Rovings werden über zwei Umlenkelemente 9 und eine dazwischen befindliche, translatorisch frei verschiebbar gelagerte Spannrolle 5 geführt. Die Spannrolle 5 ist zwischen einer ersten Endposition 5a und einer zweiten Endposition 5b im Wesentlichen vertikal verschiebbar. Dadurch verkürzt oder verlängert sich der Garnlaufweg. Die Verschiebung kann zum Beispiel in Schienen oder anderen Führungen realisiert werden. Wird beim Aufspannen kurzzeitig mehr Rovinglänge an der Garnübergabestelle 14 vom Greifer 8 abgezogen, als nachher beim Umformen benötigt wird, so wird die Spannrolle 5 angehoben. Der Speicher entleert sich. Ist das Aufspannen beendet und wird später der Greifer an das Formwerkzeug herangefahren, so bewegt sich die Spannrolle 5 nach unten. Die Rovings werden zurückgezogen. Der Speicher wird wieder gefüllt.
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Durch die Garnspeichereinrichtung 13 kann die Abzugsgeschwindigkeit an der Garnübergabestelle 14 von der Fördergeschwindigkeit am Einlauf kurzzeitig entkoppelt werden, was nicht nur ein Rückspulen sondern auch hohe Taktraten mit schnellen Wechseln in der Abzugsgeschwindigkeit erlaubt, ohne dass die Fördergeschwindigkeit an den Abwickelstationen 3, 4 verändert werden muss. Dadurch ist beispielsweise eine hohe Verteilungsqualiät in der Breite trotzdem gewährleitstet. Das ist insbesondere von Vorteil wenn zwischen Abwickelstation 3, 4, und Garnspeichereinrichtung 13 eine hier nicht dargestellte Garnaufbereitung, wie zum Beispiel eine Spreizeinrichtung oder eine Binderauftragseinheit vorhanden sind. Sowohl das Spreizen als auch der Binderauftrag erfordern eine möglichst gleichmäßige Garngeschwindigkeit.
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Zusätzlich ist ein erstes Formwerkzeug 18 auf einem Hubtisch 17 dargestellt, wobei das Formwerkzeug 18 auf oder mit dem Hubtisch 17 gedreht werden kann. Ein weiteres Formwerkzeug 16, das als Haube ausgeführt ist, ist in Abfahrposition also außerhalb der Pfade der Greifer dargestellt. Das weitere Formwerkzeug 16 ist in der Draufsicht nicht dargestellt. Und eine entsprechende Bewegungs- oder Absenkeinrichtung für das weitere Formwerkzeug 16 ist auch nicht extra dargestellt. Das weitere Formwerkzeug kann auch mehrteilig zum Beispiel aus mehreren Stempeln aufgebaut sein. Auf dem ersten Formwerkzeug 18 ist eine bereits abgelegte Lage 23 aus Rovings dargestellt.
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3 zeigt die Vorrichtung in Draufsicht beim Aufspannen der Rovings 21. Die Greifer sind in einer Zwischenposition 15, wobei sich nun die ersten Positionierelemente an den Greifern 15 mit den dritten Positionierelementen am ersten Formwerkzeug im Eingriff 27 befinden. Je nach Form können die Greifer auch auf verschiedene Zwischenpositionen gefahren werden, so dass ein konturnahes Aufspannen mit wenig Verschnitt an teurem Fasermaterial möglich wird. Die Greifer 15 spannen eine Lage aus Rovings gleichzeitig auf. Durch die Positionierelemente wird die Lage der Rovings exakt festgelegt, so dass eine genaue Ausrichtung und damit eine hohe Qualität im Faservorformling erreicht wird. Über den aufgespannten Rovings 21 kann eine Heizeinrichtung, z.B. einer oder mehrere IR-Strahler, vorgesehen sein, um eventuell aufgebrachtes Bindermaterial oder bereits vorhandenes Matrixmaterial zu erwärmen und somit zu aktivieren.
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4 stellt die Vorrichtung beim Umformen der aufgespannten Faserlage dar. Der Hubtisch 17 ist nach oben gefahren, so dass die Rovings 22 über das erste Formwerkzeug 18 drapiert werden. Das weitere Formwerkzeug 16 ist mit dem ersten Formwerkzeug 18 zusammengefahren, so dass die Rovings 22 entsprechend umgeformt werden. Die Greifer 15 sind ohne aufwändige Regelung oder Sensoren über den Eingriff 27 der Positionierelemente exakt in der gewünschten Lage gehalten.
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Während des Umformens wird besonders bei komplizierteren 3-dimensionalen Bauteilen relativ viel zusätzliche Garnlänge in kurzer Zeit benötigt, um die Garnspannung konstant halten und damit ein Verschieben vermeiden zu können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt ein schnelles Schließen und Umformen. Das erste Formwerkzeug 18 und/oder das weitere Formwerkzeug 16 können beheizt sein, um Bindermaterial oder bereits vorhandenes Matrixmaterial zu erwärmen. Alternativ können das erste Formwerkzeug 18 und/oder das weitere Formwerkzeug 16 auch gekühlt sein, um bereits erwärmtes Bindermaterial abzukühlen und die Form somit zu fixieren.
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In 5 ist eine beispielhafte Ausführung für die Positionierelemente in Seitenansicht dargestellt. Das erste Positionierelement 24 ist mit dem jeweiligen Greifer 15‘ verbunden. Über eine Führungsvorrichtung 10‘ kann der Greifer entlang seines Pfades verfahren werden. Am ersten Formwerkzeug 18‘ ist ein zweites oder drittes Positionierelement 25 vorhanden. Das erste Positionierelement 24 weist eine Erhebung 28 auf, die in die entsprechende Vertiefung 29 am zweiten oder dritten Positionierelement 25 passt, wodurch beim Heranfahren des Greifers 15‘ an das erste Formwerkzeug 18‘ eine exakte mechanische Feinjustierung der Lage des Greifers 15‘ relativ zum ersten Formwerkzeug 18‘ erfolgt. Ist die Erhebung 28 beispielsweise als Keilleiste und die Vertiefung 29 als Kerbe ausgeführt, so ist eine exakte Positionierung in Richtung des Pfades und senkrecht dazu in der Höhenlage gegeben. Ist die Erhebung 28 als Kegel und die Vertiefung 29 entsprechend passend ausgeführt, so wird der Greifer 15‘ auch noch in die zweite Raumrichtung quer zum Pfad, also in Querrichtung (in die Blattebene hinein) exakt ausgerichtet.
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Alternativ kann die Erhebung auch als Zapfen, Zentrierstift, Führungsschiene oder Führungsstück ausgebildet sein. Die Vertiefung muss entsprechend passend ausgeführt sein. Sowohl Erhebung als auch Vertiefung können Anfasungen haben, um den Eingriff beim Annähern zu erleichtern.
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6 und 7 zeigen einen Ausschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. In 6 sind die Greifer 7 über die Führungsvorrichtungen 10‘ so verfahren, dass sie die gegriffenen Rovings über dem ersten Formwerkzeug 18‘‘ aufspannen. Wenn das erste Formwerkzeug 18‘‘ dann durch Anheben zwischen Greifer 7 und Garnübergabestellen gebracht ist, werden die Greifer an das erste Formwerkzeug 18‘‘ herangefahren. Die Garnspeichereinrichtungen sorgen währenddessen für ein Rückspulen der Rovings und für konstante Garnspannung. Am Formwerkzeug werden die Greifer 15‘‘ in ihrer Position exakt ausgerichtet durch den Eingriff 27‘ der Positionierelemente. Durch einen Wechsel des Formwerkzeuges kann schnell auf die Herstellung eines Faservorformlings für ein anderes Bauteil umgestellt werden. Die neue Lage der Greifer wird mechanisch durch die Positionierelemente am Formwerkzeug festgelegt, ohne dass eine Regelung oder Steuerung umgestellt werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Reihen von Abwickelstationen
- 3, 4
- Abwickelstationen in Benutzung
- 5
- Spannrolle
- 5a
- erste Endposition
- 5b
- zweite Endposition
- 6
- Reihe von Greifern
- 7
- Reihe von Greifern in Aufspannposition
- 8
- Greifer in Abholposition
- 9
- Umlenkelemente
- 10, 10‘, 10‘‘
- Führungsvorrichtung
- 11
- Lage der Abholpositionen
- 12
- Lage der Maximalpositionen
- 13
- Reihe von Garnspeichereinrichtungen
- 14
- Reihe von Garnübergabestellen
- 15, 15‘, 15‘‘
- Greifer in Zwischenposition am ersten Formwerkzeug
- 16
- weiteres Formwerkzeug
- 17
- Hubtisch
- 18, 18‘, 18‘‘
- erstes Formwerkzeug
- 19
- weitere Garnspeichereinrichtung
- 20
- Anfänge der Rovings
- 21
- aufgespannte Rovings
- 22
- drapierte Rovings
- 23
- bereits abgelegte Lage aus Rovings
- 24
- erstes Positionierelement
- 25
- zweites oder drittes Positionierelement
- 26
- Eingriff von erstem in zweites Positionierelement
- 27, 27‘
- Eingriff von erstem in drittes Positionierelement
- 28
- Erhebung
- 29
- Vertiefung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0202691 A1 [0005]
- DE 102011007018 [0006]
