-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Drapieren von flächigen Halbzeugen auf einer Preformvorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, insbesondere einer Faserverbundpreform nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Verfahren zum Spritzpressen, insbesondere das Resin-Transfer-Moulding (RTM) Verfahren, sind auch zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere Faserverbundbauteilen, bekannt. Dabei wird ein mehrschichtiges Gelege aus flächigen Halbzeugen, insbesondere aus textilen Halbzeugen, beispielsweise Faserstoffen, insbesondere Multiaxialgelege, Gewebe oder Vliese, übereinander drapiert, wobei ein Halbzeug, insbesondere das Gelege, mindestens eine Schicht aushärtbaren Bindemittels, beispielsweise mit thermoplastischen Eigenschaften, umfasst. Dem Halbzeug, insbesondere dem Gelege, wird mittels Anpressens an eine Preformvorrichtung die zu erzielende Form aufgeprägt. Möglich ist auch, dass ein Bindemittel in Abhängigkeit von der Zeit von selbst härtet bzw. von selbst vernetzt, wie es beim 2-Komponenten-Kleber oder bei einem Kleber auf Basis eines Lösungsmittels, welches verdunstet, der Fall ist. Das Bindemittel kann auch durch Abkühlung das Gelege fixieren, wie es bei der Verwendung von Thermoplaste als Bindemittel der Fall ist. Auch sind Bindemittel bekannt, die mittels eines Fluids aushärten, wie es beim einkomponentigen Polyurethan-Kleber, welcher beispielsweise mittels des in der Luft befindlichen Wasserdampfdrucks chemisch aushärtet, der Fall ist.
-
Insbesondere textile Halbzeuge, die zu einem Gelege, insbesondere zu einer Preform, drapiert werden, lassen sich schwer automatisiert positionieren und übereinanderschichten, da eine Homogenität der Faserrichtung oder der Faserdichte einer jeden Schicht große Anforderungen an die automatisierte Verarbeitung stellt. Eine übermäßige oder ungeplante Ondulation im Gewebe ist dabei nicht erwünscht, da diese eine unkontrollierbare geringere Festigkeit des Faserverbundwerkstoffs verursachen kann.
-
Aus
DE 10 2010 054 933 A1 ist die Herstellung einer komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform bekannt.
-
Auch ist eine automatisierte Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen bekannt, wie diese beispielsweise in
DE 10 2010 043 666 A1 offenbart ist.
-
Aus
DE 10 2010 047 581 A1 ist eine automatisiert betreibbare Greifvorrichtung bekannt, mit der textile Halbzeuge aufgenommen, positioniert und gehalten werden können. Dabei sollen die genannten Nachteile der automatisierten Bewegung von textilen Halbzeugen vermieden werden, indem die Greifvorrichtung eine flexibel verformbare Membran aufweist, welche möglichst großflächig das Halbzeug kontaktiert und mittels integrierter Unterdruckdüsen das Halbzeug möglichst großflächig an die Membran saugt.
-
WO 2010/031 364 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundwerkstoffbauteilen sowie eine Andruckeinheit, die ein mit Fluid gefülltes Andruckkissen aufweist.
-
DE 10 2009 009 186 A1 zeigt eine Anpressvorrichtung zum Anpressen von faserverstärkten thermoplastischen Materialien, bei der ein temperierbarer Grundkörper eine Anpressschicht aufweist, die sich aufgrund einer immanenten Flexibilität beim Anpressen an die Kontur einer Form anpassen kann.
-
DE 20 2009 014 155 U1 offenbart eine Vorrichtung zum Legen von flachen Bauteilen, die eine Legefläche aufweist, die auf einem Formwerkzeug abgerollt werden kann.
-
US 5 078 821 A zeigt eine Vorrichtung zum Anordnen von Schichten aus einem thermoplastischen Material mittels einer Rolle.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, textile Halbzeuge automatisiert reproduzierbar mit minimaler Schädigung der Halbzeuge zu drapieren, an die Kontur einer Preformvorrichtung anzupassen und zu fixieren.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass die biegsame, eine Biegesteifigkeit aufweisende Hülle in einem Zustand, bei dem das wenigstens eine flächige Halbzeug an die Kontur der Preformvorrichtung angedrückt ist, vom wenigstens einen Halbzeug abrollbar ist, wobei die Hülle in mindestens einem dem wenigstens einen Halbzeug zugewandten Bereich eine sphärische Form aufweist und die Hülle in einem dem wenigstens einen Halbzeug zugewandten Bereich eine geringere Biegesteifigkeit aufweist als in einem dem wenigstens einen Halbzeug abgewandten Bereich, ist vorteilhaft möglich, eine große Fläche des Halbzeugs an eine weitgehend beliebig konturierte Oberfläche der Preformvorrichtung, mit beispielsweise komplexen Geometrien, gleichmäßig und automatisiert anzudrücken. Die erfindungsgemäß unterschiedliche Biegesteifigkeit der Hülle an unterschiedlichen Stellen der Hülle kann sowohl aus einer unterschiedlichen Materialdicke der Hülle als auch aus einer unterschiedlich stark gekrümmten Oberfläche der Hülle, also einem unterschiedlich starken Radius der sphärischen Form des entsprechenden Teilbereichs der Hülle, resultieren.
-
Ein dadurch erzielter Vorteil ist, dass ein mittels der Hülle erzielbarer Druck auf das wenigstens eine Halbzeug derart gleichmäßig realisiert werden kann, dass im Zustand, wo das Halbzeug an die Kontur der Preformvorrichtung angedrückt ist, jeder Teilbereich der Oberfläche des wenigstens einen Halbzeugs bzw. der Preformvorrichtung mit einem dem Betrag nach gleich großen Druck lotrecht zur Oberfläche des wenigstens einen Halbzeugs bzw. zur Oberfläche der Preformvorrichtung andrückbar ist, also eine gleichmäßige Druckverteilung realisierbar ist.
-
Trotz einer möglichen Ortsveränderung der angedrückten Fläche kann die Größe der angedrückten Fläche beibehalten werden. Vorteilhafterweise kann also eine großflächig auf das Halbzeug und somit indirekt auch auf die Preformvorrichtung angedrückte Fläche der Hülle über das Halbzeug und somit indirekt auch auf die Preformvorrichtung bewegt werden, ohne dass es zu einer Reibung zwischen dem Halbzeug und der Hülle infolge einer Verschiebung eines Oberflächenelements der Hülle gegenüber einem Oberflächenelement des Halbzeugs käme, da die Verschiebung entlang einer durch eine Grenzschicht zwischen einem Oberflächenelement der Hülle und einem Oberflächenelement des Halbzeugs gebildeten Ebene erfindungsgemäß nicht stattfindet. Vorteilhaft dabei ist, dass eine Ondulation der Fasern bei insbesondere textilen flächigen Halbzeugen, wie bei einem Gelege aus textilen Halbzeugen, vermieden wird und dennoch das Greifen, Positionieren und Andrücken automatisiert erfolgen kann.
-
Die vom wenigstens einen Halbzeug abrollbare Hülle, in einem Zustand, bei dem das wenigstens eine Halbzeug an die Kontur der Preformvorrichtung angedrückt ist, weist eine Größe eines Flächeninhalts der angedrückten Oberfläche auf von vorzugsweise zwischen 32 % und 200 %, bevorzugt zwischen 56 % und 114 %, bevorzugter zwischen 68 % und 94 %, und ebenfalls bevorzugt zwischen 74 % und 86 % einer Größe eines Flächeninhalts einer maximal großen Fläche, welche aus einem ebenen vollständigen Schnitt durch nur die Hülle, in einem nicht an das Halbzeug gedrückten Zustand, hervorgeht.
-
Vorzugsweise weist das Werkzeug eine Ballonform auf, kann also einen Konturballon aufweisen, da sich der Konturballon an eine Kontur der Preformvorrichtung anpassen kann. Um eine Relativbewegung in vorzugsweise bis zu sechs Freiheitsgraden zwischen dem Werkzeug und der Preformvorrichtung ausführen zu können, also damit das Werkzeug über das Halbzeug führbar ist, weist die Preformvorrichtung vorzugsweise ein Anschlusselement auf, welches ausgebildet ist, die Preformvorrichtung mit einem Roboterarm, also einem Manipulator, zu verbinden, und vorzugsweise weist das Werkzeug ein Anschlusselement auf, welches ausgebildet ist, das Werkzeug mit einem Roboterarm, also einem Manipulator, zu verbinden. Infolge der Biegesteifigkeit setzt die Hülle einer Biegung der Hülle, also einer lotrecht auf die Hülle einwirkenden Kraft, eine Kraft entgegen, welche umso größer ist, je größer die Biegesteifigkeit der Hülle ist. Die Biegesteifigkeit der Hülle kann allein durch Variation der Materialdicke der Hülle oder Variation des Hüllmaterials angepasst werden. Die Hülle weist in mindestens einem Teilbereich der Hülle eine sphärische Form, also die Form eines Teils einer Kugeloberfläche, auf. Dieser Teilbereich mit der sphärischen Form schließt sich in einem Zustand, in dem das Werkzeug an das Halbzeug bzw. an die Preformvorrichtung angedrückt ist, an einen benachbarten Teilbereich direkt an, wobei der benachbarte Teilbereich angedrückt mit dem Halbzeug bzw. mit der Preformvorrichtung verbunden ist.
-
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkzeug mit einem Fluid befüllbar ist. Dazu weist das Werkzeug mindestens eine Öffnung auf, mit welcher eine Füllmenge des Fluids variierbar ist. Vorteilhafterweise ist dadurch die Biegesteifigkeit der Hülle in Abhängigkeit von der Füllmenge veränderbar.
-
Das Fluid kann, auch im Sinne der nachfolgend genannten Merkmale, ein Gas, ein Gasgemisch wie beispielsweise Luft, eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Dispersion oder ein Gemenge wie beispielsweise ein granulares Schüttgut, sein. Vorteilhafterweise übernimmt die veränderbare Füllmenge auch die Funktion von Aktoren, mit welchen die Hülle in eine entsprechende Form gebracht werden kann.
-
Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Werkzeug eine Fluid-Einlass-Öffnung und eine Fluid-Auslass-Öffnung aufweist. Dabei sind die Öffnungen voneinander beabstandet, und das Fluid, mit welchem das Werkzeug befüllbar ist und/oder mit welchem die Hülle aussteifbar ist, gehört demselben stofflichen Kreislauf an wie ein Fluid, welches durch die beiden Öffnungen strömbar ist.
-
Infolge des gemeinsamen stofflichen Kreislaufes des Fluids ist es vorteilhaft möglich, das Fluid, vorzugsweise mindestens außerhalb des Werkzeugs, zu temperieren. Bevorzugt ist, ein derart temperiertes Fluid in das Werkzeug zu leiten, so dass ein Wärmestrom durch die Hülle erfolgen kann. Bei einer Kühlung des Halbzeugs erfolgt der Wärmestrom, vorzugsweise eine Wärmeleitung, vom wenigstens einen Halbzeug durch die Hülle zum Fluid, wobei ein das Werkzeug verlassendes Fluid wärmer ist als das in das Werkzeug strömende Fluid. Bei einer Erwärmung des wenigstens einen Halbzeugs erfolgt der Wärmestrom, vorzugsweise eine Wärmeleitung, vom Fluid durch die Hülle zum wenigstens einen Halbzeug, wobei ein das Werkzeug verlassendes Fluid kälter ist als das in das Werkzeug strömende Fluid.
-
Die Hülle kann in mindestens einem dem wenigstens einen Halbzeug zugewandten Bereich eine Permeabilität aufweisen. Die Permeabilität im Sinne dieser Erfindung ist eine Eigenschaft eines Bereichs der Hülle, ein geeignetes Fluid vorzugsweise gleichmäßig und großflächig durch die Hülle strömen zu lassen. Dabei sind beide Strömungsrichtungen, von innen nach außen als auch von außen nach innen möglich. Als vorteilhaft für ein Durchströmen erweist sich beispielsweise eine poröse oder faserige Struktur der Hülle. Die Permeabilität der Hülle bringt als Vorteil hervor, dass ein temperiertes Fluid durch die Hülle strömen kann und somit die das Halbzeug temperierende Wirkung verstärkt wird. Als weiterer Vorteil ergibt sich aus der Permeabilität der Hülle, dass ein Inneres der Hülle mit einem Unterdruck beaufschlagt werden kann, um das mindestens eine Halbzeug großflächig und gleichmäßig an das Werkzeug anzusaugen. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein Greifen und Transportieren des mindestens einen Halbzeugs realisieren.
-
Darüber hinaus ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Hülle ein aktives Element mindestens teilweise umhüllt, wobei das aktive Element ausgebildet ist, eine Aktivierungsenergie in Richtung des wenigstens einen Halbzeugs zu emittieren.
-
Auch ist es möglich, dass das aktive Element ein eine Fixierung des Halbzeugs aktivierendes Fluid, welches durch die Hülle strömen kann, ist. Vorteilhafterweise kann das aktive Element, vorzugsweise das eine Fixierung aktivierende Fluid, das wenigstens eine Halbzeug, vorzugsweise das textile Gelege mit fixierbarem Stoff, fixieren. Das Fixieren kann dabei beispielsweise auf chemischem Wege, durch chemisches Aushärten des fixierbaren Stoffs, oder auch auf physikalischem Wege, durch Verdunsten von Lösungsmitteln oder Aushärten einer Schmelze, stattfinden. Ferner ist es bevorzugt, dass das aktive Element eine Heiz- und/oder eine Kühlfunktion aufweist. Beispielsweise ist das aktive Element ein Peltier-Element, ein Wärmestrahler, ein Laserstrahler, ein UV-Licht-Strahler, ein Ultraschall-Strahler oder eine Induktionswärmequelle, also ein Induktor, wobei die Induktionswärmequelle die Preformvorrichtung oder elektrisch leitfähige Elemente, beispielsweise Kohlenstofffasern, im wenigstens einen Halbzeug oder im aushärtbaren Bindemittel erwärmen kann.
-
Hierdurch ist vorteilhaft eine gezielte Fixierung bestimmter Bereiche des mindestens einen Halbzeugs, insbesondere in einer vorgebbaren Ort-Zeit-Abfolge, möglich. Vorzugsweise erwärmt das aktive Element einen Bereich des mindestens einen Halbzeugs, während gleichzeitig weitere, benachbarte Bereiche oder den erwärmten Bereich umschließende Bereiche gekühlt werden können bzw. inaktiv bleiben.
-
In einer besonders bevorzugten Variante weist die Vorrichtung einen Manipulator auf, welcher mit dem Werkzeug verbunden ist und/oder welcher mit der Preformvorrichtung verbindbar ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem wenigstens einen Halbzeug zu realisieren. Dabei kann die Preformvorrichtung mit dem Manipulator verbunden sein. Der Manipulator ist ausgebildet, eine Relativbewegung mit einem Freiheitsgrad, mit zwei, mit drei, mit vier, mit fünf oder mit sechs Freiheitsgraden zwischen dem Werkzeug und der Preformvorrichtung ausführen zu können.
-
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 schematisch eine Vorrichtung zum automatisierten Drapieren in einem nicht angedrückten Zustand,
-
2 schematisch eine Vorrichtung zum automatisierten Drapieren in einem angedrückten Zustand, und
-
3 schematisch eine Vorrichtung zum automatisierten Drapieren während einer erfindungsgemäßen Abrollbewegung.
-
Für ein Element, welches in Funktion und Aufbau einem Element aus einer davor genannten Figur entspricht, wird dasselbe Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt schematisch eine insgesamt mit 170 bezeichnete Vorrichtung zum Drapieren von wenigstens einem flächigen Halbzeug 110, insbesondere von mehreren Schichten von textilen Halbzeugen, also einem textilen Gelege, wobei das wenigstens eine flächige Halbzeug 110 vorzugsweise ebenfalls ein aushärtbares Bindemittel aufweist.
-
Als Teil eines Roboters ist ein Manipulator 130 mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug 100 verbunden, wobei ein erstes Anschlusselement für die Verbindung mit 121 bezeichnet ist.
-
Eine Preformvorrichtung 150 ist ebenfalls mit dem Manipulator 130 verbunden, wobei ein zweites Anschlusselement für diese weitere Verbindung mit 122 bezeichnet und als Boden dargestellt ist, auf dem der Roboter und die Preformvorrichtung 150 stehen.
-
Die Preformvorrichtung 150 weist eine Kontur 160, also eine komplexe dreidimensionale Geometrie, auf. Das Anschlusselement für die Verbindung des Werkzeugs 100 mit dem Manipulator 130 mündet in eine Basisplatte, die alle weiteren Bauteile des Werkzeugs 100 trägt. Als weiteres Bauteil weist das Werkzeug 100 eine biegsame, eine Biegesteifigkeit aufweisende Hülle 140, auch als Konturballon bezeichnet, auf. Die Basisplatte, und somit das Werkzeug 100, ist in sechs Freiheitsgraden gegenüber der Preformvorrichtung 150 mittels des Roboters beweglich, so dass das Werkzeug 100 über das wenigstens eine Halbzeug 110 im Sinne einer Relativbewegung 180 geführt werden kann.
-
2 zeigt in schematischer Darstellung die Vorrichtung 170 in einem angedrückten Zustand. Dabei weist das Werkzeug 100 als weitere Bauteile eine Fluid-Einlass-Öffnung 221 und eine Fluid-Auslass-Öffnung 222 auf, welche vorzugsweise mit der Basisplatte verbunden sind. Der angedrückte Zustand 210 ist durch Pfeile gekennzeichnet, welche lotrecht auf eine Oberfläche der Kontur 160 der Preformvorrichtung 150 zeigen und darstellen, dass sich die Hülle 140 an die Kontur 160 der Preformvorrichtung 150 anpasst.
-
Das Werkzeug 100, insbesondere der Konturballon, ist mit einem Fluid 230, vorzugsweise Luft, gefüllt, welches der Stabilisierung der Hülle 140 als auch als Heiz- oder Kühlmedium dient. Als weiteres Merkmal der Stabilisierung der Hülle 140 weist das Werkzeug 100 im Bereich der Basisplatte eine Verdickung der Hülle 140, also eine Verdickung der Außenhaut an den Flanken, auf. Als weiteres Bauteil weist das Werkzeug 100 ein aktives Element 240 auf, welches vorzugsweise mit der Basisplatte verbunden ist. Das aktive Element 240 ist von der Hülle 140 mindestens teilweise umhüllt. Vorzugsweise ist die Hülle 140 für die vom aktiven Element 240 emittierte Energieform weitgehend transparent. Bevorzugt ist das aktive Element 240 ein Induktor und vorzugsweise weist die Preformvorrichtung und/oder das mindestens eine Halbzeug 110 ein durch Induktion erwärmbares Material, beispielsweise Kohlenstofffasern, auf.
-
3 zeigt schematisch die Vorrichtung 170 während einer erfindungsgemäßen Abrollbewegung 310. Die Abrollbewegung 310 kann die Folge einer Parallelverschiebung des Werkzeugs 100 gegenüber der Preformvorrichtung 150 als auch die Folge einer den Abstand zwischen dem Werkzeug 100 und der Preformvorrichtung 150 variierenden Bewegung sein, bei der die Hülle 140 vom wenigstens einen Halbzeug 110 abrollt. Bei einer Parallelverschiebung, also einer im Sinne der 3 horizontalen Verschiebung, rollt ein erster Bereich der Hülle 140 derart auf das wenigstens eine Halbzeug 110 rauf, dass Bereiche des wenigstens einen Halbzeugs 110 von der Hülle 140 bedeckt werden, welche vor dem Raufrollen nicht von der Hülle 140 bedeckt waren. Dabei rollt ein dem ersten Bereich entgegengesetzter, zweiter Bereich der Hülle 140 derart vom wenigstens einen Halbzeug 110 ab, dass ein Bereich des wenigstens einen Halbzeugs 110, welcher von der Hülle 140 bedeckt war, nach dem Abrollen nicht mehr von der Hülle 140 bedeckt ist. Dabei führt die Hülle 140 in einem Bereich der Hülle 140, welcher mittels der Relativbewegung 180 über dem wenigstens einen Halbzeug 110 verschiebbar und auch in der Größe veränderbar ist, in welchem die Hülle 140 das wenigstens eine Halbzeug 110 an die Preformvorrichtung 150 andrückt, keine Relativbewegung 180 gegenüber dem wenigstens einen Halbzeug 110 aus.
-
Eine vertikale Relativbewegung 180, die den Abstand zwischen dem Werkzeug 100 und dem wenigstens einen Halbzeug 110 vergrößert, führt zu einer beidseitigen Abrollbewegung 310, während eine vertikale Relativbewegung 180, die den Abstand zwischen dem Werkzeug 100 und dem wenigstens einen Halbzeug 110 verkleinert, zu einer beidseitigen Raufrollbewegung 310 führt, wobei auch hierbei die Hülle 140, in einem Bereich der Hülle 140, welcher mittels der Relativbewegung 180 in der Größe veränderbar ist, in welchem die Hülle 140 das wenigstens eine Halbzeug 110 an die Preformvorrichtung 150 andrückt, keine Relativbewegung 180 gegenüber dem wenigstens einen Halbzeug 110 ausführt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Werkzeug
- 110
- wenigstens ein Halbzeug
- 121
- verbunden im Sinne eines ersten Anschlusselements
- 122
- verbindbar im Sinne eines zweiten Anschlusselements
- 130
- Manipulator
- 140
- Hülle
- 150
- Preformvorrichtung
- 160
- Kontur
- 170
- Vorrichtung zum Drapieren
- 180
- führbar im Sinne einer Relativbewegung
- 210
- angedrückter Zustand im Sinne von andrückbar
- 221
- Fluid-Einlass-Öffnung
- 222
- Fluid-Auslass-Öffnung
- 230
- Fluid
- 240
- aktives Element zum Aktivieren einer dauerhaften Fixierung
- 310
- abrollbar im Sinne von Abrollbewegung
