DE102013104609A1

DE102013104609A1 - Nestingablage

Info

Publication number: DE102013104609A1
Application number: DE102013104609.6A
Authority: DE
Inventors: Yannis Grohmann; Frank Felix Kruse
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: FR3005284A1; DE102013104609B4; FR3005284B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserhalbzeugen für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, wobei die einzelnen Faserhalbzeuge aus einer Vielzahl von Faserstreifen gebildet werden, die gemäß einer Nestinganordnung innerhalb eines Faserlegebereiches abgelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserhalbzeugen für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, wobei die einzelnen Faserhalbzeuge aus einer Vielzahl von Faserstreifen gebildet werden.
Aufgrund der besonders vorteilhaften Eigenschaft, bei einem relativ geringem Gewicht eine hohe Stabilität und Steifigkeit in zumindest eine Richtung aufzuweisen, werden Faserverbundbauelemente vermehrt auch in sicherheitskritischen Bereichen des Fahrzeugbaus als auch in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, um den Gedanken des Leichtbaus Rechnung zu tragen. Insbesondere im Automobilbereich besteht dabei ein großes Interesse an einer möglichen automatisierten Serienproduktion, mit der reproduzierbare Faserverbundbauteile hoher Qualität herstellbar sind, die den Sicherheitsaspekten genügen.
Gerade in der Großserienproduktion müssen darüber hinaus auch die Aspekte der Produktivität und der Ressourcenschonung mit berücksichtigt werden, da diese aufgrund der großen Stückzahlen hier besonders ins Gewicht fallen. So werden auch heute noch Faserhalbzeuge, die aus zwei oder mehreren Faserlagen aufgebaut werden, entweder mit konstanter Warenbreite und Flächengewicht als Meterware gefertigt oder einzeln mit Hilfe eines Tapelegers oder einer Roboterlegevorrichtung hergestellt.
So bietet zwar das Herstellen von Multiaxialgelegen in Form von Meterwaren mit konstanter Warenbreite den Vorteil einer hohen Produktivität, und zwar auch dann, wenn diese im Nachgang auf die entsprechende Faserhalbzeugform zugeschnitten werden müssen. Allerdings ist der Materialverschnitt bei dieser Art der Herstellung von Faserhalbzeugen besonders groß, so dass er gerade bei der Großserienproduktion negativ ins Gewicht fällt und sich somit signifikant auf den Bauteilpreis auswirkt.
Werden die Faserhalbzeuge einzeln, z.B. aus Faserstreifen, hergestellt, so kann zwar der entstehende Verschnitt reduziert werden, allerdings geht dies zu Lasten der Produktivität. Denn mit Hilfe eines Tapelegers oder einer Roboterlegevorrichtung wird in der Regel immer nur ein Faserhalbzeug zu einer Zeit hergestellt, was sich negativ auf den Stückpreis des herzustellenden Faserverbundbauelementes auswirkt.
Aus der EP 2 505 343 A1 ist eine Faserlegevorrichtung bekannt, bei der zwei Roboter an einem Schienensystem bewegbar geführt werden, wobei die Roboter einen Ablegekopf als Endeffektor aufweisen, mit dem Fasergelege auf oder in ein Formwerkzeug abgelegt werden können.
Aus der DE 10 2010 044 721 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Faserhalbzeuges bekannt, bei dem das herzustellende Faserhalbzeug in eine Mehrzahl von Modellstreifen zerlegt wird und diese Modellstreifen dann anschließend mittels einzelner Faserstreifen nacheinander gelegt und hergestellt werden. Auch hierbei ergibt sich der entscheidende Nachteil, dass die Produktivität gegenüber der Herstellung von Multiaxialgelegen mittels Meterware äußerst gering ist, da die einzelnen Teile des vollständigen Modells nacheinander gefertigt werden.
Darüber hinaus ist aus der WO 2009/156385 A2 ein Verfahren zum Herstellen eines Multiaxial-Fadengeleges bekannt, bei dem die einzelnen Rovings der Faserlagen in einem Spreizprozess verbreitert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit dem Faserhalbzeuge insbesondere in der Serienproduktion mit einer verbesserten Produktivität im Ablegeprozess herstellbar sind, ohne dass es zu einem signifikanten Materialverschnitt kommt.
Die Aufgabe wurde mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Faserlegevorrichtung gemäß Anspruch 11 erfindungsgemäß gelöst.
Demnach wird ein Verfahren zur Herstellung von Faserhalbzeugen vorgeschlagen, bei dem die einzelnen Faserhalbzeuge aus einer Vielzahl von Faserstreifen gebildet werden, indem diese Faserstreifen entsprechend abgelegt werden. Hierzu soll eine Faserlegevorrichtung bereitgestellt werden, die mindestens einen Ablegekopf zum Legen von Faserstreifen in einem Faserlegebereich hat, um so eine Mehrzahl von Faserhalbzeugen in dem Faserlegebereich durch Ablegen einzelner Faserstreifen herstellen zu können.
Mit Hilfe eines auf einer Rechenmaschine ablaufenden Nestingprogramm wird dann eine Nestinganordnung ermittelt, welche die Anordnung der einzelnen Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich zur Positionierung der Faserstreifen darstellt. Die Nestinganordnung der herzustellenden Faserhalbzeuge wird dabei in Abhängigkeit von der Außenkontur der herzustellenden Faserhalbzeuge und des zur Verfügung stehenden Legeplatzes in dem Faserlegebereich erfindungsgemäß ermittelt. Hierdurch wird der in dem Faserlegebereich der Faserlegevorrichtung zur Verfügung stehende Legeplatz möglichst optimal ausgenutzt, so dass Faserhalbzeuge platz- und/oder prozessoptimiert in den Faserlegebereich abgelegt werden können.
Anschließend werden die Faserstreifen in dem Faserlegebereich zur Bildung der Faserhalbzeuge mittels des mindestens einen Ablegekopfes der Faserlegevorrichtung gemäß der erzeugten Nestinganordung abgelegt. Das Ansteuern des Ablegekopfes erfolgt somit in Abhängigkeit von der ermittelten Nestinganordnung und kann dabei mittels einer Steuereinrichtung erfolgen.
Unter einem Nestingprogramm im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei ein auf einer Rechenmaschine ablaufendes Programm verstanden, dass eine Nestinganordnung der herzustellenden Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich ermittelt. Das Nestingprogramm ermittelt die Position und/oder Ausrichtung der Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich, so dass mehrere Faserhalbzeuge durch Ablegen der Faserstreifen in dem Faserlegebereich hergestellt werden können. Das Nestingprogramm ermittelt auch eine optimale Anordnung der Faserstreifen.
Unter einem Faserstreifen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Element aus einem Fasermaterial in definierter Geometrie und Größe (als Tape oder als Meterware) verstanden. Faserstreifen können trockenes oder bebindertes Fasermaterial sowie Prepregmaterial (Prepregmaterial mit sowohl duro- als auch thermoplastischen Materialien) enthalten. Die Faserstreifen können ein gespreiztes Fasermaterial sowie geschnittene Gelege oder Gewebestreifen sein.
Ein Faserhalbzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein textiles Halbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Solche Faserhalbzeuge können Fasergelege oder Faservorformlinge sein.
Das Nestingprogramm kann so eingerichtet sein, dass es eine optimierte Anordnung der herzustellenden Faserhalbzeuge hinsichtlich mindestens eines prozess-, produktivitäts- und/oder materialbezogenen Optimierungskriterium ermittelt, und zwar für verschiedenen Faserhalbzeuge und ihre Geometrien.
Gemäß einem produktivitätsbezogenen Optimierungskriterium kann das Nestingprogramm eine Nestinganordnung ermitteln, bei der die Faserhalbzeuge mit einer hohen durchschnittlichen Ablegegeschwindigkeit bzw. Ablegerate (Material pro Zeit) hergestellt werden können. Dies kann erreicht werden, in dem die Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich so angeordnet werden, dass die Faserhalbzeuge mit möglichst zusammenhängenden Faserstreifen gebildet werden können. Hierdurch wird die Anzahl der Bahnwechsel verringert, was den Zeitaufwand der Kinematik reduziert. Hierdurch lässt sich die Produktivität der Herstellung von Faserhalbzeugen erhöhen.
Darüber hinaus lässt sich die abzufahrende Bahnanzahl auch in Abhängigkeit von der relativen Anordnung der Faserhalbzeuge zueinander reduzieren. Das Nestingprogramm ist dann so eingerichtet, dass in Abhängigkeit von der Faserorientierungsarchitektur die Faserhalbzeuge so angeordnet werden, dass die maximale Bahnanzahl der Faserstreifen minimal ist.
Gemäß einem materialbezogenen Optimierungskriterium kann das Nestingprogramm eine Nestinganordnung ermitteln, bei der die Faserhalbzeuge so abgelegt werden, dass der Verschnitt reduziert wird, der entsteht, wenn die Faserstreifen nicht exakt die Außenkontur der Faserhalbzeuge abbilden können (bspw. bei Faserhalbzeugen mit abgerundeter Außenkontur). Durch die Reduzierung des Verschnittes können die Kosten für die Herstellung von Faserverbundbauteilen reduziert werden, da weniger Material für die Herstellung benötigt wird.
So lässt sich der Verschnitt bspw. dadurch reduzieren, dass in Abhängigkeit von der Faserorientierungsarchitektur der Faserhalbzeuge eine Anordnung gewählt wird, bei der ein Faserstreifen mehrere Faserhalbzeuge betrifft. Hierdurch lässt sich der Verschnitt durch Annäherung der Außenkonturen reduzieren. Denkbar ist aber auch, wenn herzustellende Faserhalbzeuge mit einer gemeinsamen Außenkontur aneinander angrenzend angeordnet werden.
Gegebenenfalls muss anschließend mit Hilfe einer Schneidvorrichtung eine Endkonturbesäumung durchgeführt werden, um die endgültige Kontur durch abtrennen von Fasermaterial zu erhalten.
Gemäß einem prozessbezogenen Optimierungskriterium kann das Nestingprogramm eine Nestinganordung ermitteln, bei der die Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich in Abhängigkeit von der Außenkontur der jeweiligen Faserhalbzeuge derart angeordnet werden, dass die durch die Faserhalbzeuge unbesetzten Flächen in dem Faserlegebereich minimiert werden.
Das Nestingprogramm kann eine optimierte Anordung der Faserhalbzeuge auch so ermitteln, dass das Verhältnis zwischen der Fläche der abgelegten Faserhalbzeuge zu der zur Verfügung stehenden Legefläche maximal ist. Somit werden die Faserhalbzeuge mittels der Faserstreifen so in den Faserlegebereich abgelegt, dass die Lücken zwischen den Faserhalbzeugen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Legeplatzes minimiert bzw. reduziert sind.
Das Nestingprogramm kann die Faserhalbzeuge somit auch so in den Faserlegebereich anordnen, dass die Lücken zwischen den Faserhalbzeugen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Legeplatzes minimiert sind. Nach Möglichkeit werden die Faserhalbzeuge auch so in den Faserlegebereich angeordnet, dass einzelne Faserhalbzeuge in bestimmten Abschnitten aneinander angrenzend abgelegt werden, wenn die Faserhalbzeuge in diesen Abschnitten miteinander korrespondierende Außenkonturen aufweisen. Das Ergebnis ist eine Aneinanderreihung mehrerer Faserhalbzeuge dicht an dicht nebeneinander bzw. hintereinander, so dass der zur Verfügung stehende Legeplatz hinsichtlich der abzulegenden Anzahl von Faserhalbzeuge optimal ausgenutzt werden kann.
Das Nestingprogramm kann des Weiteren so eingerichtet sein, dass mindestens zwei Faserhalbzeuge in einem Abschnitt ihrer Außenkontur so angeordnet werden, dass wenigstens ein Faserstreifen ohne Schnittunterbrechung während der Ablage des Faserstreifens für die mindestens zwei Faserhalbzeuge gemeinsam ablegbar ist.
Dadurch wird es möglich, dass die Faserlegevorrichtung gemäß der Nestinganordnung die Faserhalbzeuge gemäß der ermittelten Anordnung ablegt, wobei zumindest in Teilbereichen ein zusammenhängender Faserstreifen für mehr als ein Faserhalbzeug abgelegt wird. Mit Hilfe einer Schneidvorrichtung können nach dem Ablegen der Faserhalbzeuge die zusammenhängenden Faserhalbzeuge getrennt werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Faserhalbzeuge so angeordnet werden, dass möglichst große Abschnitte der Außenkonturen in einem gewissen Toleranzbereich aneinander angrenzend ablegbar sind, so dass möglichst viele Faserstreifen durchgängig ohne Schneidunterbrechung abgelegt werden können. Dies spart je nach Lagenaufbau und Geometrie der Faserhalbzeuge deutlich Zeit bei der Herstellung, da nicht jeder Faserstreifen einzeln durchtrennt werden muss, sondern bei einer abschließenden Endkonturbesäumung alle Streifen auf einmal geschnitten werden können
Anstelle einer sequentiellen Ablage der einzelnen Faserhalbzeuge nacheinander, wird somit vorgeschlagen, dass zwei oder mehrere Faserhalbzeuge auch gleichzeitig durch Ablegen gemeinsamer Faserstreifen gebildet werden.
Die Faserorientierungsarchitektur der Faserhalbzeuge bezeichnet dabei die Orientierung der Fasern einzelner Lagen in ihrer Gesamtheit. So kann sich die Orientierung der Fasern über mehrere Lagen hin ändern. Die Anordnung der Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich muss nun so erfolgen, dass beim Legen eines gemeinsamen Faserstreifens über mehrere Faserhalbzeuge hinweg die Faserorientierung des jeweiligen Faserhalbzeuges Berücksichtigung findet.
Mittels der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, die Ablegewege und die Ablegerate der Faserlegevorrichtung, insbesondere des Ablegekopfes, zu reduzieren, was die Produktivität der Anlage erhöht und somit Kosten für eine Serienherstellung reduziert. Aufgrund der Nestingablage sind des weiteren Anlagen möglich, die platzsparender sind, so dass weniger Hallenplatz pro produziertem Faserhalbzeug benötigt wird. Auch in Bezug auf die Produktivität ist die Nestingablage günstiger, da die Anlagenkosten pro produziertem Faserhalbzeug günstiger sind. Gerade bei der Großserie führt die Reduzierung des Verschnittes zu erheblichen Einsparungen.
Vorteilhafterweise weist die bereitgestellte Faserlegevorrichtung weiterhin eine Fixiereinrichtung auf, mit der Faserstreifen eines Faserhalbzeuges auf einem Ablagegrund des Faserlegebereiches fixiert werden können. Des weiteren kann die Faserlegevorrichtung eine Fixiereinrichtung haben, mit der übereinander abgelegte Faserstreifen eines Faserhalbzeuges gegenseitig fixiert werden können.
Eine solche Fixierung kann beispielsweise eine temporäre Fixierung der Fasern ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch eine Fixiereinrichtung geschehen, die mittels Elektroadhäsion eine Fixierung der Faserlagen ermöglicht. Die Fixiereinrichtung kann beispielsweise auch eine Vakuum- bzw. Unterdruckvorrichtung sein, mit der die Faserstreifen der Faserhalbzeuge fixierbar sind. Denkbar sind aber auch mechanisches Klemmen, ein Verkleben der Fasern, eine Fixierung durch Reibung oder durch eine Kombination der aufgeführten Fixiermethoden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Faserlegevorrichtung einen Hilfswerkstoffapplikator auf, mit dem zusätzliche Hilfswerkstoffe vor, während oder nach dem Ablegen der Faserstreifen appliziert werden können. Ein solcher Hilfswerkstoff kann bspw. ein Bindermaterial sein, das bei Aktivierung (bspw. durch Wärme) eine Fixierung der einzelnen Faserlagen der übereinander gelegten Faserstreifen ermöglicht. Ein solcher Hilfswerkstoff kann bspw. ein physikalisch und/oder chemisch aushärtender Kleber, thermoplastische Garne, Vliese, Pulver oder Folien sein.
Durch Applikation thermoplastischer Folien lassen sich endkonturnahe Organobleche bzw. Vorstufen davon herstellen. Weiterhin kann auch zwischen den Lagen oder als unterste oder oberste Lage ein Harzfilm appliziert werden. Als Bindermaterial kann beispielsweise ein thermoplastisches Material dienen. Das Bindermaterial kann statt individuellem streifenweisem Auftrag auch auf ganze Lagen aufgebracht werden. Denkbar ist aber auch, dass das Bindermaterial vor dem Ablegen der Faserstreifen auf den Faserstreifen aufgetragen wird. Die Fixierung durch Aktivierung des Bindermaterials mittels einer Binderaktivierungseinheit kann beispielsweise kontaktlos mittels Induktion erfolgen. Alternativ könnten hierfür auch Mikrowellen zum Einsatz kommen. Weitere Möglichkeiten der Binderaktivierung wären Infrarotstrahlen, Laser, UV-Strahler oder Heißgasstrahler.
Denkbar ist auch, dass eine Fixierung mit Hilfe der Fixiereinrichtung mittels Vernähen, Sticken und/oder Verwirken der einzelnen Faserlagen bewirkt wird.
Ein Vorteil der Ablage ohne gleichzeitige Fixierung besteht dabei in der höheren Geschwindigkeit bei der Ablage, da die Fasern bzw. der Binder nicht vor der Ablage aufgeheizt werden müssen. Dabei fällt die Ablegevorrichtung, insbesondere der Ablegkopf technisch weniger aufwendig aus, was auch die Reparaturanfälligkeit verringert. Die Binderaktivierung erfolgt dann im Nachgang nach dem Ablegen, so dass die beiden Prozess per se voneinander getrennt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine Faserlegevorrichtung mit einer in dem Faserlegebereich vorgesehenen Fördereinrichtung bereitgestellt, wobei die Fördereinrichtung zum Transport der abgelegten Faserhalbzeuge in eine Förderrichtung eingerichtet ist. Durch diesen Transport der abgelegten Faserhalbzeuge in eine Förderrichtung kann ein kontinuierlicher Prozess erreicht werden, bei dem kontinuierlich Faserstreifen zur Bildung von Faserhalbzeugen in dem Faserlegebereich gemäß der ermittelten Nestinganordnugn abgelegt werden, wodurch signifikant die Produktivität erhöht werden kann. Am Ende der Fördereinrichtung kann eine Abnahmeeinrichtung vorgesehen sein, die die einzelnen Faserhalbzeuge zur weiteren Bearbeitung aufnimmt. Eine solche Abnahmevorrichtung kann beispielsweise vorteilhafterweise eine Aufrolleinrichtung sein, welche die in den Faserlegebereich abgelegten Faserhalbzeuge und durch die Transporteinrichtung in Richtung Aufrolleinrichtung transportierten Faserhalbzeuge auf eine Rolle aufrollt. Die Abnahmevorrichtung kann aber auch ein Greifer sein, der die einzelnen Faserhalbzeuge von der Transporteinrichtung bzw. aus dem Faserlegebereich nimmt und die Faserhalbzeuge so dem nächsten Prozessschritt zuführt.
Eine solche Fördereinrichtung kann beispielsweise ein ebenes Vakuumförderband sein, wobei vorteilhafterweise die Saugleistung des Vakuumförderbandes zonenweise steuerbar bzw. idealerweise passiv geregelt ist, um den Energieverbrauch zu optimieren. Denkbar ist auch, dass die Fördereinrichtung ein Zwischenbandmaterial hat, das mit der Aufrolleinrichtung in Wirkverbindung steht und auf dem mit Hilfe des Ablegekopfes innerhalb des Faserlegebereiches die einzelnen Faserstreifen zur Bildung der Faserhalbzeuge abgelegt werden. Am Ende wird dann das Zwischenbandmaterial, das beispielsweise eine Lochfolie oder ein Vlies sein kann, mit den abgelegten Faserhalbzeugen auf der Aufrolleinrichtung aufgerollt.
In diesem Fall kann dann auf ein Vakuumförderband verzichtet werden, wobei stattdessen vorteilhafterweise ein Vakuumtisch in dem Faserlegebereich genutzt wird.
Denkbar ist auch, dass das Zwischenbandmaterial bereits die erste Faserlage der herzustellenden Faserhalbzeuge darstellt und somit selbst ein Faserhalbzeug bzw. einen bandartigen Faserstreifen darstellt. Denkbar ist aber auch ein Vlies, ein Gewebe oder ein Gelege.
Die Aufrollvorrichtung im Anschluss an die Fördereinrichtung bietet dabei den Vorteil, dass auf der Faserlegevorrichtung auch sehr lange Bauteile gefertigt werden können (beispielsweise Rotorblätter für Windkraftanlagen), obwohl die Ausmaße der Anlage wesentlich kleiner sind. Die rein zweidimensionale Ablage erlaubt das einfache Aufrollen des Materials am Ende des Fertigungsvorganges. Zudem ermöglicht die Fertigung ebener Gelege die Ablegevorrichtung auf höchste Produktivität hin zu optimieren, da die Ablegeköpfe beliebig breit und schwer sein können und dennoch eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit und Präzision erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der Nestingablage mit Hilfe des Nestingprogrammes besteht dabei darin, dass die gesamte Breite des Faserlegebereiches zum Legen der Faserhalbzeuge ausgenutzt wird, so dass beim Aufrollen der Faserhalbzeuge mittels der Aufrolleinrichtung am Ende des Fertigungsvorgangs die Materialrolle weniger Unebeneinheiten oder Ausbeulungen aufweist. Sollte dies unter Umständen bei manchen Faserhalbzeugformen dennoch nicht möglich sein, die gesamte Breite des Faserlegebereiches optimal auszunutzen, so ist es denkbar, dass in bestimmten Außenbereichen zusätzliche Materialstreifen abgelegt werden, die lediglich dazu dienen, Ausbeulungen oder unebenes Aufwickeln auf der Materialrolle der Aufrolleinrichtung zu minimieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine Faserlegevorrichtung bereitgestellt, die weiterhin eine Markierungseinrichtung zum Markieren der Faserhalbzeuge bzw. einzelner Faserstreifen aufweist. Ein solches Markieren von Faserhalbzeugen bzw. Faserstreifen kann beispielsweise mittels Farbe, mittels spezieller chemischer Markierungsstoffe oder mit Hilfe von RFID-Technik erfolgen. Eine solche Markierung ist beispielsweise vorteilhaft dafür, wenn die einzelnen Faserhalbzeuge Teil eines komplexen Faserverbundbauteils sind oder wenn die einzelnen Faserhalbzeuge Teil eines komplexen Prozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils sind.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung einer Faserlegevorrichtung;
2 – schematische Darstellung einer Nestinganordnung;
3a, 3b, 3c schematische Darstellung einer Nestinganordnung mit reduziertem Verschnitt.
1 zeigt schematisch eine Faserlegevorrichtung 100 gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel. Auf einer Abrollvorrichtung 102 ist ein Ablagegrund bzw. Zwischenbandmaterial 104 aufgerollt, das über einen Vakuumtisch 106 zu einer Aufrolleinrichtung 108 geführt ist. Der Vakuumtisch bildet dabei den Faserlegebereich 110.
In dem Faserlegebereich 110 der Faserlegevorrichtung 100 sind zwei Ablegeköpfe angeordnet, die zum Ablegen von Faserstreifen 116 in den Faserlegebereich ausgebildet sind. Die Faserstreifen 116 können beispielsweise in Form eines Endlosbandes auf einer Rolle aufgerollt sein und je nach Bedarf vor Ort zugeschnitten werden. Denkbar ist aber auch, dass die Faserstreifen eine allgemeine Länge oder gemäß eines entsprechenden Zuschnittes einsortiert sind.
Das Zwischenbandmaterial kann beispielsweise eine Lochfolie oder ein Vlies sein, auf dem die einzelnen Faserstreifen 116 mittels der Ablegeköpfe 112, 114 abgelegt werden. Denkbar ist aber auch, dass das Zwischenbandmaterial 104 ebenfalls ein Faserhalbzeug ist, welches die erste Faserlage des Faserhalbzeuges darstellt. Dies macht zweifelsfrei nur dann entsprechend Sinn, wenn mit Hilfe des Nestingprogramms, wie weiter unten noch beschrieben, die gesamte Breite der Faserlegevorrichtung 100 nahezu optimal ausgenutzt werden kann, was den Verschnitt erheblich verringert.
In dem Faserlegebereich 110 sind des Weiteren zwei Hilfswerkstoffapplikatoren 118, 120 angeordnet, welche ein Bindermaterial, beispielsweise ein duro- oder thermoplastisches Material, auf die abgelegten Faserstreifen 116 auftragen. Das Bindermaterial dient dabei der Fixierung der einzelnen Faserstreifen, um ein späteres Verrutschen der Faserstreifen innerhalb des Faserhalbzeuges beim Aufrollen auf die Aufrolleinrichtung 108 zu vermeiden.
Am hinteren Ende befindet sich eine Binderaktivierungseinheit 122, welche beispielsweise mit Hilfe von Induktion, Infrarot oder anderen Wärmequellen eine Aktivierung des aufgetragenen Bindermaterials durchführt. Hierdurch werden die einzelnen Faserstreifen schließlich fixiert.
Bei einem nicht dargestellten alternativen Anlagenlayout kann der Ablagegrund ein Endlosförderband sein, wobei anstelle der Aufrolleinrichtung ein Greifer vorgesehen ist, der die fertigen Faserhalbzeuge von dem Endlosförderband nimmt. Vor dem Greifer kann eine Endkonturbesäumungsvorrichtung, beispielsweise eine Schneidvorrichtung, vorgesehen sein, mit der die Außenkontur der Faserhalbzeuge geschnitten bzw. besäumt werden kann. Dies ist beispielsweise dann notwendig, wenn gemäß der Nestinganordnung ein Faserstreifen über mehrere Faserhalbzeuge, die lückenlos aneinander angrenzend abgelegt werden, verläuft.
Die Ablegeköpfe 112, 114 sowie die Hilfswerkstoffapplikatoren 118, 120 und die Binderaktivierungseinheit 122 sind mit einer Steuereinheit 126 signaltechnisch verbunden, welche die entsprechenden Komponenten gemäß der ermittelten Nestinganordnung ansteuert. Die Steuereinheit kann selbstverständlich auch mit den weiteren Komponenten zur Ansteuerung der Anlage verbunden sein.
Des Weiteren weist die Anlage 100 eine Rechenmaschine 124 auf, auf der das Nestingprogramm zur Ermittlung der Nestinganordnung abläuft. Gemäß den Eingabeparametern Faserhalbzeuggeometrie, zugehörige Faserorientierungsarchitektur und Optimierungskriterium (Produktivität; Verschnittreduzierung) wird dann die optimierte Nestinganordnung der Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich ermittelt.
2 zeigt schematisch die Darstellung einer Nestingablage gemäß einer Nestinganordnung. Dabei sollen über die gesamte Breite B des Faserlegebereiches einzelne Faserhalbzeuge 201a bis 201d abgelegt werden, die gemäß ihrer Kontur mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Gemäß der Nestinganordnung wurde die Ablage dabei so gewählt, dass die gesamte Breite B des Faserlegebereiches optimal ausgenutzt wurde, so dass die einzelnen Faserhalbzeuge 201a bis 201d nahezu lückenlos aneinander angrenzend in dem Faserlegebereich abgelegt werden sollen. Hierdurch kann wesentlich die Produktivität der Anlage erhöht werden, sowie der Materialverschnitt reduziert werden. Die einzelnen Faserhalbzeuge 201a bis 201d werden dabei mittels einzelner Faserstreifen 202 in dem Faserlegebereich gebildet, wobei auch mehrere Lagen übereinander ablegbar sind, insbesondere mit verschiedenen Faserorientierungen pro Lage.
In dem beispielhaft dargestellten Bereich 203 grenzen die Außenkonturen der Faserhalbzeuge 201c und 201d aneinander an, so dass gemäß der Nestinganordnung die jeweils betreffenden Faserstreifen so gelegt werden, dass mehrere gemeinsame Faserstreifen ohne Schnittunterbrechung zwischen den beiden Faserhalbzeugen 201c, 201d über beide herzustellenden Faserhalbzeuge 201c, 201d gelegt werden kann.
In einem anderen beispielhaft dargestellten Bereich 204 grenzen die beiden Faserhalbzeuge 201a und 201c zwar nicht direkt aneinander an, sind jedoch aufgrund der räumlichen nähe derart benachbart, dass auch hier ein gemeinsamer Faserstreifen gelegt werden kann, auch wenn hierbei zusätzlich Verschnitt entsteht. Dieser Nachteil wird durch das schnellere Ablegen mehr als ausgeglichen.
Das Trennen der Faserhalbzeuge kann dann beispielsweise in einem späteren Zeitpunkt mit Hilfe einer Endkonturbesäumung bzw. einer Schneidvorrichtung erfolgen. Durch das Ablegen eines Faserstreifens für mehrere Faserhalbzeuge gleichzeitig, kann dabei der eigentliche Ablegeprozess wesentlich erhöht und somit die Produktivität gesteigert werden. Die einzelnen Faserhalbzeuge müssen somit nicht sequentiell nacheinander individuell mit Hilfe ihrer Faserstreifen abgelegt werden, sondern können in einem Ablegeprozess zumindest teilweise gemeinsam gelegt werden.
Die 3a, 3b und 3c zeigen schematisch Ausführungsbeispiele, bei denen aufgrund einer optimierten Anordnung (Nestinganordnung) der Verschnitt reduziert werden kann (Optimierungskriterium).
So zeigt bspw. 3a den Fall einer quadratischen Faserhalbzeuggeometrie. Bei der Fertigung durch Ablegen von Faserstreifen entsteht abhängig von der Faserwinkelorientierung ein Verschnitt an allen 4 Außenkanten. Werden zwei solche Faserhalbzeuge direkt aneinander angeordnet und erst bei einem späteren Schneidvorgang voneinander getrennt, kann so der Verschnitt an den Seiten, die aneinander angrenzen, reduziert werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lässt sich somit der Verschnitt um bis zu 25% reduzieren.
3b zeigt schematisch den Fall zweier Faserhalbzeuge mit unterschiedlichen Außenkonturen, die nicht aneinander gelegt werden können. Durch Annäherung der Außenkontur lässt sich jedoch im Bereich 301 der Verschnitt reduzieren, da ein Faserstreifen (Bahn 5) bei der Bildung von zwei Faserhalbzeugen verantwortlich ist.
3c zeigt eine ähnliche Nestinganordnung, bei der im Bereich 301 entsprechender Verschnitt eingespart werden kann. Ein weiterer Vorteil der Anordnung in 3c besteht darin, dass nur noch 6 Bahnen abgelegt werden müssen, was die Produktivität erhöht, da jeder Bahnwechsel zu einem erhöhten Zeitaufwand der Kinematik führt. Je nach Vorgabe des Optimierungskriteriums kann durch eine entsprechende Nestingablage entweder der Verschnitt optimiert werden oder die Ablegegeschwindigkeit (Produktivität)
Bezugszeichenliste

100: Faserlegevorrichtung
102: Abrollvorrichtung für Zwischenbandmaterial
104: Zwischenbandmaterial
106: Vakuumtisch
108: Aufrolleinrichtung
110: Faserlegebereich
112: erster Ablegekopf
114: zweiter Ablegekopf
116: Faserstreifen
118: erster Hilfswerkstoffapplikator
120: zweiter Hilfswerkstoffapplikator
122: Binderaktivierungseinheit
124: Rechenmaschine mit Nestingprogramm
126: Steuereinheit
201a–201d: Faserhalbzeuge
202: Faserstreifen
203, 204: gemeinsamer Legebereich
B: Breite des Faserlegebereiches
301: Bereich mit Verschnittreduzierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2505343 A1 [0006]
DE 102010044721 A1 [0007]
WO 2009/156385 A2 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Faserhalbzeugen für die Herstellung von Faserverbundbauteilen, wobei die einzelnen Faserhalbzeuge aus einer Vielzahl von Faserstreifen gebildet werden, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Faserlegevorrichtung (100) mit mindestens einem Ablegekopf (112) zum Legen von Faserstreifen (116) in einen Faserlegebereich (110) zur Herstellung einer Mehrzahl von Faserhalbzeugen, b) Ermitteln einer Nestinganordnung der in dem Faserlegebereich herzustellenden Faserhalbzeuge zur Positionierung der einzelnen Faserstreifen der Faserhalbzeuge in Abhängigkeit von der Außenkontur der herzustellenden Faserhalbzeuge und des zur Verfügung stehenden Legeplatzes in dem Faserlegebereich mittels eines auf einer Rechenmaschine ablaufenden Nestingprogramms, und c) Ablegen der Faserstreifen in den Faserlegebereich mittels des mindestens einen Ablegekopfes der Faserlegevorrichtung zur Bildung der Faserhalbzeuge gemäß der ermittelten Nestinganordnung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zur Ermittlung einer optimierten Anordnung der herzustellenden Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich hinsichtlich mindestens eines prozess-, produktivitäts- und/oder materialbezogenen Optimierungskriteriums eingerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Optimierungskriterium die Produktivitätsoptimierung des Faserstreifen-Ablegeprozesses, die Verschnittoptimierung des Fasersteifen-Ablegeprozesses und/oder die Platzoptimierung hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Legeplatzes ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zum Ermitteln einer optimierten Anordnung mindestens zweier Faserhalbzeuge in Abhängigkeit von ihrer Außenkontur und einer Faserorientierungsarchitektur derart eingerichtet ist, dass ein oder mehrere Faserstreifen ohne Schnittunterbrechung für die mindestens zwei Faserhalbzeuge gemeinsam ablegbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zum Ermitteln einer optimierten Anordnung eines Faserhalbzeuges in Abhängigkeit von der Außenkontur des Faserhalbzeuges und einer Faserstreifengeometrie derart eingerichtet ist, dass zumindest in einem Teilbereich der Außenkontur des Faserhalbzeuges die Außenkontur durch die Faserstreifen gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zum Ermitteln einer optimierten Anordnung eines Faserhalbzeuges in Abhängigkeit von der Außenkontur der jeweiligen Faserhalbzeuge derart eingerichtet ist, dass durch die Faserhalbzeuge unbesetzte Flächen in dem Faserlegebereich reduziert oder minimiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Bereitstellen einer Faserlegevorrichtung weiterhin mit einer Fixiereinrichtung zum Fixieren von übereinander abgelegten Faserstreifen eines Faserhalbzeuges und/oder zum Fixieren von abgelegten Faserstreifen an einem Ablagegrund, und – Fixieren von übereinander abgelegten Faserstreifen und/oder Fixieren von abgelegten Faserstreifen an einem Ablagegrund mittels der Fixiereinrichtung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Bereitstellen einer Faserlegevorrichtung weiterhin mit mindestens einem Hilfswerkstoffapplikator zum Applizieren von zusätzlichen Hilfswerkstoffen und – Applizieren mindestens eines Hilfwerkstoffes vor, während oder nach dem Ablegen der Faserstreifen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Faserlegevorrichtung weiterhin mit einer in dem Faserlegebereich vorgesehenen Fördereinrichtung zum Transport der abgelegten Faserhalbzeuge in eine Förderrichtung, wobei während oder nach dem Ablegen der Faserstreifen ein Transport der abgelegten Faserhalbzeuge in Förderrichtung mittels der Fördereinrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Faserlegevorrichtung weiterhin mit einer Aufrolleinrichtung zum Aufrollen der abgelegten Faserhalbzeuge, wobei die abgelegten Faserhalbzeuge mittels der Fördereinrichtung in Richtung Aufrolleinrichtung transportiert und von dieser aufgerollt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Faserlegevorrichtung weiterhin mit einer Markierungseinrichtung zum Markieren der Faserhalbzeuge, wobei während oder nach dem Ablegen der Faserstreifen eines Faserhalbzeuges mindestens eine Markierung auf das Faserhalbzeug mittels der Markierungseinrichtung aufgebracht wird.
Faserlegevorrichtung (100) zur Herstellung von Faserhalbzeugen für die Herstellung von Faserverbundbauteilen eingerichtet zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens, wobei die einzelnen Faserhalbzeuge aus einer Vielzahl von Faserstreifen gebildet werden, mit a) mindestens einem Ablegekopf zum Legen von Faserstreifen, b) einem Faserlegebereich, in dem mittels des einen Ablegekopfes die Faserstreifen zur Herstellung einer Mehrzahl von Faserhalbzeugen abgelegt werden, c) einem Nestingprogramm, das auf einer Rechenmaschine abläuft und zur Ermittlung einer Nestinganordnung der in dem Faserlegebereich herzustellenden Faserhalbzeuge zur Positionierung der einzelnen Faserstreifen der Faserhalbzeugen in Abhängigkeit von der Außenkontur der herzustellenden Faserhalbzeuge und des zur Verfügung stehenden Legeplatzes in dem Faserlegebereich eingerichtet ist, und d) einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Ablegekopfes gemäß der ermittelten Nestinganordnung zum Ablegen der Faserstreifen.
Faserlegevorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fixiereinrichtung vorgesehen ist, die zum Fixieren von übereinander abgelegten Faserstreifen eines Faserhalbzeuges und/oder zum Fixieren von abgelegten Faserstreifen an einem Ablagegrund eingerichtet ist.
Faserlegevorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hilfswerkstoffapplikator vorgesehen ist, der zum Applizieren mindestens eines Hilfswerkstoffes vor, während oder nach dem Ablegen der Faserstreifen eingerichtet ist.
Faserlegevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung in dem Faserlegebereich zum Transport der abgelegten Faserhalbzeuge in eine Förderrichtung vorgesehen ist.
Faserlegevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Fördereinrichtung zusammenwirkende Aufrolleinrichtung vorgesehen ist, die zum Aufrollen der fertigen und mittels der Fördereinrichtung zu der Aufrolleinrichtung transportierten Faserhalbzeuge eingerichtet ist.
Faserlegevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Markierungseinrichtung vorgesehen ist, die zum Markieren von abgelegten Faserhalbzeugen eingerichtet ist.
Faserlegevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zur Ermittlung einer optimierten Anordnung der herzustellenden Faserhalbzeuge in dem Faserlegebereich hinsichtlich mindestens eines prozess-, produktivitäts- und/oder materialbezogenen Optimierungskriteriums eingerichtet ist.
Faserlegevorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Optimierungskriterium die Produktivitätsoptimierung des Faserstreifen-Ablegeprozesses, die Verschnittoptimierung des Fasersteifen-Ablegeprozesses und/oder die Platzoptimierung hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Legeplatzes ist.
Faserlegevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zum Ermitteln einer optimierten Anordnung mindestens zweier Faserhalbzeuge in Abhängigkeit von ihrer Außenkontur und einer Faserorientierungsarchitektur derart eingerichtet ist, dass ein Faserstreifen ohne Schnittunterbrechung für die mindestens zwei Faserhalbzeuge gemeinsam ablegbar ist.
Faserlegevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Nestingprogramm zum Ermitteln einer optimierten Anordnung eines Faserhalbzeuges in Abhängigkeit von der Außenkontur des Faserhalbzeuges und einer Faserstreifengeometrie derart eingerichtet ist, dass zumindest in einem Teilbereich der Außenkontur des Faserhalbzeuges die Außenkontur durch die Faserstreifen gebildet wird.