-
Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug, eine Fertigungsanlage sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei Fasern zur Herstellung des Fasergeleges auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges abgelegt werden, und wobei eine Werkzeuglagerungsvorrichtung zur Lagerung der formgebenden Werkzeugoberfläche an oder auf einem Formträgersystem ausgebildet ist.
-
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch im Automobilbereich findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit des minimalen Gewichts aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierende anisotrope Eigenschaft der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile exakt an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
-
Die Fertigung von Großbauteilen in der Fiber Placement Technologie bzw. der Tapelaying Technologie umfasst die Ablage von Fasern bzw. Faserkunststoffverbunden auf einem Formwerkzeug, das eine formgebende Werkzeugoberfläche aufweist, welche meist der späteren Bauteilform entspricht. Das abzulegende Fasermaterial kann hierbei beispielsweise als Tows (zumeist ¼" oder ½" Breite) oder als Tapes (zumeist 150 mm oder 300 mm Breite) auf einer Spule aufgewickelt und anschließend in mehreren Bahnen nebeneinander abgelegt werden. In der Gesamtheit ergibt sich dann das herzustellende Fasergelege, das bisweilen aus mehreren Laminatschichten (Ply) mit unterschiedlichen geometrischen Formen bestehen kann.
-
Aus der
DE 10 2010 015 027 B4 ist beispielsweise eine Faserlegevorrichtung zur Herstellung eines Fasergeleges bekannt, bei dem die Fasern mit Hilfe von auf einem Schienensystem geführten Robotern auf einem das Schienensystem umschließenden Formwerkzeug abgelegt werden. Gegenüber herkömmlichen Portalanlagen besteht hierbei der Vorteil darin, dass in gleicher Zeit wesentlich mehr Fasermaterial auf dem Formwerkzeug abgelegt werden kann, so dass sich die Fertigungszeiten insbesondere bei Großbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen deutlich reduzieren lassen.
-
Das dabei verwendete Formwerkzeug ist ein passives System, d.h. die Konstruktion bedingt die Steifigkeit und Nachgiebigkeit des Formwerkzeuges. Die Kraft, die lokal auf das Formwerkzeug wirkt, wird hauptsächlich durch das Andrücken des Fasermaterials verursacht. Dies hat jedoch den Nachteil, dass durch einen schnellen Ablegeprozess Schwingungen und unter Umständen Verformungen am Formwerkzeug ausgelöst werden, die den weiteren Fertigungsprozess negativ beeinträchtigen. Insbesondere in der Serienproduktion von strukturkritischen Bauteilen können Abweichungen bei der Legeposition zu einem Ausschuss des Bauteils führen, da Abweichungen in der Geometrie der abgelegten Bahnen zu Fehlstellen innerhalb des Bauteils führen.
-
Aus der
DE 10 2010 044 213 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines zur Versteifung eines herzustellenden Kunststoffteils vorgesehenen Vorformling bekannt, bei dem ein Fasergelege zwischen den Ober- und Unterwerkzeug gelegt wird und dieses dann zusammengepresst wird, um so den Faservorformling durch Umformung herzustellen. Mittels einer federbasierten Dämpfungseinrichtung kann dabei das Ober- und Unterwerkzeug beim Zurückfahren gedämpft werden.
-
Aus der
DE 10 2009 060 554 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Formteilen aus Kunststoff bekannt, wobei mit Hilfe einer Presse eine Formkavität mit Fasermaterial erzeugt wird, in die dann ein Kunststoffmaterial eingespritzt wird.
-
Aus der
DE 10 2008 011 411 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung profilierter Halbzeuge bekannt, bei dem ungeformten Halbzeuge durch eine profilierte Form hindurchgeführt werden, um so den Halbzeugen die profilierte Form zu verleihen.
-
Aus der
JP H10 - 12 649 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mittels piezoelektrischer Aktuatoren die Geometrie der Werkzeugoberfläche verändert werden kann.
-
Aus der
DE 10 2012 102 205 A1 ist schließlich eine Faserlegevorrichtung bekannt, bei der am Faserlegekopf Kraft beziehungsweise Momentsensoren vorgesehen sind, die während des Ablegeprozesses die Ablegekraft detektieren und einer Regelung zuführen.
-
Aus der
DE 10 2010 044 175 A1 ist ein Verfahren und eine Fertigungseinheit zur Herstellung von Faserverbund-Bauteilen bekannt, bei dem mithilfe eines Lichtschnittsensors ein Höhenprofil abgelegter Faserhalbzeuge detektiert und in Abhängigkeit dieses Höhenprofils dann die Ablage des Fasermaterials durchgeführt wird. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass zwischen dem Roboter und dem Faserlegekopf eine Kraftmessdose angeordnet ist, um die aktuelle Anpresskraft des Faserlegekopfes detektieren zu können.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Formwerkzeug, eine Fertigungsanlage sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Fasergeleges anzugeben, mit dem die Gefahr von Abweichungen in der Geometrie der abgelegten Fasern insbesondere bei schnellen Ablegeprozessen vermieden werden kann.
-
Die Aufgabe wird mit einem Formwerkzeug gemäß Anspruch 1, einer Fertigungsanlage gemäß Anspruch 7 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst.
-
Gemäß Anspruch 1 wird ein Formwerkzeug vorgeschlagen, das eine formgebende Werkzeugoberfläche aufweist, die zur Aufnahme der abzulegenden Fasern zur Herstellung des Fasergeleges vorgesehen ist. Bei der Fiber Placement bzw. Tapelaying Technologie können dies beispielsweise Tows oder Tapes sein, die als trockene oder vorimprägnierte (Prepregs) Fasern auf der formgebenden Werkzeugoberfläche abgelegt werden. Die formgebende Werkzeugoberfläche entspricht aber in der Regel der Form des später herzustellenden Faserverbundbauteils.
-
Darüber hinaus ist die formgebende Werkzeugoberfläche mittels einer Werkzeuglagerungsvorrichtung an oder auf einem Formträgersystem angeordnet, so dass das gesamte Formwerkzeug durch die Werkzeuglagerungsvorrichtung getragen wird.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Werkzeuglagerungsvorrichtung nicht passiv ausgebildet ist, sowie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, sondern aktive Komponenten aufweist, mit denen Bewegungen wie beispielsweise Schwingungen, Vibrationen oder Deformationen aber auch auf die formgebende Werkzeugoberfläche wirkenden Kräfte entgegengewirkt und ggf. ausgeglichen werden können. Hierzu ist ein Sensorsystem vorgesehen, das mindestens einen Sensor aufweist, der zur Detektion von parasitären Bewegungen der formgebenden Werkzeugoberfläche gegenüber dem Formträgersystem und/oder zur Detektion von auf die formgebende Werkzeugoberfläche wirkenden Kräfte ausgebildet ist. Derartige parasitäre Bewegungen können beispielsweise Schwingungen der formgebenden Werkzeugoberfläche sein, die durch den Andruck während des Ablegeprozesses begünstigt durch die Nachgiebigkeit des Gesamtsystems entstehen können. Mit Hilfe des Sensorsystems können derartige parasitäre Bewegungen und/oder auf die Werkzeugoberfläche wirkende Kräfte ermittelt werden.
-
Die Werkzeuglagerungsvorrichtung weist nun ein Aktorsystem mit mindestens einem Aktor auf, der als aktive Komponente zum Erzeugen einer Bewegung der formgebenden Werkzeugoberfläche und/oder zum Erzeugen einer durch die formgebende Werkzeugoberfläche wirkende Kraft ausgebildet ist. Solche Aktoren sind beispielsweise Stellglieder, welche die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges in Bewegung versetzen können. Wirkt auf die formgebende Werkzeugoberfläche eine Kraft, so ist es mittels der Stellglieder ebenfalls denkbar, dass durch die formgebende Werkzeugoberfläche eine Kraft bewirkt wird, die beispielsweise entgegengesetzt der auf die formgebende Werkzeugoberfläche wirkenden Kraft steht.
-
Schließlich ist erfindungsgemäß eine Steuereinrichtung vorgesehen, die sowohl mit dem Sensorsystem als auch mit dem Aktorsystem signaltechnisch verbunden ist und so eingerichtet ist, dass sie in Abhängigkeit von den detektierten parasitären Bewegungen und/oder Kräften entsprechende Steuersignale zur Ansteuerung des mindestens einen Aktors des Aktorsystems generiert. Mit anderen Worten, je nach detektierten parasitären Bewegungen und/oder detektierten auf die formgebende Werkzeugoberfläche wirkenden Kräfte werden entsprechende Steuersignale generiert, um den oder die Aktoren des Aktorsystems anzusteuern, so dass die formgebende Werkzeugoberfläche aufgrund der generierten Steuersignale eine entsprechende Bewegung ausführt und/oder eine entsprechende Kraft durch die formgebende Werkzeugoberfläche erzeugt.
-
Hierdurch wird es möglich, dass je nach detektierten parasitären Bewegungen und/oder Kräften entsprechende Steuersignale generiert werden, so dass die formgebende Werkzeugoberfläche eine Bewegung erzeugt und/oder eine Kraft, um so den parasitären Bewegungen und/oder Kräften entgegenzuwirken und diese ggf. auszugleichen. Hierdurch können Schwingungen oder Vibrationen der formgebenden Werkzeugoberfläche reduziert oder ganz vermieden werden, ohne dass das Gesamtsystem durch mehr Masse in seiner Steifigkeit und Nachgiebigkeit überdimensioniert ausgelegt werden muss. Vielmehr haben die Erfinder erkannt, dass mittels eines derartig aktiven Lagerungssystems für Formwerkzeuge der Ablegeprozess wesentlich genauer durchgeführt werden kann, da parasitäre Bewegungen der formgebenden Werkzeugoberfläche nunmehr nicht mehr zu einer Veränderung der Geometrie des abzulegenden Fasergeleges führt. Das Formwerkzeug kann folglich aufgrund der aktiven Komponenten der Werkzeuglagerungsvorrichtung seine Steifigkeit aktiv beeinflussen, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn mehrere Aktoren verteilt vorgesehen sind, so dass sich ein globales, selbstregulierendes Formwerkzeug ergibt, was sich selbstregulierend auf die vorherrschenden Prozesskräfte versteifen kann. Denkbar ist allerdings auch, dass nur entsprechend lokal auf die auftretenden Prozesskräfte reagiert wird. Mit einem derartigen aktiven Formwerkzeug lassen sich darüber hinaus sehr leichte formgebende Werkzeugoberflächen erstellen, da die Steifigkeit und Nachgiebigkeit der formgebenden Werkzeugoberfläche durch die aktive Lagerung bedingt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Großbauteilen, da hier erheblich Material bei der Herstellung des Formwerkzeuges eingespart werden kann.
-
Mit „zum Erzeugen einer durch die formgebende Werkzeugoberfläche wirkende Kraft“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung gemeint, dass die formgebende Werkzeugoberfläche lokal an einer bestimmten Stelle oder global an mehreren Stellen oder insgesamt eine Kraft in eine vorgegebene Richtung aufbringen kann, um so bspw. einer auf die formgebende Werkzeugoberfläche wirkenden Kraft entgegenzuwirken.
-
Es ist denkbar und zweckmäßig, dass wenigstens einer der Aktoren des Aktorsystems ein piezoelektrischer Aktor, ein hydraulischer Aktor oder ein pneumatischer Aktor ist. Insbesondere Schwingungen und Vibrationen lassen sich aufgrund der schnellen Ansprechbarkeit von piezoelektrischen Aktoren besonders gut entgegenwirken und aktiv dämpfen bzw. reduzieren.
-
Werden piezoelektrische Aktoren als aktive Lagerungskomponenten verwendet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Aktoren gleichzeitig auch aufgrund des piezoelektrischen Effektes als Sensoren des Sensorsystems verwendet werden, so dass parasitäre Bewegungen und/oder Kräfte mit Hilfe eines piezoelektrischen Elementes sensiert (detektiert) und eine entsprechende Bewegung bzw. Kraft mit Hilfe dieses piezoelektrischen Elementes erzeugt werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Sensor des Sensorsystems als Kraftsensor ausgebildet, so dass er eine Andruckkraft beim Ablegen der Fasern auf der formgebenden Werkzeugoberfläche ermitteln kann. Das Ablegen der Fasern kann beispielsweise mittels einer robotergestützten Ablegeeinheit erfolgen, wobei die Andruckkraft in der Regel diejenige Kraft ist, mit der die Ablegeeinheit die Fasern auf die formgebende Werkzeugoberfläche drückt. Der Kraftsensor zum Ermitteln der Andruckkraft kann dabei beispielsweise im Formwerkzeug oder aber auch in der Ablegeeinheit selbst angeordnet sein.
-
Die Steuereinrichtung ist nun derart ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von der ermittelten Andruckkraft die Steuersignale zur Ansteuerung des mindestens einen Aktors generiert, so dass bestimmten Kräften entgegengewirkt werden kann oder aufgrund der Andruckkraft entstehenden Schwingungen lokal entgegengewirkt werden kann, indem in den Bereichen, in denen die Faserlegeeinheit die Fasern auf die formgebende Werkzeugoberfläche ablegt, das Formwerkzeug entsprechend durch Aufbringen einer Kraft mittels der Aktoren versteift wird.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist es beispielsweise denkbar, dass die Steuereinrichtung weiterhin eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen der ermittelten Andruckkraft, die mittels des wenigstens einem Kraftsensors ermittelt wird, und einer vorgegebenen Andruckkraft, mit der die Faserlegeeinheit die Fasern auf die formgebende Werkzeugoberfläche ablegen soll, die Steuersignale zur Ansteuerung des mindestens einen Aktors zu generieren, um so durch die aufgrund der Ansteuerung des Aktors mit den generierten Steuersignalen erzeugten Kräfte die vorgegebene Andruckkraft einzustellen. Denn aufgrund der Nachgiebigkeit des Gesamtsystems kann es passieren, dass die Faserlegeeinheit die Fasern nicht mit der vorgegebenen Andruckkraft auf dem Formwerkzeug ablegt, was unter Umständen bei mehrlagigem Fasergelegen zu Fehlstehlen führen kann. Mit der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, diese Differenz zwischen vorgegebener Andruckkraft und tatsächlicher Andruckkraft mit Hilfe des Formwerkzeuges auszugleichen, so dass die Fasern immer mit der vorgegebenen Andruckkraft auf die formgebende Werkzeugoberfläche abgelegt werden.
-
Gemäß Anspruch 7 wird erfindungsgemäß eine Fertigungsanlage zur Herstellung eines Fasergeleges vorgeschlagen, die ein Formwerkzeug wie oben beschrieben aufweist und mindestens eine Faserlegeeinheit hat, mit der die Fasern auf der formgebenden Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges abgelegt werden können. Eine solche Faserablegeeinheit kann beispielsweise ein Knickarmroboter sein, der als Endeffektor einen Faserablegekopf aufweist.
-
Vorteilhafterweise ist der Kraftsensor zum Ermitteln einer Andruckkraft beim Ablegen der Fasern an der Faserablegeeinheit angeordnet, beispielsweise im Endeffektor.
-
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft erläutert. Es zeigt:
- 1 - Schematische Darstellung einer Fertigungsanlage mit aktivem Formwerkzeug.
-
1 zeigt schematisch eine Fertigungsanlage 1, die ein Formwerkzeug 2 und eine Faserablegeeinheit 3 hat. Die Faserablegeeinheit 3 ist im Ausführungsbeispiel der 1 als Knickarmroboter ausgeführt und besitzt als Endeffektor einen Faserablegekopf 4, mit dem Fasermaterial zur Herstellung eines Fasergeleges auf der formgebenden Werkzeugoberfläche 5 des Formwerkzeuges 2 abgelegt werden könne. Dabei werden die Fasern mittels der Faserablegeeinheit 3 und dem Ablegekopf 4 auf die formgebende Werkzeugoberfläche 5 des Formwerkzeuges 2 gedrückt und durch Verfahren des Ablegekopfes 4 gegenüber dem Formwerkzeug 2 entsprechend auf der Oberfläche abgelegt.
-
Die formgebende Werkzeugoberfläche 5 ist mittels einer Werkzeuglagerungsvorrichtung 6 an einem Formträgersystem 7 angeordnet und wird durch diese lagernd gehalten, so dass auf der formgebenden Werkzeugoberfläche 5 die Fasern abgelegt werden können. Bei solch einer derartigen Konstruktion kann die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges ausgetauscht werden, um so beispielsweise Fasergelege mit unterschiedlichen Geometrien an ein und derselben Fertigungsanlage herstellen zu können.
-
Die Werkzeuglagerungsvorrichtung 6 weist erfindungsgemäß Sensoren 8 und Aktoren 9 auf, mit denen die parasitären Bewegungen bzw. Kräfte zum einen detektiert und entsprechende Bewegungen bzw. Kräfte andererseits erzeugt werden können. Die Sensoren 8 und Aktoren 9 sind signaltechnisch (nicht dargestellt) mit einer Steuereinrichtung 10 verbunden, um die entsprechenden Eingangssignale der Sensoren empfangen, verarbeiten und die generierten Steuersignale an die Aktoren auszugeben.
-
Sensor 8 und Aktor 9 können dabei beispielsweise als piezoelektrisches Element ausgebildet sein. Piezoelektrische Aktoren/Sensoren sind dabei in der Lage, Kräfte aufzunehmen, d.h. sowohl Druck- als auch Zugkräfte, und können beispielsweise als direkte Verbindung zwischen Werkzeugoberfläche 5 und Formträgersystem 7 als Werkzeuglagerungsvorrichtung 6 dienen. Bei hydraulischen oder pneumatischen Aktoren/Sensoren sollten zusätzliche starre Verbindungen zur Aufnahme der Gewichtskräfte der formgebenden Werkzeugoberfläche 5 vorgesehen sein.
-
Zusätzlich oder alternativ kann im Ablegekopf 4 der Faserlegeeinheit 3 ein Kraft-Moment-Sensor integriert werden, um die auftretenden Andruckkräfte beim Ablegen der Fasern zu ermitteln. Wird ein Kraft-Moment-Sensor am Ablegekopf 4 genutzt, so lässt sich eine Differenzkraft zur vorgegebenen Andruckkraft berechnen, so dass die Aktoren 9 dann gezielt mit generierten Steuersignalen so angesteuert werden, dass die vorgegebene Andruckkraft eingestellt wird. Dies kann dadurch geschehen, dass durch die Aktoren 9 zusätzliche Kräfte durch die formgebende Werkzeugoberfläche 5 in Richtung des Ablegekopfes 4 generiert werden, so dass die gewünschte Andruckkraft eingestellt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fertigungsanlage
- 2
- Formwerkzeug
- 3
- Faserablegeeinheit
- 4
- Faserablegekopf
- 5
- Formgebende Werkzeugoberfläche
- 6
- Werkzeuglagerungsvorrichtung
- 7
- Formträgersystem
- 8
- Sensoren
- 9
- Aktoren
- 10
- Steuereinrichtung
