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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Teilen, insbesondere aus sogenanntem Faserverbundwerkstoff, sowie eine Vorrichtung, mit der das genannte Verfahren vorteilhaft durchgeführt werden kann.
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Üblicherweise werden Faserverbundteile hergestellt, indem Fasern von einem oder mehreren Aufnahmeträgern, insbesondere Spulenkörpern o. dgl. abgewickelt und dabei auf eine Form bzw. in die gewünschte Form aufgewickelt werden. Dies ergibt dann das fertige Faserverbund-Teil. Dabei sind die Fasern entweder schon auf dem Aufnahmeträger mit Harz oder sonstigem Imprägniermittel versehen. Alternativ werden sie direkt nach dem Abwickeln vom Aufnahmeträger entsprechend imprägniert.
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Häufig wird entweder das herzustellende Faserverbund-Teil relativ zu im Wesentlichen fest angeordneten Aufnahmeträgern bewegt. Alternativ können bewegbare Roboterarme o. dgl. einen Aufnahmeträger tragen und in gewissem Umfang im Raum bewegen zum entsprechenden Abwickeln der Fasern und Aufwickeln zu einem Faserverbund-Teil, wobei dabei die Fasern mit Harz imprägniert werden.
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Aus der
DE 37 27 462 A1 geht eine Vorrichtung hervor, die eine Schichtstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff auf einer komplex konstruierten Verlegeform bildet. Dazu ist ein Bandlegekopf an einer Art Portalkran-Laufkatze befestigt. Er kann mit dieser in vertikaler Richtung sowie frei in der horizontalen Ebene bewegt werden zum Ablegen der Fasern.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung derart weiter zu entwickeln, dass Faserverbund-Teile auf vielfältige und neue Art und Weise hergestellt werden können, insbesondere neuartige Faserverbund-Teile.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen enthalten und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass der Aufnahmeträger frei bewegbar ist und vorzugsweise frei im Raum bewegt wird und dabei die Fasern bzw. Faserbündel abgewickelt werden. Dazu wird der Aufnahmeträger von einer Handhabungsvorrichtung getragen, die ihn im Wesentlichen beliebig im Raum bewegt. Auf diese Art und Weise können zum Teil deutlich größere und/oder komplexer bzw. komplizierter ausgebildete Faserverbund-Teile hergestellt werden. Diese können aus einem Stück und aus durchgehenden Fasern bzw. durchgehendem Fasergelege bestehen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist es möglich, dass die Fasern bzw. die Faserpackung auf dem Aufnahmeträger bereits mit einem entsprechenden Imprägniermittel, insbesondere einem Harz als Matrixmaterial, versehen bzw. imprägniert sind. Somit sind die Fasern vorteilhaft bereits fertig verarbeitbar bzw. können von dem Aufnahmeträger weg direkt zur Herstellung des Faserverbund-Teils genutzt werden. Dieser Entfall eines aufwändigen und größere Maschinen benötigenden Imprägniervorgangs für die Fasern nach dem Abwickeln von dem Aufnahmeträger und vor dem Aufwickeln zum Faserverbund-Teil ermöglicht eben zumindest teilweise die große Bewegbarkeit des Aufnahmeträgers mit der Handhabungsvorrichtung im Raum. Dabei kann ein Aufnahmeträger beispielsweise so ausgebildet sein, dass er nicht allzu groß ist bzw. noch gut frei handhabbar ist. Vorteilhaft kann er eine Länge von 10 cm bis 30 cm aufweisen und bei Rovings mit wenigen tausend Fasern, beispielsweise 3000 Fasern, kann er insgesamt 80 Lagen oder auch mehr tragen. Bei Rovings mit deutlich mehr Fasern, beispielsweise 50000 Fasern, können es mindestens 5 bis 20 Lagen sein. Der Aufnahmeträger ist vorteilhaft entsprechend der
DE 10 2013 205 685 A1 mit Anmeldetag vom 28. März 2013 ausgebildet und mit einer dort beschriebenen Faserpackung belegt, auf deren Inhalt ausdrücklich verwiesen wird und der hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
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Bei der Erfindung ist die Handhabungsvorrichtung ein Fluggerät, welches frei bewegbar ist. Es hat einen eigenen Antrieb und ist im Raum weitgehend frei bewegbar. Es kann vorzugsweise eine eigene Energieversorgung aufweisen, beispielsweise einen Akku für einen Elektroantrieb oder Treibstoff für einen Verbrennungsantrieb. Vorteilhaft ist ein solches Fluggerät nach Art eines Helikopters ausgebildet mit mindestens einem Rotor, vorteilhaft mehr Rotoren, besonders vorteilhaft kann es vier Rotoren aufweisen als sogenannter Quadrokopter, der so besonders gut im Raum steuerbar ist. Es können auch noch mehr Rotoren sein. Ein alternativer Antrieb für ein Fluggerät kann eine Art Druckantrieb oder Düsenantrieb sein.
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Die Aufnahmevorrichtung kann dabei eben derart an dem Fluggerät angeordnet sein, dass durch Bewegen des Fluggeräts die Fasern entsprechend abgewickelt werden zur Herstellung des Faserverbund-Teils. So kann insbesondere bei hohen Konstruktionen oder an schwer direkt zugänglichen Stellen ein Faserverbund-Teil hergestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann allgemein eine Handhabungsvorrichtung entweder eine eigenständige Energiequelle aufweisen, vorteilhaft als vorgenannter Akkumulator, Batterie oder Brennstoff bzw. Treibstoff. Alternativ kann sie eine Versorgungsleitung zu einer Versorgungsbasis o. dgl. aufweisen, die für eine Energiezufuhr zuständig ist bzw. für den Antrieb und auch zur Steuerung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Handhabungsvorrichtung Befestigungsmittel auf, um einen Bolzen oder ein sonstiges Legehilfsmittel an einer Unterlage oder einem Werkstück bzw. dem Faserverbund-Teil zu befestigen. Dies kann als Hilfe beim Aufbringen der Fasern bzw. Faserbündel genutzt werden, insbesondere als Umkehrpunkte oder Fixpunkte.
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In nochmals weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Handhabungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, dass der Aufnahmeträger von dieser Handhabungsvorrichtung an eine andere Handhabungsvorrichtung während der Herstellung des Faserverbund-Teils übergeben wird. Dabei kann beim Übergeben des Aufnahmeträgers das Abwickeln der Fasern weitergehen. Ein solches Vorgehen ist vor allem bei den eingangs genannten Gelenkarmen von Vorteil. Des Weiteren kann aber auch ein Aufnahmeträger zwischen unterschiedlichen, vorgenannten Arten von Handhabungsvorrichtungen übergeben werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Handhabungsvorrichtung eine Abwickelhilfe mit definierter Faserspannung beim Abwickeln auf. So kann zusätzlich zur Bewegungsgeschwindigkeit der Handhabungsvorrichtung die Zugspannung der aufgewickelten Fasern eingestellt werden um den Anforderungen des Faserverbund-Teils zu entsprechen.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung einer Handhabungsvorrichtung, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, für einen Aufnahmeträger in Form eines gelenkigen Roboterarms,
- 1b eine Abwandlung der Handhabungsvorrichtung, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, aus 1a mit einer Handhabungsvorrichtung nach Art eines gelenkigen Arms mit Halterung für den Aufnahmeträger und Tragrotor samt Verbindungskabel,
- 2 eine weitere Ausgestaltung einer Handhabungsvorrichtung, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, als Bodenfahrzeug mit Rädern in Schrägansicht,
- 3 die Handhabungsvorrichtung aus 2 in Seitenansicht,
- 4 eine alternative Ausgestaltung einer Handhabungsvorrichtung, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, mit sechs bewegbaren Beinen zur Fortbewegung,
- 5 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Handhabungsvorrichtung als frei bewegbares Fluggerät mit Rotor und eigener Energieversorgung,
- 6 eine erfindungsgemäße Abwandlung des Fluggeräts aus 5 mit Verbindungskabel zur Energiezufuhr,
- 7 eine weitere Ausgestaltung einer Handhabungsvorrichtung, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, als Tauchfahrzeug mit Propellerantrieb und
- 8 eine weitere Ausgestaltung einer Handhabungsvorrichtung, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, als Wurfgerät mit einem Aufnahmeträger.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1a ist eine Handhabungsvorrichtung 11 dargestellt in Form eines Roboterarms. Sie weist vier Armsegmente 12a bis 12d am Roboterarm auf, die über Gelenke 13a bis 13c miteinander verbunden sind und so angetrieben und bewegbar sind, dass die Gelenke 13a bis 13c Rotations- bzw. Schwenkbewegungen um eine Achse in Längsrichtung des an ihnen angeordneten Segments oder senkrecht dazu auszuführen. Jedenfalls soll das äußerste Armsegment 12d im Wesentlichen frei bewegbar sein im Raum mit der Reichweite der Handhabungsvorrichtung 11.
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Das äußerste Armsegment
12d weist eine Halterung
15 samt Abwickelöse
16 für einen Aufnahmeträger
18 mit einer Faserpackung
19 darauf auf. Der Aufnahmeträger ist entsprechend der vorgenannten DE
DE 10 2013 205 685 A1 ausgebildet und weist eine dort beschriebene Faserpackung
19 auf. Die Faserpackung
19 besteht aus mit Harz imprägnierten Fasern nach Art von Rovings odgl. und ist auf dort beschriebene Art und Weise aufgebracht und imprägniert worden. Eine Faser
21 läuft durch die Abwickelöse
16 und ist auf ein Gerüst
23 als Gelege
25 aufgewickelt, so dass dies nach Fertigstellung ein Faserverbund-Teil ergibt.
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Dadurch, dass auf dem Aufnahmeträger 18 eine bereits mit Harz imprägnierte Faserpackung 19 aufgewickelt ist bzw. sich befindet, kann ein Faserverbund-Teil tatsächlich einfach durch Aufwickeln der imprägnierten Faser 21 auf ein Gerüst 23 o. dgl. hergestellt werden. Eine aufwendige Imprägnierung der Fasern nach dem Abwickeln von einem Spulenkörper o. dgl. wie dies im Stand der Technik notwendig ist, entfällt. Dadurch kann die gesamte Handhabungsvorrichtung 11 und insbesondere die Halterung 15 samt Aufnahmeträger 18 kleiner und vor allem leichter ausgebildet werden, weswegen die Handhabungsvorrichtung 11 eben weniger Gewicht tragen bzw. Kräfte bewegen muss und länger sein kann sowie mit mehr Freiheitsgraden im Raum bewegt werden kann. Dabei können auch noch erheblich kompliziertere Faserverbund-Teile als entsprechend dem hier dargestellten Gerüst 23 hergestellt werden.
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In der 1b ist eine etwas abgewandelte Ausgestaltung einer Handhabungsvorrichtung 111 im Vergleich zur 1a dargestellt. Sie weist ebenfalls vier Armsegmente 112a bis 112d auf, die mit Gelenken 113a bis 113c verbunden sind. Das äußerste Armsegment 112d trägt eine Halterung 115 für einen Aufnahmeträger 118 mit einer Faserpackung 119 darauf. Eine abgewickelte Faser 121 verläuft durch eine Abwickelöse 116 und wird, wie zuvor beschrieben, auf das Gerüst 123 in Form eines Geleges 125 aufgewickelt zur Herstellung des Faserverbund-Teils.
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Außerdem trägt das äußerste Armsegment 112d einen Antriebskopf 128 mit einem Rotor 129 als Ausbildung ähnlich einem Helikopter. Der Antriebskopf 128 zusammen mit einem darin befindlichen Antriebsmotor kann, unter Umständen zusammen mit einer Mechanik am Rotor 129 oder kleinen und leichten Aktuatoren an einem der Gelenke 113, insbesondere am äußersten Gelenk 113c, eine im Rahmen der Reichweite der Handhabungsvorrichtung 111 liegende beliebige Bewegung durchführen zum Abwickeln der Faser 121. Der Antriebskopf 128 kann dabei über ein Kabel 127 mit Energie versorgt werden, also beispielsweise ein Elektromotor sein und über ein Stromkabel versorgt werden. Ebenso ist auch das Vorsehen einer eigenen Energiequelle in Form eines eingangs beschriebenen Akkumulators denkbar, alternativ auch eines Verbrennungsmotors mit Benzintank. Da hier aber sowieso eine räumliche Einschränkung für die Bewegbarkeit der Halterung 115 und des Aufnahmeträgers 118 besteht wird ein Kabel bevorzugt.
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Wie schon für die 1a gedacht, kann an der Halterung 15 bzw. 115 ein Aufnahmeträger 18 bzw. 118, wenn er abgewickelt ist, einfach entfernt werden und ein neuer, voller Aufnahmeträger aufgesetzt werden.
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In der 2 ist in Schrägansicht und in der 3 in Seitenansicht eine weitere Handhabungsvorrichtung 211 dargestellt, die als Bodenfahrzeug ausgebildet ist. Die Handhabungsvorrichtung 211 weist Räder 230 auf, die zumindest zum Teil angetrieben und steuerbar sind. Ein solcher Antrieb und Steuerung kann beispielweise in einem Antriebskopf 228 vorgesehen sein. Hier kann auch eine eigene Energieversorgung für den Antriebskopf 228 vorgesehen sein wie zuvor beschrieben.
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An einer Halterung 215 ist ein Aufnahmeträger 218 mit einer Faserpackung 219 darauf angeordnet derart, dass eine Faser 221 durch eine Abwickelöse 216 geführt abgewickelt werden kann. Das Bodenfahrzeug kann im Wesentlichen frei auf einem Boden oder Untergrund fahren, der zumindest teilweise das Faserverbund-Teil bilden soll bzw. auf dem es gebildet werden soll. An der Handhabungsvorrichtung 211 könnte noch ein Gelenkarm o. dgl. angeordnet sein, der ähnlich der 1 den Aufnahmeträger 218 trägt und ähnlich frei bewegen kann, um noch mehr Freiheitsgrade beim Herstellen eines Faserverbund-Teils zu haben.
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In 4 ist eine Abwandlung einer Handhabungsvorrichtung 311 dargestellt, welche sich zwar auch auf dem Boden bewegen kann, aber keine Räder aufweist, sondern Gelenkbeine 331, die an einem das hauptsächliche Gehäuse bildenden Antriebskopf 328 angeordnet sind, und zwar hier sechs Stück. Diese Gelenkbeine 331 können auch noch einmal gelenkig unterteilt sein und, ähnlich wie für den Roboterarm in 1 beschrieben, an den Gelenken Aktuatoren aufweisen. Der Vorteil dieses Bodengefährts im Vergleich zu dem aus der 3 liegt darin, dass aufgrund der Gelenkbeine 331 eine bessere Geländegängigkeit bzw. auch eine gewisse Kletterfähigkeit gegeben ist.
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An dem Antriebskopf 328 ist eine Halterung 315 für einen Aufnahmeträger 318 mit einer Faserpackung 319 darauf vorgesehen. Des Weiteren geht von der Halterung 315 ein Arm mit einer Abwickelöse 316 am Ende ab, durch den eine vom Aufnahmeträger 318 kommende Faser 321 geführt ist.
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In der 5 sind zwei erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtungen 411 nach Art von kleinen Helikoptern dargestellt. Eine solche Handhabungsvorrichtung 411 weist an einem Antriebskopf 428 ähnlich wie in 1b einen Rotor 429 auf, der allerdings nun selbst, ähnlich wie bei einem Helikopter, verstellbar bzw. anstellbar ist für eine freie Bewegung im Raum. Es kann auch ein zweiter Rotor 429' vorgesehen sein für eine bessere Steuerbarkeit.
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Von dem Antriebskopf 428 geht eine Halterung 415 nach unten und trägt einen Aufnahmeträger 418, der auf bekannte Art und Weise eine Faserpackung 419 aufweist. Durch eine am Antriebskopf 428 befestigte Abwickelöse 416 ist eine Faser 421 geführt zum Abwickeln. Im Flug wird diese Faser 421 von der Handhabungsvorrichtung 411 bzw. dem Fluggerät auf ein Gerüst 423 als Gelege 425 aufgebracht und so ein entsprechendes Faserverbund-Teil gebildet. Durch die freie Bewegbarkeit im Raum kann ein solches Faserverbund-Teil an schwer zugänglichen Stellen, also quasi vor Ort, erzeugt werden. Des Weiteren kann es quasi frei geformt werden.
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Aus der Darstellung in 5 geht auch hervor, wie zwei Handhabungsvorrichtungen 411, die hier beide als Fluggerät ausgebildet sind, an demselben Faserverbund-Teil arbeiten bzw. es herstellen.
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In 6 ist in einer nochmals weiteren Ausbildung eine erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung 511 ähnlich derjenigen aus 5 dargestellt. Sie weist einen Antriebskopf 528 mit einer Halterung 515 für einen Aufnahmeträger 518 auf. An dem Antriebskopf 528 ist eine Abwickelöse 516 angeordnet, durch die eine Faser 521 bzw. ein Faserbündel von einer Faserpackung 519 am Aufnahmeträger 518 abgewickelt wird zu einem hier großflächig dargestellten Gelege 525. Zur Energieversorgung der Handhabungsvorrichtung 511 bzw. zum Antrieb des Rotors 529 ist ein Kabel 527 zum Antriebskopf 528 vorgesehen. Dieses Kabel 527 kann möglichst leicht sein, sodass es auch bei großer Länge für eine freie Bewegbarkeit des Fluggeräts nicht zu schwer wird, um es zu tragen bzw. mitzuziehen.
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In der 7 ist eine Handhabungsvorrichtung 611 als Tauchfahrzeug dargestellt, das unter einer Wasseroberfläche 633 auf ein Gerüst 623 ein Gelege 625 aufbringen kann. Das Tauchfahrzeug bzw. die Handhabungsvorrichtung 611 weist ein Gehäuse 628' auf, an welchem hier beispielhaft vorne ein Propeller 629' angeordnet ist, der von einem Antrieb, insbesondere einem Elektromotor, angetrieben ist. Über entsprechende Steuer 635 nach Art von Leitwerken kann das Tauchfahrzeug beliebig gesteuert werden. Im hinteren Bereich trägt es einen Aufnahmeträger 618 mit einer Faserpackung 619 darauf, von dem durch eine Abwickelöse 616 eine Faser 621 bzw. ein entsprechendes Faserbündel abgewickelt wird, und zwar eben auf das Gerüst 623 als Gelege 625 oder Wickelbauteil. So kann sogar unter Wasser ein Faserverbund-Teil hergestellt werden oder auch beispielsweise damit eine Reparatur an einem Bauteil, insbesondere einer Pipeline o. dgl. vorgenommen werden. Bei entsprechender Wahl eines Harzes auf den Fasern 621 bzw. auf der Faserpackung 619 kann ein Aushärten auch unter Wasser ermöglicht werden. Durch entsprechend dichtes Aufwickeln bzw. Legen der Fasern oder Faserbündel kann Wasser herausgedrängt werden und ein stabiles Faserverbund-Teil hergestellt werden.
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Ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel einer Handhabungsvorrichtung 711 ist in der 8 dargestellt. An einem Wurfkörper 737, der mit einem die Flugbahn stabilisierenden Leitwerk 735' versehen ist, ist im hinteren Bereich an einer Halterung 715 ein Aufnahmeträger 718 angeordnet. Dabei ist an dem Aufnahmeträger 718 eine Abwickelhilfe 739 vorgesehen, die quasi ein automatisches Abwickeln einer Faser 721 bzw. eines Faserbündels vom Aufnahmeträger 718 im Flug oder beim Wurf bewirkt. So kann erreicht werden, dass das Abwickeln der Faser 721 vom Aufnahmeträger 718 bzw. der darauf befindlichen Faserpackung keine Kraft oder nur eine geringe Kraft auf den Wurfkörper 737 bzw. die Handhabungsvorrichtung 711 ausübt, die diesen zu sehr bremsen würde bzw. seine Wurfweite zu sehr einschränken könnte. Bei dieser Handhabungsvorrichtung 711 ist zwar die Möglichkeit der genauen Führung der Faser 721 beim Aufbringen eingeschränkt bzw. weitaus geringer als beispielsweise bei den Fluggeräten der 5 und 6. Gleichzeitig kann aber bei präzisem Werfen oder Schießen dieser Handhabungsvorrichtung 711 zumindest in gewissen Grenzen eine steuerbare Aufbringung von Fasern erreicht werden. Des Weiteren kann eine solche Handhabungsvorrichtung natürlich aufgrund des Fehlens jeglicher Antriebe oder Steuermittel einfach, technisch robust und kostengünstig ausgebildet sein.
