-
Die Erfindung betrifft eine Legevorrichtung zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche.
-
Im Leichtbau, insbesondere im Flugzeugbau und in der Raumfahrt, werden für verschiedenste Konstruktionskomponenten zunehmend faserverstärkte Verbundbauteile eingesetzt, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei einer zugleich geringen Masse ein hohes Gewichtseinsparungspotenzial aufweisen.
-
Die Ausrichtung der Verstärkungsfasern im Verbundbauteil hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Steifigkeit und die Lasttragfähigkeit. Die Verstärkungsfasern sollten im Idealfall der maßgeblichen Belastungsrichtung des Bauteils folgen, keine Welligkeit aufweisen und möglichst gleichmäßig mechanischen Lasten ausgesetzt sein.
-
Eine Möglichkeit, das vorstehende Anforderungsprofil umzusetzen, bietet das sogenannte Fiber-Placement-Verfahren (FP-Verfahren). Hierbei werden mit einem thermoplastischen oder mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial vorimprägnierte, mit Verstärkungsfasern armierte Faserbänder mit einer Breite zwischen wenigen Millimetern, beispielsweise etwa 3 mm, und mehreren Zentimetern, beispielsweise 20 cm, mittels eines robotergeführten Legekopfes entlang von vorgegebenen Bahnkurven auf einer formgebenden Unterlage abgelegt. Der Legeprozess wird automatisiert so lange wiederholt, bis der sich sukzessiv aufbauende FP-Rohling bzw. Preform die Sollgeometrie und Sollmaterialstärke erreicht hat. Der automatisierte Legeprozess erlaubt die zuverlässige Reproduzierbarkeit der geometrischen Abmessungen der herzustellenden Faserverbundbauteile in großen Stückzahlen bei zugleich geringen Herstellungskosten. Das Ablegen der herstellerseitig bereits vorimprägnierten Faserbänder, sogenannte Prepreg-Bänder, erfolgt bevorzugterweise entlang von Bahnkurven, die den kraftflussgerechten Verlauf der Verstärkungsfasern im fertigen Bauteil sicherstellen.
-
In Abhängigkeit von dem zur Matrixbildung eingesetzten Kunststoffmaterial erfolgt die Weiterverarbeitung des Bauteils nach dem Abschluss des Legeprozesses. Sind die Faserbänder beispielsweise mit einem aushärtbaren, duroplastischen Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel einem Epoxidharz, gebildet, so erfolgt in der Regel eine Aushärtung des Rohlings unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur, um das Verbundbauteil fertigzustellen. Mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial imprägnierte Faserbänder erfordern bereits während des Legeprozesses hohe Temperaturen von beispielsweise bis zu 450°C, um die Faserbänder hinreichend flexibel zu halten. Nach dem Abschluss des Fiber-Placement-Legeprozesses sind im Fall von thermoplastischen Faserbändern keine weiteren Verarbeitungsschritte mehr vorzunehmen, es genügt eine aktive oder passive Abkühlung des Rohlings auf Raumtemperatur. In einigen Fällen kann bei thermoplastischen Fasserbändern jedoch auch eine Nachkonsolidierung in einem Autoklaven notwendig sein.
-
Anstatt des Ablegens von vorimprägnierten bzw. imprägnierten Faserbändern können beim FP-Verfahren auch Trockenfaserbänder abgelegt werden, wobei der so erzeugte Preform nach dem Ablegen in einem Injektions- oder Infusionsverfahren mit Harz gefüllt und ausgehärtet wird. Derartige FP-Verfahren sind als Trockenfaser-Placement-Verfahren oder Direct-Tow-Placement-Verfahren bekannt.
-
Die Faserbänder sind gewöhnlich auf Spulen aufgewickelt, die in sogenannten Spulengattern nebeneinander gelagert sind. Bei einer bekannten Legevorrichtung ist das Spulengatter an dem Legekopf befestigt. Ein derartiger Legekopf zeichnet sich durch ein hohes Gewicht und einen komplexen Aufbau aus, wobei der komplexe Aufbau das Wechseln der Spulen erschwert.
-
Bei einer alternativen Legevorrichtung ist das Spulengatter zusammen mit dem Legekopf auf einer bewegbaren Grundplattform angeordnet. Der Legekopf ist dabei in einem Abstand zum Legekopf angeordnet, der ein Führen der Faserbänder über eine Vielzahl von Spannrollen und Umlenkrollen erfordert. Die Führung über die Spann- und Umlenkrollen erfolgt ungeschützt, so dass die Faserbänder Verschmutzungen ausgesetzt sind. Zudem können sich Verdrehungen bzw. Verwindungen der Faserbänder ergeben, was sich nachteilig auf die Ausrichtung der Faserbänder im Legekopf auswirken kann.
-
Bei einer anderen bekannten Legevorrichtung, bei der ein Spulengatter getrennt vom Legekopf in einem Seitenbereich der Vorrichtung positioniert sind, werden die Faserbänder durch bowdenzugartige Kanäle geführt. Durch die Kanäle sind die Faserbänder zwar gegen Umwelteinflüsse grundsätzlich geschützt, jedoch können die Kanäle an sich verschmutzen und sich diese Verschmutzungen auf den Faserbändern ablagern. Zudem ist die Kanalführung technisch aufwendig.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legevorrichtung zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche zu schaffen, die unabhängig von einer jeweiligen Legekopfposition einen kurzen Abstand zwischen dem Legekopf und einem Spulengatter sowie einen einfachen Spulengatterwechsel ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Legevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
-
Eine erfindungsgemäße Legevorrichtung zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche hat eine an einer Positioniereinrichtung angeordnete Legekopfaufnahme zur Aufnahme eines Legekopfes und eine Spulengatteraufnahme zur Aufnahme eines Spulengatters. Erfindungsgemäß ist die Spulengatteraufnahme an einer individuell ansteuerbaren und verfahrbaren Positioniereinrichtung angeordnet, mittels der Bewegungen des Legekopfes nachführbar sind.
-
Durch die individuelle Anordnung eines Legekopfes und eines Spulengatters in Kombination mit dem Nachführen der Bewegungen des Legekopfaufnahme und somit des Legekopfes ist stets ein konstanter und insbesondere ein minimaler Abstand zwischen dem Spulengatter und dem Legekopf einstellbar. Aufgrund einer sich durch die individuelle Lagerung und nachführende Steuerung des Spulengatters bezogen auf den Legekopf nicht ändernden Relativposition zwischen dem Spulengatter und dem Legekopf können Führungen der Faserbänder technisch vereinfacht werden bzw. gesonderte Spannrollen, Umlenkrollen und dergleichen entfallen. Verschmutzungen der Faserbänder aufgrund von Umgebungseinflüssen sind auf ein Minimum reduziert bzw. ausgeschlossen, auch ohne aufwendige Kanalführungen. Das Spulengatter kann dabei derart nachgeführt werden, dass unerwünschte Verwindungen der Faserbänder ausgeschlossen sind, so dass die Faserbänder in einer optimalen Ausrichtung dem Legekopf zugeführt werden. Zudem wird ein Spulengatterwechsel vereinfacht, da die Spulengatteraufnahme losgelöst bzw. getrennt von dem Legekopf ist und somit eine gute Zugänglichkeit gegeben ist.
-
Die Legevorrichtung kann mehrere Spulengatteraufnahmen aufweisen. Hierdurch kann die Legevorrichtung beispielsweise gleichzeitig mit Spulengattern unterschiedlicher Faserbänderbreite bestückt werden, so dass im Legeprozess quasi ohne Unterbrechung zwischen einzelnen Faserbänderbreiten gewechselt werden kann. Alternativ und/oder ergänzend kann die Legevorrichtung mit mehreren Spulengattern mit gleichen Faserbänderbreiten bestückt werden, so dass nach dem Aufbrauchen eines Spulengatters quasi ohne Unterbrechung auf ein volles Spulengatter zugegriffen werden kann.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Spulengatteraufnahmen an einzeln ansteuerbaren Positioniereinrichtungen angeordnet. Hierdurch lässt sich die Flexibilität der Legevorrichtung weiter steigern. Denn beispielsweise kann beim Legeprozess ein leeres Spulengatter, das an einer eigenen Positioniereinrichtung angeordnet ist, ohne Unterbrechung des Legeprozesses gegen ein volles Spulengatter gewechselt werden. Zudem kann die Legevorrichtung während eines Legeprozesses für einen nachfolgenden Legeprozess vorbereitet und mit entsprechenden Spulengattern bestückt werden.
-
Das Wechseln der Spulengatter lässt sich automatisieren, wenn zumindest eine Wechseleinrichtung vorgesehen ist, mittels der das zumindest eine Spulengatter aus seiner Spulengatterausnahme entnommen und diese wieder mit einem neuen bzw. alternativen Spulengatter bestückt werden kann.
-
Der Wechselvorgang lässt sich weiter verbessern, wenn die jeweilige Positioniereinrichtung in eine entsprechende Wechselposition verfahrbar ist.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zumindest eine Positioniereinrichtung der zumindest einen Spulengatteraufnahme ein Knickarmroboter. Ein derartiger Roboter zeichnet sich durch maximale Freiheitsgrade in seiner Bewegung aus, so dass das Spulengatter selbst bei hochkomplexen sphärischen Oberflächen in einem sehr engen Abstand dem Legekopf folgen kann.
-
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die zumindest eine Positioniereinrichtung der zumindest einen Spulengatteraufnahme ein Portalroboter. Ein derartiger Roboter erfordert eine weniger aufwändige Steuerungs- und Regelungselektronik als ein Knickarmroboter.
-
Bevorzugterweise hat die spulengatterseitige Positioniereinrichtung zumindest einen Freiheitsgrad mehr als die legekopfseitige Positioniereinrichtung. Hierdurch kann die spulengatterseitige Positioniereinrichtung nahezu unabhängig von der legekopfseitigen Positioniereinrichtung an einem Umgebungsabschnitt aufgestellt werden, da durch den zumindest einen Freiheitsgrad mehr unterschiedliche Aufstellorte ausgeglichen werden können.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche, insbesondere zum Ansteuern einer erfindungsgemäßen Legevorrichtung, werden ein Legekopf und ein Spulengatter an individuell ansteuerbaren Positioniereinrichtungen angeordnet und die Positioniereinrichtung des Spulengatters derart angesteuert bzw. im Raum bewegt, dass das Spulengatter Bewegungen des Legekopfes nachführt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen kleinen Abstand zwischen dem Legekopf und dem Spulengatter bei zusätzlich einfachem Spulengatterwechsel. Aus Sicht der Oberfläche ist das Spulengatter unmittelbar hinter dem Legekopf angeordnet, wodurch die Faserbänder nur über eine kleine Entfernung frei zwischen dem Spulengatter und dem Legekopf geführt werden.
-
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer stark vereinfachten schematischen Darstellung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt einen grundsätzlichen Funktionsaufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Legevorrichtung.
-
In 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Legevorrichtung 1 zum automatisierten Ablegen von Faserbändern 2 auf einer Oberfläche 4 zur Bildung eines Verbundbauteils gezeigt. Die Oberfläche 4 wird hier von einer Werkzeugform 6 gebildet, die beispielsweise eine Rumpfschale einer Flugzeugstruktur nachzeichnet. Demgemäß ist das beispielhaft zu fertigende Verbundbauteil hier eine Rumpfschale.
-
Die Werkzeugform 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ortsfest gelagert und hat bezogen auf ein in 1 gezeigtes Koordinatensystem eine vornehmliche Erstreckung in x-Richtung und z-Richtung. Selbstverständlich kann die Werkzeugform 6 auch in einer Ebene oder im Raum verfahrbar gelagert sein.
-
Die Legevorrichtung 1 ermöglicht die Durchführung des sogenannten Fiber-Placement-Verfahrens (FP-Verfahren), bei dem die Faserbänder 2 bezogen auf das zu fertigende Verbundbauteil kraftflussgerecht auf der Oberfläche 4 in Bahnkurven abgelegt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist ein Faserband 2 stellvertretend für alle Faserbänder beziffert.
-
Die Faserbänder 2 sind beispielsweise sogenannte Prepreg-Bandmaterialen. Alternativ können die Faserbänder 2 jedoch auch Trockenfaserbänder sein. Die Legevorrichtung 1 ist somit weder auf das alleinige Ablegen von Prepregs, noch auf das alleinige Ablegen von Trockenfaserbändern beschränkt. Die Legevorrichtung 1 ist vom Imprägnierungsgrad der Faserbänder unabhängig und erlaubt somit die Handhabung sowohl von Prepregs als auch von Trockenfaserbändern. Sie sind bevorzugterweise mit Kohlefasern armiert, die wahlweise in eine Kunststoffmatrix aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial eingebettet sind. Alternativ können auch beliebige organische und/oder anorganische Verstärkungsfasern zum Einsatz kommen, solange eine vorgegebene mechanische Belastbarkeit des im FP-Verfahrens gefertigten Verbundbauteils gegeben ist. Im Falle einer thermoplastischen Harzmatrix kann es – in Abhängigkeit von den spezifischen Materialeigenschaften des thermoplastischen Kunststoffes – erforderlich sein das Faserband 80, bis auf eine Temperatur von etwa 450 °C aufzuheizen, beispielsweise durch einen Laserstrahl, um dessen Flexibilität und Handhabbarkeit während des FP-Verfahrens sicherzustellen.
-
Die Legevorrichtung 1 hat einen Legekopf 8 und zumindest ein Spulengatter 10. Der Ablagekopf 8 erlaubt das Ablegen von verschiedenen Faserbändern 2, sowohl hinsichtlich ihrer Materialien als auch hinsichtlich ihrer Dicke und Breite.
-
Der Legekopf 8 hat eine Anpressrolleneinheit 12 zum Anpressen der Faserbänder 2 auf die Oberfläche 4, Führungen zum Einführen der Faserbänder 2 vom Spulengatter 10 in den Legekopf 8, eine Schneideinrichtung zum Zuschneiden der Faserbänder 2 sowie eine Heizeinrichtung zum optionalen Erwärmen der Faserbänder 2 auf eine Betriebstemperatur. Die Anpressrolleneinheit 12, die Führungen, die Schneideinrichtung und die Heizeinrichtung sind herkömmlicher Art, wobei sie aus und aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
-
Das Spulengatter 10 weist eine Vielzahl von Spulen 14 zur Aufnahme jeweils eines Faserbandes 2 auf. Die Spulen 14 sind im Spulengatter 10 um parallele nicht gezeigte Spulenachsen gelagert. Sie sind dabei derart angeordnet, dass die Faserbänder 2 parallel und bevorzugterweise in einer Ebene aus dem Spulengatter 10 geführt werden.
-
Zum Wechseln des Spulengatters 10, beispielsweise zum Austausch eines leeren Spulengatters gegen ein volles Spulengatter, weist die Legevorrichtung 1 eine nicht gezeigte Wechseleinrichtung auf.
-
Der Legekopf 8 und das Spulengatter 10 sind jeweils über eine Legekopfaufnahme 16 bzw. eine Spulengatteraufnahme 18 der Legevorrichtung 1 an einer einzeln bzw. individuell ansteuerbaren und verfahrbaren Positioniereinrichtung 20, 22 angeordnet. Die Positioniereinrichtungen 20, 22 erlauben eine freie Positionierung des Legekopfes 8 und des Spulengatters 10 im Raum und somit in Bezug zur Oberfläche 4 des Werkzeugform 6. Die Positioniereinrichtungen 20, 22 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Armroboter ausgeführt. Die spulengatterbezogene Positioniereinrichtung 22 ist hier insbesondere als Knickarmroboter ausgeführt und hat, wie im Folgenden noch gesehen wird, zumindest einen Freiheitsgrad mehr als die legekopfseitige Positioniereinrichtung 20. Die Positioniereinrichtungen 20, 22 können jedoch auch Portalroboter sein. Die individuelle Anordnung des Legekopfes 8 und des Spulengatters 10 an einzeln ansteuerbaren Positioniereinrichtungen 20, 22 mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden ermöglicht ein Nachführen von Bewegungen des Legekopfes 8 mit dem Spulengatter 10 und somit eine unveränderte Relativposition zwischen dem Legekopf 8 und dem Spulengatter 12 unabhängig von einer Ist-Position des Legekopfes 8. Hierdurch wird insbesondere die Führung des Spulengatters 10 in einem geringen und konstanten Abstand a zum Legekopf 8, eine optimale Ausrichtung der Faserbänder 4 zum Legekopf 8 und ein einfacher Spulengatterwechsel ermöglicht. Der Abstand a zwischen dem Spulengatter 10 und dem Legekopf 8 entspricht einer führungsfreien bzw. freien Strecke der Faserbänder 2 zwischen dem Spulengatter 10 und dem Ablagekopf 8.
-
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die spulengatterseitige Positioniereinrichtung 22 oberhalb der legekopfseitigen Positioniereinrichtung 20 an einem Umgebungsabschnitt angebunden.
-
Die Positioniereinrichtung 20 des Legekopfes 8 hat hier eine Basis 24, einen an der Basis 24 angelenkten Schwenkarm 26 sowie einen am freien Ende des Schwenkarms 26 gelagerten Drehkopf 28. Der Drehkopf 28 nimmt über eine Drehplatte 30 die Legekopfaufnahme 16 und somit den Legekopf 8 auf. Zum Ablegen der Faserbänder 2 auf der Oberfläche 4 entsprechend den vorbestimmten Bahnkurven ist die Basis 24 bezogen auf das Koordinatensystem zumindest linear in x-Richtung und somit parallel zur Werkzeugform 6 verfahrbar. Ergänzend kann die Basis 24 beispielsweise auch auf einem Kreuztisch gelagert sein und somit ebenfalls linear in y-Richtung und somit in Richtung der Werkzeugform 6 verfahrbar sein. Der Schwenkarm 26 ist um eine sich in x-Richtung erstreckende Schwenkachse 32 verschwenkbar. Der Drehkopf 28 ist zumindest um eine zur Schwenkache parallel verlaufende Drehachse 34 drehbar. Der Drehteller 30 ist um eine Querachse 36 orthogonal zur Drehachse des Drehkopfes 28 drehbar.
-
Die Positioniereinrichtung 22 hat hier zwei Schwenkarme 38, 40, die zwischen einer Basis 42 und einem Drehkopf 44 mit einem Drehteller 46 angeordnet und gelenkig miteinander verbunden sind. Durch die Schwenkarme 38, 40 können Abstandsänderungen in y-Richtung des Spulengatters 10 zur Werkzeugform 6 bzw. zum Legekopf 8 eingestellt werden. Die Basis 42 ist bezogen auf das Koordinatensystem linear in x-Richtung und somit parallel zur Werkzeugform 6 verfahrbar. Zusätzlich ist die Basis 42 um eine sich in z-Richtung erstreckende Hochachse 48 verschwenkbar. Ergänzend kann die Basis 42 beispielsweise auch auf einem Kreuztisch gelagert sein und somit ebenfalls linear in y-Richtung und somit in Richtung der Werkzeugform 6 verfahrbar sein. Der basisseitige Schwenkarm 38 ist aufgrund der Rotationsmöglichkeit der Basis 42 um die Hochachse 48 um eine Schwenkachse 50 in einer x-y-Ebene verschwenkbar. Der drehkopfseitige Schwenkarm 40 ist über eine parallel zur Schwenkachse 50 verlaufende Verbindungsachse 52 relativ zum basisseitigen Schenkarm 40 verschwenkbar. Der Drehkopf 44 ist zumindest um eine zur Schwenkachse 50 und zur Verbindungsachse 52 parallel verlaufende Drehachse 54 drehbar. Der Drehteller 46 ist um eine Querachse 56 orthogonal zur Drehachse 54 des Drehkopfes 44 drehbar.
-
Beim erfindungsgemäßen automatisierten Ablegen der Faserbänder 2 auf der Oberfläche 4 wird die das Spulengatter 10 aufnehmende Positioniereinrichtung 22 derart angesteuert, dass sie Bewegungen des Legekopfes zum Ablegen der Faserbänder 2 in einem konstanten bzw. nahezu konstanten Abstand nachführt. Aus Sicht der Oberfläche 6 ist das Spulengatter 10 unmittelbar hinter dem Legekopf 8 positioniert, wodurch ein Abstand a und somit eine freie Strecke der Faserbänder 2 zwischen dem Spulengatter 10 und dem Legekopf 8 minimiert ist. Eine Relativposition des Spulengatters 10 zum Legekopf 8 wird idealerweise nicht verändert, so dass die Faserbänder 2 nicht nur in einem konstanten Abstand a, sondern auch in einer optimalen Ausrichtung dem Legekopf 8 zugeführt werden.
-
Offenbart sind eine Legevorrichtung zum automatisierten Ablegen von Faserbändern auf einer Oberfläche, wobei ein Spulengatter an einer eigenen, individuell im Raum verfahrbaren Positioniereinrichtung angeordnet ist und Bewegungen eines Legekopfes nachführt, sowie ein Legeverfahren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Legevorrichtung
- 2
- Faserband
- 4
- Oberfläche
- 6
- Werkzeugform
- 8
- Legekopf
- 10
- Spulengatter
- 12
- Anpressrolleneinheit
- 14
- Spule
- 16
- Legekopfaufnahme
- 18
- Spulengatteraufnahme
- 20
- Positioniereinrichtung
- 22
- Positioniereinrichtung
- 24
- Basis
- 26
- Schwenkarm
- 28
- Drehkopf
- 30
- Drehteller
- 32
- Schwenkachse
- 34
- Drehachse
- 36
- Querachse
- 38
- Schwenkarm
- 40
- Schwenkarm
- 42
- Basis
- 44
- Drehkopf
- 46
- Drehteller
- 48
- Hochachse
- 50
- Schwenkachse
- 52
- Verbindungsachse
- 54
- Drehachse
- 56
- Querachse
- a
- Abstand
