DE102014008665A1

DE102014008665A1 - Vorrichtung zum Transportieren, Vorformen und Ablegen flächiger Faserhalbzeugzuschnitte, sowie hieran verwendbare Greifeinrichtung

Info

Publication number: DE102014008665A1
Application number: DE102014008665.8A
Authority: DE
Inventors: Rafael Dreier; Martin Wahl; Sophie Kerchnawe; Dominik Kaden
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Transportieren und Ablegen flächiger Faserhalbzeugzuschnitte, die einen Roboter (200) und eine an dessen Roboterarm (210) angebundene Greifeinrichtung (300) mit mehreren Greifern (310) zur Aufnahme wenigstens eines Faserhalbzeugzuschnitts aufweist, wobei zumindest einige der Greifer (310) beweglich an der Greifeinrichtung (300) angeordnet und mittels Antrieb aktiv bewegbar sind, so dass der aufgenommene Faserhalbzeugzuschnitt beim Transportieren durch definiertes Bewegen dieser Greifer (310) gezielt verformt werden kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Greifeinrichtung (300) zur Verwendung an einer solchen Vorrichtung (100).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transportieren und Ablegen flächiger Faserhalbzeugzuschnitte.
Die Erfindung betrifft ferner eine Greifeinrichtung zur Verwendung an einer betreffenden Vorrichtung.
Bei der Herstellung flächiger Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff (wie bspw. CFK oder GFK) müssen die verwendeten Faserhalbzeuge nach dem Zuschneiden in ein formgebendes Werkzeug eingelegt werden. Dieser Vorgang wird auch als Drapieren (Ablegen von flächigen Halbzeugen auf einer gekrümmten Fläche) bezeichnet. Bei komplexen Formen wird häufig zunächst eine so genannte Preform aus miteinander verpressten Faserhalbzeugzuschnitten hergestellt, wozu die trockenen Faserhalbzeugzuschnitte in ein Preformwerkzeug eingelegt werden müssen.
Aus der DE 10 2011 050 102 A1 ist eine Vorrichtung zum Transport und Einlegen von flächigen Faserverbundwerkstoffmatten in eine Form zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen bekannt, wobei die Vorrichtung Greifer zur Aufnahme der Faserverbundwerkstoffmatte(n) aufweist und ein Druckelement an der Vorrichtung angeordnet ist, wobei mit dem Druckelement die aufgenommene Faserverbundwerkstoffmatte in die Form pressbar ist.
Zum Stand der Technik wird ergänzend auch noch auf die DE 10 2011 012 858 A1 hingewiesen, aus der eine an einem Roboter befestigte Drapiervorrichtung bekannt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Transportieren und Ablegen flächiger Faserhalbzeugzuschnitte anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder wenigstens nur in einem verminderten Umfang aufweist.
Dies gelingt mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Greifeinrichtung bzw. Greifereinheit, die an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transportieren und Ablegen flächiger (und insbesondere schlaffer) Faserhalbzeugzuschnitte umfasst einen Roboter (oder einen gleichwirkenden Manipulator, wie bspw. eine Portalanlage oder dergleichen) und eine an dessen Roboterarm angebundene Greifeinrichtung mit mehreren Greifern zur Aufnahme wenigstens eines Faserhalbzeugzuschnitts. Es ist vorgesehen, dass zumindest einige dieser Greifer beweglich an der Greifeinrichtung angeordnet und mittels wenigstens einem zur Greifeinrichtung gehörendem Antrieb aktiv bewegbar sind, so dass der wenigstens eine aufgenommene Faserhalbzeugzuschnitt bereits beim Transportieren bzw. während des Transports (und somit vor dem Ablegen) durch definiertes Bewegen der Greifer gezielt (d. h. in einer eindeutig beabsichtigten Weise) verformt und dadurch vorgeformt und insbesondere vordrapiert werden kann.
Die mit den Greifern aktiv ausführbaren Bewegungen können translatorische Verfahrbewegungen, rotatorische Bewegungen bzw. Drehbewegungen um die Greifachse und/oder Schwenkbewegungen um wenigstens eine Schwenkachse sein. Die beweglichen Greifer verfügen über entsprechende Bewegungsfreiheitsgrade.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann während der automatisierten Handhabung von Faserhalbzeugzuschnitten ein Verformen und insbesondere ein Vordrapieren aufgenommener Faserhalbzeugzuschnitte erfolgen. Das Verformen eines aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts (oder mehrerer Faserhalbzeugzuschnitte bzw. eines Zuschnittstapels) während des Transports erfolgt insbesondere durch freies Strecken und Ziehen (Verziehen), d. h. ohne Gegenform. Die Erfindung weist viele Vorteile auf, von denen einige nachfolgend noch näher erläutert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Drapiervorrichtung bzw. -anlage oder auch als Effektor bezeichnet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Herstellung von Preforms verwendbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine automatisierte Verbindung zwischen dem Zuschneiden der Faserhalbzeuge und der nachfolgenden Formgebung zur Herstellung einer Preform in einem Preformwerkzeug schaffen, wobei mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung außer den erfindungsgemäßen Manipulationen an Faserhalbzeugzuschnitten weitere Handhabungsaufgaben, bspw. auch das Entformen einer fertigen Preform aus einem Preformwerkzeug, automatisiert ausgeführt werden können. Dies gilt analog auch für die direkte Herstellung (ohne Preform) eines flächigen Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff.
Die Greifeinrichtung kann einen Antrieb (Antriebsmittel) zur gemeinsamen Bewegung der Greifer aufweisen. Bei dem Antrieb kann es sich bspw. um einen Motor (z. B. einen Elektromotor) oder um einen Stellzylinder (bspw. pneumatischer oder hydraulischer Art) handeln. Bevorzugt sind die beweglichen bzw. zu bewegenden Greifer über eine Bewegungsmechanik (bzw. einen Bewegungsmechanismus) mit diesem Antrieb verbunden und insbesondere über diese Bewegungsmechanik auch miteinander bewegungsgekoppelt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Greifeinrichtung mehrere Einzelantriebe zur Bewegung der Greifer aufweist. Mit Hilfe dieser Einzelantriebe können die beweglichen Greifer einzeln und unabhängig voneinander bewegt werden. Ein beweglicher Greifer kann hierzu über eine Bewegungsmechanik mit dem zugehörigen Einzelantrieb verbunden sein. Diese Antriebskonzepte können auch miteinander kombiniert werden.
Bevorzugt sind die beweglichen Greifer innerhalb einer (durch die Greifer aufgespannten) Greiferebene verfahrbar, wodurch eine zweidimensionale Verformung des aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts ermöglicht wird. Die Greifer können verfahrbar an wenigstens einer Schiene (oder dergleichen) befestigt bzw. gehaltert sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest einige der beweglichen Greifer senkrecht oder gegebenenfalls auch schief zu einer Greiferebene verfahrbar sind, um eine dreidimensionale Verformung des aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts zu ermöglichen. Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest einige der beweglichen Greifer schwenkbar und insbesondere aktiv schwenkbar sind. Bevorzugt sind die Greifer in mehreren Raumrichtungen bewegbar und/oder verschwenkbar.
Die Greifer an der Greifeinrichtung ermöglichen die zuverlässige Aufnahme eines Faserhalbzeugzuschnitts oder mehrerer Faserhalbzeugzuschnitte (bspw. eines Stapels), wobei diese direkte mit dem Fasermaterial in Kontakt kommen. Bei den Greifern handelt es sich bevorzugt um Nadelgreifer, Klemmgreifer oder Sauggreifer (z. B. Composite-Greifer).
Die Greifeinrichtung kann wenigstens einen Sensor zur Überwachung der Verformung des aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts bzw. zur Überwachung des Verformungsvorgangs aufweisen. Mit einem solchen Sensor kann ferner auch das Aufnehmen und Ablegen des Faserhalbzeugzuschnitts überwacht werden.
Eine erfindungsgemäße Greifeinrichtung umfasst bevorzugt mehrere Greifer, die zum Aufnehmen bzw. zur Aufnahme wenigstens eines Faserhalbzeugzuschnitts mit diesem in direkten Kontakt gelangen, wobei zumindest einige dieser Greifer beweglich an der Greifeinrichtung angeordnet und mittels wenigstens einem zur Greifeinrichtung gehörendem Antrieb aktiv bewegbar sind, so dass der wenigstens eine aufgenommene Faserhalbzeugzuschnitt beim Transportieren durch definiertes Bewegen (Verfahren, Schwenken und/oder Drehen) dieser Greifer gezielt verformt werden kann. Die erfindungsgemäße Greifeinrichtung kann ferner umfassen:

– eine Rahmenstruktur, die bspw. Längsträger, Querträger und/oder Schienen aufweist;
– einen Aufbau, um die beweglichen Greifer relativ zueinander bewegen bzw. verfahren zu können, wobei dieser Aufbau wenigstens einen Antrieb und wenigstens eine Bewegungsmechanik aufweist und entsprechende Bewegungsfreiheitsgrade ermöglicht;
– einen Flansch zur Anbindung an einen Roboter oder dergleichen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 zeigt verschiedene Möglichkeiten der ebenen Verformung (2D-Verformung) eines mit der Vorrichtung gemäß 1 aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts.
3 zeigt die räumliche Verformung (3D-Verformung) eines mit der Vorrichtung gemäß 1 aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts.
1 zeigt in einer Seiteansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Aufnehmen, Transportieren und Ablegen flächiger Faserhalbzeugzuschnitte. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Mehrachsroboter 200 und eine an dessen Roboterarm 210 angebundene Greifeinrichtung 300 mit einer Rahmenstruktur 320. Die Greifeinrichtung 300 kann mit Hilfe des Roboters 200 im Arbeitsraum bewegt, d. h. verfahren, gedreht und geschwenkt werden. Die Greifeinrichtung 300 umfasst mehrere Greifer 310, mit denen ein einzelner Faserhalbzeugzuschnitt oder mehrere Faserhalbzeugzuschnitte, bspw. ein Stapel aus mehreren Faserhalbzeugzuschnitten, aufgenommen werden kann. Die Aufnahme erfolgt gemäß der Anordnung der Greifer 310 an mehreren Punkten bzw. Stellen. Das Aufnehmen kann direkt an einer Schneidanlage zur Erzeugung ebener 2D-Zuschnitte erfolgen.
Erfindungsgemäß sind zumindest einige der Greifer 310 beweglich an der Greifeinrichtung 300 angeordnet und mit Hilfe wenigstens eines motorischen Antriebs 330 an der Greifeinrichtung 300 verfahrbar, so dass ein aufgenommener Faserhalbzeugzuschnitt oder -stapel beim Transportieren durch definiertes Bewegen dieser Greifer gezielt verformt und auf diese Weise vorgeformt oder vordrapiert werden kann. Damit sind mehrere Verformungs- bzw. Vordrapierprozesse mit unterschiedlicher Zielsetzung möglich, von denen nachfolgend einige kurz erläutert werden.
2a zeigt in einer Draufsicht einen ebenen rechteckigen Faserhalbzeugzuschnitt 400, der mit einer erfindungsgemäßen Greifeinrichtung 300 aufgenommen wird, wobei die Greifer 310 an den durchkreuzt dargestellten Punkten angreifen. Der Faserverlauf ist schematisch durch die Querlinien dargestellt.
Bei der in 2b dargestellten Verformung werden in der von den Greifern 310 aufgespannten Ebene (Greiferebene) die entlang der beiden inneren Greiferreihen 311 und 312 angeordneten Greifer gegeneinander verschoben, wodurch sich der gezeigte ebene wellenförmige Faserverlauf ergibt. Die bewegten Greifer 310 in den Greiferreihen 311 und 312 verfügen über entsprechende translatorische Freiheitsgrade, wozu diese bspw. an Schienen 325 befestigt und entlang dieser Schienen bewegt werden können. Die in den äußeren Greiferreihen angeordneten Greifer 310 bleiben unbewegt und können bspw. starr an der Greifeinrichtung 300 befestigt sein.
Bei der in 2c dargestellten Verformung werden die Greifer 310 in einer Ebene entlang der Greiferreihen 313, 314 und 315 auseinanderbewegt, wodurch die im Faserhalbzeugzuschnitt 400 enthaltenen Fasern in der Greiferebene aufgeweitet werden.
Die gemäß 2b oder 2c vorgeformten Faserhalbzeugzuschnitte 400' werden im gezeigten Zustand in einem formgebenden Werkzeug abgelegt. Eine Zielsetzung der mit der Greifeinrichtung 300 bewirkten Verformung bzw. Vorformung kann sein, die im Faserhalbzeugzuschnitt 400 enthaltenen Fasern im Hinblick auf bevorzugte Belastungsrichtungen des im Weiteren herzustellenden Bauteils gezielt anzupassen bzw. im Hinblick auf die Belastung neu auszurichten, so dass Bauteile mit einer höheren Belastbarkeit (Festigkeit) hergestellt werden können. Eine weitere Zielsetzung kann sein, die Formgebung im Werkzeug zu erleichtern und robuster (d. h. weniger störungsanfällig) zu machen. Gegebenenfalls können auch der Werkzeugaufbau und die erforderliche Peripherie vereinfacht werden. Durch ein gezieltes Aufweiten der Fasern (gemäß 2c) kann lokal der Faservolumengehalt des herzustellenden Bauteils gezielt beeinflusst werden, wodurch bspw. lokale Festigkeitseigenschaften eingestellt werden können. Ferner kann die Taktzeit reduziert und insgesamt Prozesszeit eingespart werden.
In analoger Weise können mit der Greifeinrichtung 300 auch mehrere Faserhalbzeugzuschnitte 400 einzeln oder als Stapel aufgenommen und während des Transports zu einem Werkzeug verformt bzw. vorgeformt werden.
Die in 2b und 2c veranschaulichten ebenen Verformungsvorgänge können im Übrigen auch miteinander kombiniert werden. Bei entsprechender Ausgestaltung der Greifeinrichtung 300 kann auch eine räumliche Verformung eines aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts 400 (oder mehrerer aufgenommener Faserhalbzeugzuschnitte 400) erfolgen, wie in 3 veranschaulicht. Die räumliche Verformung kann in Überlagerung mit einer Verformung gemäß 2b oder 2c erfolgen.
3a zeigt in einer Seitenansicht einen Faserhalbzeugzuschnitt 400 im ebenen Zustand (bspw. nach dem Zuschneiden) der von einer im Ausgangs- bzw. Aufnehmzustand befindlichen Greifeinrichtung 300 mit einer Vielzahl von in einer Greiferebene E angeordneten Greifern 310 aufgegriffen ist. Während des Transports zu einem Werkzeug 500 wird der aufgenommene Faserhalbzeugzuschnitt 400 durch entsprechendes Bewegen bzw. Verfahren der Greifer 310 verformt, wie in 3b gezeigt, und hierdurch vordrapiert. Die Greifer 310 können hierbei sowohl quer zueinander (ähnlich wie in 2 gezeigt) als auch längs zueinander (senkrecht oder gegebenenfalls auch schief zur Ebene E) bewegt werden, wie in 3b schematisch mit Bewegungspfeilen veranschaulicht. Einzelne Greifer 310 werden hierbei auch aktiv verschwenkt und/oder um ihre Greifachse gedreht. Die betroffenen Greifer 310 verfügen über entsprechende Bewegungsfreiheitsgrade.
Beim Vordrapieren wird der an der Greifeinrichtung 300 gehaltene Faserhalbzeugzuschnitt 400 teilweise oder vollständig in die exakte Gestalt (oder zumindest in eine ähnliche bzw. angenäherte Gestalt) des herzustellenden Bauteils oder der hierfür benötigten Preform gebracht. Dadurch kann sich der Faserhalbzeugzuschnitt 400' beim Ablegen in ein formgebendes Werkzeug 500 (Matrize) passgenau, ohne Faltenwurf, mit hoher Qualität und insbesondere unter Einhaltung von Toleranzen an die Werkzeugkavität anlegen. Im Werkzeug 500 können in analoger Weise mehrere Faserhalbzeugzuschnitte abgelegt werden. Aufgrund der optimierten Werkzeugbeladung kann das Werkzeug 500 gegebenenfalls ohne Oberwerkzeug und somit ohne Presse betrieben werden (das Kompaktieren bzw. Verdichten im Werkzeug 500 kann bspw. mittels Vakuumsack oder dergleichen erfolgen).
Die Verfahr-, Schwenk- und Drehbewegungen der Greifer 310 können mit einem einzelnen gemeinsamen elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb 330 erzeugt werden, wobei die betreffenden Greifer 310 über eine Bewegungsmechanik mit diesem Antrieb 330 verbunden sind. Über die Bewegungsmechanik sind die betroffenen Greifer bewegungsgekoppelt und können nur gemeinsam mit vorgegebenen Bewegungsbahnen und -abläufen bewegt werden. Alternativ können die Greifer 310 mit Hilfe zugehöriger Einzelantriebe unabhängig voneinander bewegt werden. Die konkrete bauliche Ausgestaltung der Greifeinrichtung 300 liegt im Bereich des fachmännischen Wissens und Könnens. Eine Greifeinrichtung 300 kann flexibel gestaltet werden, so dass diese zur Herstellung geometrisch ähnlicher Bauteile oder Preforms verwendet und/oder in einfacher Weise baulich angepasst werden kann. Zudem kann eine Greifeinrichtung 300 kostengünstig aufgebaut werden.
Die während des Transports bzw. beim Transportieren zur Ablegeposition erfolgende Verformung wenigstens eines aufgenommenen Faserhalbzeugzuschnitts 400 kann mit Hilfe wenigstens eines an der Greifeinrichtung 300 umfassten Sensors 340 (siehe 1) zumindest qualitativ überwacht werden. Mit Hilfe eines solchen Sensors 340 kann auch der Aufnahme- und/oder Ablegevorgang im Werkzeug 500 überwacht werden. So können Fehler frühzeitig entdeckt werden, bevor das Bauteil oder die Preform fertig hergestellt ist. Bei dem Sensor 340 kann es sich bspw. um eine Kameraeinrichtung oder eine Durchlichteinrichtung handeln. Der Sensor 340 kann auch zur Qualitätsüberwachung und/oder Qualitätsdokumentation verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011050102 A1 [0004]
DE 102011012858 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (100) zum Transportieren und Ablegen flächiger Faserhalbzeugzuschnitte (400), umfassend einen Roboter (200) und eine am Roboterarm (210) angebundene Greifeinrichtung (300) mit mehreren Greifern (310) zur Aufnahme wenigstens eines Faserhalbzeugzuschnitts (400), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Greifer (310) beweglich an der Greifeinrichtung (300) angeordnet und mittels Antrieb aktiv bewegbar sind, so dass der aufgenommene Faserhalbzeugzuschnitt (400) beim Transportieren durch definiertes Bewegen dieser Greifer (310) gezielt verformt werden kann.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtung (300) einen Antrieb (330) zur gemeinsamen Bewegung der Greifer (310) aufweist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtung (300) mehrere Einzelantriebe zur Bewegung der Greifer (310) aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (310) der Greifeinrichtung (300) innerhalb einer Greiferebene verfahrbar sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (310) der Greifeinrichtung (300) verfahrbar an wenigstens einer Schiene (325) befestigt sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (310) der Greifeinrichtung (300) senkrecht oder schief zu einer Greiferebene (E) verfahrbar sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (310) der Greifeinrichtung (300) schwenkbar sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifer (310) der Greifeinrichtung (300) als Nadelgreifer, Klemmgreifer oder Sauggreifer ausgebildet sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtung (300) wenigstens einen Sensor (340) zur Überwachung der Verformung des Faserhalbzeugzuschnitts (400) aufweist.
Greifeinrichtung (300) zur Verwendung in einer Vorrichtung (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die entsprechenden Merkmale in wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche.