DE102014012204A1

DE102014012204A1 - Formgebungsanlage zum Erstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundes

Info

Publication number: DE102014012204A1
Application number: DE102014012204.2A
Authority: DE
Inventors: Paul Zwicklhuber; Michael Fischlschweiger; Sebastian Picheta; Peter Egger
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2015-03-05
Also published as: AT514721A1; DE102014012204A8; AT514721B1; CN104512039A

Abstract

Formgebungsanlage (1) zum Herstellen eines Verbunds (2), insbesondere Faser-Kunststoff-Verbundes (2), mit einem ersten Lager (3), in dem, vorzugsweise faserverstärkte, Grundträger (4) gelagert sind, einer Transportvorrichtung (5) zum Entnehmen eines Grundträgers (4) aus dem ersten Lager (3), einer Ablage (6), auf der der von der Transportvorrichtung (5) entnommene Grundträger (4) ablegbar ist, einem zweiten Lager (7), in dem Verstärkungselemente (8) gelagert sind, wobei zumindest ein Verstärkungselement (8) von der Transportvorrichtung (5) auf den auf der Ablage (6) befindlichen Grundträger (4) auflegbar ist, einer Fügevorrichtung (9) zum Verbinden des Verstärkungselements (8) mit dem Grundträger (4) zu einem Verbund (2), einer Aufheizvorrichtung (10), in die der Verbund (2) von der Transportvorrichtung (5) transportierbar ist und in der der Verbund (2) auf eine über der Schmelzetemperatur eines den Verbund (2) mitbildenden Kunststoffs aufheizbar ist, und einer Formgebungsmaschine (11), in der der erwärmte Verbund (2) verpressbar und konsolidierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Formgebungsanlage zum Herstellen eines Verbundes, insbesonders eines Faser-Kunststoff-Verbundes. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundes.
Faserverstärkte Kunststoffe sind in der Technik als Konstruktionswerkstoff von zunehmender Bedeutung. Kurzfaserverstärkte Kunststoffe werden schon seit Jahrzehnten genutzt, um gezielt die Eigenschaften des Kunststoffes so anzupassen, dass diese ihren Einsatzzweck erfüllen können. Da die Ansprüche an Steifigkeit und Gewichtseinsparung in den letzten Jahren stetig gestiegen sind und die verschiedenen Matrixsysteme ihre Festigkeit nur gering steigern konnten, haben die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfaser bzw. die Länge der Verstärkungsfasern eine wesentliche Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften. Diese gesteigerten Ansprüche forderten den Weg von der Langfaserverstärkung zur Endlosfaserverstärkung. Für diese Faser-Kunststoff-Verbunde werden sowohl duroplastische als auch thermoplastische Matrixsysteme eingesetzt. Während endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischen Matrixmaterialien bereits seit ca. 6 Dekaden für Flugzeugteile eingesetzt werden, gewinnen die thermoplastischen endlosfaserverstärkten Bauteile erst in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung.
Generell haben solche Faserverbundwerkstoffe den Vorteil, dass je nach Verwendungszweck die Eigenschaften maßgeschneidert werden können. Die Maßschneiderung beginnt bei der Auswahl der Matrix und den verschiedenen Matrixhaftvermittlern, welche die Matrix-Schlichtenhaftung verbessern und endet bei den Verstärkungsfasern und deren Schlichten.
Ein weiterer Faktor der die Entwicklung der endlosfaserverstärkten Kunststoffe vorangetrieben hat, ist der Leichtbau. Aufgrund der niedrigen Dichten von Kunststoffen und Fasern, ist es möglich einen hochfesten und steifen Faserverbundwerkstoff mit einer geringen Dichte zu entwickeln. Weiters besitzen die einzelnen Faserwerkstoffe hervorragende mechanische Eigenschaften, die teilsweise sogar über Stahl liegen. Deshalb ist es mit der Werkstoffkombination Faser und Matrix möglich, sehr leichte Verbundwerkstoffe zu generieren. Deshalb werden solche Faserverbundwerkstoffe in letzter Zeit sehr oft im Transportwesen eingesetzt, um einerseits die Betriebskosten zu senken und anderseits die CO₂-Emissionen zu reduzieren. Als Beispiel wird für die zivile Luftfahrt die Boeing 787 genannt. Dort wurden 50 Gewichtsprozent Composites eingesetzt, dadurch wurde das Flugzeuggewicht um rund 20% gesenkt. Weiters werden solche Compositestrukturen auch in Fahrzeugen verbaut, um auch hier das Fahrzeuggewicht und somit auch CO₂-Emissionen zu senken. Ein Beispiel für den Fahrzeugbau ist das Project i von BMW. Für die beiden genannten Beispiele wurde eine duroplastische Matrix eingesetzt. Für thermoplastische Matrixsysteme befinden sich die Verarbeitungsprozesse noch im Entwicklungsstadium.
Das GMT-Verfahren (GMT = Glasmattenverstärkte Thermoplaste) beschreibt ein Verfahren in dem in einem ersten Schritt ein Halbzeug produziert wird. Dieses Halbzeug besteht aus einer Glasfasermatte und einer Polymerschmelze. Bei der GMT-Halbzeugproduktion wird eine Glasfasermatte mit einer Polymerschmelze beauftragt und anschließend werden die beiden Komponenten in einer Doppelbandpresse aufgeheizt, konsolidiert, verpresst und abschließend wieder abgekühlt. Ein solches Halbwerkzeug muss anschließend für den Verarbeitungsprozess nochmals über die Schmelztemperatur aufgeheizt werden und kann anschließend in einer Kühlpresse verpresst werden. Da in diesem Verfahren keine Polymerisation stattfindet, werden kürzere Zykluszeiten im Vergleich zu reaktiven Verfahren erzielt. Der größte Nachteil dieses Verfahrens liegt bei den verwendeten Wirrfasern, bei denen keine Vorzugsorientierung der Fasern vorliegt und die mechanischen Eigenschaften der Faser nicht optimal ausgenützt werden, somit ist ein Maßschneidern des Vormaterials für ein entstehendes Produkt nicht möglich.
Eine Weiterentwicklung des GMT-Verfahrens sind Organobleche. Bei der Herstellung von Organoblechen werden keine Wirrmatten verwendet, hier werden zur Verstärkung gerichtete Endlosfasern eingesetzt. Organobleche werden schichtenweise aufgebaut, wobei das Verstärkungsmaterial zwischen zwei Kunststofffolien eingepackt wird. Dieses Sandwich aus Verstärkungsmaterial und Kunststofffolien wird anschließend in einer Doppelbandpresse aufgeschmolzen, unter Druck konsolidiert und anschließend wieder abgekühlt. In weiterer Folge werden die Organobleche noch in der gewünschten Länge abgeschnitten. Somit wäre es theoretisch möglich, die Verstärkungsfasern und die Faserwinkel gezielt zu variieren, um somit ein maßgeschneidertes Halbzeug herzustellen. Da eine solche Maßschneiderung aber jeweils bauteilabhängig ist und auch der Faserverschnitt bei Lagenwinkeln zwischen 0° und 90° erhöht wird, steigen die Herstellkosten solcher Halbzeuge und somit auch der Preis. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass lokale Dickensprünge ausschließlich durch abgestufte Walzen quer zur Produktionsrichtung realisierbar sind. Der weiterführende Verarbeitungsprozess ist gleich wie der bei den GMT-Verfahren. Das Halbzeug wird wieder über Schmelzetemperatur erwärmt und kann anschließend umgeformt bzw. funktionalisiert werden.
Die CH 704 406 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Vorformen. Gemäß einer Ausführungsvariante dieses Verfahrens sind drei Phasen vorgesehen, nämlich das Schneiden von Halbzeugrollen, die Lagerung von faserverstärkten Zuschnitten sowie schließlich das Verlegen und Schweißen der Vorformlinge. Es geht in dieser Schrift somit nur um einen Teilbereich eines Produktionsprozesses und nicht um die Herstellung eines endgefertigten Verbundes.
Die DE 10 2010 050 740 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Flugzeugstrukturbauteils. In dieser Schrift sind keine Lager beschrieben und es wird auch nur ein Teilbereich eines Produktionsprozesses näher beschrieben.
Dasselbe gilt auch für die EP 1 844 914 A1 , welche eine Methode zur dreidimensionalen Herstellung von „Preforms” auf Basis von LEDs zeigt.
In den Dokumenten WO 2009/042225 und WO 2013/016487 wird eine weitere Lösung zur Halbzeugproduktion angegeben. Als Ausgangsstoff dient ein faserverstärktes Halbzeug. Dieses Halbzeug liegt als faserverstärktes Bändchen vor und wird in weiterer Folge als „Tape” bezeichnet. Beim Verarbeitungsprozess werden die Tapes von einer Spule abgewickelt, abgelängt und definiert auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt. Beim Ablegen der Tapes auf der Werkzeugoberfläche werden die Tapes fixiert und anschließend verschweißt. Dabei können unterschiedlichste Faserwinkel realisiert werden, da sich die Werkzeugoberfläche um die Z-Achse rotieren lässt. Somit lassen sich mit diesem Prozess maßgeschneiderte Halbzeuge erstellen, bei denen sowohl Dickensprünge als auch unterschiedlichste Faserwinkel möglich sind. Allerdings ist dieser Prozess so zeitaufwändig, dass die Halbzeuge offline hergestellt werden müssen und nicht direkt an eine weiterführende Verarbeitung gekoppelt sein können. Somit ist dieses Verfahren nur für Kleinserien tauglich, welche einen höchst komplexen Faser- und Schichtenaufbau besitzen.
Für die Großserie sind alle diese Prozesse ungeeignet, da einerseits die Halbzeugerstellung die Zykluszeit bestimmt und anderseits von der Industrie Inlinelösungen bevorzugt werden. Würde man breitere Tapes einsetzen, um die Anzahl der einzelnen Tapestreifen zu reduzieren und somit auch die Herstellzeit des Halbzeugs zu verringern, so wird auch automatisch der Verschnittbereich größer und somit steigen die Kosten für das Halbzeug und die Wirtschaftlichkeit sinkt. Deshalb gestalten breitere Tapes den Prozess nur bedingt wirtschaftlicher.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Formgebungsanlage und ein verbessertes Herstellungsverfahren zu schaffen. Insbesondere soll die Herstellung des Verbundes möglichst schnell, einfach, kostengünstig und in großen Mengen möglich sein.
Dies wird durch eine Formgebungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Demnach umfasst die Formgebungsanlage ein erstes Lager, in dem, vorzugsweise faserverstärkte, Grundträger gelagert sind, eine Transportvorrichtung zum Entnehmen eines Grundträgers aus dem ersten Lager, eine Ablage, auf der der von der Transportvorrichtung entnommene Grundträger ablegbar ist, ein zweites Lager, in dem Verstärkungselemente gelagert sind, wobei zumindest ein Verstärkungselement von der Transportvorrichtung auf den auf der Ablage befindlichen Grundträger auflegbar ist, eine Fügevorrichtung zum Verbinden des Verstärkungselements mit dem Grundträger zu einem Verbund, eine Aufheizvorrichtung, in die der Verbund von der Transportvorrichtung transportierbar ist und in der der Verbund auf eine über der Schmelzetemperatur eines den Verbund mitbildenden Kunststoffs aufheizbar ist, und eine Formgebungsmaschine, in der der erwärmte Verbund verpressbar und konsolidierbar ist. Somit können die Halbzeugkosten verringert werden, indem in einem Prozess und einer Anlage Standardhalbzeuge als Ausgangsmaterial verwendet werden, welche in jener Fertigungsstraße in der die Endverarbeitung stattfindet intelligent kombiniert werden können. Dadurch ist es möglich durch eine lokale Maßschneiderung die mechanischen Eigenschaften produktspezifisch anzupassen. Dieser Prozess ist somit auch für die Großserie geeignet, da wie schon oben erwähnt die Halbzeugkosten durch den gezielten Einsatz von lokalen Verstärkungen gesenkt werden, weil das Halbzeug nicht mehr ganzflächig sondern nur mehr an den benötigten Stellen verstärkt wird.
Um den Grundträger und die Verstärkungselemente (Tapes) möglichst genau ablegen zu können, ist bevorzugt eine Positioniervorrichtung zum Positionieren des Grundträgers auf der Ablage und/oder des Verstärkungselements auf dem Grundträger vorgesehen. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann dabei vorgesehen sein, dass die Positioniervorrichtung eine Schiebevorrichtung und zumindest einen auf der Ablage ausgebildeten Anschlag aufweist, wobei von der Schiebevorrichtung der Grundträger und/oder das Verstärkungselement bis zum Anschlag in eine Soll-Position bewegbar ist. Die Aufgabe der Schiebevorrichtung kann auch die Transportvorrichtung übernehmen. Dagegen kann gemäß einer zweiten, alternativen Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Positioniervorrichtung zumindest einem Positionssensor und ein Steuerprogramm aufweist, über das die vom zumindest einen Positionssensor erfasste Ist-Position des Grundträgers und/oder des Verstärkungselement relativ zur Ablage auswertbar und mit einer im Steuerprogramm hinterlegten oder errechneten Soll-Position vergleichbar ist, wobei vom Steuerprogramm Steuerimpulse an die Transportvorrichtung übermittelbar sind und von der Transportvorrichtung der Grundträger und/oder das Verstärkungselement in die Soll-Position bewegbar ist. Als Positionssensor können beispielsweise ein Drucksensor, ein Endschalter, ein Laser, ein Gewichtssensor und/oder eine auf die Ablage gerichtete Kamera fungieren. Besonders bevorzugt wird der Ablegeprozess kameragesteuert, wobei die Aufnahmen der Kamera graphisch ausgewertet werden und zumindest ein Wert zu einem Steuerprogramm, vorzugsweise zur Steuer- oder Regeleinheit der gesamten Formgebungsanlage, übertragen wird. Anhand dieser Auswertungen kann anschließend die Ablage der Verstärkungselemente korrigiert werden. Weiters können mit diesen Aufnahmen auch Qualitätsmerkmale festgelegt werden. Die Kamera kann dabei an der Transportvorrichtung angebracht sein. Bevorzugt ist aber die Kamera stationär im Bereich der Ablage angeordnet. Grundsätzlich kann somit die Soll-Position entweder rechnerisch ermittelt und überprüft oder mechanisch erreicht werden. Natürlich sind auch Mischvarianten möglich.
An sich kann sich die Ablage an einer beliebigen Stelle der Formgebungsanlage befinden. Wichtig ist, dass die Ablage gut von der Transportvorrichtung erreichbar ist. Dazu kann die Ablage beispielsweise im ersten Lager integriert sein. Die Ablage kann aber auch Teil der Aufheizvorrichtung sein. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Ablage an einem separaten Ablagetisch ausgebildet ist.
Egal wo die Ablage angeordnet ist, kann aber bevorzugt vorgesehen sein, dass die Ablage eine Vakuumplatte zum positionssicheren Halten des Grundträgers aufweist. Darüber hinaus kann ein Drehtisch mit zumindest einer Drehachse vorgesehen sein, an dem die Ablage befestigbar ist oder der die Ablage bildet.
Grundsätzlich kann das Verbinden bzw. Fügen des Verstärkungselements mit dem Grundträger zum Beispiel durch Kleben oder Ähnliches erfolgen. Bevorzugt weist die Fügevorrichtung aber eine Ultraschallsonotrode auf, um damit die aneinander anliegenden Flächen der beiden zu verbinden Komponenten zu erwärmen und zu erweichen, sodass diese nach Abkühlung stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Um den gesamten Ablauf möglichst effizient zu gestalten, kann dabei vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung an der Transportvorrichtung montiert ist.
Das Verstärkungselement ist bevorzugt als Verstärkungstape ausgebildet. Bevorzugt ist dieses Tape basierend auf Polyamid 6 mit einer unidirektionalen Glasfaserverstärkung hergestellt. Der Grundträger ist bevorzugt ein faserversträrktes thermoplastisches Halbzeug. Alternativ kann der Grundträger auch durch ein metallisches oder sonstiges Trägermaterial ersetzt werden. Somit wird der Verbund grundsätzlich einerseits durch den Grundträger und andererseits durch das Verstärkungselement gebildet. Zumindest eine dieser Verbundkomponenten sollte dabei Kunststoffanteile aufweisen, wodurch der Verbund – sei es durch Erwärmen mit der Fügevorrichtung oder durch Erwärmen mit der Aufheizvorrichtung – leichter verformbar wird. Bevorzugt weisen beide Verbundkomponenten zumindest Kunststoffanteile auf. Bevorzugt weisen auch beide Verbundkomponenten Faserverstärkungen auf.
Hierzu sei auch angeführt, dass grundsätzlich die Aufheizvorrichtung die Fügevorrichtung bilden kann. Es müssen somit nicht beide als separate Stationen der Formgebungsanlage ausgebildet sein, vielmehr kann durch die Aufheizvorrichtung einerseits das Fügen des Verstärkungselements mit dem Grundträger und anderseits gleichzeitig oder nacheinander auch das Aufheizen des gesamten Verbunds erfolgen. Umgekehrt kann auch durchaus nur die Hitzebehandlung mit der Fügevorrichtung ausreichen, dass der gesamte Verbund auch gleichzeitig aufgeheizt wird, sodass in so einem Fall die Fügevorrichtung gleichzeitig die Aufheizvorrichtung bildet. Bevorzugt bilden aber die Fügevorrichtung und die Aufheizvorrichtung funktionell separate Stationen der Formgebungsanlage, wobei sie durchaus örtlich nahe beieinander liegen können bzw. in einer gemeinsamen Station integriert sein können.
Die Transportvorrichtung selbst kann an sich beliebig, zum Beispiel in Form eines Förderbandes, ausgebildet sein. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Transportvorrichtung ein Handlingroboter ist. Um den Grundträger und das Verstärkungselement handhaben zu können, weist dabei die Transportvorrichtung bzw. der Handlingroboter bevorzugt Greifelemente (z. B. Adhäsionsgreifer oder Greifzangen) auf. Natürlich kann die Formgebungsanlage auch mehrere parallele oder serielle Handlingroboter umfassen.
Weiters kann die Formgebungsanlage auch eine Schneidevorrichtung umfassen, wobei von der Schneidevorrichtung die Verstärkungselemente vor dem Ablegen auf dem Grundträger zuschneidbar sind. Gegebenenfalls können damit auch die Grundträger selbst zugeschnitten werden.
Grundsätzlich können diverse, voneinander unabhängige Systeme der Steuerung der einzelnen Stationen der Formgebungsanlage dienen. Um aber einen übersichtlichen und automatischen Ablauf in der gesamten Formgebungsanlage zu garantieren, kann eine Steuer- oder Regeleinheit zum Steuern- oder Regeln der Formgebungsanlage vorgesehen sein, wobei zumindest die Transportvorrichtung, die Fügevorrichtung, die Aufheizvorrichtung und die Formgebungsmaschine gemeinsam von dieser einen Steuer- oder Regeleinheit steuer- oder regelbar sind. Bevorzugt sind alle Stationen in der Formgebungsanlage mit dieser einzigen Steuer- oder Regeleinheit verbunden. Bevorzugt ist auch das Steuerprogramm der Positionsvorrichtung Teil der Steuer- oder Regeleinheit. Besonders bevorzugt fungiert die an der Formgebungsmaschine ohnehin meist vorhandene Bedieneinheit als zentrale Steuer- oder Regeleinheit.
Die Formgebungsmaschine kann in Form einer Presse oder Spritzpresse ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Formgebungsmaschine allerdings eine Spritzgießmaschine.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Demnach sind die Schritte Entnehmen eines Grundträgers durch eine Transportvorrichtung aus einem ersten Lager, in der, vorzugsweise faserverstärkte, Grundträger gelagert sind, Ablegen des von der Transportvorrichtung entnommenen Grundträgers auf einer Ablage, Entnehmen eines Verstärkungselements durch die Transportvorrichtung aus einem zweiten Lager, in dem Verstärkungselemente gelagert sind, Ablegen des Verstärkungselements auf dem auf der Ablage befindlichen Grundträger, Verbinden des Verstärkungselements mit dem Grundträger durch eine Fügevorrichtung zu einem Verbund, Transportieren des Verbunds in eine Aufheizvorrichtung, Aufheizen des Verbunds in der Aufheizvorrichtung auf eine über der Schmelzetemperatur eines den Verbund mitbildenden Kunststoff und Verpressen und konsolidieren des erwärmten Verbunds in einer Formgebungsmaschine vorgesehen. Grundsätzlich können die einzelnen Verfahrensschritte je nach Möglichkeit auch in einer anderen Reihenfolge erfolgen. Bevorzugt wird das Verfahren genau in der in Anspruch 16 angegebenen Schrittabfolge durchgeführt, wobei sich durchaus auch einige Schritte zeitlich teilweise oder ganz überschneiden können. Als abschließender Schritt kann auch noch das Funktionalisieren des Verbunds in der Formgebungsmaschine erfolgen. Bevorzugt wird zudem der Grundträger und/oder das Verstärkungselement durch eine Positioniervorrichtung in einer Soll-Position auf der Ablage abgelegt oder in die Soll-Position bewegt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch die gesamte Formgebungsanlage mit den einzelnen Stationen,
2 eine weitere schematische Darstellung einzelner Stationen,
3 bis 7 schematisch die einzelnen Verfahrensschritte,
8 schematisch den an einem Drehtisch befestigten Grundträger,
9 schematisch ein Detail der Transportvorrichtung mitsamt Fügevorrichtung und
10 und 11 zwei Varianten einer Vereinzelungsvorrichtung für die Verstärkungselemente.
1 zeigt schematische eine Formgebungsanlage 1 mit diversen Stationen. Als Ausgangspunkt für die Herstellung der Verbunde 2, vorzugsweise Faser-Kunststoff-Verbunde, ist im ersten Lager 3 eine Vielzahl von Grundträgern 4 gelagert. Im zweiten Lager 7 sind die Verstärkungselemente 8 (Verstärkungstapes) gelagert. Weiters ist eine Ablage 6 vorgesehen, die auf dem separaten Ablagetisch 19 ausgebildet ist, wobei der Grundträger 4 und/oder das Verstärkungselement 8 gegebenenfalls vorher noch in einer Schneidevorrichtung 26 zugeschnitten werden können. Stationär bei diesem Ablagetisch ist die Kamera 18 angeordnet, die einen Teil der Positioniervorrichtung 12 bildet. Weiters ist die Transportvorrichtung 5 in Form eines Handlingroboters 23 abgebildet. An den Greifelementen 24 dieses Handlingroboters 23 ist der Verbund 2 gehalten, der aus dem Grundträger 4 und dem Verstärkungselement 8 besteht, die von der Fügevorrichtung 9 verbunden worden sind. Als nächstes ist die Aufheizvorrichtung 10 dargestellt, wonach die Formgebungsmaschine 11, im konkreten Fall eine Spritzgießmaschine folgt. Diese Maschine umfasst einerseits ein Einspritzaggregat 29 zum Einspritzen von Kunststoffschmelze und andererseits die Schließeinheit 30 mit Formaufspannplatten und Holmen. Zudem ist an dieser Formgebungsmaschine 11 die Bedieneinheit angebracht, die die Steuer- oder Regeleinheit 25 für die gesamte Formgebungsanlage 1 bildet. Diese Steuer- oder Regeleinheit 25 weist einen Bildschirm 27 und ein Bedienfeld 28 mit Tasten auf. Zudem ist das Steuerprogramm 16 für die Positioniervorrichtung 12 Teil dieser Steuer- oder Regeleinheit 25. Die Steuer- oder Regeleinheit ist über die Signalleitung 39 mit den einzelnen Stationen der Formgebungsanlage verbunden.
In 2 ist in einer Draufsicht schematisch dargestellt, dass sich die Grundträger 4 und die Verstärkungselemente 8 in einem gemeinsamen Lager 3 und 7 befinden. Von der Transportvorrichtung 5 wird über die Greifelemente 24 gerade ein Grundträger entnommen. Im Bild darunter ist die Positioniervorrichtung 12 ersichtlich, die zwei Belichtungsquellen 32 und als Positionssensor 15 die Kamera 18 aufweist. Mit dieser Kamera 18 wird die Ist-Position P_IST des Grundträgers 4 bzw. des Verstärkungselement 8 überprüft und mit einer im Steuerprogramm 16 gespeicherten und errechneten SollPosition P_SOLL abgeglichen. Wenn eine Abweichung vorliegt wird vom Steuerprogramm 16 ein entsprechendes Steuersignal 17 an die Transportvorrichtung 5 übermittelt, das sogleich eine Positionskorrektur durchführt. Alternativ kann die Positioniervorrichtung 12 auch rein mechanisch ausgebildet sein. Dazu ist in 2 strichliert die Schiebevorrichtung 13 und der auf der Ablage 6 angeordnete Anschlag 14 angedeutet. Weiters sind in dieser 2 die das Werkzeug bildenden Formhälften 31 ersichtlich, die im Bereich der Schließeinheit 30 der Formgebungsmaschine 11 aufgespannt sind. Zudem ist Aufheizvorrichtung 10 für thermoplastische Bauteile von oben dargestellt.
Der Verfahrensablauf ist in den 3 bis 7 anschaulich dargestellt. In 3 entnimmt die Transportvorrichtung 5 gerade aus dem ersten Lager 3 einen faserverstärkten Grundträger 4, welcher auf der Ablage 6 des Ablagetisches 19 definiert abgelegt wird. Danach entnimmt die Transportvorrichtung 5 gemäß 4 ein Verstärkungselement 8 aus dem zweiten Lager 7 und legt es auf den Grundträger 4. Anschließend werden gemäß 5 durch die Fügevorrichtung 9 mittels Ultraschallwellen der Ultraschallsonotrode 22 der Grundträger 4 und das Verstärkungselement 8 mindestens einmal stoffschlüssig miteinander verbunden. Dieser Vorgang der Inline-Maßschneiderung kann beliebig oft wiederholt werden, bis der Grundträger 4 die gewünschte Verstärkung aufweist. Der neue Werkstoffverbund (Faser-Kunststoff-Verbund 2) wird dann wieder von der Transportvorrichtung 5 aufgenommen und zur Aufheizvorrichtung 10 gemäß 6 transportiert. In dieser Aufheizvorrichtung wird der Verbund 2 auf eine Temperatur erhitzt, in der der Kunststoffanteil des Verbunds 2 zumindest teilweise aufschmilzt, wodurch der Verbund 2 leichter verformbar wird. Ein beispielhafter Temperaturbereich ist für einen Verbund 2 auf Basis von PA6 210°C bis 280°C. Der erwärmte Verbund 2 wird dann wieder von der Transportvorrichtung 5 aufgenommen und zum Umformen bzw. Funktionalisieren in das geöffnete Werkzeug der Formgebungsmaschine 11 transportiert (siehe 7). Abschließend wird das Werkzeug geschlossen und der Verbund 2 verpresst und konsolidiert, gegebenenfalls funktionalisiert. Mit Funktionalisieren kann beispielsweise das Anspritzen einer Rippenstruktur, das Umspritzen des Verbunds 2 oder das Umspritzen von Einlegeteilen gemeint sein. Eventuell kann abschließend noch eine Qualitätskontrolle zum Beispiel mit einer Kamera (Blitzlichtthermographie) durchgeführt werden.
Soll ein Grundträger 4 beidseitig verstärkt werden, so wird ein Drehtisch 21 benötigt, welcher es ermöglicht das Bauteil um zumindest eine Achse A rotieren zu lassen (siehe 8). Um den Grundträger 4 aufnehmen zu können, weist der Drehtisch 21 einen Rahmen 33 und Haltemittel 34 auf. Da es sich bei den Grundträgern 4 (Halbzeugen) meist um keine sehr biegesteifen Komponenten handelt, kann für das Fügen von Tapes (Verstärkungselemente 8) auf den Grundträger 4 rückseitig ein Stempel auf Kontakt mit dem Grundträger 4 ausfahren um lokal den Fügedruck aufzunehmen.
In 9 ist die an der Transportvorrichtung 5 angeordnete Fügevorrichtung 9 dargestellt, welche als Ultraschallschweißgerät mit einer Ultraschallsonotrode 22 ausgebildet ist. Von der Transportvorrichtung 5 sind die zwei Greifelemente 24 (zum Beispiel Adhäsionsgreifer, Vakuumsauger, Klemmelemente oder Ähnliches) ersichtlich, über die das Verstärkungselement 8 gehalten wird.
Da sich die Verstärkungselemente 8 (Tapes) elektrostatisch aufladen können und somit aneinander haften könnten, soll die Vereinzelungsvorrichtung 35 gemäß 10 garantieren, dass die Tapestreifen vereinzelt werden. Um die Tapes 8 gezielt vereinzeln zu können, ist das Lager 7 über einem Förderband 36 angeordnet. Dieses Förderband 36 besitzt eine leicht klebrige Oberfläche bzw. ist ähnlich wie eine Vakuumplatte aufgebaut und somit wird ein guter Kontakt zwischen Förderband 36 und Tape 8 sichergestellt. Um anschließend nur ein Tape 8 aus dem Lager 7 hinauszufördern, besitzt das Lager 7 eine Öffnung die nur geringfügig höher ist als die Tapedicke. Um die einzelnen Tapes 8 nach unten zu drücken, kann ein nicht dargestellter Stempel zur Ausübung einer Kraft F auf die einzelnen Tapes 8 vorgesehen sein. Das vereinzelte Tape 8 kann dann von der Transportvorrichtung 5 aufgenommen werden. Da die Möglichkeit besteht, dass sich die Tapes 8 elektrostatisch Aufladen und somit zwei Tapes 8 aneinander Haften können, besteht die Möglichkeit, das Lager 7 mit metallischen Bürsten auszustatten, die diese Ladung ableiten. Somit können die Tapes 8 nicht mehr elektrostatisch aneinander Haften. Weiters ist auch vorstellbar, dass die elektrische Ladung direkt am Greifer der Transportvorrichtung 5 abgeführt wird.
Eine andere Möglichkeit die Tapes 8 zu vereinzeln wird in 11 dargestellt. Die Funktion ist ähnlich wie die eines Blatteinzuges bei einem Drucker. Die Tapes 8 bzw. eine gummierte Walze 37 werden gegeneinander gedrückt, anschließend beginnt die Walze 37 zu rotieren und befördert somit ein Tape 8 auf den Aufnahmetisch. Die Endposition des Tapes 8 kann entweder über die Anzahl der Umdrehungen der Walze 37 oder über einen Endschalter 38 definiert werden. Um die Tapes 8 hier zu vereinzeln ist der Spalt zwischen gummierter Walze 37 und Lager 7 so ausgelegt, dass nur ein einzelnes Tape 8 entnommen werden kann. Auch hier kann über einen Stempel 40 Kraft F zur Anhebung der Tapes 8 ausgeübt werden. In dieser 11 ist der Aufnahmetisch als Vakuumplatte 38 ausgebildet. In gleicher Art und Weise kann auch die Ablage 6 in Form einer solchen Vakuumplatte 38 ausgebildet sein.
Wenn eine Kamera 18 oder ein ganzes Kamerasystem vorhanden ist, kann eine Kamera 18 auch auf die Lager 3 und 7 blicken. Diese Daten werden anschließend wieder mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Abhängig von diesen Daten kann dann die Transportvorrichtung entsprechend instruiert werden. Wenn die Kamera 18 im Bereich der Greifelemente 24 angeordnet ist, ist es möglich die Bauteilaufnahme bzw. die Bauteilablage zusätzlich zu überwachen und gegebenenfalls zu korrigieren.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit erreicht, dass ein faserverstärktes Halbzeug (Grundträger 4) gezielt mit einem zweiten faserverstärkten Halbzeug (Verstärkungselement 8) „inline” verstärkt wird. Hierbei bedeutet „inline”, dass die Halbzeugkombination im Endverarbeitungsprozess erfolgt. Im Anschluss an die Kombination werden die miteinander verbundenen Halbzeuge über die Schmelztemperatur erwärmt und abschließend werden die Halbzeuge in einem Werkzeug einer Formgebungsmaschine 11 konsolidiert und umgeformt und/oder funktionalisiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CH 704406 A1 [0007]
DE 102010050740 A1 [0008]
EP 1844914 A1 [0009]
WO 2009/042225 [0010]
WO 2013/016487 [0010]

Claims

Formgebungsanlage (1) zum Herstellen eines Verbundes (2), insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbundes, mit – einem ersten Lager (3), in dem, vorzugsweise faserverstärkte, Grundträger (4) gelagert sind, – einer Transportvorrichtung (5) zum Entnehmen eines Grundträgers (4) aus dem ersten Lager (3), – einer Ablage (6), auf der der von der Transportvorrichtung (5) entnommene Grundträger (4) ablegbar ist, – einem zweiten Lager (7), in dem Verstärkungselemente (8) gelagert sind, wobei zumindest ein Verstärkungselement (8) von der Transportvorrichtung (5) auf den auf der Ablage (6) befindlichen Grundträger (4) auflegbar ist, – einer Fügevorrichtung (9) zum Verbinden des Verstärkungselements (8) mit dem Grundträger (4) zu einem Verbund (2), – einer Aufheizvorrichtung (10), in die der Verbund (2) von der Transportvorrichtung (5) transportierbar ist und in der der Verbund (2) auf eine über der Schmelzetemperatur eines den Verbund (2) mitbildenden Kunststoffs aufheizbar ist, und – einer Formgebungsmaschine (11), in der der erwärmte Verbund (2) verpressbar und konsolidierbar ist.
Formgebungsanlage nach Anspruch 1, mit einer Positioniervorrichtung (12) zum Positionieren des Grundträgers (4) auf der Ablage (6) und/oder des Verstärkungselements (8) auf dem Grundträger (4).
Formgebungsanlage nach Anspruch 2, wobei die Positioniervorrichtung (12) eine Schiebevorrichtung (13) und zumindest einen auf der Ablage (6) ausgebildeten Anschlag (14) aufweist, wobei von der Schiebevorrichtung (12) der Grundträger (4) und/oder das Verstärkungselement (8) bis zum Anschlag in eine Soll-Position (P_SOLL) bewegbar ist.
Formgebungsanlage nach Anspruch 2, wobei die Positioniervorrichtung (12) zumindest einem Positionssensor (15) und ein Steuerprogramm (16) aufweist, über das die vom zumindest einen Positionssensor (15) erfasste Ist-Position (P_IST) des Grundträgers (4) und/oder des Verstärkungselement (8) relativ zur Ablage (6) bzw. relativ zum Grundträger (4) auswertbar und mit einer im Steuerprogramm (16) hinterlegten oder errechneten Soll-Position (P_SOLL) vergleichbar ist, wobei vom Steuerprogramm (16) Steuerimpulse (17) an die Transportvorrichtung (5) übermittelbar sind und von der Transportvorrichtung (5) der Grundträger (4) und/oder das Verstärkungselement (8) in die Soll-Position (P_SOLL) bewegbar ist.
Formgebungsanlage nach Anspruch 4, wobei als Positionssensor (15) ein Drucksensor, ein Endschalter (38), ein Laser, ein Gewichtssensor und/oder eine auf die Ablage (6) gerichtete Kamera (18) fungiert.
Formgebungsanlage nach Anspruch 5, wobei die Kamera (18) entweder stationär an der Ablage (6) angebracht oder, vorzugsweise bewegbar, an der Transportvorrichtung (5) befestigt ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ablage (6) – im ersten Lager (3) integriert ist oder – als separater Ablagetisch (19) ausgebildet ist oder – in die Aufheizvorrichtung (10) integriert ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ablage (6) eine Vakuumplatte (20) zum positionssicheren Halten des Grundträgers (4) aufweist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem um zumindest eine Achse (A) bewegbaren Drehtisch (21), an dem die Ablage (6) befestigbar ist oder an dem die Ablage (6) ausgebildet ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fügevorrichtung (9) eine Ultraschallsonotrode (22) aufweist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Fügevorrichtung (9) an der Transportvorrichtung (5) montiert ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Transportvorrichtung (5) ein Handlingroboter (23), der vorzugsweise Greifelemente (24) aufweist, ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Steuer- oder Regeleinheit (25) zum Steuern- oder Regeln der Formgebungsanlage (1), wobei zumindest die Transportvorrichtung (5), die Fügevorrichtung (9), die Aufheizvorrichtung (10) und die Formgebungsmaschine (11) gemeinsam von dieser einen Steuer- oder Regeleinheit (25) steuer- oder regelbar sind.
Formgebungsanlage nach Anspruch 4 und Anspruch 13, wobei das Steuerprogramm (16) der Positioniervorrichtung (12) Teil der Steuer- oder Regeleinheit (25) ist.
Formgebungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Schneidevorrichtung (26), wobei von der Schneidevorrichtung (26) die Verstärkungselemente (8) vor dem Ablegen auf dem Grundträger (4) zuschneidbar sind.
Verfahren zum Herstellen eines Verbunds (2), insbesondere in einer Formgebungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit den Schritten: – Entnehmen eines Grundträgers (4) durch eine Transportvorrichtung (5) aus einem ersten Lager (3), in der, vorzugsweise faserverstärkte, Grundträger (4) gelagert sind, – Ablegen des von der Transportvorrichtung (5) entnommenen Grundträgers (4) auf einer Ablage (6), – Entnehmen eines Verstärkungselements (8) durch die Transportvorrichtung (5) aus einem zweiten Lager (7), in dem Verstärkungselemente (8) gelagert sind, – Ablegen des Verstärkungselements (8) auf dem auf der Ablage (6) befindlichen Grundträger (4), – Verbinden des Verstärkungselements (8) mit dem Grundträger (4) durch eine Fügevorrichtung (9) zu einem Verbund (2), vorzugsweise zu einem Faser-Kunststoff-Verbund, – Transportieren des Verbunds (2) in eine Aufheizvorrichtung (10), – Aufheizen des Verbunds (2) in der Aufheizvorrichtung (10) auf eine über der Schmelzetemperatur eines den Verbund (2) mitbildenden Kunststoffs und – Verpressen und konsolidieren des erwärmten Verbunds (2) in einer Formgebungsmaschine (11).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Verbund (2) in der Formgebungsmaschine (11) funktionalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Grundträger (4) und/oder das Verstärkungselement (8) durch eine Positioniervorrichtung (12) in einer Soll-Position (P_SOLL) auf der Ablage (6) abgelegt werden.