DE102014104416B4

DE102014104416B4 - Faserlegekopf

Info

Publication number: DE102014104416B4
Application number: DE102014104416.9A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Monner Hans Peter; Marcus Perner; Andreas Henneberg
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-03-29
Also published as: DE102014104416A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserlegekopf zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei neben dem Ablegen von Fasermaterial auch Funktionselemente durch den Faserlegekopf gleichzeitig oder seriell getrennt abgelegt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines derartigen Faserlegekopfes mit den Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 9.
Faserverbundwerkstoffe stellen als Konstruktionswerkstoff eine hervorragende Möglichkeit dar, eine Gewichtsreduzierung bei verschiedenen Bauteilen zu erzielen. Die daraus resultierenden Vorteile, wie beispielsweise der über die gesamte Lebensdauer von Transportmitteln gesenkte Treibstoffverbrauch und der reduzierte Verschleiß, führen zu einer zunehmenden Verwendung dieser Werkstoffe auch in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen. Im Vergleich zu isotropen Werkstoffen kann jedoch nur ein hohes Leichtbaupotenzial erreicht werden, wenn die Bauteile mit einer Fertigungsmethode produziert werden, die sowohl den Eigenschaften des Faserwerkstoffes als auch denen des formgebenden Harzes gerecht wird. Zur Fertigung von hoch belastbaren Primärstrukturen ist die Anpassung der Faserausrichtung entsprechend der Spannungszustände zwingend erforderlich. Aufgrund dieser Bedingungen bedarf es angepasster Fertigungsstrategien hinsichtlich des Automatisierungsprozesses.
Die aktuelle Fertigung von Großbauteilen in der Fiber Placement bzw. Tapelaying Technologie umfasst die Ablage eines Faserkunststoffverbundes auf einem Formwerkzeug. Das abzulegende Fasermaterial ist hierbei entweder als Tows (zumindest ¼″ oder ½″ Breite) oder Tapes (zumindest 150mm oder 300mm Breite) auf einer Spule aufgewickelt und wird anschließend in mehreren Bahnen nebeneinander auf dem Formwerkzeug abgelegt. Dies ergibt in der gesamten Fläche eine Laminatschicht (Ply).
Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Faserverbundbauteilen, beispielsweise CFK-Bauteile, stoßen aktuelle Fertigungsanlagen an ihre Kapazitätsgrenzen. Eine Steigerung der Produktionsrate muss mit neuen Anlagentypen erreicht werden, mit denen eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit erzielbar ist.
Aus der DE 10 2010 015 027 A1 ist beispielsweise eine Faserlegevorrichtung bekannt, bei der die Fasern mit Hilfe von an Robotern angeordneten Faserlegeköpfen auf dem Werkzeug abgelegt werden. Die Roboter sind dabei auf einem um das Werkzeug umlaufenden Schienensystem geführt, so dass jede beliebige Position auf dem Werkzeug durch die Roboter erreicht werden kann.
Aus der DE 697 17 053 T2 ist ein Bandlegekopf zur Herstellung von Verbundplatten bekannt, wobei der Bandlegekopf ein bandförmiges Material zugeführt bekommt und auf einem Werkzeug ablegt. Mit Hilfe einer integrierten Schneideinheit kann dabei das bandförmige Material durchtrennt werden.
Aus der WO 2009/156157 A1 ist eine Vorrichtung zum Aufbringen eines bandförmigen Materials bekannt, wobei dem bandförmigen Material ein Klebstoff aufgetragen werden kann, um so das bandförmige Material auf dem Werkzeug zu verkleben. Dabei wird zwar erwähnt, dass zusätzliche Funktionselemente eingelegt werden können. Allerdings verbleibt aus diesem Stand der Technik offen, wie diese Funktionselemente eingelegt werden sollen.
Des Weiteren sind aus der Praxis sogenannte Portalanlagen bekannt, bei denen der Ablegekopf über ein meist horizontal angeordnetes Formwerkzeug verfahrbar ist, um so die Fasern auf dem Formwerkzeug abzulegen.
Die beim automatisierten Ablegen von Fasermaterial verwendeten Faserlegeköpfe sind dabei so konzipiert, dass sie ausschließlich das dem Faserlegekopf bereitgestellte Fasermaterial ablegen. Durch steigende Anforderungen in der Bauteilqualität ist es jedoch nicht selten erforderlich, in die Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurden, Zusatzelemente einzubringen, die dann dem fertigen Faserverbundbauteil eine zusätzliche Funktionalität verleihen. Das Einbringen derartiger Zusatzelemente erfolgt dabei automatisiert entweder mit Hilfe zusätzlicher Endeffektoren, was zu höheren Produktionszeiten pro Bauteil führt, da durch den Austausch der Endeffektoren an der robotischen Fertigungseinheit wertvolle Zeit verloren geht. Oder aber die Zusatzelemente werden per Hand in das Faserverbundbauteil eingebracht, was zu deutlich höheren Produktionskosten führt und darüber hinaus innerhalb der vorgegebenen Toleranzbereiche selten mit gleichbleibender Qualität reproduzierbar ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Zusatzelemente prozesssicher in ein Faserverbundbauteil eingebracht werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst.
Demnach wird ein Faserlegekopf zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Verbundbauteils vorgeschlagen, der eine Faserbereitstellungseinheit zum Bereitstellen von Fasermaterial und eine Faserlegeeinheit hat, die zum Legen des dem Faserlegekopf bereitgestellten Fasermaterials auf einem Werkzeug zur Herstellung eines Fasergeleges ausgebildet ist. Bei der Faserbereitstellungseinheit kann es sich beispielsweise um eine Fasermaterial-Zuführeinrichtung handeln, die ausgebildet ist, ein bahnförmiges Fasermaterial oder Quasiendlosfasermaterial von einem externen Fasermaterialspeicher, in dem das Fasermaterial vorgehalten wird, zu der Faserlegeeinheit zu transportieren, so dass das zugeführte Fasermaterial von der Faserlegeeinheit gelegt werden kann. Der externe Fasermaterialspeicher kann beispielsweise ein feststehendes Fasermagazin sein, bei dem das bahnförmige Fasermaterial auf Rollen aufgewickelt ist und über eine Transportvorrichtung zum Faserlegekopf gefördert wird, wo es dann über die Fasermaterial-Zuführeinrichtung dem Faserlegekopf und der Faserlegeeinheit bereitgestellt wird. Denkbar ist allerdings auch, dass der Fasermaterialspeicher an dem Faserlegekopf fest angeordnet ist und einen integralen Bestandteil bildet, wodurch der Transport des Fasermaterials von einem festen Fasermaterialspeicher hin zu dem beweglichen Faserlegekopf vermieden werden kann. Das Fasermaterial wird somit direkt am Ort der Verarbeitung bereitgestellt.
Die Faserlegeeinheit des Faserlegekopfes kann beispielsweise eine Anpressrolle mit zylindrischem oder kegelförmigem Querschnitt sein, mit der Fasermaterial auf das Werkzeug gedrückt wird. Mit Hilfe der Ansteuerung des Faserlegekopfes durch eine robotische Fertigungseinheit lässt sich dabei die Anpresskraft, mit der das Fasermaterial auf das Werkzeug mit Hilfe der Anpressrolle angepresst wird, variieren, um den vorgegebenen Prozessparametern Rechnung zu tragen. Das Fasermaterial wird dabei durch den Faserlegekopf so an die Faserlegeeinheit, im speziellen die Anpressrolle, geführt, so dass durch eine Positionierung des Faserlegekopfes bezüglich des Werkzeuges das Fasermaterial beim Legevorgang sowohl mit dem Werkzeug als auch mit der Anpressrolle auf jeweils unterschiedlichen Seitenflächen des Fasermaterials kontaktiert ist. Durch das Verfahren (Bewegen) des Faserlegekopfes gegenüber der Werkzeugoberfläche des Werkzeuges wird somit das der Anpressrolle bereitgestellte Fasermaterial abgerollt und auf dem Werkzeug zur Herstellung des Fasergeleges abgelegt.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass der Faserlegekopf eine Funktionselement-Bereitstellungseinheit hat, die zum Bereitstellen von einem oder mehreren, in das Faserverbundbauteil integrierbaren Funktionselementen ausgebildet ist. Durch diese Funktionselement-Bereitstellungseinheit wird somit der Faserlegekopf, der normalerweise ausschließlich zum Legen von Fasermaterial vorgesehen ist, dahingehend erweitert, dass er nun neben dem Fasermaterial auch Funktionselemente bereitgestellt bekommt, so dass diese mit Hilfe einer an dem Faserlegekopf angeordneten Funktionselement-Legeeinheit diese Funktionselemente während des Legens des Fasermaterials zur Herstellung des Fasergeleges in das Fasergelege integriert. Mit anderen Worten, die Funktionselement-Legeeinheit ist zum Legen der dem Faserlegekopf bereitgestellten Funktionselemente in das Fasergelege während der Herstellung des Fasergeleges durch Legen des Fasermaterials ausgebildet, so dass während der Herstellung des Fasergeleges sowohl Fasermaterial als auch Funktionselemente gelegt werden, wodurch sich ein Fasergelege aus Fasermaterial und integrierten Funktionselementen herstellen lässt, und zwar in einem Prozessschritt.
Die Funktionselement-Bereitstellungseinheit kann dabei so ausgebildet sein, dass die Funktionselemente über eine Transporteinrichtung dem Faserlegekopf zugeführt werden, wobei die Funktionselemente dabei an einem feststehenden Funktionselementspeicher vorgehalten werden. Denkbar ist aber auch, dass die Funktionselement-Bereitstellungseinheit einen in dem Faserlegekopf angeordneten Funktionselementspeicher aufweist, der die Funktionselemente der Funktionselement-Legeeinheit zuführt und bereitstellt.
Hierdurch wird es möglich, zusätzliche Funktionselemente in das Fasergelege während des Legens der Fasern zur Herstellung des Fasergeleges zu integrieren, so dass bei der Herstellung des Faserverbundbauteils aus dem Fasergelege ein Faserverbundbauteil entsteht, bei dem die zusätzlichen Funktionselemente integraler Bestandteil sind. Der erfindungsgemäße Faserlegekopf ist demnach so ausgebildet, dass die zusätzlichen Funktionselemente während des Legens der Fasern zur Herstellung des Fasergeleges so in das Fasergelege durch Legen der Funktionselemente in das Fasergelege integriert werden, dass sie später einen integralen Bestandteil des hergestellten Faserverbundbauteils bilden. Dabei können die zusätzlichen Funktionselemente während des Prozessschrittes des Legens der Fasern zur Herstellung des Fasergeleges eingebracht werden, so dass es hierfür keines zusätzlichen Prozessschrittes bedarf. Insbesondere brauchen nicht andere Endeffektoren an die robotische Fertigungseinheit montiert zu werden, um beispielsweise automatisiert die Funktionselemente in das Fasergelege einbringen zu können. Die Produktionszeit kann dabei erheblich verkürzt werden, wobei gleichzeitig die Funktionselemente automatisiert abgelegt werden können, wodurch sich eine reproduzierbare Qualität des herzustellenden Bauteils ergibt.
Die Funktionselement-Legeeinheit des Faserlegekopfes kann so ausgebildet sein, dass die integrierbaren Funktionselemente innerhalb des Faserlegekopfes in das abzulegende Fasermaterial integriert werden, wobei die Faserlegeeinheit dann zum Legen des Fasermaterials mit den integrierten Funktionselementen zur Herstellung des Fasergeleges ausgebildet ist. Hierdurch wird es möglich, bereits mit Funktionselementen integriertes Fasermaterial prozesssicher abzulegen.
Fasermaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung können trockene Fasern, wie beispielsweise CFK, sein, aus denen zu einem späteren Zeitpunkt durch Injektion eines Matrixmaterials und Aushärten des Matrixmaterials das Faserverbundbauteil hergestellt wird. Denkbar ist aber auch, dass das Fasermaterial ein sogenanntes Prepreg ist, das aus bereits mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Fasern besteht. Vorteilhafterweise kann es sich bei dem Fasermaterial aber auch um bereits konsolidiertes Fasermaterial handeln, bei dem die Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials, in das die Fasern bzw. Verstärkungsfasern eingebettet sind, abgeschlossen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass zum einen keine nachträgliche Konsolidierung stattfinden muss und darüber hinaus das Material auch nicht kostenintensiv gelagert werden muss, da die Vernetzungsreaktion schon abgeschlossen ist. Außerdem werden beim Legen von konsolidiertem Fasermaterial sogenannte Faserondulationen verhindert, da das bereits ausgehärtete Matrixmaterial die Fasern entsprechend schützt. Darüber hinaus lässt sich eine qualitativ sehr hohe fasergerechte Positionierung des Materials realisieren, da aufgrund der vorgelagerten Aushärtung ein kontinuierliches Herstellen des Materials in einem engen Toleranzfeld ermöglicht wird und das Matrixmaterial die Fasern hinsichtlich ihrer Faserorientierung bereits fixiert sind.
Das Legen von bereits konsolidiertem Fasermaterial kann beispielsweise derart geschehen, dass auf der Seitenfläche des Fasermaterials, die dem Werkzeug zugewandt ist, ein Klebstoff vorgesehen ist, mit dem das konsolidierte Fasermaterial auf dem Werkzeug haften soll, bzw. auf bereits abgelegten Fasermateriallagen. Ein solcher Klebstoff kann beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff sein, der durch Wärmeeintrag aktivierbar ist. Der Faserlegekopf ist dabei so ausgebildet, dass durch einen entsprechenden Wärmeeintrag in das mit dem thermoplastischen Kunststoff versehene Fasermaterial eine Aktivierung dieses thermoplastischen Kunststoffes realisiert wird, um das Fasermaterial auf dem Werkzeug abzulegen und zu fixieren.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Faserlegekopf so ausgebildet ist, dass die zusätzlichen Funktionselemente in den Bereich des thermoplastischen Kunststoffes eingebracht werden, so dass die Funktionselemente zusammen mit dem Fasermaterial verklebt werden.
Unter einem Funktionselement im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein zusätzliches Element verstanden, das eine über die normale Materialeigenschaft des Faserverbundwerkstoffes hinausgehende Eigenschaft hat und zusätzliche technische Funktionen realisieren oder bereitstellen kann. Solche technischen, zusätzlichen Funktionselemente können beispielsweise Sensoren und/oder Aktoren sein, wie beispielsweise piezoelektrische Elemente. Solche Funktionselemente können aber auch Sende- und Empfangsantennen sein, mit denen elektromagnetische Funksignale empfangen und gesendet werden können. Derartige technische Funktionselemente können aber auch mikroprozessorgesteuerte Verarbeitungseinheiten darstellen, wie sie beispielsweise in Chipkarten zu finden sind. Die Funktionselemente können beispielsweise autark ausgebildet sein und über eine eigene Stromversorgung verfügen oder aber Einheiten aufweisen, mit denen entsprechend elektrische Energie bereitgestellt werden kann, wie dies beispielsweise aus der RFID-Technologie bekannt ist. Die Funktionselemente können beispielsweise diskrete Funktionselemente sein, die abgeschlossene, autarke Funktionseinheiten bilden, wobei diese Funktionselemente mit Hilfe der Funktionselement-Bereitstellungseinheit seriell dem Faserlegekopf bereitgestellt werden und die Anzahl der in das Fasergelege eingebrachten Funktionselemente bedarfsgerecht gesteuert werden kann. Die Funktionselemente weisen meist ein Material auf, das von dem Material des Faserverbundwerkstoffes verschieden ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Faserlegekopf eine Funktionselement-Zuführeinrichtung, die zum Zuführen der von der Funktionselement-Bereitstellungseinheit bereitgestellten Funktionselemente zu der Faserlegeeinheit zum Legen der Funktionselemente in das Fasergelege ausgebildet ist, so dass die Funktionselement-Legeeinheit durch die Faserlegeeinheit gebildet wird. Hierdurch wird es möglich, dass die Faserlegeeinheit, im besonderen die Anpressrolle, sowohl das Fasermaterial als auch die Funktionselemente zur Herstellung des Fasergeleges mit den integrierten Funktionselementen legt. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass das Fasermaterial und die Funktionselemente gemeinsam, das heißt gleichzeitig, mit Hilfe der Faserlegeeinheit gelegt oder seriell getrennt voneinander gelegt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Funktionselement-Zuführeinrichtung so ausgebildet, dass sie die Funktionselemente zu der Faserlegeeinheit während des Legens des Fasermaterials zuführt, wobei die Faserlegeeinheit zum gemeinsamen Legen des bereitgestellten Fasermaterials und der zugeführten Funktionselemente zur Herstellung des Fasergeleges ausgebildet ist. Sowohl Funktionselemente als auch Fasermaterial werden somit gleichzeitig durch die Faserlegeeinheit abgelegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hierzu ist die Funktionselement-Zuführeinrichtung so ausgebildet, dass sie die Funktionselemente zu der Faserlegeeinheit während des Legens des Fasermaterials derart zuführt, dass die Funktionselemente an einer unteren, dem Werkzeug zugewandten Seitenfläche des Fasermaterials und/oder an einer oberen, dem Werkzeug abgewandten Seitenfläche des Fasermaterials angeordnet werden. Hierdurch lassen sich Fasergelege herstellen, die in einer Lage Fasermaterial und in einer nächsten Lage Funktionselemente aufweisen. Hiermit lassen sich auch Fasergelege herstellen, bei denen zwischen zwei Faserlagen Funktionselemente über die gesamte Fläche hinweg diskret verteilt angeordnet werden.
Mit Hilfe einer Steuereinheit ist es beispielsweise denkbar, dass der Legeprozess so gesteuert wird, dass an vorgegebenen Positionen durch die Steuereinheit das gemeinsame Legen von Fasermaterial und Funktionselementen initiiert wird und anschließend wieder gestoppt wird, so dass im weiteren Verlauf nur Fasermaterial gelegt wird. Hierdurch lassen sich über die gesamte Fläche des Fasergeleges hinweg die Funktionselemente in der Fläche diskret verteilen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Faserlegekopf zum seriell getrennten Legen des Fasermaterials und der Funktionselemente ausgebildet, so dass das Legen des Fasermaterials durch die Faserlegeeinheit gestoppt wird, während die Funktionselemente durch die Funktionselement-Legeeinheit, die beispielsweise durch die Faserlegeeinheit gebildet werden kann, gelegt werden oder andersherum. Hierdurch lassen sich Fasergelege erzeugen, bei denen abwechselnd Fasermaterial und Funktionselemente gelegt werden, so dass Fasermaterial und Funktionselemente durch den Faserlegekopf nicht gemeinsam oder gleichzeitig abgelegt werden. Hierdurch entsteht in einer Lage des Fasergeleges sowohl Fasermaterial als auch Funktionselemente.
Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn auf eine oder mehrere Lagen Fasermaterial eine sogenannte Gridstruktur erzeugt werden soll, bei der das Fasermaterial eine andere Faserorientierung hat als die zuvor gelegten Lagen Fasermaterial. In diese Lage Fasermaterial werden nun Funktionselemente integriert, indem zunächst Fasermaterial abgelegt wird, dann das Ablegen des Fasermaterials gestoppt wird und durch den Faserlegekopf dann die Funktionselemente, vorzugsweise direkt anschließend an die bereits gelegten Fasermaterialien, abgelegt werden. Nachdem die vorbestimmte Menge an Funktionselementen gelegt wurde, wird das Legen der Funktionselemente durch den Faserlegekopf gestoppt und es werden wieder Fasermaterialien gelegt.
Gemäß diesen Weiterbildungen kann der Faserlegekopf somit ausgebildet sein, die Funktionselemente und das Fasermaterial gemeinsam und gleichzeitig abzulegen und/oder das Fasermaterial und die Funktionselemente seriell getrennt voneinander abzulegen, um das Fasergelege mit den integrierten Funktionselementen herzustellen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Faserlegekopf eine Schneidvorrichtung auf, die zum Durchtrennen der bahnförmig bereitgestellten Fasermaterialien und/oder zum Durchtrennen der bahnförmig bereitgestellten Funktionselemente ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich gezielt die Menge und Anzahl der Fasermaterialien und der Funktionselemente steuern und darüber hinaus insbesondere das seriell getrennte Legen von Fasermaterial und Funktionselementen regeln.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Faserlegekopf eine Wärmequelle zum Erwärmen eines an dem Fasermaterial und/oder Funktionselement vorgesehenen Kunststoffmaterials während der Herstellung des Fasergeleges auf, so dass beim Legen von Fasermaterial und/oder Funktionselementen durch Wärmeeintrag ein Kunststoffmaterial aktiviert werden kann, um so ein Verkleben insbesondere bereits konsolidierter Fasermaterialien zu bewirken.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in das Faserverbundbauteil integrierbare Funktionselemente mittels des Faserlegekopfes in das Fasergelege während der Herstellung des Fasergeleges durch Legen des Fasermaterials gelegt werden. Hierdurch lassen sich zwei Prozessschritte bei der Herstellung des Fasergeleges für ein Faserverbundbauteil zusammenlegen.
Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Vorteilhafterweise werden die integrierbaren Funktionselemente innerhalb des Faserlegekopfes zunächst in das Fasermaterial integriert und dann das Fasermaterial mit dem integrierten Funktionselementen durch den Faserlegekopf zur Herstellung des Fasergeleges abgelegt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faserablegekopfes;
2 – schematische Darstellung eines Fasergeleges gemäß einer ersten Weiterbildung;
3 – schematische Darstellung eines Fasergeleges gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt schematisch stark vereinfacht einen Faserlegekopf 1, der eine Faserbereitstellungseinheit 2 hat, mit dem Fasermaterial 3 einer Faserlegeeinheit 4 zugeführt wird, um das Fasermaterial 3 mit Hilfe der Faserlegeeinheit 4 auf einem Formwerkzeug 5 ablegen zu können. Durch das Legen des Fasermaterials 3 wird somit auch mit dem Werkzeug 5 ein Fasergelege 6 hergestellt.
Die Faserlegeeinheit 4 ist im Ausführungsbeispiel der 1 in Form einer Anpressrolle bzw. Andruckrolle ausgebildet, wodurch durch die kontinuierliche Bereitstellung des Fasermaterials 3 und dem Verfahren des Faserlegekopfes 1 relativ gegenüber dem Werkzeug 5 das Fasermaterial 3 zur Herstellung des Fasergeleges 6 auf dem Werkzeug 5 abgelegt wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Faserbereitstellungseinheit 2 in Form eines Fasermaterial-Speichers ausgebildet, bei dem das Fasermaterial in Form einer Materialrolle bereitgestellt wird. Die Materialrolle 2 kann dabei integraler Bestandteil des Legekopfes 1 sein.
Erfindungsgemäß ist nun des Weiteren eine Funktionselement-Bereitstellungseinheit 7 vorgesehen, die in Form eines Funktionselementspeichers die in das Fasergelege 6 zu integrierenden Funktionselemente 8 in Form einer Materialrolle enthält.
Die Funktionselemente 8 werden nun ebenfalls der Faserlegeeinheit 4 bereitgestellt, so dass die Faserlegeeinheit 4 die Funktionselemente 8 in das Fasergelege legen und integrieren kann. Hierdurch übt die Faserlegeeinheit 4 auch die Funktion als Funktionselement-Legeeinheit 9 aus, mit der die Funktionselemente 8 entsprechend in das Fasergelege gelegt werden können.
Über sogenannte Restart-Rollen 10 kann dabei sichergestellt werden, dass bei Unterbrechung des Legens von Fasermaterial oder Funktionselementen entsprechend an dem Punkt mit dem Legen fortgefahren werden kann, mit dem das Legen des anderen Elementes beendet wird.
Des Weiteren ist eine Wärmequelle 11 vorgesehen, mit der ein Wärmeeintrag in das Fasermaterial 3 oder in die Funktionselemente 8 erfolgen kann, um so beispielsweise ein thermisch aktivierbares Kunststoffmaterial zu aktivieren, so dass das Fasermaterial 3 oder die Funktionselemente 8 in dem Fasergelege 6 verklebt werden.
Des Weiteren ist im Ausführungsbeispiel der 1 eine Schneidvorrichtung 12 vorgesehen, die zum Durchtrennen von Fasermaterial 3 oder Funktionselementen 8 vorgesehen ist. Hierdurch kann beispielsweise das Fasermaterial 3 durchtrennt werden, um so exklusiv die Funktionselemente 8 abzulegen, während anschließend die Funktionselemente 8 durchtrennt werden, während dann mit dem Legen des Fasermaterials 3 fortgefahren wird.
Die Funktionselemente können beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie in diskret separierbarer Form vorliegen, so dass sie einzeln von der Funktionselement-Bereitstellungseinrichtung abgetrennt werden können. So können die Funktionselemente beispielsweise Sensoren oder Aktoren sein, die getrennt und autark in das Fasergelege 6 eingebracht werden können.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist der Faserlegekopf so ausgebildet, dass er das Fasermaterial 3 und die Funktionselemente 8 der Faserlegeeinheit 4 so zuführt, dass beide Elemente bzw. Materialien zusammen abgelegt werden. In einer zweiten Ausführungsform werden das Fasermaterial 3 und die Funktionselemente 8 seriell getrennt voneinander abgelegt und somit nicht gleichzeitig bzw. gemeinsam.
2 zeigt schematisch einen Teil eines Fasergeleges 6, das gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wird. Hierbei werden der Faserlegeeinheit das Fasermaterial und die Funktionselemente parallel bereitgestellt, so dass beides gemeinsam abgelegt wird. Mit anderen Worten, während das Fasermaterial 3 kontinuierlich abgelegt wird, werden parallel hierzu beispielsweise in diskreten Zeit- oder Entfernungsabständen die Funktionselemente 8 zusammen mit dem Fasermaterial 3 abgelegt. Das Ergebnis könnte dann dergestalt sein, dass mit einem Ablegeschritt zwei Lagen des Fasergeleges 6 hergestellt werden, und zwar eine erste Lage aus Fasermaterial 3 und eine zweite Lage aus kontinuierlichen oder diskret beabstandeten Funktionselementen 8. Zwischen den diskret angeordneten Funktionselementen 8 könnte beispielsweise die für die Haftung verwendete Kunststoffschicht sein, mit der das Fasergelege 6 auf das Werkzeug 5 gelegt und die einzelnen Lagen miteinander verklebt werden.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass durch das gemeinsame Legen die integrierbaren Funktionselemente 8 in die Klebstoffschicht so eingebettet werden können, dass sich an der gegenüberliegenden Fläche des Fasermaterials 3 bzw. des Fasergeleges 6 keine Geometrieabweichungen ergeben.
3 zeigt schematisch das Ergebnis eines Fasergeleges 6 in der zweiten Ausführungsform. Hierbei wird das Fasermaterial 3 und die Funktionselemente 8 seriell nacheinander abgelegt, so dass in einer Lage des Fasergeleges 6 sich Fasermaterial 3 und Funktionselemente 8 abwechseln. Hierbei wird im Faserlegekopf 1 bezüglich 1 die Schneidvorrichtung 12 aktiviert, wodurch das Fasermaterial 3 durchtrennt wird, so dass das Ablegen der Funktionselemente 8 durch die Faserlegeeinheit 4 gestartet werden kann. Da die Funktionselemente 8 diskret oder kontinuierlich vorliegen, können diese nach erfolgreichem Ablegen ebenfalls durchtrennt werden, so dass das Ablegen des Fasermaterials 3 wieder anlaufen kann. Hierdurch lässt sich ein Fasergelege 6 gemäß 3 erzeugen.
Zurückkommend auf 1 kann des Weiteren noch eine Überwachungsvorrichtung 13 vorgesehen sein, mit der das abgelegte Fasergelege 6 hinsichtlich seiner Qualität überwacht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Faserlegekopf
2: Faserbereitstellungseinheit
3: Fasermaterial
4: Faserlegeeinheit
5: Werkzeug
6: Fasergelege
7: Funktionselement-Bereitstellungseinheit
8: Funktionselemente
9: Funktionselement-Legeeinheit
10: Restart-Rollen
11: Wärmequelle
12: Schneidvorrichtung
13: Überwachungsvorrichtung

Claims

Faserlegekopf (1) zum Legen von Fasermaterial (3) zum Herstellen eines Fasergeleges (6) für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, mit – einer Faserbereitstellungseinheit (2) zum Bereitstellen von Fasermaterial (3) und – einer Faserlegeeinheit (4), die zum Legen des dem Faserlegekopf (1) bereitgestellten Fasermaterials (3) auf einem Werkzeug (5) zur Herstellung des Fasergeleges (6) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch – eine Funktionselement-Bereitstellungseinheit (7), die zum Bereitstellen von einem oder mehreren, in das Faserverbundbauteil integrierbaren Funktionselementen (8) ausgebildet ist, und – eine Funktionselement-Legeeinheit (4, 9), die zum Legen der dem Faserlegekopf (1) bereitgestellten Funktionselemente (8) in das Fasergelege (6) während der Herstellung des Fasergeleges (6) ausgebildet ist.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbereitstellungseinheit (2) zumindest einen an dem Faserlegekopf angeordneten Fasermaterialspeicher aufweist, der das abzulegende Fasermaterial enthält, und/oder dass die Funktionselement-Bereitstellungseinheit (7) zumindest einen an dem Faserlegekopf angeordneten Funktionselementspeicher aufweist, der die abzulegenden Funktionselemente enthält.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlegekopf eine Funktionselement-Zuführeinrichtung hat, die zum Zuführen der von der Funktionselement-Bereitstellungseinheit (7) bereitgestellten Funktionselemente zu der Faserlegeeinheit (4) zum Legen der Funktionselemente (8) in das Fasergelege (6) ausgebildet ist, so dass die Funktionselement-Legeeinheit (9) durch die die Faserlegeeinheit (4) gebildet wird.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselement-Zuführeinrichtung zum Zuführen der Funktionselemente zu der Faserlegeeinheit während des Legens des Fasermaterials und die Faserlegeeinheit zum gemeinsamen Legen des bereitgestellten Fasermaterials und der zugeführten Funktionselemente zur Herstellung des Fasergeleges ausgebildet ist.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselement-Zuführeinrichtung zum Zuführen der Funktionselemente zu der Faserlegeeinheit während des Legens des Fasermaterials derart ausgebildet ist, dass die Funktionselemente an einer unteren, dem Werkzeug zugewandte Seitenfläche des Fasermaterials und/oder an einer oberen, dem Werkzeug abgewandten Seitenfläche des Fasermaterials während des Legens des Fasermaterials zur Herstellung des Fasergeleges angeordnet werden.
Faserlegekopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlegekopf zum seriell getrennten Legen des Fasermaterials durch die Faserlegeeinheit und der Funktionselemente durch die Funktionselement-Legeeinheit derart ausgebildet ist, dass das Legen des Fasermaterials durch die Faserlegeeinheit gestoppt wird, während die Funktionselemente durch die Funktionselement-Legeeinheit gelegt werden und/oder dass das Legen der Funktionselemente durch die Funktionselement-Legeeinheit gestoppt wird, während das Fasermaterial durch die Faserlegeeinheit gelegt wird.
Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlegekopf eine Schneidvorrichtung (12) hat, die zum Durchtrennen des bahnförmig bereitgestellten Fasermaterials und/oder zum Durchtrennen der bahnförmig bereitgestellten Funktionselemente ausgebildet ist.
Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlegekopf eine Wärmequelle (11) zum Erwärmen eines an dem Fasermaterial und/oder Funktionselementen vorgesehenen Kunststoffmaterials während der Herstellung des Fasergeleges hat.
Verfahren zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, bei dem Fasermaterial mittels eines Faserlegekopfes auf ein Werkzeug zur Herstellung des Fasergeleges gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in das Faserverbundbauteil integrierbare Funktionselemente mittels des Faserlegekopfes in das Fasergelege während der Herstellung des Fasergeleges durch Legen des Fasermaterials gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bereits konsolidiertes Fasermaterial mittels des Faserlegekopfes auf das Werkzeug zur Herstellung des Fasergeleges gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente gemeinsam mit dem Fasermaterial mittels des Faserlegekopfes zur Herstellung des Fasergeleges gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente an einer unteren, dem Werkzeug zugewandte Seitenfläche des Fasermaterials und/oder an einer oberen, dem Werkzeug abgewandten Seitenfläche des Fasermaterials während des Legens des Fasermaterials zur Herstellung des Fasergeleges angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial und die Funktionselemente seriell getrennt mittels des Faserlegekopfes zur Herstellung des Fasergeleges gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum seriell nacheinander getrennten Legen der Funktionselemente und des Fasermaterials das Fasermaterial mittels einer Schneidvorrichtung des Faserlegekopfes während der Herstellung des Fasergeleges durchtrennt wird und daran anschließend die Funktionselemente mittels des Faserlegekopfes gelegt werden und/oder die Funktionselemente mittels der Schneidvorrichtung des Faserlegekopfes während der Herstellung des Fasergeleges durchtrennt werden und daran anschließend das Fasermaterial mittels des Faserlegekopfes gelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Wärmequelle des Faserlegekopfes ein an dem Fasermaterial und/oder den Funktionselementen vorgesehenes Kunststoffmaterial während der Herstellung des Fasergeleges erwärmt wird.