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Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils hierzu.
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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.
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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 (meist ¼ Zoll oder ½ Zoll Breite) oder als Tapes (meist 150 mm oder 300 mm) auf einer Spule aufgewickelt und wird anschließend in mehreren Bahnen nebeneinander auf dem Formwerkzeug abgelegt. Dies ergibt die gesamte Fläche einer Laminatschicht (Ply). Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2013 103 136 A1 ist eine Faserlegevorrichtung bekannt, bei der zwischen der Ablegerolle und dem Faserlegekopf eine Ausgleichsaktuatorik vorgesehen ist, mit der parasitäre Schwingungen oder Vibrationen der Ablegerolle kompensiert werden können. Hierfür wird mit Hilfe eines Sensors parasitäre Schwingungen oder Vibrationen detektiert und entsprechend hieraus ein Steuersignal für die Ausgleichsaktuatorik generiert.
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Aus der
US 2008/0 000 576 A1 ist eine separierte Ablegerolle bekannt, bei der die einzelnen Segmente über einen gemeinsamen Druckbalg miteinander in Wirkverbindung stehen.
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Aus der
DE 19 22 786 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen geschichteter Verbände aus Flachmaterialien bekannt, bei dem die Materialien zwischen Walzen von Walzpaaren geführt und verpresst werden, wobei die Walzen in Schwingung versetzt werden können.
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Aus der
DE 10 2012 102 204 A1 ist eine Faserlegevorrichtung zur Herstellung eines Fasergeleges bekannt, bei dem eine Kantenverfassungsvorrichtung die Kantenposition bereits abgelegter Faserbahnen erkennt und eine entsprechende Korrektur durchführt.
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Aus der
US 2010/0 300 600 A1 ist schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompaktierung von bereits abgelegten Fasermaterialien bekannt, wobei Kugeln oder Bälle um eine gemeinsame Achse rotierend vorgesehen sind, um so das Fasermaterial zu kompaktiern. Die Kugeln oder Bälle können dabei gegebenenfalls in Schwingung oder Vibration versetzt werden.
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Insbesondere für die Herstellung großer Faserverbundstrukturen ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 015 027 A1 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.
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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 das Formwerkzeug ablegen zu können.
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Bei der Herstellung derartiger Fasergelege kommt es nicht selten vor, dass das Fasermaterial in derselben Faserschichtebene unterschiedliche Faserorientierungen aufweist, wodurch es an Kreuzungsstellen zu Aufdickungen von mindestens der Höhe der Schichtdicke des Fasermaterials kommt. Dabei wurde beobachtet, dass im Bereich der Kreuzungsstellen sich bereits kompaktiertes Fasermaterial ablöst und somit eine kaum zu tolerierende Fehlstelle darstellt. Darüber hinaus stellen derartige Aufdickungen das Problem dar, dass hierdurch die Bauteiloberfläche des herzustellenden Faserverbundbauteils negativ beeinträchtigt wird, da es hierdurch zu Geometrieabweichungen kommen kann. Gerade im Bereich der Herstellung von Laminarflügelkörpern können derartige Aufdickungen jedoch zur Abweichung auf der Oberfläche führen, die in Bezug auf die Laminarfähigkeit nicht mehr hinnehmbar sind. Ebenso tritt durch die Aufdickung Steifigkeits- und Stabilitätsminderung auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Fasergelegen sowie einen korrespondierenden Faserlegekopf hierzu anzugeben, mit dem Aufdickungen insbesondere an sich kreuzenden Fasermaterialbahnen mit unterschiedlichen Faserorientierungen reduziert oder minimiert werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Faserlegekopf zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, der eine Faserlegeeinheit hat, die zum Legen des dem Faserlegekopf bereitgestellten Fasermaterials auf einem Werkzeug zur Herstellung des Fasergeleges ausgebildet ist. Eine derartige Faserlegeeinheit kann beispielsweise eine Anpressrolle sein, an der das abzulegende Fasermaterial entlang geführt wird, wobei beim Legen des Fasermaterials das Fasermaterial zwischen der formgebenden Werkzeugoberfläche und der Faserlegeeinheit, insbesondere der Anpressrolle, entlang geführt wird und dabei auf das Werkzeug abgelegt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Faserlegekopf eine mit der Faserlegeeinheit in mechanischer Wirkverbindung stehende Aktuatorvorrichtung aufweist, die zum mechanischen Anregen der Faserlegeeinheit während des Legens des Fasermaterials so ausgebildet ist, dass die Faserlegeeinheit in mechanischer Schwingung oder Vibration versetzbar ist. Durch das Versetzen der Faserlegeeinheit, insbesondere der Anpressrolle, in mechanischen Schwingungen oder Vibrationen wird im Bereich vom Fasermaterialaufdickungen erreicht, dass sich die Fasern in diesem Bereich gut kompaktieren lassen, wodurch die Fasermaterialaufdickung reduziert wird. Im Bereich der Fasermaterialaufdickungen kommt es somit zu einer Querschnittserweiterung der einzelnen Faserbahnen, meist in Verbindung mit einem höheren Faservolumengehalt in diesen Bereichen, wodurch das Anhaften der sich kreuzenden Fasermaterialien erhöht und die Wahrscheinlichkeit von Ablösungen reduziert wird. Darüber hinaus wird durch die geringere Materialaufdickung bei diesem Verfahren die Stabilität und Steifigkeit erhöht. Die Aktuatorvorrichtung, die mindestens einen Aktuator aufweist, versetzt die Faserlegeeinheit so in mechanische Schwingungen oder Vibrationen, dass sich das Fasermaterial im Bereich von Fasermaterialaufdickungen stärker kompaktieren lässt, um so die Höhendifferenz der Aufdickung zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren. Die Aktuatorvorrichtung versetzt dabei die Faserlegeeinheit so in mechanische Schwingungen oder Vibrationen, dass sie in Art einer „Rüttelplatte“ die Fasern in diesem Bereich legt. Vorteilhafterweise wird die Faserlegeeinheit von der Aktuatorvorrichtung in mechanische Schwingungen oder Vibrationen in Richtung quer zur Ablegerichtung, insbesondere in einer Faserhalbzeugebene, versetzt.
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Erfindungsgemäß ist eine Sensorvorrichtung zum Detektieren einer Fasermaterialaufdickung bei bereits gelegtem oder zu legendem Fasermaterial und eine Steuereinheit vorgesehen, die zum Aktivieren der Aktuatorvorrichtung zum mechanischen Anregen der Faserlegeeinheit bei der Detektion der Fasermaterialaufdickung eingerichtet ist, wenn die Faserlegeeinheit im Bereich der detektierten Fasermaterialaufdickung Fasermaterial legt. Hierdurch wird es möglich, dass die Aktuatorvorrichtung die Faserlegeeinheit nur dann zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen oder Vibrationen anregt, wenn dies tatsächlich aufgrund einer detektierten Fasermaterialaufdickung notwendig ist. Somit lässt sich der Prozess der lokal beschränkten Fasermaterialkompaktierung aufgrund einer Fasermaterialaufdickung online und in Echtzeit regeln und bedarf somit keiner vorhergehenden Bahnprogrammierung. Vielmehr wird es hierdurch möglich, dass der Faserlegekopf die mechanischen Schwingungen oder Vibrationen selbstständig aktiviert oder deaktiviert, wenn entsprechende Fasermaterialaufdickungen detektiert werden.
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Denkbar ist allerdings auch, dass die Sensorvorrichtung die Fasermaterialaufdickungen aus einer Offline-Bahnprogrammierung errechnet und somit an vorgegebener Position des Faserlegekopfes die Faserlegeeinheit durch die Aktuatorvorrichtung entsprechend anregt.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Aktuatorvorrichtung die Faserlegeeinheit zum mechanischen Schwingen oder Vibrieren während des Legens der Fasermaterialien versetzt, wodurch das Legen der Fasermaterialien und das Kompaktieren der Fasermaterialien im Bereich von Materialaufdickungen in einem Prozessschritt durchführbar ist.
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Eine Faserlegeeinheit in Form einer Anpressrolle kann insbesondere eine zylindrische oder kegelförmige Form oder Querschnitt aufweisen.
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Unter einem Fasermaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung werden dabei jegliche Faserhalbzeuge verstanden, die mit Hilfe eines Faserlegekopfes auf einem Werkzeug zur Herstellung eines Fasergeleges ablegbar sind. Dies können insbesondere bahnförmige Fasermaterialien bzw. ein Quasiendlosmaterial sein, das dem Faserlegekopf aus einem Fasermaterialspeicher kontinuierlich bereitgestellt wird. Die Fasermaterialien können dabei trockene oder vorimprägnierte (prepregs) Fasermaterialien sein oder bereits konsolidierte Fasermaterialien. Aus dem Fasermaterial wird dann das Fasergelege hergestellt.
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Die mechanischen Schwingungen oder Vibrationen, die mittels der Aktuatorvorrichtung an der Faserlegeeinheit erzeugt werden, liegen insbesondere im hochfrequenten bzw. Ultraschallbereich.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Aktuatorvorrichtung zur mechanischen Anregen der Faserlegeeinheit so ausgebildet, dass die Faserlegeeinheit in Richtung des abzulegenden oder abgelegten Fasermaterials in mechanische Schwingung oder Vibration versetzbar ist. Mit anderen Worten, die Bewegung der Faserlegeeinheit aufgrund der durch die Aktuatorvorrichtung erzeugten mechanischen Schwingungen oder Vibrationen erfolgt in Richtung der abzulegenden oder abgelegten Fasermaterialien, wodurch die Faserlege in Richtung der Fasermaterialien schwingt oder vibriert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Anpressrolle und die Aktuatorvorrichtung zur mechanischen Anregen der Anpressrolle so ausgebildet, dass die Anpressrolle axial in Richtung des abzulegenden oder abgelegten Fasermaterials für mechanische Schwingung oder Vibration versetzbar ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat die Aktuatorvorrichtung mindestens einen piezoelektrischen Aktuator zum mechanischen Anregen der Faserlegeeinheit, wodurch sich insbesondere hochfrequente Schwingungen oder Vibrationen mit geringer Amplitude an der Faserlegeeinheit erzeugen lassen. Ein derartiger piezoelektrischer Aktuator lässt sich dabei platzsparend zwischen dem Rahmen des Ablegekopfes und der daran angeordneten Faserlegeeinheit platzieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist die Steuereinheit weiterhin eingerichtet, bei Detektion der Fasermaterialaufdickung die Anpresskraft des Faserlegekopfes während des Legens des Fasermaterials zu erhöhen, wenn die Faserlegeeinheit im Bereich der detektierten Fasermaterialaufdickung Fasermaterial legt. Hierdurch wird es möglich, dass im Bereich der Fasermaterialaufdickung neben einer mechanischen Schwingung oder Vibration der Faserlegeeinheit auch die Anpresskraft in Richtung der abzulegenden oder gelegten Fasermaterialien erhöht wird, wodurch eine verbesserte Kompaktierung der Fasermaterialien erreicht wird. Es hat sich gezeigt, dass sich hiermit Fasermaterialaufdickungen zum Teil gänzlich eliminieren lassen.
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Vorteilhafterweise weist die Sensorvorrichtung einen Kraftsensor auf, der zum Detektieren der Anpresskraft während des Legens des Fasermaterials ausgebildet ist, wobei die Sensorvorrichtung zum Erkennen einer Fasermaterialaufdickung in Abhängigkeit von der detektierten Anpresskraft eingerichtet ist. So wurde erkannt, dass durch Analysieren der detektierten Ist-Anpresskraft eine Fasermaterialaufdickung detektiert werden kann, wenn sich in einem Bereich während des Legens des Fasermaterials die Ist-Anpresskraft erhöht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung hat die Sensorvorrichtung einen optischen Sensor, insbesondere einen optischen Lichtschnittsensor, der zum Detektieren eines Höhenprofils von bereits gelegtem Fasermaterial ausgebildet ist, wobei die Sensorvorrichtung zum Erkennen einer Fasermaterialaufdickung in Abhängigkeit für den detektierten Höhenprofil eingerichtet ist. Ein derartiger Lichtschnittsensor kann beispielsweise im Vorlauf des Faserlegekopfes angeordnet sein und erkennt somit eine bereits gelegte Fasermaterialaufdickung, die dann durch Kompaktierung und Querschnittserweiterung mit Hilfe der mechanischen Schwingungen oder Vibrationen der Faserlegeeinheit reduziert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Faserlegekopf eine Wärmequelle zum Erwärmen des Fasermaterials auf, während das Fasermaterial auf das Werkzeug gelegt wird. Werden beispielsweise thermoplastische Harzsysteme verwendet, so kann am Kreuzungspunkt und der Zustand des Materials durch gezieltes Erwärmen mittels der Wärmequelle von fest auf labil verändert werden, wodurch einen bessere Kompaktierung und ein verbessertes Anhaften der abgelegten Fasermaterialien erreicht werden kann, insbesondere dann, wenn bereits konsolidierte Fasermaterialien gelegt werden. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn die Wärmequelle zum Erwärmen des Fasermaterials in Abhängigkeit einer durch die Sensorvorrichtung detektierten Fasermaterialaufdickung im Bereich der Fasermaterialaufdickung erfolgt.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren wie beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 schematische Darstellung einer Materialaufdickung bei Kreuzungsstellen;
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2 schematische Darstellung einer Faserlegevorrichtung;
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3 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Faserlegekopfes.
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1 zeigt schematisch das Auftreten von Materialaufdickungen bei Kreuzungsstellen. Hierzu sind auf einem Formwerkzeug 1 zwei Fasermaterialbahnen 2 und 3 abgelegt. Die Fasermaterialbahn 2 wurden dabei zeitlich vor dem Ablegen der Fasermaterialbahn 3 abgelegt, so dass sich im Kreuzungsbereich 4 der beiden Fasermaterialbahnen 2 und 3 eine Materialaufdickung ergibt. Da beide Fasermaterialbahnen 2 und 3 in der gleichen Fasermaterialebene abgelegt werden, ergibt sich dabei im Kreuzungsbereich eine Aufdickung, die eine Höhe aufweist, die mindestens der Stärke der Fasermaterialbahn 3 entspricht.
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2 zeigt schematisch eine Faserlegevorrichtung 10, die eine robotische Fertigungseinheit 11 aufweist, an der als Endeffektor ein Faserlegekopf 12 angeordnet ist. Mit Hilfe der robotischen Fertigungseinheit kann der Faserlegekopf 12 gegenüber einem feststehenden Formwerkzeug 13 verfahren werden, so dass Fasermaterial auf dem Formwerkzeug 13 mit Hilfe des Faserlegekopfes 12 abgelegt werden kann.
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3 zeigt schematisch einen Faserlegekopf 20, der eine Anpressrolle 21 aufweist, mit dem Fasermaterial 22 abgelegt werden kann.
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Die Anpressrolle 21 ist dabei über eine Aktuatorvorrichtung 23 an dem Faserlegekopf 20 angeordnet, wobei die Aktuatorvorrichtung 23 ausgebildet ist, die Anpressrolle 21 mechanisch so anzuregen, dass die Anpressrolle 21 während des Legens des Fasermaterials 22 in mechanische Schwingungen oder Vibration versetzt wird. Die Richtung der mechanischen Schwingung oder Vibration ist dabei vorteilhafterweise quer zur Ablegerichtung.
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An dem Faserlegekopf 20 können des Weiteren Kraftsensoren 24 vorgesehen sein, die mit einer Steuereinheit 25 in Verbindung stehen und darüber hinaus eingerichtet sind, die Ist-Anpresskraft beim Legen der Fasermaterialien 22 zu detektieren. Aus einem Anstieg der Ist-Anpresskraft beim Legen der Fasermaterialien 22 lässt sich dabei die Existenz von Fasermaterialaufdickungen 26 erkennen, die beispielsweise Kreuzungspunkte von sich kreuzenden Fasermaterialbahnen in der gleichen Fasermaterialebene darstellen können. Wurde eine solche Fasermaterialaufdickung 26 detektiert, so kann die Steuereinheit 25 die Aktuatorvorrichtung 23 entsprechend so ansteuern, dass eine Anregung der Anpressrolle 21 zum Versetzen der Anpressrolle 21 die mechanische Schwingung oder Vibration erfolgt.
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Denkbar ist auch, dass ein Lichtschnittsensor 27 vorgesehen ist, der im Vorlauf des Ablegekopfes 20 angeordnet ist und ein Höhenprofil der Oberflächenkontur erzeugt, wobei durch charakteristische Erhöhungen innerhalb der bereits abgelegten Fasermaterialien ebenfalls eine entsprechende Aufdickung 26 detektiert werden kann.
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Wird die Anpressrolle 21 nun aufgrund einer detektierten Materialaufdickung 26 in mechanische Schwingung oder Vibration versetzt, so kann die Steuereinheit 25 des Weiteren den Faserlegekopf 20 so ansteuern, dass die Anpresskraft im Bereich der Fasermaterialaufdickung 26 erhöht wird, um so den Effekt der Fasermaterialkompaktierung durch die mechanischen Schwingungen oder Vibrationen verbessert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formwerkzeug
- 2
- Fasermaterialbahn
- 3
- Fasermaterialbahn
- 4
- Kreuzungsstelle
- 10
- Faserlegevorrichtung
- 11
- robotische Fertigungseinheit
- 12
- Faserlegekopf
- 13
- Formwerkzeug
- 20
- Faserlegekopf
- 21
- Anpressrolle
- 22
- Fasermaterial
- 23
- Aktuatorvorrichtung
- 24
- Kraftsensoren
- 25
- Steuereinheit
- 26
- Materialaufdickung
- 27
- Lichtschnittsensor
