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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von flächigen Bauteilen, insbesondere von Verstärkungselementen, wie Spanten und Stringern, wie sie im modernen Luftfahrzeugbau benutzt werden. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Ausgangsmaterial für die Bauteile auf einem Formkörper abgelegt, der Formkörper wird von einem Roboter zu einem Werkzeug bewegt. Das Ausgangsmaterial wird von dem Formkörper gelöst und auf dem Werkzeug abgelegt. Die Vorrichtung umfasst eine Auftragseinrichtung, einen Formkörper, einen Roboter und ein Werkzeug.
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Die
US 2014 / 0 027 573 A1 betrifft ein Strukturelement für ein Luftfahrzeug. Das Strukturelement ist ein Profilkörper mit zum Beispiel einem Z- oder L-Profil. Das heißt, der Profilkörper umfasst wenigstens eine vertikale Säule und wenigstens eine davon im Wesentlichen horizontal abstehende Strebe. Diese Strebe kann über die Länge des Strukturelements im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet sein, in wenigstens einem Endbereich kann die Strebe gerade sein und in einem 90° Winkel von der vertikalen Säule abstehen. Mit diesem Ende kann das Strukturelement mit einem identisch ausgebildeten Ende eines weiteren Strukturelements verbunden sein.
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Die
DE 10 2008 051 121 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus einem Fasergewirk. Die Vorrichtung umfasst ein Formwerkzeug mit einer gekrümmten, einen profilierten Querschnitt aufweisenden Formfläche, die die Außenkontur des Profilstrukturteils definiert. Die Vorrichtung umfasst weiterhin mehrere Abwickeleinrichtungen zum Abgeben je eines bahnförmigen Fasergewirks. Das Formwerkzeug und die Abwickeleinrichtungen können relativ zueinander bewegt werden, um das bahnförmige Fasergewirke unter Spannung auf die gekrümmte Formfläche zu wickeln. Eine Fixiereinrichtung kann das Fasergewirk auf dem Formwerkzeug in der endgültigen Gestalt fixieren.
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Die
DE 10 2006 060 361 B4 betrifft einen Transportgreifer und ein Verfahren zum Transportieren eines flexiblen Flächenmaterials. Bei dem Transportgreifer handelt es sich um einen Rollkörper, der von einem Aktor geführt wird. Der Rollkörper umfasst mehrere aktivierbare Saugöffnungen, mit denen ein auf einer Ablage liegendes Flächenmaterial angesaugt werden kann, so dass das Flächenmaterial an der Umfangsfläche des Rollkörpers anliegt. Der Aktor kann den Rollkörper im Raum zu einem Werkzeug bewegen und das Flächenmaterial durch Deaktivierung der Saugöffnungen in dem Werkzeug ablegen.
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Die
DE 10 2012 111 950 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Drapieren von Halbzeugen auf formbildenden Oberflächenstrukturen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Endeffektor mit einem Expansionskörper, der mit einem Füllmaterial befüllbar ist um das Halbzeug gegen die formbildende Oberfläche zu drücken.
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Die
DE 32 26 290 C2 betrifft eine Anordnung zum gesteuerten Ablegen von Fasern auf einer Form oder einem Werkzeug. Die Faser wird mittels eines Aktors direkt auf dem Werkzeug abgelegt, wobei die Faser über von dem Aktor gehaltene Führungsschläuche aus einem zentralen Faserlager zugeführt und mittels eines Gasstroms transportiert wird.
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Es besteht Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum kostengünstigen Herstellen eines langgestreckten Bauteils aus einem gewebten oder gewirkten Fasermaterial.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 11.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere flächigen Bauteilen, wie zum Beispiel Spanten und Stringern. Spanten und Stringer werden vor allem beim Bau von modernen Flugkörpern verwendet, um die Hülle des Flugkörpers zu stabilisieren. Bei den Flugkörpern handelt es sich bevorzugt um Flugzeuge.
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Zur Herstellung wird ein das Bauteil oder Flugkörperteil bildendes oder zumindest das Bauteil oder Flugkörperteil mit bildendes Material oder Halbzeug auf eine Außenoberfläche eines zylindrischen und kegelförmigen Formkörpers mittels einer Auftrags- oder Auflegeeinrichtung aufgelegt. Der Formkörper kann mit einem Roboter, wie einem Industrieroboter, verbunden sein, oder nach dem Auflegen des Materials mit einem Roboter verbunden werden. Im Folgenden wird der Formkörper auch als zylindrischer Formkörper oder als zylindrischer und kegelförmiger Formkörper bezeichnet.
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Für die Herstellung unterschiedlicher Bauteile können in einem Wechselmagazin verschiedene Formkörper bereit gehalten werden, mit zum Beispiel unterschiedlichen Auflageflächen mit Profilen unterschiedlicher Geometrie für das Material oder Halbzeug.
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Das Auflegen des Materials auf den Formkörper erfolgt bevorzugt automatisch mit Hilfe einer Auftragseinrichtung, insbesondere mittels eines Hochgeschwindigkeits-„Pick-and-Place-Roboters“. Das Material kann ein Halbzeug in Form eines Gewirks oder Gewebes sein, das als Endlosband, zum Beispiel auf einer Spule aufgewickelt, bereitgestellt und durch eine Schneideeinrichtung auf eine benötigte, respektive vorgegebene Länge zugeschnitten werden kann. Der Einsatz eines Hochgeschwindigkeitsroboters minimiert die Zeit, die benötigt wird, um das Material auf den Formkörper aufzulegen. Dies wiederum verkürzt die Taktzeit zur Herstellung des Bauteils, erhöht damit den Durchsatz und wirkt sich kostensenkend auf die Produktion aus.
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Der Roboter kann den Formkörper um eine Rotationsachse drehen, während das Material oder Halbzeug auf dem Formkörper aufgelegt wird. Alternativ kann der Formkörper mit der Auftragseinrichtung verbunden sein. Die Auftragseinrichtung kann einen Motor aufweisen, mit der der Formkörper gekoppelt wird, wenn der Formkörper in die Materialauftragseinrichtung eingegeben oder mit dieser verbunden wird. Der Motor kann dann den Formkörper zum Auftrag des Materials um die Rotationsachse drehen.
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In einer weiteren Alternative kann die Materialauftragseinrichtung so ausgebildet sein, dass das Material auf den nicht bewegten, vor allem nicht gedrehten Formkörper aufgelegt wird. Dazu kann zum Beispiel die Materialauftragseinrichtung oder ein Teil der Materialauftragseinrichtung um den Formkörper herum bewegt werden.
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Eine Rotationsachse des Formkörpers kann während des Aufbringens des Materials horizontal, vertikal oder in einem beliebigen Winkel angeordnet sein. Schließlich kann der Formkörper auch eine Art Taumelbewegung ausführen, während das Material aufgetragen wird. Das heißt, eine Ausrichtung der Rotationsachse kann während des Auftrags des Materials variieren.
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Nach dem Auftrag des Materials auf den Formkörper kann der Formkörper, wenn er bereits mit einem Roboter verbunden ist, von diesem Roboter zu einem Werkzeug oder Segmentformkörper bewegt werden. Alternativ kann er an einen weiteren Roboter übergeben werden, der den Formkörper dann zu dem Werkzeug bewegt. Ist der Formkörper beim Auftrag des Materials nicht mit einem Roboter verbunden, kann er von einem Roboter gegriffen und von diesem Roboter zu dem Werkzeug geführt oder an einen weiteren Roboter übergeben werden.
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Der den Formkörper zu dem Werkzeug bewegende Roboter kann den Formkörper sodann parallel zu einer Oberfläche des Werkzeugs über das Werkzeug bewegen. Der Abstand zwischen dem Formkörper und dem Werkzeug wird dabei bevorzugt sehr gering oder technisch machbar minimal sein, damit ein Weg, den das Material oder Halbzeug zum Beispiel im freien Fall übertragen wird, möglichst kurz ist.
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Bei der Bewegung über das Werkzeug wird das Halbzeug von dem Formkörper gelöst und auf dem Werkzeug abgelegt. Zu dieser Ablage des Materials auf dem Werkzeug kann der Formkörper wiederum um seine Rotationsachse gedreht werden.
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Das Material kann zum Beispiel alleine durch die Schwerkraft von dem Formkörper gelöst werden. Alternativ kann der Formkörper hergerichtet sein, das Material zum Ablegen auf dem Werkzeug zu lockern und/oder zu lösen, beispielsweise mittels Düsen, die das auf der Oberseite des Formkörpers liegende Material an der dem Formkörper zugewandten Seite anblasen, oder durch Rütteln oder Auswurfelemente oder andere bekannte geeignete Maßnahmen.
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Der Formkörper kann beim Auflegen und/oder Ablegen des Materials um eine Rotationsachse gedreht werden, wobei die Drehung eine Teildrehung um weniger als 360° sein kann oder eine einzige Drehung um 360° oder mehr als eine einzige Umdrehung um 360°.
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Dabei kann bei jeder Drehung um 360° Material auf den gesamten Umfang des Formkörpers aufgelegt werden oder nur über einen Teilumfang oder zwei oder mehrere Teilabschnitte des Umfangs des Formkörpers.
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Der Formkörper kann in und/oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden und das Material kann bei mehr als einer 360° Drehung nebeneinander, übereinander und/oder in einem Winkel zur Umfangsrichtung auf den Formkörper abgelegt werden.
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Obgleich es bevorzugt ist, dass das Material alleine durch die Schwerkraft auf dem Formkörper haftet, sollte insbesondere bei einer nur abschnittweisen Belegung des Formkörpers geprüft werden, ob in diesem oder jedem anderen Fall es notwendig ist, das Material zum Beispiel durch Niederhalter oder andere Maßnahmen auf dem Formkörper in der aufgelegten Position festzuhalten.
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Die Rotationsachse kann zum Auflegen und/oder Ablegen des Materials auf dem Formkörper respektive auf dem Werkzeug im Wesentlichen horizontal oder vertikal ausgerichtet sein. Auch Ausrichtungen des Formkörpers zum Werkzeug in einem Winkel zwischen 0° (horizontal) und 90° (vertikal) sind möglich.
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Das Werkzeug kann zumindest bereichsweise eine Form aufweisen, die dem zu formenden Flugkörperteil, respektive dem auf dem Werkzeug abgelegten Material, die vorgesehene Form gibt. Bei einem Spant oder Stringer kann dies zum Beispiel die Form eines L-, U-, Z-, S-Profils oder eines beliebigen anderen Profils, wie zum Beispiel einem V- oder J-Profils sein. Im Folgenden wird das Bauteil auch als Flugkörperteil bezeichnet.
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Das Material kann ein bandförmiges Halbzeug sein, zum Beispiel ein aus Kohlenstoff-, Glas- oder anderen Fasern gewebtes oder gewirktes Band. Das Material kann aber auch ein Fadenmaterial oder gewirktes Faserbündel (Rowings) sein, das erst von der Auftragseinrichtung zu einem Band zusammengeführt wird. Das Material kann eine Matrix aus einem Harz oder einem anderen Binder aufweisen. Die Fäden können mit einem Harz oder einem Binder besprüht oder anderweitig verbunden sein. So kann zum Beispiel ein Teil der Fäden aus dem Binder gebildet sein, die mit den genannten Faserbündeln zu dem Halbzeug oder Bandmaterial zusammengeführt werden, um das Flächenbauteil, wie den Spant oder Stringer, zu bilden.
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Die Matrix oder der Binder ist bevorzugt so ausgebildet, dass das Matrixmaterial des Halbzeugs oder der Binder auf den Fäden „trocken“ oder „nass“ ist und erst durch zum Beispiel Druck, Wärme oder Strahlung aktiviert werden muss, um seine endgültige Bindungswirkung zu entfalten. Bei einem „nassen“ Matrixmaterial oder Binder kann das Halbzeug auf wenigstens einer Seite eine Deckschicht aufweisen, um ein Zusammenkleben mehrerer Schichten auf einer Rolle oder in einem Reservoir zu verhindern. Die Deckschicht kann beispielsweise eine Kunststofffolie sein, die unmittelbar vor dem Auflegen des Materials auf den Formkörper oder nach dem Ablegen auf dem Werkzeug von dem Material abgezogen wird. Alternativ kann die Folie ein Teil der Matrix oder des Binders sein.
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Um kein unidirektionales Bauteil zu bilden, das heißt, ein Bauteil in dem alle Bänder oder Faserbündel nur in eine Richtung verlaufen, kann, insbesondere wenn auf den Formkörper mehr als einer Schicht aufgetragen wird, das Material wenigstens einer der Schichten in einem Winkel von 0° bis ±45° oder 0° bis 90° zu einer Auftragsrichtung der vorgehenden oder nachfolgenden Schicht angeordnet sein. Dies erhöht die Festigkeit des fertigen Bauteils und dessen Belastbarkeit oder Stabilität in unterschiedliche Richtungen.
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Der Formkörper kann über seine axiale Länge einen konstanten Außendurchmesser aufweisen, bevorzugt weist der Formkörper zwei oder mehr aneinander stoßende Bereiche unterschiedlicher Außendurchmesser auf. Die aneinander stoßenden Bereiche können treppenförmig aneinander gereiht sein, oder kontinuierlich, das heißt, durch eine Schräge miteinander verbunden sein. Der Formkörper kann eine kreisrunde, runde, ovale, mehreckige oder anders geformte Umfangsform aufweisen, die wiederum über seine axiale Länge variieren kann.
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Der Formkörper kann aus einem dünnwandigen Leichtmaterial bestehen, auf den das Material oder die Faserstruktur aufgelegt werden kann.
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Der zylindrische und konische, bevorzugt rotationssymmetrische, Formkörper ist so geformt sein, dass seine und die Geometrie- und Formeigenschaften des Werkzeugs genutzt werden können. So entspricht eine Abrollbahn/Abwicklung oder eine natürliche Abrollbahn des zylindrischen und kegelförmigen Formkörpers im Wesentlichen oder exakt einer gekrümmten Form des Werkzeugs oder Segmentformkörpers widerspiegeln. Dazu können der Formkörper, respektive eine Auflagefläche des Formkörpers für das Material, mit einer Rotationsachse des Formkörpers einen Winkel oder Kegelwinkel kleiner 90° bilden. Das bewirkt, dass der Formkörper mit seiner Auflagefläche plan auf der Ablagefläche des Werkzeugs abrollen kann. Das heißt, rollt jetzt der Formkörper auf der Auflagefläche ab, wird durch den Kegelwinkel ein Kreis mit einem von dem Kegelwinkel abhängigen Durchmesser definiert. Der Kegelwinkel ist dabei so gewählt, dass dieser Durchmesser einem Durchmesser eines Kreissegments, welches die Abwicklung des gekrümmten Werkzeugs bildet, im Wesentlichen oder exakt entspricht oder zumindest über weite Teile im Wesentlichen oder exakt entspricht.
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Durch die nahezu ebene geometrische Form des zylindrischen Formkörpers, kann die Faserstruktur ohne diese zu knicken oder zu stauchen auf den zylindrischen Formkörper aufgebracht werden. Dadurch kann vorteilhafterweise der Vorgang gegenüber einem Auftrag auf Körper der Endgeometrie beschleunigt und vereinfacht werden.
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Bei dem Roboter, zumindest bei dem Roboter, der den zylindrischen Formkörper zu dem und über das Werkzeug führt, kann es sich um einen bekannten Industrieroboter handeln.
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Das Material oder Halbzeug, das heißt, das Band-, Faserbündel- oder Fadenmaterial, kann als Endlosmaterial einem Reservoir entnommen werden. Mit einer dem Reservoir nachgeordneten Schneideeinrichtung kann das Material geschnitten werden, damit das Material in einer vorgebbaren bzw. vorgegebenen Länge auf den zylindrischen Formkörper aufgelegt wird. Die Schneideeinrichtung kann frei drehbar sein, damit das Halbzeug oder die Fasern in einem beliebigen Winkel geschnitten werden können. Dadurch können eventuell Nacharbeiten, wie ein Nachschneiden, vermieden werden, und ein werkzeugfallendes fertiges Endprodukt kann entstehen.
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Das Auflegen des Materials auf den Formkörper kann unter der Nutzung der Schwerkraft und präzisen Hochgeschwindigkeitsrobotern oder Linearrobotern erfolgen. Alternativ ist auch ein Auftragen mittels einer Tape-Legeanlage oder einer Fiber Placement Anlage möglich. Eine Oberflächenbeschaffenheit des Formkörpers kann sowohl ein verrutschsicheres Auflegen auf den zylindrischen Formkörper und als auch ein rückstandsfreies Ablösen des Materials zum Ablegen auf dem Werkzeug gewährleisten.
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Die Schnittinformationen für die Schneideeinrichtung können in einem Rechner oder einer Rechneranordnung abgelegt sein, die mit der Schneideeinrichtung verbunden ist. Dabei können in dem Rechner/der Rechneranordnung mehrere Schneidemuster für unterschiedliche Bauteile hinterlegt sein, die wahlweise ausgewählt werden können.
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Zur Herstellung von Bauteilen unterschiedlicher Form, Dicke und/oder Größe kann der Formkörper einmal oder mehrmals mit Material belegt, zum Werkzeug hin und parallel über das Werkzeuge geführt werden. Das heißt, das Bauteil kann aus mehreren Teilen bestehen, die aneinander stoßen und/oder sich an den sich zugewandten Enden zumindest bereichsweise überlappen.
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Das Werkzeug kann einstückig sein, das heißt, nur eine Auflage für das Material bilden. Alternativ kann das Werkzeug mehrstückig sein, zum Beispiel aus mehreren Segmenten bestehen. Das Werkzeug kann ein Unterwerkzeug, auf dem das Material abgelegt wird, und ein Oberwerkzeug umfassen. Dabei kann das Oberwerkzeug als Stempel ausgebildet sein, der das Material in das Unterwerkzeug drückt und dem Bauteil dadurch die Form gibt.
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Umfasst das Werkzeug nur ein Unterwerkzeug, kann das auf dem Werkzeug abgelegte Material durch die Schwerkraft, eine Andrückvorrichtung, wie zum Beispiel eine oder mehrere Andrückrollen, oder einen Unterdruck, der das Material, das selbst dicht sein oder zum Beispiel eine luftundurchlässige elastische Membran aufweisen kann, auf die Oberfläche des Werkzeugs oder des Unterwerkzeugs saugt, in die das Bauteil bildende Form gebracht werden.
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Wenn das Material für das zu formende Bauteil vollständig auf oder in das Werkzeug eingelegt ist, kann das auf dem Werkzeug oder Unterwerkzeug aufliegende Material ausgehärtet werden. Je nach dem Material der Matrix, Harz oder Bindemittel, kann die Härtung durch Ausdampfen, chemische Reaktion an der Luft, UV-Licht, Zufuhr von Wärme von außen und/oder über das Werkzeug oder Unterwerkzeug und/oder das Oberwerkzeug, Backen in einem Ofen, Druck oder einer Kombination daraus, bewirkt werden.
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Schließlich kann das ausgehärtete Material aus dem Werkzeug oder Unterwerkzeug ausgeworfen und/oder zum Beispiel mittels eines weiteren Roboters von dem Werkzeug oder Unterwerkzeug entnommen werden. Der weitere Roboter kann das ausgehärtete Bauteil zur weiteren Verarbeitung an eine Bearbeitungsstation oder in ein Lager abgeben. Das Bauteil kann bevorzugt im Werkzeug im Wesentlichen fertig gestellt werden, das heißt, ein werkzufallendes Bauteil sein, an dem vor dem Verbau nur noch kleiner Manipulationen vorgenommen werden. Es kann aber auch ein Zwischenprodukt sein, das vor dem Verbau in zum Beispiel einer Luftfahrzeug oder Flugkörper noch einer mehr oder weniger aufwändigen Nachbearbeitung unterzogen werden muss.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Spants oder eines Stringers für ein Luftfahrzeug oder einen Flugkörper. Die Vorrichtung umfasst einen zylindrischen und kegelförmigen Formkörper, einen Roboter oder Industrieroboter, der mit dem Formkörper verbunden oder verbindbar ist, eine Auftragseinrichtung, die ein Material oder Halbzeug auf den Formkörper auflegt, und ein von der Auftragseinrichtung separat angeordnetes Werkzeug, hergerichtet, um dem Material die Form des Bauteils zu geben.
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Dabei ist der mit dem Formteil verbundene Roboter hergerichtet, das mit dem Material belegte Formteil von der Einrichtung zu dem Werkzeug, und dann parallel zur Oberfläche des Werkzeugs über das Werkzeug zu bewegen, wobei das Werkzeug einen Krümmungsradius zumindest in einer horizontalen Ebene aufweist und der Formkörper einen Kegelwinkel hat, der einen Durchmesser einer Abrollbahn des Formkörpers bestimmt, wobei der Durchmesser der Abrollbahn dem Krümmungsradius des Werkzeugs entspricht.
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Bei dem Roboter kann es sich um einen bekannten Industrieroboter handeln, der mit einem Rechner oder einer Rechnereinheit verbunden ist, in der die Laufwege des Roboters, bzw. Bewegungsprofile eines Roboterarms hinterlegt sind und eingegeben und/oder manipuliert werden können.
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Das Formteil kann zum Auflegen des Materials auf das Formteil ein- oder mehrmals in oder gegen den Uhrzeigersinn verdreht werden, wobei eine Drehung 360° oder weniger umfassen kann. Dabei kann das Formteil zum Drehen mit der Auftragseinrichtung verbunden sein und mittels eines der Einrichtung zuzuordnenden Motors gedreht werden. Alternativ kann das Formteil mit dem oder einem Roboter verbunden sein, der das Formteil dreht, wenn es mit dem Material belegt wird.
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In einer weiteren Variante kann der Formkörper auch selbstdrehend ausgeführt sein, das heißt, er weist einen eigenen Motor auf, der eine zum Beispiel zylindrische Außenwand um ein Motor-Antriebs-Kopplungseinrichtung, die im Inneren der zylindrischen Außenwand angeordnet ist, dreht. Die Motor-Antriebs-Kopplungseinrichtung kann dann mit der Auftragseinrichtung und dem Roboter so gekoppelt werden, dass sich die Motor-Antriebs-Koppelungseinrichtung relativ zur Auftragseinrichtung und dem Roboter nicht drehen kann.
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Das Formteil kann einen kreisrunden Außenumfang haben, oder eine runde, ovale, mehreckige oder andere beliebige Außenumfangsform aufweisen. Es kann eine Oberfläche aufweisen, die Eigenschaften aufweist, sodass das Material nicht an ihr haften, anhaften oder kleben bleibt, beispielsweise ein Lackbeschichtung, eine Teflonbeschichtung, eine Lotusbeschichtung oder ein andere technische Beschichtung mit Antihaft-Eigenschaften.
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Die Oberfläche kann plan oder glatt sein, oder eine Struktur aufweisen, die das Lösen des Materials von der Oberfläche unterstützt, beispielsweise Wellen oder Noppen im Mikrobereich. Das Formteil kann ein Hohlzylinder sein. Der Hohlzylinder kann Bohrungen aufweisen, die die Zylinderwand in eine Richtung senkrecht zu einer Mittelachse des Zylinders durchdringen. Durch diese Bohrungen kann ein Fluid unter einem Druck geleitet werden, beispielsweise Luft oder ein Gas, das das Lösen des Materials von dem zylindrischen Formkörper unterstützt.
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In Axialrichtung ist der Formkörper konisch oder kegelförmig ausgebildet, wobei er mehrere Abschnitte unterschiedlichen Durchmesser aufweisen kann, die treppenförmig oder kontinuierlich ineinander übergehen. Jeder der Abschnitte kann über seine axiale Länge einen konstanten Durchmesser aufweisen, oder einer oder mehrere der Abschnitte kann/können konisch ausgebildet sein. Dabei kann jeder der konischen Abschnitte ein von dem oder den anderen konischen Abschnitten abweichende Steigung aufweisen.
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Der der zylindrische und konische Formkörper ist so geformt sein, dass seine und die Geometrie- und Formeigenschaften des Werkzeugs genutzt werden können. Das heißt, eine Abrollbahn/Abwicklung oder eine natürliche Abrollbahn des zylindrischen und/oder kegelförmigen Formkörpers mit einem Kegelwinkel kleiner 90° spiegelt im Wesentlichen oder exakt eine geometrische oder gekrümmte Abwicklung des Werkzeugs oder Segmentformkörpers wider. Das heißt, dass der Formkörper, respektive eine Auflagefläche des Formkörpers für das Material, mit einer Rotationsachse des Formkörpers einen Winkel oder Kegelwinkel kleiner 90° bilden. Rollt jetzt der Formkörper mit seiner Auflagefläche plan auf der Ablagefläche des Werkzeugs ab, wird dadurch ein Kreis mit einem von dem Kegelwinkel abhängigen Durchmesser definiert. Dieser Durchmesser entspricht einem Durchmesser eines Kreissegments, welches das gekrümmte Werkzeug bildet.
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Im einfachsten Fall fällt eine Rotationsachse des Roboters, der den Formkörper über das Werkzeug führt, mit den identischen Mittelpunkten der durch die Geometrien des Formkörpers und des Werkzeugs definierten Kreise zusammen. Fällt die Rotationsachse des Roboters nicht mit den Mittelpunkten der im Wesentlichen identischen Kreise von Formkörper und Werkzeug zusammen, kann der Roboter über ein Programm so gesteuert werden, dass die Ablaufbahn des Formkörpers dem Krümmungsradius des Werkzeugs im Wesentlichen entspricht.
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Die Vorrichtung kann weiterhin ein Lager für mehrere Werkzeuge und/oder einen Drehtisch, der mit mehr als einem Werkzeug bestückt werden kann oder bestückt ist, umfassen. Die im Lager vorgehaltenen Werkzeuge können von einem Lagerroboter aus dem Lager entnommen und auf einem Werkzeugplatz abgelegt werden. Als Werkzeugplatz soll hier ein definierter Flächenbereich bezeichnet werden, innerhalb dessen das Werkzeug abgelegt werden muss, damit der den zylindrischen Formkörper führende Roboter jeden Punkt auf dem Werkzeug erreichen kann. Ein Drehtisch kann beispielsweise solch ein Werkzeugplatz sein.
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Der Lagerroboter kann das Werkzeug auf dem Ablageplatz in einer beliebigen oder einer vorgegebenen Position ablegen. In dieser Position kann das Werkzeug gesichert werden, sodass es auf dem Ablageplatz nicht mehr horizontal verschoben oder vertikal vom Ablageplatz abgehoben werden kann. Bei einem Werkzeug aus Eisen können beispielsweise Magneten das Werkzeug in Position halten. Alternativ kann das Werkzeug in seiner Position durch zum Beispiel Klemmen, Bolzen, Klammern oder andere bekannte Maßnahmen festgelegt werden. Der Ablageplatz kann Ausnehmungen aufweisen, in die das Werkzeug mit einem Werkzeugfuß vom Lagerroboter eingelegt wird. Schließlich kann das Eigengewicht des Werkzeugs schwer genug sein, um ein horizontales Verschieben der Werkzeugs während des Auflegens des Materials und/oder ein vertikales Abheben des Werkzeugs bei einer Entnahme des fertig geformten Flugkörperteils sicher zu verhindern.
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Die Vorrichtung kann weiterhin eine Andrück- oder Ansaugeinrichtung umfassen, die das auf dem Werkzeug abgelegte Material oder Halbzeug gegen die Oberfläche des Werkzeugs drückt, respektive saugt, und dadurch das Flugkörperteil formt. Das heißt, um das zum Beispiel bandförmige Material passgenau an die Oberfläche des Werkzeugs anzudrücken, kann das Material mit einem Druck oder mittels eines Vakuums an den die Endform des Bauteils ausbildenden Bereich der Oberflächenform des Werkzeugs angepasst werden. Insbesondere bei durch die Form vorgegebenen Ecken oder Kanten kann die Schwerkraft alleine nicht ausreichen, um die Form des Werkzeugs formgetreu durch das Material nachzubilden.
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Zum Andrücken können Andrückelemente, beispielsweise Andrückrollen oder Andrückschieber, zum Einsatz kommen, die das Material auf oder in das Werkzeug drücken, direkt nachdem es von dem zylindrischen Formkörper auf dem Werkzeug abgelegt wurde. Alternativ oder zusätzlich können vollflächig flexible Andrückelemente verwendet werden, wie zum Beispiel Andrückmatten oder Andrückschwämme. Die Andrückelemente folgen dem Formkörper bzw. dem Auftreffpunkt des Materials auf dem Werkzeug bevorzugt in kurzem Abstand nach. Dadurch verhindern die Andrückelemente, dass das Material von dem Formkörper zum Beispiel auf dem Werkzeug nachgezogen wird oder eventuell beim Ablegen Falten bildet, sorgen für eine ständige Spannung des abzulegenden Materials und drücken das Material formgebend gegen die Werkzeugoberfläche. Auch ein nachträgliches Andrücken, das erst nach dem vollständigen Ablegen des Materials auf dem Werkzeug erfolgt, ist von der Erfindung mit umfasst.
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Durch das Vakuum können die gleichen Vorteile erreicht werden, vorausgesetzt, dass das Halbzeug im Wesentlich dicht ist oder zum Beispiel eine abdichtende Folie umfasst, sodass das Vakuum eine Saugwirkung entfalten kann.
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Das Werkzeug kann alternativ aus einem Unterwerkzeug und einem Oberwerkzeug bestehen. In diesem Fall wirkt das Oberwerkzeug als eine Art Stempel und wird nach dem Ablegen des Materials auf dem Unterwerkzeug mit dem Unterwerkzeug verbunden. Dabei drückt das Oberwerkzeug das Material formgebend gegen die Oberfläche des Unterwerkzeugs.
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Das Werkzeug oder das Unter- und/oder Oberwerkzeug können im Bereich der Auflagefläche für das Material eine Beschichtung und/oder eine Struktur aufweisen, die verhindert, dass das Material an dem Werkzeug, dem Unterwerkzeug oder dem Oberwerkzeug haften bleibt. Dabei können die gleichen oder ähnliche Materialien und Strukturen Verwendung finden, wie dies weiter oben zum ersten Aspekt im Zusammenhang mit dem Formkörper beschrieben wurde.
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Die Vorrichtung kann weiterhin eine Aushärtungseinrichtung umfassen, die das auf dem Werkzeug liegende Material aushärtet. Die Art der Aushärtungseinrichtung ist in erster Linie von der Matrix, respektive dem Harz oder Bindemittel das zum Beispiel die Matrix des Materials bildet, abhängig. Die Aushärtungseinrichtung kann zum Beispiel dem auf dem Werkzeug abgelegten Material Wärme zuführen, das Material mit UV-, Mikrowellen- oder einer anderen Strahlung beaufschlagen, und/oder das Material einem Druck aussetzen. Möglich ist, dass die Aushärtungseinrichtung ein Ofen, eine Presse oder Heißpresse, ein beheizbares Werkzeug, Unterwerkzeug und/oder Oberwerkzeug ist.
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Die Vorrichtung kann einen weiteren Roboter umfassen, der das ausgehärtete Bauteil dem Werkzeug entnimmt und ablegt oder an eine weitere Prozessstation übergibt.
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Die Einrichtung oder Auflageeinrichtung kann ein Reservoir oder eine Halterung für ein Reservoir mit einem Endlosmaterial umfassen und eine Schneideeinrichtung. Die Schneideeinrichtung umfasst eine Zählvorrichtung für Längeneinheiten. Die Länge, bei der die Scheideeinrichtung das Endlosmaterial schneidet, kann in die Schneideeinrichtung eingegeben werden. Optional kann die Auflageeinrichtung eine Umlenkeinrichtung für das Endlosmaterial aufweisen, mit der das von dem Reservoir kommende Material eine Richtungsänderung erfährt, damit das Material im gewünschten Winkel auf den Formkörper aufgelegt werden kann. Die Umlenkeinrichtung kann während des Auflegens des Materials auf den Formkörper eine Richtung, in der das Material auf den Formkörper aufgelegt wird, ändern.
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Die Vorrichtung kann schließlich einen Rechner oder eine Rechneranordung umfassen. Dabei kann es sich um einen Zentralrechner handeln, der den Ablauf der Vorrichtung steuert und/oder regelt, sprich alle Roboter, die Auftragseinrichtung, die Andrückeinrichtung, die Aushärtungseinrichtung, die Schneideeinrichtung. Alternativ kann jede der Einrichtungen einen eigenen Rechner, eine eigene Steuer- oder Regeleinheit umfassen, die von einem zentralen Rechner koordiniert werden.
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Merkmale der Erfindung, die nur unter dem Verfahren oder nur unter der Vorrichtung beschrieben wurden, sind wechselseitig auch der Vorrichtung bzw. dem Verfahren zugehörig und können das Verfahren oder die Vorrichtung vorteilhaft weiterbilden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung anhand von Figuren näher erläutert. Merkmale, die nur den Figuren zu entnehmen können und erfindungswesentlich sind, können die Vorrichtung und das Verfahren vorteilhaft weiter bilden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1: Vorrichtung mit Roboter, zylindrischem und konischem Formkörper und Werkzeug, nach dem Ablegen eines Halbzeugs vom Formkörper auf dem Werkzeug;
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2: Vorrichtung der 1 nach der Aufnahme eines weiteren Halbzeugs beim Beginn der Fortsetzung der Ablage;
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3 Auftragseinrichtung mit Motor und mit dem Motor verbundenem zylindrischen und konischen Formkörper.
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In der 1 ist ein Teil einer Vorrichtung einer Ausführung der Erfindung gezeigt, mit einem Roboter 3, einem zylindrischen und konischer Formkörper 1 und einem Werkzeug 2. Im Folgenden wird der zylindrische und konische Formkörper als zylindrischer Formköper 1 beschrieben.
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Der Roboter 3 umfasst einen Roboterarm 4, dessen Ende in einer Gelenkverbindung mit dem zylindrischen Formkörper 1 verbunden ist. Die 1 zeigt die Situation, in der ein Material 5 oder Halbzeug gerade vollständig von dem zylindrischen Formkörper 1 auf das Werkzeug 2 übertragen oder auf dem Werkzeug 2 abgelegt wurde. Das heißt, in der 1 ist kein Material 5 mehr auf dem zylindrischen Formkörper. Das Material 5 hat ein Materialende 5a, das nahe dem Werkzeugende 2c auf das Werkzeug aufgelegt wurde, und ein Ende 5b. Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht eine Länge des Materials 5 vom Ende 5a bis zum Ende 5b dem Umfang des zylindrischen Formkörpers im Bereich einer Auflagefläche 1a für das Material 5.
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Zum Ablegen des Materials 5 auf dem Werkzeug 2 wird der zylindrische Formkörper 1 mittels des Roboterarms 4 um seine Rotationsachse gedreht. Dabei kann der zylindrische Formkörper 1 mit der Auflagefläche 1a auf einer von dem Werkzeug 2 gebildeten Ablagefläche 2e laufen oder von dem Roboterarm 4 in einem kleinen Abstand parallel zu der Ablagefläche 2e, respektive dem Werkzeug 2, geführt werden, sodass das Material 5 von dem zylindrischen Formkörper 1 gelöst und auf dem Werkzeug 2 abgelegt werden kann.
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Dabei kann das Material alleine durch die Schwerkraft von dem zylindrischen Formkörper 1 gelöst und auf dem Werkzeug abgelegt werden. Wenigstens der zylindrische Formkörper 1 kann dazu eine Antihaft-Oberflächenbeschichtung aufweisen, die das Lösen des Materials von der Auflagefläche 1a des zylindrischen Formkörpers 1 begünstigt. Alternativ oder zusätzlich kann das Lösen des Materials vom zylindrischen Formkörper durch pneumatische oder mechanische Hilfsmittel unterstützt werden.
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Der zylindrische Formkörper 1 ist so geformt, dass seine und die Geometrie- und Formeigenschaften des Werkzeugs 2 genutzt werden können. Eine Abrollbahn oder Abwicklung des zylindrischen Formkörpers spiegelt im Wesentlichen oder exakt eine geometrische oder gekrümmte Form des Werkzeugs 2 wider. Das heißt, dass der Formkörper 1, respektive die Auflagefläche 1a für das Material 5, mit einer Rotationsachse des zylindrischen Formkörpers 1 einen Winkel oder Kegelwinkel kleiner 90° bildet. Rollt jetzt, wie gezeigt, der Formkörper 1 mit der Auflagefläche 1a auf der Ablagefläche 2e des Werkzeugs (2) ab, wird dadurch ein Kreis mit einem von dem Kegelwinkel abhängigen Durchmesser definiert. Dieser Durchmesser entspricht im Wesentlichen einem Durchmesser eines Kreissegments, welches das Werkzeug 2 bildet. Die Geometrie des Formkörpers 1, respektive der Auflagefläche 1a, und des Werkzeugs 2, respektive der Ablagefläche 2e ermöglichen ein besonders planes und flächiges Abrollen des Formkörpers 1 auf dem Werkzeug 2 in dem Bereich der Ablagefläche 2e.
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Im Ausführungsbeispiel wird das Material 5 so auf dem Werkzeug 2 abgelegt, dass es auf dem Werkzeug 2 ein L- oder U-Profil bildet. Insbesondere bei Profilen mit komplizierten Formen, können nicht dargestellt Andrückeinrichtungen das auf dem Werkzeug 2 abgelegte Material 5 gegen die Ablagefläche 2e drücken, um das Material 5 in die gewollte oder vom Werkzeug 2 vorgegebene Form zu formen.
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Das Werkzeug 2 kann einteilig oder, wie gezeigt, aus einem ersten Werkzeugteil 2a und einem zweiten Werkzeugteil 2b und optional weiteren Werkzeugteilen gebildet sein. So können beispielsweise in einem Lager eine Vielzahl von Werkzeugteilen bereit gehalten werden, die dann zu unterschiedlichen Werkzeugen 2 zusammengefügt werden können. Das jeweilige Werkzeug 2 kann beispielsweise die Maße, wie Länge und Krümmung, eines Flugzeugskörpers in einem bestimmten Bereich aufweisen. Das Bauteil 11 kann dann ein Spant oder ein Stringer sein, der einer Hülle eines Flugzeugskörpers verstärkt.
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Das Material 5 muss über seine Länge nicht eine gleichmäßige Dicke, gemessen senkrecht zur Ablagefläche 2e, aufweisen. Es kann in Bereichen, die bekanntermaßen im Betrieb zum Beispiel eines Flugzeugs besonderem Stress ausgesetzt sind, relativ dick sein, in anderen Bereichen, wo weniger Stressbelastung auftritt, relativ dünn. Die unterschiedlichen Dicken können bereits durch das auf dem zylindrischen Formkörper 1 aufgetragene Material 5 vorgegeben sein, oder dadurch hergestellt werden, dass der zylindrische Formkörper 1, jeweils bestückt mit neuem Material 5, mehrmals über das Werkzeug 2 geführt wird und so bereichsweise mehrere Schichten Material 5 auf dem Werkzeug 2 ablegt.
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Das auf dem Werkzeug abgelegte Material 5 kann anschließend durch eine nicht dargestellte Aushärtungseinrichtung in seiner vom Werkzeug 2, respektive der Ablagefläche 2e, vorgegebenen Form fixiert werden.
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Bei dem Material kann es sich beispielsweise um ein bandförmiges Gewebe oder gewirktes Faserbündel oder Fasern handeln. Das Material kann aus Kohlenstofffasern, Glasfasern oder anderen Fasern bestehen, respektive gewebt oder gewirkt sein, und eine Matrix aufweisen, die aus einem aushärtbarem Harz oder einem anderen Bindemittel besteht. Diese Matrix kann zum Aushärten des Materials 5 zum Beispiel durch Wärme, Druck, Mikrowellen- oder andere Strahlung, UV-Licht, etc. aktiviert werden.
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Das fertig ausgehärtete Bauteil 11 kann anschließend von einem Roboter gegriffen und von dem Werkzeug abgehoben werden. Je nachdem, ob es sich bei dem ausgehärteten Bauteil um ein werkzeugfallendes Bauteil oder ein Halbzeug handelt, gibt der Roboter das Bauteil 11 in ein Lager oder zur weiteren Bearbeitung zum Beispiel in eine nachfolgende Bearbeitungsstation.
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Die 2 zeigt die gleiche Anordnung von Roboter 3, zylindrischem Formkörper 1 und Werkzeug, wie er aus der 1 bekannt ist. Der Roboter 3, respektive der Roboterarm 4, ist jedoch mit einem zweiten zylindrischen Formkörper 1 verbunden, der, wie gezeigt, baugleich mit dem zylindrischen Formkörper 1 der 1 ist.
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Der zylindrische Formkörper 1 ist über seinen Umfang mit einem Material 6 belegt, das identisch dem Material 5 sein kann. Der Roboter 3 hat den zylindrischen Formkörper 1 so an das Werkzeug 2 herangeführt, dass er das Material 6 jetzt anschließend an das Material 5 auf dem Werkzeug 2, respektive der Ablagefläche 2e, ablegen kann. Dabei kann das nicht gezeigte Anfangsende des Materials 6 das Ende 5b des Materials 5 über eine gewisse Länge überlappen.
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Der Roboter 2 kann jetzt den zylindrischen Formkörper 3 mit dem Material 6 drehen und dabei entlang der Ablagefläche 2e bewegen, sodass nach der Ablage des Materials 6 auf dem Werkzeug 2 eine Bauteil 11 entsteht, dass im Wesentliche die Länge des Werkzeugs 2 hat.
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Das heißt, im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das fertige Bauteil 11 im Wesentlichen so lang, wie die zweifache Umfangslänge des zylindrischen Formkörpers 1 im Bereich der Auflagefläche 1a. Andere Bauteile können die halbe, dreifache, viereinhalbfache oder eine andere beliebige Länge, in Umfängen des zylindrischen Formkörpers 1 gemessen, aufweisen. Wie bereits beschrieben, können die Bauteile bereichsweise oder abschnittsweise auch aus mehr als einer Materialschicht gebildet sein, dadurch dass in diesen Bereichen oder Abschnitten des Bauteils mehr als einmal Material 5 von dem zylindrischen Formkörper 1 auf dem Werkzeug 2 abgelegt wird.
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Zum Beispiel kann das Bauteil 11 eine Länge oder Bauteillänge von 3 bis 5 m aufweisen. Daraus ergibt sich dann ein Durchmesser des zylindrischen Formkörpers von 1 bis 2 m.
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Die 3 zeigt eine Auflegeeinrichtung 7, mit der das Material 5, 6 auf den zylindrischen Formkörper 1 aufgelegt wird. In der 3 ist noch kein Material 5, 6 auf den zylindrischen Formkörper 1 aufgelegt.
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Die Auflegeeinrichtung 7 umfasst einen Motor 8, beispielsweise einen Elektromotor oder einen hydraulischen oder pneumatischen Motor, der mit dem zylindrischen Formkörper 1 verbunden ist, sodass er den zylindrischen Formkörper 1 zum Auflagen des Material auf die Auflagefläche 1a drehen kann. Der Motor 8 kann den zylindrischen Formkörper bevorzugt in und gegen den Uhrzeigersinn drehen.
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Die Auflegeeinrichtung 7 umfasst weiterhin ein Reservoir 12 für das Material 5, 6, welches im Ausführungsbeispiel ein Faserbündel ist und von einer Rolle abgewickelt wird. Desweiteren umfasst die Auflegeeinrichtung 7 eine frei drehbare Schneideeinrichtung 9, mit der das Faserbündel in einem beliebigen Winkel abgeschnitten werden kann, wenn eine vorgegebene Länge des Faserbündels von der Bandrolle abgewickelt wurde. Um die Länge des Faserbündels zu bestimmen, ist der Schneideeinrichtung 9 ein Sensor 13 vorgeschaltet, der die Länge des Faserbündels messen kann.
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Um die das Materialband bildenden Fasern und/oder Faserbündel auf den zylindrischen Formkörper 1 auflegen zu können, umfasst die Auflegeeinrichtung 7 eine Hochgeschwindigkeitsroboter 10 für „Pick-and-Place“ Anwendungen. Der Hochgeschwindigkeitsroboter 10 kann einzelne Fasern und/oder Faserbündel greifen und zumindest deren freies Ende mit großer Geschwindigkeit exakt auf dem Formkörper 1 auflegen. Mit dem Hochgeschwindigkeitsroboter 10 können die Fasern und/oder Faserbündel in unterschiedlichen Ausrichtungen zur Auflagefläche 1a aufgelegt werden.
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Mit der Auflegeeinrichtung 7 wird das Material 5, 6 auf den zylindrischen Formkörper 1 aufgebracht. Anders als in der 3 gezeigt, kann der zylindrische Formkörper 1 auch mit einem Roboter verbunden sein, der den zylindrischen Formkörper 1 während des Materialauflegens in der Position hält und dreht. Nachdem das Material vollständig auf den zylindrischen Formkörper 1 aufgelegt ist, kann der Roboter den zylindrischen Formkörper 1 an den Roboter 3 übergeben. Der Roboter kann sodann einen neuen zylindrischen Formkörper 1 aus einem Vorrat von zylindrischen Formkörpern 1 greifen und zu der Auflegeeinrichtung bewegen.
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Der Roboter 3 kann den zylindrischen Formkörper 1 zum Werkzeug 2 und über das Werkezeug 2 führen und dabei drehen, sodass das Material vom zylindrischen Formköper gelöst und auf dem Werkzeug 2, respektive der Ablagefläche 2e, abgelegt wird. Der Roboter 2 kann den leeren zylindrischen Formkörper 1 einem Magazin für die Formkörper 1 zuführen und von dem Roboter den nächsten mit Material 5, 6 belegten zylindrischen Formkörper 1 übernehmen.
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Das Werkzeug 2 kann gemeinsam mit weiteren Werkzeugen gleicher oder unterschiedlicher Bauart auf einem nicht gezeigten Drehtisch angeordnet sein. Der Drehtisch kann weitergedreht werden, während der Roboter 2 den nächsten zylindrischen Formkörper 1 greift. Natürlich kann die Vorrichtung auch mehr als einen Roboter 2 und mehr als eine Auflegeeinrichtung 7 umfassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zylindrischer und/oder kegelförmiger Formkörper, Formkörper
- 1a
- Auflagefläche
- 2
- Werkzeug
- 2a
- Werkzeugteil
- 2b
- Werkzeugteil
- 2c
- Werkzeugende
- 2d
- Werkzeugende
- 2e
- Ablagefläche
- 3
- Roboter
- 4
- Roboterarm
- 5
- Material; Halbzeug
- 5a
- Materialende
- 5b
- Materialende
- 6
- Material
- 7
- Auflegeeinrichtung
- 8
- Motor
- 9
- Schneideeinrichtung
- 10
- Hochgeschwindigkeitsroboter
- 11
- Bauteil
- 12
- Reservoir
- 13
- Sensor
