DE102015104393B4

DE102015104393B4 - Fiber-laying head and fiber-laying device with this fiber laying head

Info

Publication number: DE102015104393B4
Application number: DE102015104393.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Perner; Hans Peter Monner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: DE102015104393A1; DE202014101387U1; FR3019084A1; FR3019084B1

Abstract

Faserlegekopf zum Legen von Fasern auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei der Faserlegekopf eine Anpressrolle hat, die zum Legen der dem Faserlegekopf bereitgestellten Fasern auf ein Formwerkzeug eingerichtet ist, wobei der Faserlegekopf einen aus einer Mehrzahl von Rahmenelementen gebildeten Strukturrahmen aufweist, an dem die Anpressrolle angeordnet ist, und mindestens ein Aktuator vorgesehen ist, der mit mindestens einem Rahmenelement zur Verformung und/oder Versteifung des Rahmenelementes derart zusammenwirkt, dass bei einer Ansteuerung des Aktuators eine Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens bewirkt wird.A fiber laying head for laying fibers on a molding tool for producing a fiber composite component, wherein the fiber laying head has a pressure roller, which is adapted for laying the fibers provided to the fiber laying head on a mold, wherein the fiber laying head has a structural frame formed from a plurality of frame members, on which Pressure roller is arranged, and at least one actuator is provided which cooperates with at least one frame member for deformation and / or stiffening of the frame member such that upon actuation of the actuator, a deformation and / or stiffening of the structural frame is effected.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Legen von Fasern auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenso eine Faserlegevorrichtung mit diesbezüglichem Faserlegekopf.The invention relates to a fiber laying head for laying fibers on a mold for producing a fiber composite component with the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a fiber laying device with respect to this fiber laying head.

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 Bedingung bedarf es angepasster Fertigungsstrategien hinsichtlich des Automatisierungsprozesses.As a construction material, fiber composite materials represent an outstanding possibility for achieving weight reduction in various components. The resulting advantages, such as reduced fuel consumption over the entire service life of the means of transport and the reduced wear, lead to an increasing use of these materials in safety-critical application areas. In comparison to isotropic materials, however, only a high level of lightweight construction potential can be achieved if the components are produced using a production method that satisfies both the properties of the fiber material and of the molding resin. For the production of highly loadable primary structures, the adaptation of the fiber orientation according to the stress states is absolutely necessary. Due to this condition, adapted manufacturing strategies are required with regard to the automation process.

Die aktuelle Fertigung von Großbauteilen in der Fiber Placement bzw. der Tapelaying Technologie umfasst die Ablage eines Faserkunststoffverbundes auf einem Formwerkzeug. Das abzulegende Fasermaterial ist hierbei entweder als Tows (zumeist ¼'' oder ½'' Breite) oder Tapes (zumindest 150 mm oder 300 mm) auf einer Spule aufgewickelt und wird anschließend in mehreren Bahnen nebeneinander auf dem Formwerkzeug abgelegt. Dies ergibt in der gesamten Fläche eine Laminatschicht (Ply).The current production of large components in the fiber placement and the tapelaying technology comprises the storage of a fiber-plastic composite on a mold. The fiber material to be deposited is either wound up as a tow (usually ¼ '' or ½ '' width) or tapes (at least 150 mm or 300 mm) on a spool and is then deposited in several webs next to one another on the mold. This results in a laminate layer (Ply) in the entire area.

Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Faserverbundbauteilen, beispielsweise CFK-Bauteilen, stoßen aktuelle Fertigungsanlagen an ihre Kapazitätsgrenzen. Eine Steigerung der Produktionsrate muss mit neuen Anlagentypen erreicht werden, mit denen eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit erzielbar ist. Ein Anstieg in der Fertigungsgeschwindigkeit führt jedoch zu hohen Beschleunigungen sowohl bei Anfahr- als auch bei Abbremsvorgängen, wodurch höhere Inertialmomente und schließlich Vibrationen auftreten, die die Ablegequalität negativ beeinflussen können.Due to the increasing demand for fiber composite components, such as CFRP components, current production facilities are reaching their capacity limits. An increase in the production rate must be achieved with new plant types, with which a higher production speed can be achieved. An increase in the production speed, however, leads to high accelerations during both startup and deceleration processes, as a result of which higher inertial torques and, finally, vibrations occur which can have a negative effect on the quality of laydown.

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 herumlaufendenden Schienensystem geführt, so dass jede beliebige Position auf dem Werkzeug durch die Roboter erreicht werden kann.From the DE 10 2010 015 027 A1 For example, a fiber-laying apparatus is known in which the fibers are deposited on the tool by means of fiber-laying heads arranged on robots. The robots are guided on a rail system running around the tool so that any position on the tool can be reached by the robots.

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.Furthermore, so-called gantry installations are known from practice in which the laying head can be moved via a mostly horizontally arranged molding tool, so as to deposit the fibers on the molding tool.

Die aktuellen Anlagetypen sind dabei geprägt durch den traditionellen Schwermaschinenbau. Durch die Masse der Anlage und einer entsprechend limitierten Fertigungsgeschwindigkeit stoßen die Anlagen an ihre Kapazitätsgrenzen. Durch den Einsatz von Industrierobotern kann zwar die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden, jedoch sind diese aufgrund ihrer seriellen Struktur anfälliger für auftretende Schwingungen im Prozess.The current plant types are characterized by traditional heavy machinery construction. Due to the mass of the plant and a correspondingly limited production speed, the plants reach their capacity limits. Although the speed of production can be increased by using industrial robots, these are more susceptible to vibrations occurring in the process due to their serial structure.

Aus der EP 2 639 049 A1 ist des Weiteren eine Faserlegevorrichtung zur Herstellung eines Fasergeleges eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Anpresskraft bezüglich Richtung im Hinblick auf eine vorbestimmte Anpresskraft geregelt wird.From the EP 2 639 049 A1 Furthermore, a fiber laying device for producing a fiber fabric of a fiber composite component is known, is provided in accordance with the invention that the contact force is controlled with respect to a predetermined contact pressure with respect to direction.

Aus der DE 10 2013 103 136 A1 ist ebenfalls eine Faserlegevorrichtung zur Herstellung eines Fasergeleges eines Faserverbundbauteils bekannt, wobei die Faserlegevorrichtung einen Roboter mit einer Bewegungsvorrichtung und einen Ablegekopf hat. Der Ablegekopf hat eine Faserlegeeinheit zum Legen von Fasern auf dem Werkzeug, wobei mit einer Steuerungseinheit die Bewegungsvorrichtung des Roboters zum Positionieren des Ablegekopfes angesteuert werden kann. Mit Hilfe einer Ausgleichsaktuatorik können mechanische Störschwingungen beim Ablegen eliminiert werden.From the DE 10 2013 103 136 A1 Also, there is known a fiber-laying apparatus for producing a fiber fabric of a fiber composite component, wherein the fiber-laying apparatus has a robot with a moving device and a laying head. The laying head has a fiber laying unit for laying fibers on the tool, with a control unit, the moving device of the robot for positioning the laying head can be controlled. With the help of a Ausgleichsaktuatorik mechanical disturbing vibrations can be eliminated when depositing.

Aus der DE 10 2013 111 582 A1 ist ein Formwerkzeug mit aktiver Lagerung bekannt, das zur Herstellung eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen ist. Dabei weist das Formwerkzeug Sensoren auf, mit deren Hilfe parasitäre Bewegungen der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeuges ermittelt und mittels Aktuatoren diesen parasitären Bewegungen gegengesteuert werden kann.From the DE 10 2013 111 582 A1 is known a mold with active storage, which is provided for the production of a fiber fabric for the production of a fiber composite component. In this case, the mold has sensors that can be determined by means of which parasitic movements of the forming surface of the mold and can be counteracted by means of these parasitic movements actuators.

Aus der US 4,997,508 A ist schließlich ein Faserlegekopf bekannt, der eine Anpressrolle aufweist, die aus einer Mehrzahl von einzelnen Rollen Segmenten ausgebildet ist, um so gewisse Unebenheiten in der vorgegebenen Oberfläche in radialer Richtung der Anpressrolle ausgleichen zu können.From the US 4,997,508 A Finally, a fiber laying head is known, which has a pressure roller, which is formed from a plurality of individual roller segments, so as to be able to compensate for certain unevenness in the predetermined surface in the radial direction of the pressure roller.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf anzugeben, der geeignet ist, bei einer Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit eine gleichbleibende oder verbesserte Qualität des Ablegeprozesses zu gewährleisten und insbesondere Ungenauigkeiten im Ablegeprozess zu verringern. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf anzugeben, mit dem qualitative Prozessparameter des Ablegeprozesses verbessert werden können.It is therefore an object of the present invention to provide an improved fiber laying head, which is suitable for an increase in the production rate of a constant or To ensure improved quality of the deposition process and in particular to reduce inaccuracies in the deposition process. It is also an object of the present invention to provide an improved fiber laying head, with the qualitative process parameters of the deposition process can be improved.

Die Aufgabe wird mit dem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1 sowie der Faserlegevorrichtung gemäß Anspruch 17 erfindungsgemäß gelöst.The object is achieved with the fiber laying head according to claim 1 and the fiber laying apparatus according to claim 17 according to the invention.

Demnach wird ein Faserlegekopf zum Legen von Fasern auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, der einen Strukturrahmen aufweist, der aus einer Mehrzahl von Rahmenelementen gebildet oder hergestellt ist. Die Rahmenelemente, die lösbar oder fest miteinander verbunden sein können, bilden somit das dreidimensionale Grundgerüst des Strukturrahmens, an dem schließlich die Anpressrolle des Faserlegekopfes mittelbar oder unmittelbar angeordnet ist. Die Anpressrolle ist dabei zum Legen der dem Faserlegekopf bereitgestellten Fasern auf ein Formwerkzeug eingerichtet.Accordingly, a fiber laying head for laying fibers on a mold for producing a fiber composite component is proposed, which has a structural frame, which is formed or made of a plurality of frame members. The frame elements, which can be detachably or firmly connected to one another, thus form the three-dimensional basic framework of the structural frame, on which, finally, the pressure roller of the fiber laying head is arranged directly or indirectly. The pressure roller is set up for laying the fiber laying head provided fibers on a mold.

Eine Anpressrolle kann eine zylindrische oder kegelförmige Form aufweisen.A pressure roller may have a cylindrical or conical shape.

Mit anderen Worten, der Strukturrahmen bildet das lasttragende Grundgerüst des Faserlegekopfes, wobei in oder an dem Strukturrahmen des Faserlegekopfes schließlich die für den Legeprozess notwendigen Komponenten vorgesehen sind. Die Rahmenelemente können dabei Stäbe/Streben sein, die winklig zueinander an Kreuzungspunkte zur Bildung des Strukturelements miteinander verbunden sind.In other words, the structural frame forms the load-bearing basic framework of the fiber laying head, wherein the components required for the laying process are finally provided in or on the structural frame of the fiber laying head. The frame members may be rods / struts which are connected to each other at an angle to each other at crossing points to form the structural element.

Erfindungsgemäß ist nun des Weiteren vorgesehen, dass mindestens ein Aktuator vorgesehen ist, der mit mindestens einem Rahmenelement zur Verformung und/oder Versteifung des Rahmenelementes derart zusammenwirkt, dass bei einer Ansteuerung des Aktuators mittels einer Steuereinheit eine Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens bewirkt wird.According to the invention, it is further provided that at least one actuator is provided which interacts with at least one frame element for deformation and / or stiffening of the frame element in such a way that deformation and / or stiffening of the structural frame is effected when the actuator is actuated by means of a control unit.

Der mindestens eine Aktuator kann dabei an dem Rahmenelement des Strukturrahmens direkt angeordnet sein oder mit diesem in Wirkverbindung stehen und bei Ansteuerung, beispielsweise zum Zwecke einer Aktivierung eines piezoelektrischen Aktuators, die Verformung und/oder Versteifung des Rahmenelementes hervorrufen. Wird nun wenigstens ein Rahmenelement, vorteilhafterweise mehrere Rahmenelemente gemeinsam, mit Hilfe eines oder mehrerer Aktuatoren verformt und/oder versteift, so lässt sich die Geometrie des Strukturrahmens während des Ablegeprozesses verändern bzw. das Steifigkeitsverhalten des gesamten Strukturrahmens verändern, wodurch während des Ablegeprozesses selbst auf die entsprechenden Prozessparameter, wie beispielsweise die Position der Anpressrolle, die Anpresskraft sowie mechanische Schwingungen Einfluss genommen werden kann. So bewirkt beispielsweise eine Versteifung eines Rahmenelementes und somit eine Versteifung des gesamten Strukturrahmens eine Erhöhung der Anpresskraft, in der die Biegesteifigkeit des Strukturrahmens erhöht wird.The at least one actuator can be arranged directly on the frame element of the structural frame or be in operative connection therewith and, when triggered, for example for the purpose of activating a piezoelectric actuator, cause the deformation and / or stiffening of the frame element. If at least one frame element, advantageously several frame elements together, is deformed and / or stiffened with the aid of one or more actuators, then the geometry of the structural frame can be changed during the deposition process or the stiffness behavior of the entire structural frame can be changed, whereby during the deposition process itself corresponding process parameters, such as the position of the pressure roller, the contact pressure and mechanical vibrations can be influenced. For example, a stiffening of a frame element and thus a stiffening of the entire structural frame causes an increase in the contact pressure, in which the flexural rigidity of the structural frame is increased.

Bei einer Verformung eines Rahmenelementes wird dabei die Ursprungsform des Rahmenelementes, wie sie demontiert oder im zusammengebauten Zustand vorliegen würde, verändert, wobei das Rahmenelement regelmäßig bestrebt ist, in seine Ursprungsform zurückzukehren. Bei einer Versteifung des Rahmenelementes wird insbesondere der Parameter der Biegesteifigkeit verändert, wodurch die Kraft, die notwendig ist, um das Rahmenelement zu verformen, höher ist als im nichtversteiften Zustand.In a deformation of a frame element while the original shape of the frame element, as would be disassembled or in the assembled state, changed, the frame member regularly strives to return to its original form. In particular, when the frame element is stiffened, the parameter of bending stiffness is changed, whereby the force necessary to deform the frame element is higher than in the non-stiffened state.

Erfindungsgemäß wird somit ein Faserlegekopf vorgeschlagen, der ein gegenüber herkömmlichen Faserlegeköpfen geringeres Gewicht aufweist, da aufgrund der Strukturbauweise des Grundgerüstes in Form eines Strukturrahmens Material und somit Gewicht eingespart werden kann. Gleichzeitig kann aufgrund der adaptiven Rahmenelemente des Strukturrahmens durch Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens auf wichtige Prozessparameter direkt durch den Faserlegekopf Einfluss genommen werden, wodurch die Ablegequalität erhöht wird. Hierdurch wird es möglich, höhere Fertigungsgeschwindigkeiten beim Legen der Fasern zur Herstellung von Fasergelegen zu erreichen, so dass insbesondere die Kosten bei der Herstellung von Großbauteilen mittels Faserverbundwerkstoffen reduziert werden können.According to the invention, therefore, a fiber laying head is proposed which has a lower weight compared to conventional fiber laying heads, as due to the structural design of the skeleton in the form of a structural frame material and thus weight can be saved. At the same time, owing to the adaptive frame elements of the structural frame, it is possible to influence important process parameters directly through the fiber laying head by deformation and / or stiffening of the structural frame, thereby increasing the quality of laying. This makes it possible to achieve higher production speeds when laying the fibers for the production of fiber layers, so that in particular the cost of producing large components can be reduced by means of fiber composites.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Rahmenelemente stabförmig und/oder flächig ausgebildet, wobei der Querschnitt der stabförmigen und/oder flächig ausgebildeten Rahmenelemente beliebig sein kann, vorteilhafterweise rund, oval oder eckig.According to an advantageous embodiment, the frame members are rod-shaped and / or flat, wherein the cross-section of the rod-shaped and / or planar frame members may be arbitrary, advantageously round, oval or angular.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eines der Rahmenelemente, mehrere Rahmenelemente oder alle Rahmenelemente des Strukturrahmens aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem CFK-Werkstoff, hergestellt, wodurch dem Leichtbauprinzip auch bei den Ablegeköpfen Rechnung getragen werden kann. Hierdurch wird es möglich, die lasttragenden Strukturen eines Ablegekopfes aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, wodurch das Gewicht des Faserlegekopfes signifikant reduziert werden kann. Hierdurch wird die zu bewegende Masse beim Legen der Fasern reduziert, was schnellere und präzisere Bewegungsabläufe ermöglicht.According to a further advantageous embodiment, one of the frame members, a plurality of frame members or all frame members of the structural frame of a fiber composite material, in particular a CFRP material produced, whereby the lightweight principle can also be taken into account in the depositing heads. This makes it possible to produce the load-bearing structures of a laying head of a fiber composite material, whereby the weight of the fiber laying head can be significantly reduced. As a result, the mass to be moved when laying the fibers reduced, which allows faster and more precise movements.

Durch die Anwendung eines Strukturrahmens aus einem Faserverbundwerkstoff verringert sich das Gewicht des Kopfes, wodurch Inertialmomente reduziert werden, die einen direkten Einfluss auf die Fertigungsgeschwindigkeit haben.Applying a fiber composite structural frame reduces the weight of the head, reducing inertial moments that directly affect manufacturing speed.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Aktuator ein piezoelektrischer Aktuator, der in das Rahmenelement eingebettet sein kann oder auf das Rahmenelement appliziert ist. Der piezoelektrische Aktuator kann beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung seine Form verändern und/oder seine Steifigkeit verändern, wodurch das entsprechende Rahmenelement entsprechend verformt und/oder versteift werden kann. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass mehrere piezoelektrische Aktuatoren als ein gemeinsamer Aktuator an einem Rahmenelement angeordnet sein können, wobei mehrere oder gar alle Rahmenelemente des Strukturrahmens über derartige Aktuatoren verfügen können.According to a further advantageous embodiment, the at least one actuator is a piezoelectric actuator which may be embedded in the frame element or is applied to the frame element. By way of example, the piezoelectric actuator can change its shape by means of a corresponding activation and / or change its rigidity, as a result of which the corresponding frame element can be correspondingly deformed and / or stiffened. Of course, it is also conceivable that a plurality of piezoelectric actuators can be arranged as a common actuator on a frame element, wherein several or even all the frame elements of the structural frame can have such actuators.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Strukturrahmen Befestigungselemente auf, mit denen der Faserlegekopf an einer robotischen Fertigungseinheit, beispielsweise einem Industrieroboter, angeordnet werden kann. Die für den Legeprozess benötigten Kräfte werden dann von der robotischen Fertigungseinheit über den Strukturrahmen als Grundgerüst des Faserlegekopfes auf die Anpressrolle übertragen.According to a further advantageous embodiment, the structural frame has fastening elements with which the fiber laying head can be arranged on a robotic production unit, for example an industrial robot. The forces required for the laying process are then transferred from the robotic production unit via the structural frame as a basic framework of the fiber laying head to the pressure roller.

A. SchwingungsdämpfungA. Vibration damping

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Ablegekopf mindestens einen Schwingungssensor auf, der zum Detektieren von mechanischen Schwingungen der Anpressrolle ausgebildet ist. Der Schwingungssensor kann beispielsweise in Form eines Beschleunigungssensors direkt an den Faserlegekopf und/oder der Anpressrolle angeordnet sein. Denkbar ist allerdings auch, dass Sensoren verwendet werden, die berührungslos arbeiten und nicht direkten Kontakt mit dem Faserlegekopf und/oder der Anpressrolle haben müssen.According to an advantageous embodiment, the deposition head has at least one vibration sensor, which is designed to detect mechanical vibrations of the pressure roller. The vibration sensor can be arranged for example in the form of an acceleration sensor directly to the fiber laying head and / or the pressure roller. It is also conceivable, however, that sensors are used which operate without contact and need not have direct contact with the fiber laying head and / or the pressure roller.

Die detektierten mechanischen Schwingungen der Anpressrolle werden dann einer Steuereinheit bereitgestellt, die zum Ansteuern des Aktuators zur Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens in Abhängigkeit von den detektierten mechanischen Schwingungen derart ausgebildet ist, dass die aus der Ansteuerung resultierende Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens den mechanischen Schwingungen der Anpressrolle entgegenwirkt. So kann parasitären Schwingungen während des Legeprozesses, welche die Qualität des herzustellenden Laminats beeinträchtigen können, entgegengewirkt werden, indem beispielsweise mechanischen Kompensationsschwingungen durch eine kontinuierliche Verformung des Strukturrahmens erzeugt werden, die den mechanischen Schwingungen entgegenwirken. Hierdurch lassen sich die parasitären mechanischen Schwingungen reduzieren oder gänzlich eliminieren.The detected mechanical vibrations of the pressure roller are then provided to a control unit which is designed to control the actuator for deformation and / or stiffening of the structural frame in dependence on the detected mechanical vibrations such that the resulting from the control deformation and / or stiffening of the structural frame counteracts mechanical vibrations of the pressure roller. Thus, parasitic vibrations during the laying process, which may affect the quality of the laminate to be produced, can be counteracted, for example by mechanical compensation vibrations are generated by a continuous deformation of the structural frame, which counteract the mechanical vibrations. As a result, the parasitic mechanical vibrations can be reduced or eliminated altogether.

Dadurch können Vibrationen, die beispielsweise aus der kinematischen Struktur der robotischen Fertigungsanlage hervorgerufen werden, durch kontinuierliche Verformung und Rückverformung des Strukturrahmens kompensiert werden, indem durch die Verformung und Rückverformung des Strukturrahmens mit Hilfe von Aktuatoren an den Rahmenelementen Schwingungen in dem Strukturrahmen erzeugt werden, die den mechanischen Schwingungen entgegenwirken. Die Ablagequalität wird damit erhöht, da parasitäre Vibrationen nicht mehr auf die Anpressrolle übertragen werden.As a result, vibrations caused, for example, by the kinematic structure of the robotic manufacturing equipment can be compensated for by continuously deforming and re-deforming the structural frame by generating vibrations in the structural frame by the deformation and re-deformation of the structural frame by means of actuators on the frame members counteract mechanical vibrations. The storage quality is thus increased because parasitic vibrations are no longer transmitted to the pressure roller.

B. Regelung der AnpresskraftB. regulation of the contact pressure

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Faserlegekopf mindestens einen Kraftsensor auf, der zum detektieren einer Anpresskraft (Ist-Anpresskraft) der Anpressrolle beim Legen der Fasern auf ein Formwerkzeug ausgebildet ist. Die detektierte Anpresskraft wird dann einer Steuereinheit bereitgestellt, die eingerichtet ist, die zum Ansteuern des Aktuators zur Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens in Abhängigkeit von der detektierten Anpresskraft beim Legen der Fasern und einer vorgegebenen Anpresskraft ausgebildet ist. Hierdurch kann eine Regelung der Anpresskraft beim Legen der Fasern durch den Faserlegekopf mittels einer Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens realisiert werden, wodurch beispielsweise erreicht werden kann, dass der Prozessparameter „Anpresskraft” über den gesamten Ablegeprozess hinweg hochgenau eingestellt wird. Der adaptive Strukturrahmen des erfindungsgemäßen Faserlegekopfes kompensiert die Schwankunken bezüglich der Anpresskraft, wodurch auch hierdurch die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.According to a further advantageous embodiment, the fiber laying head has at least one force sensor, which is designed to detect a contact pressure (actual contact pressure) of the pressure roller when laying the fibers on a molding tool. The detected pressing force is then provided to a control unit, which is set up, which is designed to drive the actuator for deformation and / or stiffening of the structural frame as a function of the detected pressing force when laying the fibers and a predetermined pressing force. In this way, a regulation of the contact pressure when laying the fibers through the fiber laying head by means of deformation and / or stiffening of the structural frame can be realized, which can be achieved, for example, that the process parameter "contact force" over the entire deposition process away is set highly accurate. The adaptive structural frame of the fiber laying head according to the invention compensates the Schwankunken with respect to the contact pressure, whereby thereby the production speed can be increased.

Vorteilhafterweise ist der Kraftsensor an der Anpressrolle zum Detektieren der Anpresskraft beim Legen der Fasern angeordnet bzw. in der kinematischen Kette zwischen dem Strukturrahmen und der Anpressrolle.Advantageously, the force sensor is arranged on the pressure roller for detecting the contact pressure when laying the fibers or in the kinematic chain between the structural frame and the pressure roller.

Darüber hinaus ist es hierbei vorteilhaft, wenn die Steuereinheit zum Ansteuern des Aktuators derart eingerichtet ist, dass durch die Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens die Differenz zwischen der detektierten Anpresskraft und der vorgegebenen Anpresskraft reduziert oder minimiert wird, so dass immer ein Optimum bezüglich der vorgegebenen Soll-Anpresskraft eingestellt wird.Moreover, it is advantageous in this case if the control unit for actuating the actuator is set up in such a way that the difference between the detected contact pressure and the predetermined contact pressure is reduced or minimized by the deformation and / or stiffening of the structural frame is, so that always an optimum with respect to the predetermined target contact force is set.

C. PositionskorrekturC. Position correction

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Positionssensor vorgesehen, der zum Detektieren einer Positionsinformation der Anpressrolle beim Legen der Fasern und/oder zum Detektieren einer Positionsinformation von bereits abgelegten Fasern oder Faserbahnen ausgebildet ist, wodurch die Position absolut oder relativ zu anderen Komponenten oder Objekten beim Legen der Fasern ermittelbar wird. Diese Positionsinformationen werden einer Steuereinheit bereitgestellt, die zum Ansteuern des Aktuators zur Verformung des Strukturrahmens in Abhängigkeit von den detektierten Positionsinformationen und vorgegebenen Positionsinformationen ausgebildet ist. Durch eine Verformung von Rahmenelementen, die zu einer Verformung des Strukturrahmens quer zur Ablegerichtung der Fasern führt, kann eine Positionskorrektur beim Legen der Fasern der sogenannten Y-Achse (quer zur Faserlegerichtung) erreicht werden.According to a further embodiment, at least one position sensor is provided, which is designed to detect position information of the pressure roller when laying the fibers and / or to detect position information of already deposited fibers or fiber webs, whereby the position is absolute or relative to other components or objects when laying the fibers can be determined. This position information is provided to a control unit configured to drive the actuator for deforming the structure frame in response to the detected position information and predetermined position information. By a deformation of frame elements, which leads to a deformation of the structural frame transverse to the direction of deposition of the fibers, a position correction can be achieved when laying the fibers of the so-called Y-axis (transverse to the fiber direction).

So kann beispielsweise eine relative Positionsinformation zu einer bereits abgelegten Faserbahn ermittelt werden, wodurch sich ein definierter Abstand, der auch null sein kann, zu der bereits abgelegten Faserbahn einstellen lässt, wobei durch die Verformung von Rahmenelementen eine Verformung des Strukturrahmens zum Zwecke der Positionskorrektur bewirkt wird.Thus, for example, a relative position information can be determined to a previously deposited fiber web, which can set a defined distance, which may also be zero, to the already deposited fiber web, wherein deformation of the structural frame for the purpose of position correction is effected by the deformation of frame elements ,

Vorteilhafterweise ist der Positionssensor an dem Faserlegekopf zum Detektieren der Positionsinformation beim Legen der Fasern angeordnet. Denkbar ist allerdings auch, dass der Positionssensor feststehend und nicht direkt in mechanischer Wirkverbindung mit dem Faserlegekopf steht.Advantageously, the position sensor is arranged on the fiber laying head for detecting the position information when laying the fibers. However, it is also conceivable that the position sensor is stationary and not directly in mechanical operative connection with the fiber laying head.

In einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass durch die Verformung des Strukturrahmens die Differenz zwischen den detektierten Positionsinformationen und den vorgegebenen Positionsinformationen reduziert oder minimiert wird. Hierdurch wird immer eine optimale Positionsvorgabe eingestellt.In an advantageous embodiment for this purpose, the control unit is set up such that the difference between the detected position information and the predetermined position information is reduced or minimized by the deformation of the structure frame. This always sets an optimal position specification.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Strukturrahmen eine Mehrzahl von stabförmigen Rahmenelementen auf, die in einer Fachwerkstruktur angeordnet sind. Hierdurch kann die Stabilität und Festigkeit des lasttragenden Strukturrahmens insbesondere bei der Herstellung der Rahmenelemente aus Faserverbundwerkstoff deutlich erhöht werden.According to a further advantageous embodiment, the structural frame has a plurality of rod-shaped frame elements, which are arranged in a truss structure. As a result, the stability and strength of the load-bearing structural frame can be significantly increased, in particular during the production of the frame elements made of fiber composite material.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an wenigstens zwei, in dem Strukturrahmen parallel angeordneten Rahmenelementen jeweils mindestens ein Aktuator zur Verformung und/oder Versteifung des jeweiligen Rahmenelementes vorgesehen, so dass durch eine Verformung zweier paralleler Rahmenelemente eine entsprechende parallele Verformung des Strukturrahmens erzeugt werden kann. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Position der Anpressrolle in Y-Richtung, d. h. quer zur Faserlegerichtung, verändert werden soll.According to a further advantageous embodiment, at least two frame elements arranged in parallel in the structural frame each have at least one actuator for deforming and / or stiffening the respective frame element, so that a corresponding parallel deformation of the structural frame can be generated by a deformation of two parallel frame elements. This is useful, for example, if the position of the pressure roller in the Y direction, d. H. transverse to the fiber direction, to be changed.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:The invention will be explained by way of example with reference to the attached figures. Show it:

1 schematische Darstellung einer robotergestützten Faserlegevorrichtung; 1 schematic representation of a robotic fiber laying device;

2 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faserlegekopfes. 2 schematic representation of a fiber laying head according to the invention.

1 zeigt schematisch eine Faserlegevorrichtung 1, die einen Roboter 2 in Form eines Knickarmroboters bzw. Industrieroboters hat. Als Endeffektor ist an dem Roboter 2 ein Faserlegekopf 3 angeordnet, der Fasermaterial auf ein Formwerkzeug 4 ablegen kann. Mittels derartiger Faserlegevorrichtungen können beispielsweise Großbauteile wie Flügelschalen aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. 1 schematically shows a fiber laying device 1 that is a robot 2 in the form of an articulated robot or industrial robot. As the end effector is on the robot 2 a fiber laying head 3 arranged, the fiber material on a mold 4 can take off. By means of such Faserlegevorrichtungen large components such as wing shells can be made of a fiber composite material, for example.

2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Faserlegekopf 10 in einer perspektivischen Darstellung. Der Faserlegekopf 10 weist einen Strukturrahmen 11 auf, der das Grundgerüst des Faserlegekopfes 10 darstellt und somit die von der robotischen Fertigungseinheit aufgeprägten Lasten und Kräfte an die an dem Strukturrahmen 11 angeordnete Anpressrolle 12 überträgt. Der Strukturrahmen 11 des Faserlegekopfes 10 weist eine Mehrzahl von stabförmigen Rahmenelementen 13 auf, die in einer Fachwerkstruktur angeordnet sind. 2 schematically shows the fiber laying head according to the invention 10 in a perspective view. The fiber laying head 10 has a structural frame 11 on, which is the skeleton of the fiber laying head 10 represents and thus impressed by the robotic manufacturing unit loads and forces on the on the structural frame 11 arranged pressure roller 12 transfers. The structural frame 11 of the fiber laying head 10 has a plurality of rod-shaped frame elements 13 on, which are arranged in a truss structure.

An zwei lasttragenden stabförmigen Rahmenelementen 13a und 13b sind jeweils piezoelektrische Aktuatoren 14 angeordnet, die ausgebildet sind, dass Rahmenelemente 13a, 13b jeweils zu verformen und/oder zu versteifen. Hierdurch kann der gesamte Strukturrahmen 11 verformt und/oder versteift werden, wodurch auf die Prozessparameter beim Ablegen der Fasern Einfluss genommen werden kann. Die Aktuatoren 14 sind dabei mit einer Steuereinheit 15 verbunden, welche die Aktuatoren entsprechend ansteuert.On two load-bearing rod-shaped frame elements 13a and 13b are each piezoelectric actuators 14 arranged, which are formed that frame elements 13a . 13b each to deform and / or stiffen. This allows the entire structural frame 11 deformed and / or stiffened, whereby the process parameters when depositing the fibers can be influenced. The actuators 14 are with a control unit 15 connected, which controls the actuators accordingly.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ist des Weiteren zwischen dem Strukturrahmen 11 und der Anpressrolle 12 ein Kraftsensor 16 vorgesehen, der die Anpresskraft beim Legen der Fasern erfasst und sie der Steuereinheit 15 bereitstellt. Erfindungsgemäß können nun in Abhängigkeit der ermittelten Anpresskraft die Aktuatoren 14 so angesteuert werden, dass eine entsprechende Einstellung der Anpresskraft beim Legen der Fasern geregelt werden kann.According to the embodiment of the 2 is also between the structure frame 11 and the pressure roller 12 a force sensor 16 provided which detects the contact force when laying the fibers and the control unit 15 provides. According to the invention, the actuators can now function of the determined contact pressure 14 be controlled so that a corresponding adjustment of the contact pressure when laying the fibers can be controlled.

Des Weiteren ist ein Beschleunigungssensor 17 an der Anpressrolle vorgesehen, der beispielsweise zum Erfassen von mechanischen Schwingungen an der Anpressrolle 12 ausgebildet ist. Diese detektierten mechanischen Schwingungen werden dann ebenfalls der Steuereinheit 15 bereitgestellt, um so die Aktuatoren 14 entsprechend so anzusteuern, dass die parasitären mechanischen Schwingungen kompensiert werden können.Furthermore, there is an acceleration sensor 17 provided on the pressure roller, for example, for detecting mechanical vibrations on the pressure roller 12 is trained. These detected mechanical vibrations are then also the control unit 15 provided so as the actuators 14 accordingly to be controlled so that the parasitic mechanical vibrations can be compensated.

Schließlich ist schematisch im Ausführungsbeispiel der 2 ein Positionssensor 18 vorgesehen, welcher die Position der Anpressrolle 12 beim Legen der Fasern absolut oder relativ zu bereits abgelegten Fasern erfasst. Auch diese Positionsinformationen aus dem Positionssensor 18 werden der Steuereinheit 15 bereitgestellt, so dass durch eine Ansteuerung der Aktuatoren 14 eine Verformung des Strukturrahmens 11 erzeugt werden kann, der eine Positionskorrektur bewirkt.Finally, schematically in the embodiment of the 2 a position sensor 18 provided, which the position of the pressure roller 12 when laying the fibers is detected absolutely or relative to already deposited fibers. Also this position information from the position sensor 18 become the control unit 15 provided so that by driving the actuators 14 a deformation of the structural frame 11 can be generated, which causes a position correction.

Im Bereich 19 des Faserlegekopfes 10 sind an der Fachwerkstruktur nicht dargestellte Befestigungselemente vorgesehen, mit der der Faserlegekopf 10 an einer robotischen Fertigungseinheit angeordnet werden kann.In the area 19 of the fiber laying head 10 are not provided on the truss structure fasteners provided with the fiber lay head 10 can be arranged on a robotic production unit.

Claims

Fiber laying head ( 10 ) for laying fibers on a molding tool ( 4 ) for producing a fiber composite component, wherein the fiber laying head ( 10 ) a pressure roller ( 12 ), which for laying the fiber laying head ( 10 ) Fibers provided is arranged on a mold, characterized in that the fiber laying head ( 10 ) one of a plurality of frame elements ( 13 ) ( 11 ), on which the pressure roller ( 12 ), and at least one actuator ( 14 ) provided with at least one frame element ( 13 ) for deformation and / or stiffening of the frame element ( 13 ) cooperates in such a way that upon actuation of the actuator ( 14 ) a deformation and / or stiffening of the structural frame ( 11 ) is effected.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the frame elements are rod-shaped and / or flat.

Fiber laying head ( 10 ) According to claim 1 or 2, characterized in that one or more frame members ( 13 ) of the structural framework ( 11 ) are made partially or completely from a fiber composite material.

Fiber laying head ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one actuator ( 14 ) is a piezoelectric actuator disposed in or on one of the frame members.

Fiber laying head ( 10 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the structural frame ( 11 ) Fasteners ( 19 ), with which the fiber laying head can be fastened to a robotic production unit.

Fiber laying head ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber laying head at least one vibration sensor ( 17 ), which is designed to detect mechanical vibrations of the pressure roller, and a control unit ( 15 ) is provided, which for driving the actuator ( 14 ) for deformation and / or stiffening of the structural frame ( 11 ) is formed in response to the detected mechanical vibrations such that the resulting from the control deformation and / or stiffening of the structural frame counteracts the mechanical vibrations of the pressure roller.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 6, characterized in that the at least one vibration sensor is arranged on the pressure roller for detecting the mechanical vibrations of the pressure roller.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 6 or 7, characterized in that the control unit is arranged for driving the actuator such that mechanical compensation oscillations are generated by a continuous deformation of the structural frame, which counteract the mechanical vibrations of the pressure roller.

Fiber laying head ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber laying head has at least one force sensor ( 16 ), which is designed to detect a contact pressure of the pressure roller when laying the fibers on a mold, and a control unit is provided, which is used to drive the actuator for deformation and / or stiffening of the structural frame in response to the detected contact force when laying the fibers and a predetermined contact force is formed.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 9, characterized in that the at least one force sensor is arranged on the pressure roller for detecting the contact pressure when laying the fibers.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 9 or 10, characterized in that the control unit for controlling the actuator is set up such that the difference between the detected contact pressure and the predetermined contact pressure is reduced or minimized by the deformation and / or stiffening of the structural frame.

Fiber laying head ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber laying head has at least one position sensor ( 18 ) provided for detecting positional information of the pressure roller in laying the fibers and / or detecting positional information of already deposited fibers, and a control unit adapted to drive the actuator for deforming the structure frame in response to the detected position information and predetermined position information is formed.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 12, characterized in that the at least one position sensor is arranged on the fiber laying head for detecting the position information when laying the fibers.

Fiber laying head ( 10 ) according to claim 12 or 13, characterized in that the control unit is arranged for driving the actuator such that the difference between the detected position information and the predetermined position information is reduced or minimized by the deformation of the structural frame.

Fiber laying head ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the structural frame comprises a plurality of rod-shaped frame elements, which are arranged in a truss structure.

Fiber laying head ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that on at least two, in the structural frame parallel arranged frame elements ( 13a . 13b ) is provided in each case at least one actuator for deformation and / or stiffening of the respective frame element,

Fiber-laying device ( 1 ) for producing a fiber fabric for the production of a fiber composite component with a robot ( 2 ) and arranged on the robot as an end effector fiber laying head ( 10 ) according to any one of the preceding claims.