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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Vernähen eines Faserwerkstoffrohlings gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vernähen eines Faserwerkstoffrohlings gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile, insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich, aus verschiedenen Materialien herzustellen. Im Zuge der Automatisierung hat sich insbesondere Blech zur Herstellung von Strukturbauteilen, aber auch Außenhautbauteilen sowie Verstärkungsbauteilen durchgesetzt, da eine einfache und prozesssichere Handhabung zur Herstellung von Blechumformbauteilen möglich ist.
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In den letzten Jahren haben sich jedoch Faserverbundwerkstoffbauteile aufgrund der damit einhergehenden Vorteile mehr und mehr am Markt durchgesetzt. Die Vorteile bestehen bei Faserverbundwerkstoffbauteilen insbesondere in einem geringen spezifischen Eigengewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit des Bauteils.
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Problematisch ist bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen jedoch die Großserienproduktion und insbesondere die Automatisierung.
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Hierzu gibt es zwei Problemfelder, zum einen die Herstellung von Faserwerkstoffrohlingen, zum anderen das Einbringen von Matrixharz.
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Die Erfindung liegt hier auf dem Gebiet der Herstellung der Faserwerkstoffrohlinge. Hierzu ist es zumeist aus dem Stand der Technik bekannt, die Faserwerkstoffe in Form von Gelegen, Geweben oder aber auch Vliesen bereitzustellen. Diese werden dann an der Außenkontur zugeschnitten und durch verschiedene Verfahren, beispielweise Nasspressen oder ein RTM-Verfahren, mittels Matrixharz versehen. Dabei kann jedoch nicht, insbesondere nicht automatisiert, auf individuell lokal geforderte Festigkeiten, durch Anordnung der Fasern zueinander oder aber Dichte der Fasern, eingegangen werden.
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Es sind aus dem Stand der Technik wiederum Wickelverfahren bekannt, beispielsweise aus der
US 5,833,802 A , bei dem eine Faser über einen Rahmen gewickelt wird und mittels eines Fadens vernäht wird. Hierzu wird der auf einem Rahmen flächig bereitgestellte Faserwerkstoffrohling in eine Nähvorrichtung eingesetzt und über einen Nähtisch bewegt.
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Gerade bei größeren Flächen, beispielsweise der Herstellung eines Kraftfahrzeugdaches, entsteht das Problem des Durchhängens während des Nähvorganges. Um die Faser nicht zu beschädigen, kann nur eine begrenzte Spannung auf den Wickelrahmen bzw. Spannrahmen aufgebracht werden, was bei der Herstellung eines Faserwerkstoffhalbzeuges zu einem Aufliegen auf einem Nähtisch führt. In der Folge wird ein ungleichmäßiges Vernähen und/oder eine unerwünschte Positionierung der auf einem Nähtisch aufliegenden Fasern aufgrund des Auflagenkontaktes hergestellt.
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Aus der
DE 10 2005 034 400 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faservorformlings bekannt. Hierbei wird ein Nähtisch durch verschiedene Aktoren ersetzt und mit einer in Vertikalrichtung verfahrbaren Nähvorrichtung wird eine Tragschicht vernäht.
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Weiterhin ist aus der
DE 689 07 826 T2 eine Vorrichtung zum Vernähen eines Kraftfahrzeugsitzes bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Vernähen von Faserwerkstoffrohlingen bereitzustellen, welche insbesondere in der Großserienproduktion prozesssicher eingesetzt werden können.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung zum Vernähen von Faserwerkstoffrohlingen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 6 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum Vernähen eines Faserwerkstoffrohlings weist einen Industrieroboter und eine Nähvorrichtung auf, wobei sich die Nähvorrichtung erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass sie ortsfest angeordnet ist und zwei Arme aufweist, wobei am Ende der Arme ein Nähkopf angeordnet ist und mit dem Industrieroboter ein flächiger Faserwerkstoffrohling relativ zwischen den Armen bewegbar ist. Der Nähkopf ist somit zweiteilig ausgebildet und ein Teil des Nähkopfes ist jeweils am Ende eines Armes angeordnet. Durch die Relativbewegung des Faserwerkstoffrohlings zwischen den Armen findet somit der Vernähvorgang statt, so dass aus einem Faserwerkstoffrohlings mittels Vernähen ein Faserwerkstoffhalbzeug bereitgestellt wird. Der Faserwerkstoffrohling kann dabei unidirektionale aber auch omnidirektional angeordnete Fäden aufweisen. Insbesondere handelt es sich um einen Wickelrahmen, auf dem die Fäden in Form von Fasersträngen oder auch Faserrovings aufgewickelt sind. Diese werden durch das Vernähen, mithin das Hindurchbewegen des flächigen Faserwerkstoffrohlings, zwischen dem Nähkopf vernäht. Die Arme sind dabei insbesondere Verbindungssteif ausgebildet. Die Arme können dabei aus Profilbauteilen bzw. Trägerprofilen hergestellt sein. Beispielsweise können die Arme aus metallischem oder leichtmetallischem Werkstoff ausgebildet sein.
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Die Arme weisen eine Länge von 0,5 m bis 3 m, insbesondere 1 m bis 2 m, auf und sind nach dem Prinzip von zwei Schenkeln u-förmig zueinander angeordnet. Die Arme stehen vertikal nach oben orientiert. Eine Ebene des flächigen Faserwerkstoffrohlings ist somit ebenfalls während des Vernähens vertikal orientiert, so dass die Fäden nicht aufgrund des Schwerkrafteinflusses aus der Ebene heraus durchhängen. Ein Buckel, eine Bauchigkeit oder aber auch eine bogenförmige Struktur des vernähten flächigen Faserwerkstoffhalbzeuges wird somit während des Vernähvorgangs vermieden. Das damit hergestellte Faserwerkstoffhalbzeug ist somit besonders eben bzw. plan ausgebildet.
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Weiterer Bestandteil der Anordnung kann eine Mehrfachwickelanordnung sein, bei der mindestens zwei, bevorzugt drei, ganz besonders bevorzugt zwei bis zwanzig, insbesondere drei bis fünfzehn Faserwerkstoffrohlinge durch Bewicklung hergestellt und bereitgestellt werden. Der Bewickelvorgang kann dabei parallel stattfinden, jedoch können auch die Bewicklungsvorgänge zwar gleichzeitig, jedoch mit unterschiedlichem Fortschrittsstadium stattfinden. So kann ein fertig gestellter Faserwerkstoffrohling aus der Bewicklungseinrichtung entnommen werden und ein neuer Wickelrahmen eingesetzt werden. Der Bewicklungsvorgang findet ausschließlich weiterhin statt, wobei ein benachbarter Faserwerkstoffrohling bereits in einem fortgeschrittenen Stadium bewickelt ist. Der entnommene Faserwerkstoffrohling wird dann der Nähvorrichtung zugeführt und vernäht. Nach Abschluss des Nähvorganges kann dann der nächste Faserwerkstoffrohling entnommen und der Nähvorrichtung zugeführt werden. Der zuvor nachgeführte Wickelrahmen ist dann mit seinem Bewicklungsvorgang noch nicht abgeschlossen. Somit kann ein kontinuierlicher, automatisierter Prozess zur Herstellung von Faserwerkstoffhalbzeugen auf der erfindungsgemäßen Anordnung verfahrensökonomisch durchgeführt werden. Gleichzeitig bietet die jeweilige Programmierung bzw. Steuerung von sowohl Wickelanlage als auch Nähvorrichtung die Möglichkeit, individuell auf jedes herzustellende Faserwerkstoffhalbzeug einzugehen und beispielsweise eine lokal bzw. örtlich erhöhte Wickeldichte und/oder auch Vernähdichte herzustellen.
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Weiterhin weist die erfindungsgemäße Nähvorrichtung einen automatischen Fadenabschneider auf. Das Bewickeln des Wickelrahmens mit jeweiligen Endlosfasern sowie die anschließende Entnahme und das Zuführen zu der Nähvorrichtung kann somit vollständig automatisiert stattfinden. Ein Monteur hat dann ausschließlich überwachende Funktionen bzw. müsste im Falle eines auftretenden Fehlers bzw. einer Nachbeschickung mit Verbrauchsmaterialien, welche aufzuwickelnde Fasern bzw. der Nähfaden sind, eingreifen.
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Weiterhin weist die Nähvorrichtung Sensoren für die Nähfadenüberwachung auf. Diese können ein Abreißen bzw. eine nicht ordnungsgemäße Vernähung des Faserwerkstoffrohlings erkennen, so dass eine hohe Produktionssicherheit und -genauigkeit sichergestellt ist.
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Weiterer Bestandteil der Erfindung ist das Verfahren zum Vernähen eines Faserwerkstoffrohlings, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen Anordnung. Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Faserwerkstoffrohling auf einem Wickelrahmen bereitgestellt ist und von dem Industrieroboter aufgenommen wird, wobei der Rahmen mit einer Relativbewegung fortbewegt und der Nähvorrichtung zugeführt wird. Der auf den Rahmen gewickelte Faserwerkstoffrohling wird mit einer Relativbewegung zwischen den Armen durchgeführt, wobei der Nähkopf die Fasern des Faserwerkstoffrohlings zu einem Faserwerkstoffhalbzeug vernäht. Insbesondere ist der Rahmen der Nähvorrichtung hierzu vertikal orientiert angeordnet und die von dem Rahmen des Faserwerkstoffhalbzeugs aufgespannte Ebene ist ebenfalls vertikal orientiert während des Wickelvorgangs sowie auch während des Nähvorganges ausgerichtet.
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Der Nähkopf ist insbesondere synchron zur Bewegung des Industrieroboters angesteuert. Dies bedeutet, bei Erreichen einer Position des Faserwerkstoffrohlings zwischen dem Nähkopf beginnt der Nähvorgang. Die einzelnen Nähstiche werden dann ausgeführt, sobald der Industrieroboter eine Bewegung in der Nähstellung durchführt. Dies beginnt ab dem Zeitpunkt, ab dem der Faserwerkstoffrohling sich zwischen dem Nähkopf befindet und endet mit einem Signal an den Nähkopf, dass der Nähvorgang beendet ist und das durch Vernähen hergestellte Faserwerkstoffhalbzeug mittels der Industrieroboters aus der Nähvorrichtung herausbewegt wird.
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Besonders bevorzugt ist es möglich, dass der Faserwerkstoffrohling dabei mit einem Oberfaden und einem Unterfaden mittels Doppelsteppstich vernäht wird. Dieses Vernähen mittels Doppelsteppstich hat den Vorteil, dass aufgrund der beim dreidimensionalen Umformen auftretenden Verzüge keine Lochbildung im in der Umformung befindlichen Faserwerkstoffhalbzeugs aufgrund des Nähfadens hervorgerufen wird. Weiterhin werden die zu vernähenden Fasern beidseitig aufeinander zubewegt bzw. abgeplattet, so dass das hergestellte Faserwerkstoffhalbzeug eine hohe Qualität aufweist.
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Weiterhin ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Faserwerkstoffrohling individuell aufgrund der Bewegung mit dem Industrieroboter zu vernähen. Hierzu kann der Faserwerkstoffrohling lokal mehrfach, insbesondere mit der gleichen Stelle, durch die Nähvorrichtung bewegt werden, so dass eine lokale Erhöhung der Vernähungsdichte stattfindet. Auch kann individuell auf die jeweilige Faserorientierung der zu vernähenden Fasern durch Bewegung des Industrieroboters eingegangen werden.
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Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Anordnung mit dem Verfahren die Möglichkeit, dass die Ebene der zu vernähenden Fasern nicht senkrecht zu der Nähvorrichtung geführt werden muss. Auch kann aufgrund der Freiheitsgrade eines insbesondere eingesetzten siebenachsigen Industrieroboters eine Schrägstellung des Faserwerkstoffrohlings während des Nähvorgangs erreicht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Anlage aufweisend eine Nähvorrichtung sowie einen Industrieroboter,
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2 einen Industrieroboter mit mehreren Rahmen im Eingriff,
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3a) und b) eine erfindungsgemäße Anordnung zum Herstellen von Faserwerkstoffhalbzeugen und
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4 einen am Ende eines Industrieroboters eingesetzten Greifer zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zum Vernähen eines Faserwerkstoffrohlings 2. Der Faserwerkstoffrohling 2 weist dabei einzelne Fasern 3 auf, die hier der Einfachheit halber unidirektional orientiert auf einen Wickelrahmen 4 aufgewickelt sind. Weiterhin ist ein Greifer 5 vorgesehen, der am Ende eines Industrieroboters 6 angeordnet ist. Mithilfe des Greifers 5 kann der Wickelrahmen 4 dann zwischen einer erfindungsgemäßen Nähvorrichtung 7, insbesondere einem Nähkopf 8 der Nähvorrichtung 7, hindurchgeführt werden. Hierzu weist die Nähvorrichtung 7 zwei in Vertikalrichtung V orientierte Arme 9 auf und am jeweiligen Ende der Arme 9 ist dann der Nähkopf 8 angeordnet. Aufgrund eines Bewegens des Faserwerkstoffrohlings 2 zwischen dem Nähkopf 8 können die Fasern 3 vernäht werden. Die Arme 9 weisen dabei insbesondere eine Länge L auf zwischen 0,5 m und 3 m, insbesondere zwischen 1 m und 2 m, ganz besonders bevorzugt von 1,5 m. Somit können selbst Faserwerkstoffhalbzeuge zur Herstellung von Karosserieaußenhautbauteilen, wie beispielsweise eines Kraftfahrzeugdaches, mit der erfindungsgemäßen Anordnung 1 hergestellt werden. Der Nähkopf 8, mithin die Nadelbewegung im Nähkopf ist bevorzugt synchron zu der Relativbewegung des Industrieroboters 6 während des Nähvorgangs geschaltet. Somit wird der Faserwerkstoffrohling 2 zwischen dem Nähkopf 8 bewegt und auch gleichzeitig vernäht. Wird der Faserwerkstoffrohling 2 hingegen nicht bewegt, findet auch kein Vernähen statt.
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2 zeigt eine Detailansicht des Greifers 5, wobei der Greifer 5 hier mehrere Wickelrahmen 4 aufgenommen hat. Bei den Wickelrahmen 4 kann es sich um nicht bewickelte Wickelrahmen 4 oder bereits mit einer Faser 3 bewickelte Wickelrahmen 4, mithin Faserwerkstoffrohlinge 2, handeln.
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Der Industrieroboter 6 kann somit in einer Anordnung 1 gemäß 3a) und b) eingesetzt werden, wobei 3b) eine Draufsicht zeigt und 3a) eine perspektivische Ansicht. Der Industrieroboter 6 wird zentral platziert und kann die aufgenommenen Wickelrahmen 4 gemäß 4 einer zentralen Mehrfachwickelanordnung 10 zuführen. Hierbei können dann immer einzelne, bereits fertig bewickelte Wickelrahmen 4 entnommen werden und mittels des Industrieroboters 6 entnommen werden und der Nähvorrichtung 7 zugeführt werden und auf der Nähvorrichtung 7 vernäht werden. An einer Lagerstelle 11 können dann die bewickelten und vernähten Wickelrahmen 4, mithin die erzeugten Faserwerkstoffhalbzeuge 15, einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Insbesondere ist hier auch ein Spulenlager 12 vorgesehen, was sowohl die Fäden für den Bewicklungsvorgang bereitstellt als auch einen nicht näher dargestellten Nähfaden der Nähvorrichtung 7 zuführt.
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4 zeigt den Greifer 5 in Draufsicht. Ein einzelner Wickelrahmen 4 wird zwischen zwei Greiffortsätzen 13 des Greifers 5 aufgenommen. Die Greiffortsätze 13 sind besonders bevorzugt aus einem Gummiwerkstoff ausgebildet oder mit einem Gummiwerkstoff beschichtet, so dass eine erhöhte Haftreibung zum Greifen bzw. Einklemmen eines Wickelrahmens 4 ermöglicht wird. Insbesondere kann somit ein noch nicht bewickelter Wickelrahmen 4 gegriffen werden, jedoch auch ein bewickelte Wickelrahmen 4, obwohl dieser in den Rahmenflanken 14 aufgewickelte Fasern 3 aufweisen würde. Die Greiffortsätze 13 können passiv nur als Klemmfortsätze ausgebildet sein, jedoch auch aufgrund einer Relativbewegung R einen Klemmvorgang vornehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Faserwerkstoffrohling
- 3
- Faser
- 4
- Wickelrahmen
- 5
- Greifer
- 6
- Industrieroboter
- 7
- Nähvorrichtung
- 8
- Nähkopf
- 9
- Arm
- 10
- Mehrfachwickelanordnung
- 11
- Lagerstelle
- 12
- Spulenlager
- 13
- Greiffortsatz von 5
- 14
- Rahmenflanken
- 15
- Faserwerkstoffhalbzeug
- L
- Länge
- V
- Vertikalrichtung
- R
- Relativbewegung
