DE102015114003A1

DE102015114003A1 - Faserlegekopf zum Ablegen von Fasermaterial und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE102015114003A1
Application number: DE102015114003.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Pohl; Stephan Algermissen; Marcus Perner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: DE102015114003B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Ablegen von Fasermaterial auf einem Werkzeug, wobei mithilfe einer elektrischen und/oder optischen Erfassungseinrichtung die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials detektiert wird. Bei der elektrischen Erfassungseinrichtung werden elektrische Parameter gemessen, die Rückschlüsse auf die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials zulassen. Bei der optischen Erfassungseinrichtung wird die Lage und/oder Abmessung optisch erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserablegekopf zum Legen von dem Faserlegekopf fortlaufend zugeführtem Fasermaterial auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Faserverbundbauteile sind heutzutage aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen anderen Anwendungsgebieten kaum mehr wegzudenken. Aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Faserverbundbauteile gerade insbesondere für die Optimierung im Sinne des Leichtbaus. Demgegenüber steht der Nachteil, dass Faserverbundwerkstoffe, aus denen das Faserverbundbauteil hergestellt werden soll, in der Regel eine hohe Werkstoff- und Fertigungskomplexität aufweisen, die dem gesamten Herstellungsprozess gegenüber konventionellen Werkstoffen insgesamt deutlich ineffizienter machen.
Die bei Faserverbundbauteilen verwendeten Faserverbundwerkstoffe weisen in der Regel Verstärkungsfasern auf, die in eine Kunststoffmatrix, auch Matrixmaterial genannt, während der Herstellung eingebettet werden, so dass zwischen dem Matrixmaterial und den Verstärkungsfasern eine integrale Einheit entsteht. Die Verstärkungsfasern liegen dabei dem Faserverbundbauteil in Faserrichtung seiner spezifischen Festigkeit und Steifigkeit, während das ausgehärtete Matrixmaterial die Verstärkungsfasern fixiert.
Um die vorgegebene Bauteilform sicherzustellen, wird das trockene oder vorimprägnierte Fasermaterial in der Regel während des Herstellungsprozesses auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche abgelegt, wobei die formgebende Werkzeugoberfläche zumindest teilweise der späteren Bauteilform entspricht. Während in der Vergangenheit das Ablegen der Fasermaterialien auf der formgebenden Werkzeugoberfläche häufig händisch durchgeführt wurde, rückt mit zunehmendem Interesse an einer prozesssicheren Serienfertigung von Faserverbundbauteilen die automatisierte Ablage des Fasermaterials auf der formgebenden Werkzeugoberfläche mehr und mehr in den Fokus.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 B4 eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, mit dem Fasermaterial automatisiert auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt werden kann. Hierbei werden Roboter auf einem Schienensystem bewegt, das um ein mittig angeordnetes Werkzeug bzw. Werkzeugform umlaufend angeordnet ist. Die Roboter weisen dabei als Endeffektor einen Faserablegekopf auf, der dazu ausgebildet ist, das dem Faserablegekopf fortlaufend zugeführte Fasermaterial auf der Werkzeugform abzulegen.
Bei dieser auch als Fiber-Placement bzw. Tapelaying Technologie genannten Fertigung werden zumeist Tows (zumeist ¼“ oder ½“ Breite) oder Tapes (zumeist 150 mm oder 300 mm Breite) auf einer Spule aufgewickelt und anschließend in mehreren Bahnen nebeneinander mithilfe des Faserablegekopfes abgelegt. Hierdurch ergibt sich in der gesamten Fläche eine Laminatschicht (Ply). Mehrere Laminatschichten zum Teil unterschiedlicher geometrischer Formen ergeben dann anschließend das Faserverbundbauteil.
Für einen vollständig automatisierten Ablegeprozess muss indes jedoch die Prozesssicherheit gewährleistet werden. Dies betrifft insbesondere die Ablegeposition, die dem gesamten Prozess vorgegeben ist. Aber auch Schwankungen in der Materialtoleranz, wie beispielsweise eine variierende Breite, müssen prozesssicher erkannt, dokumentiert und ggf. korrigiert werden.
Aus der DE 20 2014 005 399 U1 ist eine Vorrichtung zur Online-Fasermaterialkontrolle bekannt, bei der eine Prüfwalze vorgesehen ist, an deren Walzenoberfläche eine elektromechanische Wandlereinrichtung in Form einer PVDF-Folie angeordnet ist. Die auf die PVDF-Folie wirkenden mechanischen Kräfte, hervorgerufen durch das anliegende Fasermaterial, werden in elektrische Signale umgewandelt, so dass der Ablegeprozess hierdurch, insbesondere hinsichtlich der Lage und der Abmessung des Fasermaterials, kontrolliert werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf zum Ablegen von Fasermaterial sowie ein Verfahren hierzu anzugeben, mit dem die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials, das auf der formgebenden Werkzeugoberfläche abgelegt werden soll, prozesssicher erkannt werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Faserlegekopf gemäß Patentanspruch 1 sowie dem Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial gemäß Anspruch 11 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Faserlegekopf zum Ablegen von dem Faserlegekopf fortlaufend zugeführten Fasermaterial auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, wobei der Faserlegekopf eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Lage und/oder Abmessung des dem Faserlegekopf und somit auch der Erfassungseinrichtung zugeführten Fasermaterials hat. Die Lage des Fasermaterials, insbesondere die Position in Bezug auf die Erfassungseinrichtung, kann dann aufgrund der vorgegebenen mechanischen Relationen in Bezug zu dem sogenannten Tool Center Point (TCP) gesetzt werden, so dass sich aufgrund der Ermittlung der Lage des Fasermaterials in Bezug zur Erfassungseinrichtung auch die Lage und Position des Fasermaterials während des Ablegens in Bezug zum TCP ermitteln lässt. Hierdurch kann somit hochgenau die Ablageposition des Fasermaterials auf der formgebenden Werkzeugoberfläche festgestellt werden. Die Abmessung des Fasermaterials kann insbesondere die Breite des Fasermaterials sein, d.h. die geometrische Abmessung des Fasermaterials quer zur Förderrichtung.
Die Erfassungseinrichtung des Faserlegekopfes kann erfindungsgemäß eine elektrische Erfassungseinrichtung sein, bei der mithilfe von elektrischen Messmethoden die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials ermittelt werden kann. Hierfür weist die elektrische Erfassungseinrichtung eine Mehrzahl von Elektroden auf, die gegenseitig isolierend und voneinander beabstandet angeordnet und jeweils separat mit einer elektrischen Spannungsquelle verbindbar sind. Die elektrische Spannungsquelle kann dabei so ausgebildet sein, dass an die Elektroden separat und voneinander unabhängig eine Gleich- oder Wechselspannung angelegt werden kann. Mithilfe einer Messeinrichtung der elektrischen Erfassungseinrichtung werden dann elektrische Parameter bezüglich der einzelnen Elektroden gemessen, wenn an die jeweilige Elektrode eine elektrische Spannung angelegt ist und das Fasermaterial der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführt wird/ist. Dabei kann das Fasermaterial die Elektroden zumindest teilweise elektrisch kontaktieren oder in Bezug zu den Elektroden isolierend der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführt werden, wodurch sich, wie noch gezeigt wird, verschiedene elektrische Messverfahren einrichten lassen. Denn durch die Anwesenheit des Fasermaterials in der elektrischen Erfassungseinrichtung werden die elektrischen Parameter, die von der Messeinrichtung gemessen werden, beeinflusst, so dass für jede Elektrode festgestellt werden kann, ob an der Elektrodenposition das der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführte Fasermaterial vorhanden ist oder nicht. Mithilfe einer Auswerteeinheit kann somit die Lage und/oder Abmessung des der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführten Fasermaterials in Abhängigkeit von den gemessenen elektrischen Parametern und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung ermittelt werden, indem für jede Elektrode das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Fasermaterials an dieser jeweiligen Elektrodenposition anhand der gemessenen elektrischen Parameter für die jeweilige Elektrode festgestellt wird.
Mithilfe des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Faserlegekopfes mit einer elektrischen Erfassungseinrichtung wird es somit möglich, während des Ablegens der Fasermaterialien eine Online-Fasermaterialkontrolle durchzuführen, indem während des Ablegens des Fasermaterials die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials mithilfe der elektrischen Erfassungseinrichtung erfasst wird. Dadurch kann während des Ablegeprozesses auf Abweichungen hinsichtlich der Ablegeposition sowie hinsichtlich der Abmessung des Fasermaterials basierend auf Materialtoleranzen reagiert werden, angefangen von einer einfachen Dokumentation der Lage und/oder Abmessung bis hin zu einer Korrektur.
Alternativ oder zusätzlich zu der elektrischen Erfassungseinrichtung kann der Faserlegekopf auch eine optische Erfassungseinrichtung aufweisen, die einen lichtempfindlichen Sensor und ein natürliches und/oder künstliches Beleuchtungselement aufweist. Der lichtempfindliche Sensor kann beispielsweise ein CCD-Sensor sein. Der lichtempfindliche Sensor ist dabei wenigstens so ausgebildet, dass er wenigstens zwei Helligkeitswerte erfassen kann, mithin also hell und dunkel. Das künstliche Beleuchtungselement kann beispielsweise eine Lampe, beispielsweise eine LED, sein. Unter einem natürlichen Beleuchtungselement wird insbesondere eine transluzente Abdeckung verstanden, durch das natürliche Licht von außen in die Erfassungseinrichtung gelangen kann. Das Beleuchtungselement ist dabei so ausgebildet, dass es den lichtempfindlichen Sensor beleuchtet. Dabei sind der lichtempfindliche Sensor und das Beleuchtungselement so angeordnet, dass das Fasermaterial, das der optischen Erfassungseinrichtung und dem Faserlegekopf zugeführt wurde, zwischen dem lichtempfindlichen Sensor und dem Beleuchtungselement geführt wird. Hierdurch ergibt sich ein Abschattungsbereich auf dem lichtempfindlichen Sensor, der mithilfe einer Auswerteeinheit anhand des von dem lichtempfindlichen Sensor stammenden Sensorsignals detektiert werden kann. In Abhängigkeit von dem detektierten Abschattungsbereich lässt sich dann die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials erfassen.
Dabei kann ebenfalls, wie bei der elektrischen Erfassungseinrichtung, auch bei der optischen Erfassungseinrichtung die Lage des Fasermaterials in Bezug zur Erfassungseinrichtung und somit in Bezug zum TCP gesetzt werden, um so beispielsweise die Faserablageposition hochgenau detektieren zu können.
In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Erfassungseinrichtung eine Prüfwalze auf, in oder an der die Elektrode der elektrischen Erfassungseinrichtung und/oder in oder an der der lichtempfindliche Sensor der optischen Erfassungseinrichtung angeordnet sind. Aufgrund der Tatsache, dass in einem Faserlegekopf in der Regel mehrere Umlenkrollen vorhanden sind, und das Fasermaterial von dem Zuführungspunkt des Faserlegekopfes hin zu der Ablegerolle, die die letzte Umlenkrolle in der Fasertransportkette darstellt, transportiert werden muss, ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden der elektrischen Erfassungseinrichtung und/oder der lichtempfindliche Sensor der optischen Erfassungseinrichtung in eine der Umlenkrollen integriert werden.
Dabei können die Elektroden und/oder der lichtempfindliche Sensor auch in die Ablegerolle integriert werden, so dass sich während des Ablegens des Fasermaterials direkt an der Ablege- bzw. Anpressrolle des Faserlegekopfes die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials detektieren lässt.
Es ist aber auch denkbar, dass eine Umlenkrolle innerhalb des Faserlegekopfes die Elektrode und/oder den lichtempfindlichen Sensor aufweisen, so dass die Erfassungseinrichtung geschützt im Inneren des Faserlegekopfes angeordnet ist. Durch die mechanische Relation der Elektroden und/oder des lichtempfindlichen Sensors in Bezug auf den TCP des Faserlegekopfes lässt sich so ebenfalls die Ablegeposition feststellen.
Dabei ist es denkbar, dass bei der elektrischen Erfassungseinrichtung auch eine Gegenelektrode in oder an der Prüfwalze angeordnet ist, so dass sowohl die Elektroden als auch die mindestens eine Gegenelektrode Bestandteil einer einzigen Prüfwalze sind.
Die Elektroden der elektrischen Erfassungseinrichtung können beispielsweise quer und/oder längs zur Zuführrichtung verteilt angeordnet sein. Bei einer in Bezug auf die Zuführrichtung quer verteilten Anordnung der Elektroden kann somit die Lage des Fasermaterials quer zur Zuführrichtung bestimmt werden, da die jeweiligen einzelnen Elektroden eine unterschiedliche Querposition bezüglich der Zuführrichtung aufweisen. Bei einer Anordnung längs zur Zuführrichtung kann die Lage des Fasermaterials in Richtung Zuführrichtung bestimmt werden, wodurch sich beispielsweise Faserendstücke und deren konkretes Faserende bestimmen lassen. Denkbar ist aber auch eine Kombination von beidem, in dem die Elektroden in einer Art zweidimensionaler Verteilung angeordnet werden, wodurch sich die Lage sowohl quer als auch in Längsrichtung bestimmen lässt.
In einer Kombination mit der Prüfwalze ist es somit denkbar, dass die Elektroden in axialer Richtung verteilt auf der Prüfwalze angeordnet sind, so dass die Lage des Fasermaterials in axialer Richtung bestimmbar ist. Die Elektroden können aber auch an der Prüfwalze umlaufend verteilt angeordnet werden, wodurch sich die Lage des Fasermaterials in Zuführrichtung bestimmen lässt und darüber hinaus beispielsweise auch ein Umschlingungswinkel des Fasermaterials in Bezug zu der Prüfwalze feststellen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der lichtempfindliche Sensor der optischen Erfassungseinrichtung quer und/oder längs zur Zuführrichtung angeordnet sein. Erstreckt sich der lichtempfindliche Sensor quer zur Zuführrichtung bzw. Förderrichtung, so kann die Lage des Fasermaterials quer zur Zuführrichtung bestimmt werden. Erstreckt sich der lichtempfindliche Sensor längs zur Zuführrichtung, so kann hierbei die Lage des Fasermaterials in Zuführrichtung bestimmt werden, um so beispielsweise Faserendstücke bzw. das Ende des Fasermaterials erkannt werden. Denkbar ist auch, dass der lichtempfindliche Sensor sich sowohl in Richtung quer als auch in Richtung längs der Zuführrichtung erstreckt, wodurch beide Lagen erfassbar sind. Der lichtempfindliche Sensor kann hierbei auch in eine Prüfwalze integriert werden, und zwar quer und/oder längs der Zuführrichtung. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der lichtempfindliche Sensor eine Abmessung aufweist, die größer ist als die Breite des Fasermaterials.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die elektrische Erfassungseinrichtung eine Prüffläche auf, in der die Elektroden derart angeordnet sind, dass ein der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführtes und auf der Prüffläche anliegendes Fasermaterial wenigstens einen Teil der Elektroden elektrisch kontaktiert. Die Elektroden sind demnach so in der Prüffläche integriert und angeordnet, dass die elektrische Kontaktfläche der Elektroden einen Teil der Prüffläche bildet, so dass das der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführte Fasermaterial die Elektroden an ihren jeweiligen elektrischen Kontaktflächen elektrisch kontaktieren kann.
Darüber hinaus ist hierbei eine Gegenelektrode vorgesehen, die ebenfalls das Fasermaterial elektrisch kontaktiert, bspw. indem die Gegenelektrode ebenfalls in der Prüffläche integriert ist, oder an anderer Stelle innerhalb des Faserlegekopfes das Fasermaterial kontaktiert. Mithilfe der Messeinrichtung kann nun ein elektrischer Widerstand als elektrischer Parameter für jede Elektrode der Prüffläche ermittelt werden, wodurch sich im einfachsten Fall feststellen lässt, welche Elektroden von dem Fasermaterial kontaktiert sind. Denn nicht kontaktierte Elektroden weisen einen (theoretischen) unendlich großen elektrischen Widerstand auf, während die Elektroden, die von dem Fasermaterial elektrisch kontaktiert sind, einen elektrischen Widerstand aufweisen, der im Verhältnis zur angelegten (Gleich-)Spannung steht.
Die Auswerteeinheit ist somit derart ausgebildet, dass sie zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials in Abhängigkeit von den gemessenen elektrischen Widerständen der einzelnen Elektroden einerseits und ihre jeweiligen Anordnungen in Bezug auf die Prüffläche, und somit in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung, andererseits eingerichtet ist.
In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist die elektrische Erfassungseinrichtung eine Prüffläche auf, in der die Elektroden angeordnet und mit einer elektrischen Isolierschicht überzogen sind. Die elektrischen Kontaktflächen der Elektroden können somit das der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführte und auf der Prüffläche anliegende Fasermaterial nicht mehr direkt elektrisch kontaktieren, da zwischen den Elektroden und dem Fasermaterial die Isolierschicht der Prüffläche angeordnet ist. Des Weiteren ist eine Gegenelektrode vorgesehen, die das Fasermaterial elektrisch kontaktiert, wobei die Messeinrichtung nunmehr zum Messen einer kapazitativen Eigenschaft der einzelnen Elektroden der Prüffläche als elektrischer Parameter ausgebildet ist.
Durch das Beaufschlagen der Elektroden mit einer hochfrequenten Wechselspannung verändert sich durch die Anwesenheit des Fasermaterials im Bereich der jeweiligen Elektrode die Kapazität der Elektrode gegenüber dem Fasermaterial, was mithilfe der Messeinrichtung gemessen werden kann. Mit anderen Worten, wird eine Elektrode von dem Fasermaterial oberhalb des Isolierschicht abgedeckt, so kann die Veränderung der Kapazität der Elektrode gegenüber dem Fasermaterial genutzt werden, um die Anwesenheit des Fasermaterials im Bereich der Elektrode festzustellen. Die Auswerteeinheit ist somit derart eingerichtet, dass die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die Prüffläche und somit in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung ermittelt werden kann. Dabei kann die Kapazität oder eine Veränderung der Kapazität gemessen werden.
Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Elektroden beispielsweise keine leitenden Oberflächen besitzen dürfen oder vor Verschmutzungen geschützt werden müssen. Dies tritt meist dann auf, wenn die entsprechende Sensorik in eine Prüfwalze, insbesondere in die Ablegerolle, integriert werden soll.
In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist die elektrische Erfassungseinrichtung eine Prüffläche auf, in der die Elektroden derart angeordnet sind, dass ein an der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführtes und auf der Prüffläche anliegendes Fasermaterial wenigstens ein Teil der Elektroden abdeckt. Das der elektrischen Erfassungseinrichtung zugeführte Fasermaterial kann somit die elektrischen Kontaktflächen der Elektroden kontaktieren, wenn das Fasermaterial auf der Prüffläche anliegt und die Elektroden mit den elektrischen Kontaktflächen so in die Prüffläche integriert sind, dass die elektrischen Kontaktflächen zumindest einen Teil der Prüffläche bilden. Es ist aber auch denkbar, dass die Prüffläche eine Isolierschicht aufweist, die zwischen Elektrode und Fasermaterial liegt. Des Weiteren ist eine Gegenelektrode vorgesehen, die gegenüber der Prüffläche angeordnet ist, so dass ein Prüfspalt zwischen der Gegenelektrode und der Prüffläche mit den Elektroden gebildet wird. Die Gegenelektrode kann dabei so gegenüber der Prüffläche angeordnet, dass das Fasermaterial auf der Prüffläche innerhalb des Prüfspaltes anliegt, ohne die Gegenelektrode dabei zu kontaktieren. Die Messeinrichtung ermittelt jeweils kapazitative Eigenschaften der einzelnen Elektroden der Prüffläche als elektrischer Parameter.
Denn durch die Änderung der dielektrischen Eigenschaften in dem Prüfspalt aufgrund der Anwesenheit des Fasermaterials erhöht sich die Kapazität der jeweiligen Elektrode, die von dem Fasermaterial kontaktiert wird relativ zu der Gegenelektrode. Diese Kapazitätsänderung kann folgerichtig zur Detektion des Fasermaterials in Bezug zu der jeweiligen Elektrode genutzt werden.
Die Auswerteeinheit ist somit zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die Prüffläche und somit in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung eingerichtet.
In Kombination mit der Prüfwalze kann hier beispielsweise eine Prüfwalze vorgesehen sein, bei der die einzelnen Elektroden in der Oberfläche der Prüfwalze integriert sind und somit beim Entlangführen des Fasermaterials an der Prüfwalze die Elektroden entsprechend elektrisch kontaktiert. In einem gewissen Abstand zu der Prüfwalze ist dabei die Gegenelektrode angeordnet, so dass die jeweilige kapazitative Eigenschaft der einzelnen Elektroden gemessen werden kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass das Fasermaterial die Gegenelektrode elektrisch vollständig kontaktiert, wobei gegenüber der Gegenelektrode dann eine Prüffläche vorgesehen ist, in der die einzelnen Elektroden angeordnet sind, so dass zwischen den Elektroden und der Gegenelektrode, die von dem Fasermaterial kontaktiert wird, ein Prüfspalt gebildet wird, der bspw. derart ausgebildet ist, dass die Elektroden das Fasermaterial nicht kontaktieren.
Auch hier kann durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung die Kapazität bzw. Kapazitätsänderung als kapazitative Eigenschaft ermittelt werden, wodurch sich das Vorhandensein und Nichtvorhandensein im Bereich der jeweiligen Elektrode feststellen lässt, auch wenn das Fasermaterial die Elektrode nicht direkt kontaktiert.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es denkbar, dass die Gegenelektrode auf der Prüfwalze angeordnet ist und somit beim Transport des Fasermaterials die Gegenelektrode durch das Fasermaterial elektrisch kontaktiert wird, während die Elektroden gegenüber der Prüfwalze das Fasermaterial nicht kontaktieren. Die Elektroden können dabei an einer feststehenden Anordnung angeordnet sein oder ebenfalls durch eine entsprechende Walze gebildet werden.
Die Messeinrichtung und die Auswerteeinheit sowohl die elektrische Kontakteinrichtung als auch die optische Kontakteinrichtung müssen dabei nicht zwingend integraler Bestandteil des Faserlegekopfes sein, sondern können auch in eine übergeordnete Steuereinheit integriert sein.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 – Schematische Darstellung eines Faserlegekopfes;
2 bis 6 – Schematische Darstellung von verschiedenen Ausführungsbeispielen.
1 zeigt einen Faserlegekopf 1, der zum Ablegen von Fasermaterial 2, das dem Faserlegekopf 1 fortlaufend zugeführt wird, auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche 3 ausgebildet ist. Hierfür weist der Faserlegekopf 1 eine Anpressrolle 4 auf, mit der das Fasermaterial 2 auf die formgebende Werkzeugoberfläche 3 gepresst wird.
Innerhalb des Faserlegekopfes 1 durchläuft das Fasermaterial 2 verschiedene Umlenkrollen 5, bis es schließlich an der Anpressrolle 4 geführt und dann auf der Werkzeugoberfläche 3 abgelegt wird.
An einer der Umlenkrollen 5 ist hierbei ein Sensorsystem der erfindungsgemäßen Art vorgesehen, um die Lage und/oder Abmessungen des Fasermaterials 2 während des Ablegens der Fasermaterialien 2 auf der formgebenden Werkzeugoberfläche 3 bestimmen zu können. Hierfür ist eine Messeinheit 6 zum Messen von elektrischen Parametern vorgesehen, um so die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials 2 anhand von gemessenen elektrischen Parametern bestimmen zu können. Im Beispiel der 1 ist darüber hinaus auch ein Beleuchtungselement 8 vorgesehen, das zum Beleuchten der Umlenkrolle 5 ausgebildet ist, um so einen lichtempfindlichen Sensor (nicht dargestellt) zu beleuchten und so die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials 2 optisch zu bestimmen.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele der 2 bis 6 beziehen sich auf die Integration der Sensorik in eine Umlenkrolle, wie sie in 1 mit 5 bezeichnet ist. Denkbar ist auch, dass die Umlenkrolle die Ablegerolle oder Ablegewalze 4 ist oder ein gänzlich anderes Element.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine elektrische Erfassungseinrichtung 10 vorgesehen ist, die eine Sensorrolle 11 aufweist, in deren Oberfläche 12 mehrere Elektroden 13 angeordnet sind. Die Elektroden 13 sind dabei so ausgebildet, dass deren Kontaktfläche zumindest einen Teil der Rollenoberfläche 12 bildet, so dass ein an der Sensorrolle 11 entlang führendes Fasermaterial 2 zumindest einen Teil der Elektroden 13 kontaktiert.
Die Elektroden 13 sind elektrisch mit einer Messeinheit 14 verbunden die mittels einer Gegenelektrode 15 das Fasermaterial 2 permanent elektrisch kontaktiert. Die Messeinheit 14 ist dabei derart ausgebildet, dass sie den elektrischen Widerstand bezüglich jeder einzelnen Elektrode 13 ermitteln kann, so dass sich jeweils durch das Kontaktieren des Fasermaterials 2 mit den jeweiligen Elektroden 13 der Umstand ergibt, dass für einige Elektroden verschiedene elektrische Widerstände gemessen werden.
Anhand der gemessenen elektrischen Widerstände kann dann eine Auswerteeinheit 16 feststellen, welche Elektroden 13 von dem Fasermaterial 2 kontaktiert werden und welche Elektroden nicht, so dass es hieraus sowohl die Lage des Fasermaterials in axialer Richtung einerseits als auch die Abmessung des Fasermaterials in seiner axialen Ausdehnung bestimmen lässt.
Für den Fall, dass die Sensorrolle 11 keine nicht-leitende Oberfläche aufweisen darf oder vor Verschmutzungen geschützt werden muss, zeigt 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektroden 13 durch eine Isolierschicht 17 geschützt werden, so dass die Isolierschicht 17 zwischen dem Fasermaterial 2 und den Elektroden 13 elektrisch isolierend wirkt.
Zur Detektion der Bedeckung einer Elektrode wird in diesem Fall die Veränderung der Kapazität der jeweiligen Elektrode 13 gegenüber dem Fasermaterial 2 ermittelt, da ein über der Elektrode 13 liegendes Fasermaterial 2 erhöhend auf die Kapazität der Elektrode 13 auswirkt. Hierfür wird die Elektrode mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt, wobei der Elektrodenstrom gemessen wird. Die Auswerteeinheit kann nur anhand dieses kapazitativen Eigenschaften, die von der Messeinheit 14 gemessen wurden, feststellen, welche Elektroden abgedeckt sind und welche nicht und kann so die Lage und Abmessung des Fasermaterials 2 bezüglich der Sensorrolle 11 ermitteln.
Um eine Detektion auch bei nicht-leitendem Fasermaterial zu ermöglichen, zeigt die 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektroden 13 wiederum in der Sensorrolle 11 angeordnet sind und gegebenenfalls das Fasermaterial 2 kontaktieren. Über der Sensorrolle 11 ist nunmehr eine Gegenelektrode 15 angeordnet, die mit der Messeinheit 14 elektrisch verbunden ist. Zwischen der Sensorrolle 11 und der Gegenelektrode 15 wird ein Prüfspalt 18 gebildet, zwischen dem das Fasermaterial 2 geführt wird. Das Fasermaterial 2 liegt dabei auf der Prüffläche 19 der Sensorrolle 11 an, in die auch die Elektroden 13 integriert sind. Auf der gegenüberliegenden Seite liegt das Fasermaterial jedoch nicht an der Gegenelektrode 15 an und kontaktiert dieses elektrisch auch nicht direkt. Durch die Änderung der dielektrischen Eigenschaften in dem Prüfspalt 18 durch die Anwesenheit des Fasermaterials 2 erhöht sich die Kapazität der jeweiligen Elektrode 13 relativ zu der Gegenelektrode 15, was mithilfe der Messeinheit 14 feststellt werden kann. Hierdurch lässt sich für jede Elektrode 13 feststellen, ob sie von dem Fasermaterial 2 abgedeckt wird oder nicht. Die Auswerteeinheit kann dann die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials 2 bezüglich der Sensorrolle 11 ermitteln. Dabei kann in diesem Ausführungsbeispiel auch vorgesehen sein, dass zwischen der Prüffläche 19 der Sensorrolle 11 und dem Fasermaterial 2 eine Isolierschicht, wie sie in 3 gezeigt ist, vorgesehen ist, um so die Sensorrolle 11 beispielsweise vor Verschmutzung zu schützen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Gegenelektrode in die Sensorrolle 11 integriert ist, so dass das Fasermaterial 2 die Gegenelektrode 15 vollständig abdeckt. Gegenüber der Sensorrolle 11 ist eine Vorrichtung vorgesehen, welche die Elektroden 13 enthält. In diesem Ausführungsbeispiel der 5 sind somit die Elektroden 13 nicht in die Sensorrolle 11 integriert. Ansonsten ähnelt das Prinzip der 5 dem Prinzip, wie es aus 4 bekannt ist.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine optische Erfassungseinrichtung 20 vorgesehen ist. Die Sensorrolle 21 weist hierfür in ihrer Oberfläche einen lichtempfindlichen Sensor 22 auf, der zumindest verschiedene Helligkeiten signaltechnisch erfassen kann. Ein Beleuchtungselement 23 beleuchtet dabei die Sensorrolle 21, so dass bei Anwesenheit eines Fasermaterials 2 ein Abschattungsbereich 24 entsteht.
Die Auswerteeinheit 25 ist nun so ausgebildet, dass sie anhand des Sensorsignals des lichtempfindlichen Sensors 22 diesen Abschattungsbereich 24 erkennt und somit die Lage und Abmessung des Fasermaterials 2 feststellen kann. Hierfür ist es beispielsweise denkbar, dass die Auswerteeinheit 25 die Hell-/Dunkelübergänge am Rand des Fasermaterials 2 erkennt und somit den Abschattungsbereich 24 detektiert.
Der lichtempfindliche Sensor kann beispielsweise ein CCD-Zeilenarray sein.
Bezugszeichenliste

1: Faserlegekopf
2: Fasermaterial
3: formgebende Werkzeugoberfläche
4: Anpressrolle
5: Umlenkrolle
6, 14: Messeinheit
7, 16, 25: Auswerteeinheit
8, 23: Beleuchtungselement
10: elektrische Erfassungseinrichtung
11: Sensorrolle
12: Rollenoberfläche
13: Elektrode
15: Gegenelektrode
17: Isolierschicht
18: Prüfspalt
19: Prüffläche
20: optische Erfassungseinrichtung
21: Sensorrolle
22: lichtempfindlicher Sensor
24: Abschattungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010015027 B4 [0005]
DE 202014005399 U1 [0008]

Claims

Faserlegekopf (1) zum Ablegen von dem Faserlegekopf (1) fortlaufend zugeführten Fasermaterial (2) auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche (3) zu Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei der Faserlegekopf (1) mindestens eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Lage und/oder Abmessung des der Erfassungseinrichtung zugeführten Fasermaterials (2) hat, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Erfassungseinrichtung eine elektrische Erfassungseinrichtung (10) ist, die eine Mehrzahl von Elektroden (13) aufweist, die gegenseitig isolierend und voneinander beabstandet angeordnet und jeweils separat mit einer elektrischen Spannungsquelle verbindbar sind, eine Messeinrichtung hat, die zum Messen von elektrischen Parametern bezüglich der einzelnen Elektroden (13) ausgebildet ist, wenn an die jeweilige Elektrode (13) eine elektrische Spannung angelegt ist und das Fasermaterial (2) der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführt wird, und eine Auswerteeinheit (7, 16, 25) hat, die zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführten Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von den gemessenen elektrischen Parametern und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung (10), und/oder b) die Erfassungseinrichtung eine optische Erfassungseinrichtung (20) ist, die mindestens einen lichtempfindlichen Sensor (22) und ein natürliches und/oder künstliches Beleuchtungselement (8, 23) hat, sodass zwischen dem lichtempfindlichen Sensor (22) und dem Beleuchtungselement (8, 23) das der optischen Erfassungseinrichtung (20) zugeführte Fasermaterial (2) geführt wird, und eine Auswerteeinheit (7, 16, 25), die zum Erkennen von durch das Fasermaterial (2) verursachten Abschattungsbereichen (24) des lichtempfindlichen Sensors (22) aus einem Sensorsignal des lichtempfindlichen Sensors (22) und zum Erfassen der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von dem erkannten Abschattungsbereich (24) eingerichtet ist.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erfassungseinrichtung (10) eine Prüffläche (19) hat, in der die Elektroden (13) derart angeordnet sind, dass ein der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführtes und auf der Prüffläche (19) anliegendes Fasermaterial (2) wenigstens einen Teil der Elektroden (13) elektrisch kontaktiert, und eine Gegenelektrode (15) vorgesehen ist, die das Fasermaterial (2) ebenfalls elektrisch kontaktiert, wobei die Messeinrichtung zum Messen des elektrischen Widerstandes als elektrischer Parameter für jede Elektrode (13) der Prüffläche (19) ausgebildet und die Auswerteeinheit (7, 16, 25) zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von den gemessenen elektrischen Widerständen der einzelnen Elektroden (13) und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die Prüffläche (19) eingerichtet ist.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erfassungseinrichtung (10) eine Prüffläche (19) hat, in der die Elektroden (13) angeordnet und mit einer elektrischen Isolationsschicht (17) überzogen sind, auf der ein der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführtes Fasermaterial (2) anliegt, und eine Gegenelektrode (15) vorgesehen ist, die das Fasermaterial (2) elektrisch kontaktiert, wobei die Messeinrichtung zum Messen einer kapazitativen Eigenschaft der einzelnen Elektroden (13) der Prüffläche (19) als elektrischer Parameter ausgebildet und die Auswerteeinheit (7, 16, 25) zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden (13) und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die Prüffläche (19) eingerichtet ist.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erfassungseinrichtung (10) eine Prüffläche (19) hat, in der die Elektroden (13) derart angeordnet sind, dass ein der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführtes und auf der Prüffläche (19) anliegendes Fasermaterial (2) wenigstens einen Teil der Elektroden (13) abdeckt, und eine Gegenelektrode (15) vorgesehen ist, die gegenüber der Prüffläche (19) angeordnet ist, sodass ein Prüfspalt (18) gebildet wird, in dem das Fasermaterial (2) auf der Prüffläche (19) anliegt, wobei die Messeinrichtung zum Messen einer kapazitativen Eigenschaft der einzelnen Elektroden (13) der Prüffläche (19) als elektrischer Parameter ausgebildet und die Auswerteeinheit (7, 16, 25) zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden (13) und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die Prüffläche (19) eingerichtet ist.
Faserlegekopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erfassungseinrichtung (10) eine Prüfflache (19) hat, in der eine Gegenelektrode (15) derart angeordnet ist, dass ein der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführtes und auf der Prüffläche (19) anliegendes Fasermaterials (2) die Gegenelektrode (15) abdeckt, und die Elektroden (13) gegenüber der Prüffläche (19) angeordnet sind, sodass ein Prüfspalt (18) gebildet wird, in dem das Fasermaterial (2) auf der Prüffläche (19) anliegt, wobei die Messeinrichtung zum Messen einer kapazitativen Eigenschaft der einzelnen Elektroden (13) als elektrischer Parameter ausgebildet und die Auswerteeinheit (7, 16, 25) zum Ermitteln der Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden (13) und ihrer jeweiligen Anordnung in Bezug auf die Prüffläche (19) eingerichtet ist.
Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) die Elektroden (13) quer und/oder längs zur Zuführrichtung verteilt angeordnet sind.
Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erfassungseinrichtung (10) eine Prüfwalze aufweist, in oder an der die Elektroden (13) und/oder in oder an der eine Gegenelektrode (15) angeordnet sind.
Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Erfassungseinrichtung (20) der lichtempfindliche Sensor (22) quer und/oder längs zur Zuführrichtung angeordnet ist.
Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinrichtung (20) eine Prüfwalze aufweist, in oder an der der lichtempfindliche Sensor (22) angeordnet ist.
Anlage zum Ablegen von Fasermaterial (2) für die Herstellung eines Faserverbundbauteils mit mindestens einem Roboter, einem Werkzeug, auf dem das Fasermaterial (2) durch den Roboter abgelegt wird, und einem an dem Roboter angeordneten Faserlegekopf (1) als Endeffektor, gekennzeichnet durch einen Faserlegekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial (2) auf einer formgebenden Werkzeugoberfläche (3) mittels eines Faserlegekopfes (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei während des Ablegens des Fasermaterials (2) eine Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) mittels einer Erfassungseinrichtung ermittelt wird, mit den Schritten: a) Messen von elektrischen Parametern einer Mehrzahl von Elektroden (13), die gegenseitig isolierend und voneinander beabstandet in einer elektrischen Erfassungseinrichtung (10) vorgesehen sind, wenn das Fasermaterial (2) der elektrischen Erfassungseinrichtung (10) zugeführt wird, mittels einer Messeinrichtung, wobei der elektrische Parameter für jede der Elektroden (13) gemessen wird, und Ermitteln der Lage und/oder Abmessung das Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von den gemessenen Parametern der einzelnen Elektroden (13) und ihrer Anordnung in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung (10) mittels einer Auswerteeinheit (7, 16, 25), und/oder b) Erkennen eines durch das Fasermaterial (2) verursachten Abschattungsbereich (24) mittels eines lichtempfindlichen Sensors (22) einer optischen Erfassungseinrichtung (20), bei der das Fasermaterial (2) zwischen dem lichtempfindlichen Sensor (22) und einem natürlichen oder künstlichen Beleuchtungselement (8, 23) hindurchgeführt wird, und Ermitteln der Lage und/oder Abmessung das Fasermaterials (2) in Abhängigkeit von dem erkannten Abschattungsbereich (24) mittels einer Auswerteinheit (7, 16, 25).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (2) während des Ablegens zumindest einen Teil der Elektroden (13) und eine Gegenelektrode (15) elektrisch kontaktiert, wobei mittels der Messeinrichtung für jede Elektrode (13) ein elektrischer Widerstand als elektrischer Parameter gemessen wird und mittels der Auswerteeinheit (7, 16, 25) in Abhängigkeit von den gemessenen elektrischen Widerständen der einzelnen Elektroden (13) sowie deren jeweilige Anordnung in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung (10) die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (2) während des Ablegens mittels einer Isolierschicht (17) gegenüber den Elektroden (13) elektrisch isoliert und mit einer Gegenelektrode (15) elektrisch kontaktiert ist, wobei mittels der Messeinrichtung für jede Elektrode (13) eine kapazitative Eigenschaft als elektrischer Parameter gemessen wird und mittels der Auswerteeinheit (7, 16, 25) in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden (13) sowie deren jeweilige Anordnung in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung (10) die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (2) während des Ablegens in einem Prüfspalt (18) zwischen den Elektroden (13) einerseits und einer Gegenelektrode (15) hindurchgeführt wird, wobei mittels der Messeinrichtung für jede Elektrode (13) eine kapazitative Eigenschaft als elektrischer Parameter gemessen wird, wenn das Fasermaterial (2) zumindest einem Teil der Elektroden (13) elektrisch kontaktiert und die Gegenelektrode (15) elektrisch nicht kontaktiert oder andersrum, und mittels der Auswerteeinheit (7, 16, 25) in Abhängigkeit von den gemessenen kapazitativen Eigenschaften der einzelnen Elektroden sowie deren jeweilige Anordnung in Bezug auf die elektrische Erfassungseinrichtung (10) die Lage und/oder Abmessung des Fasermaterials (2) ermittelt wird.