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Die Erfindung betrifft eine Faserlegevorrichtung zum Legen von Faserendlosmaterial auf einem Werkzeug, wobei die Faserlegevorrichtung einen mehrachsigen Bewegungsautomaten mit einem Faserlegekopf als Endeffektor aufweist.
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Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind heute aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus dem Automobilbereich nicht mehr wegzudenken. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
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Ein Nachteil von Faserverbundwerkstoffen sind die gegenüber anderen, konventionellen Werkstoffen höhere Fertigungskosten, die sich meist daraus ergeben, dass die Anzahl der durchzuführenden Fertigungsschritte höher ist und darüber hinaus eine nicht unerhebliche Anzahl dieser Fertigungsschritte noch händisch durchgeführt werden müssen. Bei Großbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist daher eine zunehmende Automatisierung einzelner Fertigungsschritte zu beobachten.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 015 027 B4 eine Faserlegeanlage bekannt, bei der mehrere Roboter bzw. mehrachsige Bewegungsautomaten auf einem Schienensystem um ein Werkzeug herum geführt werden, wobei an den Robotern als Endeffektor ein Faserlegekopf vorgesehen ist, der das Fasermaterial, das dem Faserlegekopf kontinuierlich zugeführt wird, auf das vorgesehene Werkzeug ablegt. Hierdurch wird eine automatisierte Ablage möglich, die zudem auch noch parallel durch mehrere Roboter ausgeführt werden kann.
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Das dem Faserlegekopf bereitgestellte Faserendlosmaterial ist ein Fasermaterial mit einem flachen Profilquerschnitt, wie beispielsweise Towpreg, Slittape, Faserstränge, Rovings sowie Gelege- und Gewebestränge. Das Faserendlosmaterial ist dabei nicht endlos im mathematischen Sinne, sondern im praktischen und weist eine Länge auf, die in der Regel um ein vielfaches größer ist als die Breite oder gar die Dicke des Fasermaterials, beispielsweise Faktor 1000 oder mehr. Das Faserendlosmaterial muss dabei von einem relativ zum Roboter feststehenden Fasermagazin bzw. Faserspeicher zudem im Raum frei bewegbaren Ablegekopf befördert bzw. transportiert werden. Aufgrund der freien Bewegbarkeit des Ablegekopfes im Raum verändert sich während des Ablegens der Fasern dabei allerdings ständig die Distanz und Richtung zwischen dem relativ zum Roboter feststehenden Faserspeicher und dem Ablegekopf, so dass ungewollte Zugkräfte auf das Fasermaterial bzw. Fasermaterialüberschuss (Lose) entstehen können.
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In der
DE 10 2013 108 569 A1 wird zum Zuführen eines Faserendlosmaterials von einem Materialspeicher zu einem Verarbeitungsort eine Faserzuführvorrichtung erwähnt, die aus einer Mehrzahl von einzelnen Segmenten besteht, die mittels einer Spanneinrichtung in eine vorgegebene Richtung gespannt ist. Das Faserendlosmaterial wird dabei entlang der sogenannten Gliederkette über Rollen geführt, wobei durch die fest definierten Abstände zwischen den Rollen aufgrund der einzelnen Segmente der Fasertransportweg immer gleich bleibt.
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Aus der
EP 2 117 818 B1 ist des Weiteren eine Faserlegeeinheit mit einem Faserspeicher, einem Roboter und einem Ablegekopf bekannt, mit dem das Fasermaterial mithilfe eines flexiblen Rohrleitungssystems dem Ablegekopf zugeführt wird. Das Faserendlosmaterial wird dabei von dem Faserspeicher hin zum Ablegekopf mithilfe des flexiblen Rohrleitungssystems transportiert, indem das Faserendlosmaterial im Inneren des Rohrleitungssystems geführt wird. Allerdings ergibt sich hierdurch der Nachteil, dass die Fasern bzw. das Fasermaterial während des Transports der Fasern die Rohrinnenwände berühren können oder sogar an diesen anliegen, wenn sich der Ablegekopf frei im Raum bewegt, wobei insbesondere Torsionsbewegungen des Rohrleitungssystems zu Beschädigungen des Fasermaterials führen können. Dies reduziert jedoch die Effektivität solcher Anlagen drastisch, da durch Beschädigungen des Fasermaterials während des Zuführens des Fasermaterials zum Ablegekopf mehr Bauteilausschuss produziert wird oder die Produktivität aufgrund von Reparaturzeiten sinkt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Faserlegevorrichtung mit einer verbesserten Faserführung zu schaffen, bei der Beschädigungen des Fasermaterials während der Faserzuführung reduziert bzw. ganz vermieden werden können, ohne die Anlagenkomplexität drastisch erhöhen zu müssen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Faserlegevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Faserlegevorrichtung zum Legen von Faserendlosmaterial auf ein Werkzeug vorgeschlagen, wobei die Faserlegevorrichtung einen mehrachsigen Bewegungsautomaten, beispielsweise einen Knickarmroboter, mit einem Faserlegekopf als Endeffektor aufweist. Der Faserlegekopf ist dabei zum Legen des Faserendlosmaterials auf dem Werkzeug ausgebildet.
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Des Weiteren weist die Faserlegevorrichtung eine Faserzuführvorrichtung auf, die zum Zuführen bzw. Fördern des Faserendlosmaterials von einem in Bezug auf den Faserlegekopf feststehenden Faserspeicher hin zu dem durch den Bewegungsautomaten im Raum frei bewegbaren Faserlegekopf während des Legens des Fasermaterials ausgebildet ist. Die Faserzuführvorrichtung weist dabei einen Schlauchabschnitt auf, der eine Mehrzahl von flexiblen Schläuchen hat, die jeweils einen Innendurchgang aufweisen, durch die das Faserendlosmaterial geführt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass an wenigstens einem Ende des Schlauchabschnittes eine Schlauchbefestigungseinrichtung vorgesehen ist, die an dem Bewegungsautomaten befestigt ist und an der die Schläuche mit einem Schlauchende relativ zueinander fest positioniert angeordnet sind, wobei die Schläuche mit ihren Schlauchenden jeweils um eine Achse an der Schlauchbefestigungseinrichtung drehbar gelagert sind. Die Achse, um die die Schläuche an der Schlauchbefestigungseinrichtung drehbar gelagert sind, wird vorteilhafterweise durch den Mittelpunkt des Querschnitts am Schlauchende der jeweiligen Schläuche definiert, mithin also der Mittelpunkt des Querschnitts an der Position, an der die flexiblen Schläuche an der Schlauchbefestigungseinrichtung drehbar gelagert sind. Die Drehachse verläuft dabei durch den Mittelpunkt des Querschnitts und steht insbesondere senkrecht zu dem Querschnitt bzw. parallel zu dem zu fördernden Fasermaterial. Denkbar ist auch, dass die Drehachse koaxial zu einer durch den Mittelpunkt des Querschnitts verlaufenden Achse.
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Die flexiblen Schläuche weisen bevorzugter Weise eine biegsame Seele auf, mit der die flexiblen Schläuche zwar in eine Richtung flexibel biegsam sind, jedoch beispielsweise nur schwer tordiert werden können. Die flexible Seele ist dabei bevorzugter Weise so ausgebildet, dass sie eine Torsion der flexiblen Schläuche um die eigene Achse bevorzugter Weise an jedem Punkt des flexiblen Schlauches entgegenwirkt.
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Durch die drehbare Lagerung der flexiblen Schläuche, vorteilhafterweise in Verbindung mit der Seele, kann die zum Teil sehr starke Torsion der flexiblen Schläuche und damit resultierenden Probleme verringert oder gänzlich eliminiert werden, da bei einer Bewegung des Ablegekopfes dergestalt, dass die flexiblen Schläuche tordieren würden, aufgrund der drehbaren Lagerung eine solche Torsion verhindert wird, da sich nun die flexiblen Schläuche am Anfang und/oder am Ende der Schlauchführung entsprechend der Bewegung des Ablegekopfes drehen.
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Dabei wurde erkannt, dass mit einer Drehung der Schläuche das Fasermaterial ohne Beschädigung innerhalb der flexiblen Schläuche geführt werden kann, wobei ohne eine solche drehbare Lagerung und einer Tordierung der flexiblen Schläuche das im Inneren der flexiblen Schläuche geführte Fasermaterial beschädigt werden würde. Durch die drehbare Lagerung wird eine mögliche Torsion der flexiblen Schläuche hingegen in eine Drehung der Schläuche an der drehbaren Lagerung bewirkt, so dass die flexiblen Schläuche weiterhin gleichbleibend einen möglichen Biegeradius ohne Torsion behalten.
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Vorteilhafterweise ist die Schlauchbefestigungseinrichtung an dem mehrachsigen Bewegungsautomaten vor mindestens einer Bewegungsachse des mehrachsigen Bewegungsautomaten bezüglich der Förderrichtung des Faserendlosmaterials angeordnet, so dass mithilfe der flexiblen Schläuche eine oder mehrere Bewegungsachsen des mehrachsigen Bewegungsautomaten überbrückt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Schlauchbefestigungseinrichtung für jeden flexiblen Schlauch eine Durchführung auf, an der die Schläuche mit dem Schlauchende drehbar gelagert angeordnet sind. Hierzu weisen die flexiblen Schläuche an ihren Enden eine mit den Durchführungen zusammenwirkende Lagereinheit auf, so dass die Schläuche an ihren Schlauchenden an der Schlauchbefestigungseinrichtung reibungsarm drehbar gelagert sind. Die Durchführungen sind so ausgebildet, dass das Faserendlosmaterial durch die Durchführungen in dem Innendurchgang des jeweiligen flexiblen Schlauches oder andersherum durchführbar ist, wenn das Faserendlosmaterial dem Faserlegekopf zum Legen des Fasermaterials zugeführt wird.
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Ist die Schlauchbefestigungseinrichtung am Anfang des Schlauchabschnittes bezüglich der Förderrichtung angeordnet, so wird das Faserendlosmaterial durch die Durchführungen hindurch in den Innendurchgang des jeweiligen flexiblen Schlauches geführt und dann in den flexiblen Schlauch transportiert. Ist die Schlauchbefestigungseinrichtung am Ende des Schlauchabschnittes angeordnet, so wird das Faserendlosmaterial von dem Innendurchgang des jeweiligen flexiblen Schlauches durch die Durchführungen hindurch zum Faserablegekopf transportiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in Bezug auf die Förderrichtung des Faserendlosmaterials vor der Schlauchbefestigungseinrichtung eine Zugkraftminimierungseinrichtung vorgesehen, um die auf das Faserendlosmaterial wirkenden Zugkräfte während des Transports durch die flexiblen Schläuche zu reduzieren oder ggf. gänzlich freizustellen. Hierdurch kann die Reibung an den Innenwänden der flexiblen Schläuche deutlich reduziert werden.
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Die Zugkraftminimierungseinrichtung kann beispielsweise dergestalt sein, dass eine Mehrzahl von Umlenkrollen vorgesehen ist, wobei jedem flexiblen Schlauch mindestens eine Umlenkrolle zugeordnet ist. Die Umlenkrollen sind auf einer drehbar angetriebenen Welle relativ zu dieser Welle drehbar gelagert, so dass die Umlenkrollen in Form einer Rutschkupplung auf der drehbar angetriebenen Welle gelagert werden. Je größer nun die radial in Richtung der Welle wirkende Kraft auf die Umlenkrolle ist, desto größer ist die Reibung zwischen Umlenkrolle und Welle, wodurch umso größer der durch die Umlenkrolle erzeugte Vortrieb ist. Da die radial in Richtung der Welle bewirkende Kraft proportional zu der Zugkraft ist, die auf das Faserendlosmaterial wirkt, kann somit in Abhängigkeit der Zugkraft ein entsprechender Vortrieb generiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Schlauchbefestigungseinrichtung an dem Faserlegekopf angeordnet, so dass die Schlauchbefestigungseinrichtung mit ihren drehbar gelagerten flexiblen Schläuchen bezüglich der kinematischen Kette bzw. bezüglich der Förderrichtung des Faserendlosmaterials nach allen Bewegungsachsen des mehrachsigen Bewegungsautomaten angeordnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sowohl eine Schlauchbefestigungseinrichtung am Anfang des Schlauchabschnittes als auch eine Schlauchbefestigungseinrichtung am Ende des Schlauchabschnittes vorgesehen sind und an beiden Schlauchbefestigungseinrichtungen die flexiblen Schläuche drehbar gelagert sind. Die flexiblen Schläuche können somit vollständig von Torsionskräften freigestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der durch die flexiblen Schläuche definierte Schlauchabschnitt eine Förderlänge von weniger als 50 % bezüglich der durch die gesamte Faserzuführvorrichtung definierten Gesamtförderlänge auf, so dass insbesondere nur ein Teil der Faserzuführvorrichtung entsprechende flexible Schläuche aufweist. Besonders vorzugsweise beträgt die Länge des Schlauchabschnittes 30 % der Gesamtförderlänge und ist insbesondere am Ende der Zuführvorrichtung vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der mehrachsige Bewegungsautomat eine erste Hauptdrehachse auf, mindestens eine weitere, zweite Hauptachse auf sowie mindestens zwei Kopfachsen zur Bewegung des Faserlegekopfes. Gemäß der vorteilhaften Ausführungsform ist die Schlauchbefestigungseinrichtung bezüglich der Förderrichtung vor den mindestens zwei Kopfachsen, vorzugsweise jedoch hinter der mindestens zweiten Hauptachse an dem Bewegungsautomaten angeordnet, so dass der Schlauchabschnitt mit den flexiblen Schläuchen sich bis zum Faserlegekopf erstreckt und so die mindestens zwei Kopfachsen des mehrachsigen Bewegungsautomaten in Form eines Knickarmroboters überbrückt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Schlauchbefestigungseinrichtung an dem steifen Armabschnitt zwischen den Kopfachsen und der zweiten Hauptachse befestigt ist, so dass die flexiblen Schläuche lediglich die drei Kopfachsen, welche die größte Torsionsbewegung verursachen, zu überbrücken brauchen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 – Schematische Darstellung einer Faserlegevorrichtung;
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2 – Schematische Darstellung der Schlauchbefestigungseinrichtung.
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1 zeigt eine Faserlegevorrichtung 10, die einen mehrachsigen Bewegungsautomaten in Form eines Knickarmroboters 11 hat. Am Ende der kinematischen Kette des Knickarmroboters 11 ist als Endeffektor ein Faserlegekopf 12 angeordnet, der das ihm zugeführte Faserendlosmaterial 13 auf einem nicht dargestellten Werkzeug ablegen kann.
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Der dargestellte Knickarmroboter 11 weist insgesamt sechs Bewegungsachsen A1 bis A6 auf, um so den Faserlegekopf 12 in alle drei translatorischen und rotatorischen Bewegungsrichtungen bewegen zu können. Der Knickarmroboter 11 weist hierfür eine erste Hauptdrehachse A1 auf, um die der gesamte Knickarmroboter 11 mit allen in der kinematischen Kette folgenden Achsen A2 bis A6 und dem Faserlegekopf gedreht werden kann. Daran anschließend folgt eine zweite Hauptachse A2 und eine dritte Hauptachse A3, die beide im Wesentlichen parallel bzw. koaxial angeordnet sind. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, dem Faserlegekopf 12 eine translatorische Bewegung ohne rotatorische Anteile zu verleihen. Zwischen der zweiten Hauptachse A2 und der dritten Hauptachse A3 ist ein erster Armabschnitt R1 definiert, während in der kinematischen Kette in Richtung Faserlegekopf nach der dritten Hauptachse A3 folgend ein zweiter Roboterarm R2 definiert ist.
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Des Weiteren weist der Knickarmroboter 11 drei Kopfachsen A4, A5 und A6 auf, mit denen der Faserlegekopf sehr genau gegenüber dem Werkzeug positioniert werden kann. Die erste Kopfachse A4 sowie die dritte Kopfachse A6 steht dabei senkrecht auf der zweiten, in der kinematischen Kette zwischen der ersten und dritten Kopfachse angeordneten Kopfachse A5.
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Des Weiteren weist die Faserlegevorrichtung im Ausführungsbeispiel der 1 einen Faserspeicher 14 auf, in dem das Fasermaterial bzw. Faserendlosmaterial 13 bereitgestellt wird. Mithilfe einer Faserzuführvorrichtung 15 wird dann das Faserendlosmaterial 13 von dem feststehenden Fasermagazin bzw. Faserspeicher 14 zum Faserlegekopf 12 transportiert, um so das Fasermaterial auf dem nicht dargestellten Werkzeug ablegen zu können.
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In Bezug auf die kinematische Kette, die von der ersten Hauptdrehachse A1 in Richtung der letzten Kopfachse A6 definiert ist, befindet sich nach der dritten Hauptachse A3 und vor der ersten Kopfachse A4 an dem zweiten Roboterarm R2 eine Schlauchbefestigungseinrichtung 16, die an dem zweiten Roboterarm R2 fest angeordnet ist. An der Schlauchbefestigungseinrichtung 16 sind eine Mehrzahl von flexiblen Schläuchen 17 angeordnet, die mit dem einen Ende an der Schlauchbefestigungseinrichtung 16 einerseits und mit dem anderen Ende an dem Faserlegekopf 12 angeordnet sind. Das Faserendlosmaterial 13 wird dabei über Umlenkrollen einer Zugkraftminimierungseinrichtung 18 gelenkt und dann in den Innendurchgang der einzelnen flexiblen Schläuche 17 geführt, so dass das Faserendlosmaterial 13 durch den Innendurchgang der flexiblen Schläuche 17 zum Faserlegekopf 12 transportiert wird. Die flexiblen Schläuche 17 überbrücken dabei die drei Kopfachsen A4, A5 und A6, wobei die Schlauchbefestigungseinrichtung 16 nach der dritten Hauptachse A3 an den Roboter angeordnet ist.
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Die einzelnen flexiblen Schläuche 17 sind dabei an der Schlauchbefestigungseinrichtung drehbar (gezeigt durch die Pfeile in 2) angeordnet, wodurch beispielsweise eine Tordierung der flexiblen Schläuche 17 bei einer Drehung des Faserlegekopfes 12 in die dritte Kopfachse A6 reduziert oder gänzlich eliminiert werden kann.
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Durch die Verwendung der flexiblen Schläuche 17 kann erreicht werden, dass der Abstand zwischen dem Faserlegekopf 12 einerseits und der Schlauchbefestigungseinrichtung 16 andererseits in Bezug auf den Förderweg des Faserendlosmaterials auch bei einer Bewegung des Faserlegekopfes basierend auf einer Drehung der Kopfachsen A4 bis A6 immer gleich bleibt, so dass Materiallose und Zugkräfte reduziert werden können. Gleichzeitig ist der Anteil der flexiblen Schläuche 17 an der Gesamttransportlänge auf die Überbrückung der Kopfachsen reduziert, wodurch Reibung an den Innenseiten der flexiblen Schläuche 17 auf ein Minimum beschränkt werden kann.
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2 zeigt schematisch die Schlauchbefestigungseinrichtung 16 in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht (rechte Seite). Auf der linken Seite ist die Schlauchbefestigungseinrichtung 16 in einer Draufsicht zu erkennen, wobei hier Durchführungen 19 vorgesehen sind, in denen die Schlauchenden der flexiblen Schläuche drehbar gelagert sind. In der Draufsicht der Schlauchbefestigungseinrichtung 16 (linke Seite) würden somit die flexiblen Schläuche aus der Betrachtungsebene herausragen. Die flexiblen Schläuche sind dabei um eine Achse drehbar gelagert, die den Mittelpunkt des Querschnitts bildet, der an der Position der flexiblen Schläuche vorliegt, an der die flexiblen Schläuche an der Durchführung 19 mithilfe einer Lagerung drehbar gelagert sind.
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Auf der rechten Seite ist eine Seitenansicht zu erkennen, wobei eine Lagerung 20 zu erkennen ist, die in den Durchführungen 19 vorgesehen ist und mit dem Schlauchende der flexiblen Schläuche 17 in Eingriff steht, so dass sich die flexiblen Schläuche 17 im Bereich der Durchführungen 19 um die eigene Achse drehen können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Faserlegevorrichtung
- 11
- Knickarmroboter/Bewegungsautomat
- 12
- Faserlegekopf
- 13
- Faserendlosmaterial
- 14
- Faserspeicher
- 15
- Faserzuführvorrichtung
- 16
- Schlauchbefestigungseinrichtung
- 17
- flexible Schläuche
- 18
- Zugkraftminimierungseinrichtung
- 19
- Durchführungen
- 20
- Lagerung
- A1
- Hauptdrehachse
- A2
- zweite Hauptachse
- A3
- dritte Hauptachse
- A4
- erste Kopfachse
- A5
- zweite Kopfachse
- A6
- dritte Kopfachse
- R1
- erster Roboterarm
- R2
- zweiter Roboterarm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015027 B4 [0004]
- DE 102013108569 A1 [0006]
- EP 2117818 B1 [0007]
- DE 102013109170 B3 [0008]
