DE102016107920A1

DE102016107920A1 - Faserlegekopf und Verfahren zum Legen von Fasermaterial

Info

Publication number: DE102016107920A1
Application number: DE102016107920.0A
Authority: DE
Inventors: Yannis Grohmann; Pascal Riederer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02
Also published as: ES2640142R1; FR3050681B1; ES2640142A2; FR3050681A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf und Verfahren zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei mithilfe einer elektrostatischen Entladeeinrichtung eine elektrostatische Aufladung des bandförmigen Fasermaterials und eines Führungselementes neutralisiert wird und/oder mithilfe einer elektrostatischen Aufladeeinrichtung das Fasermaterial und ein Führungselement elektrostatisch aufgeladen wird, wobei die elektrostatische Aufladung gleichpolig erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft ebenso eine Faserlegeanlage mit einem Roboter und dem erfindungsgemäßen Faserlegekopf. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Der Hauptbestandteil von Faserverbundbauteilen ist ein Faserverbundwerkstoff, der zwei wesentliche Bestandteile aufweist: Ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial. Durch Aushärten des Matrixmaterials, mit dem das Fasermaterial durchsetzt ist (man spricht auch von Imprägnierung oder Tränkung), kann das entsprechende Bauteil hergestellt werden, wobei das Fasermaterial dann integraler Bestandteil des Matrixmaterials, meist ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff, wird.
Da nach dem Aushärten des Matrixmaterials die Form des Bauteils nicht mehr veränderbar ist, muss das Fasermaterial im nicht ausgehärteten Zustand des Matrixmaterials in die entsprechende Bauteilform gebracht werden. Hierfür wird das Fasermaterial in der Regel auf einem Werkzeug mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche abgelegt, wobei die formgebende Werkzeugoberfläche zumindest teilweise ein Negativ der späteren herzustellenden Bauteilform darstellt.
Je nach Bauteilgröße und Komplexität der Bauteilgeometrie stellt das Ablegen des Fasermaterials auf dem Bauteil einen der zeitintensivsten und technisch anspruchsvollsten Prozessschritte in dem gesamten Herstellungsprozess dar. Gerade die Faserablage von Großbauteilen wird dabei zunehmend automatisiert, um den Prozess des Legens der Fasern zu optimieren. Aus der DE 10 2010 015 027 ist beispielsweise eine Faserlegeanlage bekannt, bei der um ein Werkzeug herum ein Schienensystem angeordnet ist, auf dem Roboter geführt werden, die als Endeffektor einen Faserlegekopf aufweisen, mit dem quasiendloses Fasermaterial auf dem in der Mitte angeordneten Werkzeug automatisiert ablegbar ist.
In den Faserlegeköpfen wird das quasiendlose Fasermaterial, das beispielsweise Rovings sein können, meist mithilfe von zwei Rollen gefördert, die sich jeweils in entgegengesetzter Richtung drehen und ein zwischen den beiden Rollen geführtes Fasermaterial in eine Förderrichtung fördern. Insbesondere bei Glasfasermaterial (beispielsweise Glasfaserrovings) ist oft eine Brüchigkeit der einzelnen Fasern vorhanden, so dass kleine Faserteile des Fadens abstehen. Wird der Faden nun durch die beiden gegensinnig drehenden Rollen hindurchgeführt, so kommt es in der Praxis nicht selten vor, dass die abstehenden Faserteile an der Rolle haften und somit Teile des Fasermaterials um eine der Rollen gewickelt wird. Durch diese Umwicklung kann der gesamte Legeprozess nicht mehr fortgesetzt werden, was zu einer Unterbrechung des Legeprozesses führt, um die Umwicklung zu beheben. Diese Umwicklung zu beheben ist dabei oft sehr aufwendig, da die Rollen schlecht zugänglich sind und meist sehr kompakt innerhalb des Faserlegekopfes angeordnet sind. Lange Standzeiten sind dann die Folge, was die Rentabilität derartiger automatisierter Faserlegeanlagen deutlich reduziert.
Aus der DE 100 12 378 A1 ist ein Verfahren zur Anhaftung von faserverstärkten Thermoplastbändern auf einer Werkzeugplattform bekannt, wobei die Werkzeugplattform mit einem elektrischen Potential einerseits und das Fasermaterial mit einem gegenpoligen elektrischen Potential andererseits aufgeladen wird, wodurch aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft das Fasermaterial bei der Erstablage auf dem Werkzeug haftet. Dies ist dann sinnvoll, wenn das Fasermaterial selber keine ausreichende Klebrigkeit mit sich bringt und somit nicht von alleine auf der glatten Werkzeugoberfläche haftet.
Aus der DE 10 2012 017 593 A1 ist des Weiteren ein Ablegekopf und Ablegeverfahren zum automatisierten Ablegen von Zuschnitten eines flächigen Materials bekannt, wobei das flächige Fasermaterial, das zur Herstellung eines Faserverbundbauteils auf einem Werkzeug abgelegt werden soll, auf einem Trägermaterial bereitgestellt wird. Mithilfe einer elektrostatischen Endladeeinrichtung wird das Fasermaterial und das Trägermaterial zunächst elektrostatisch entladen, um es so für einen darauf folgenden elektrostatischen Aufladungsprozess vorzubereiten. Bei diesem darauf folgendem elektrostatischen Aufladungsprozess werden das Fasermaterial und das Trägermaterial gegenpolig zueinander elektrostatisch aufgeladen, wodurch sich das Fasermaterial und das Trägermaterial einander anziehen. Hierdurch soll insbesondere erreicht werden, dass auch ein weniger klebriges bis hin zu gar nicht klebrigem Fasermaterial durch einen Faserlegekopf auf einem Trägermaterial transportiert und gefördert werden kann, ohne dass sich das Fasermaterial von dem Trägermaterial ablöst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf und ein verbessertes Verfahren zum Legen von Fasermaterial anzugeben, mit dem insbesondere brüchiges Fasermaterial, wie beispielsweise Glasfasermaterial, abgelegt werden kann, ohne dass sich die abstehenden, brüchigen Faserteile um die Führungs- oder Förderrollen wickeln und somit den gesamten Prozess zum Stillstand bringen.
Die Aufgabe wird mit einem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren zum Legen von Fasermaterial gemäß Anspruch 11 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Faserlegekopf zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, wobei der Faserlegekopf gattungsgemäß zum Verarbeiten eines Fasermaterials als einen der Bestandteile eines Faserverbundwerkstoffes vorgesehen ist. Mithilfe eines solchen Faserlegekopfes lassen sich beispielsweise Fasermaterialien auf einem formgebenden Werkzeug ablegen oder einem solchen formgebenden Werkzeug zuführen, um so dem Fasermaterial zumindest teilweise die spätere Bauteilform zu verleihen.
Ein quasiendloses Fasermaterial ist dabei ein Fasermaterial als Bestandteil eines Faserverbundbauwerkstoffes zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das als quasiendlose Meterware meist aufgewickelt auf Spulen dem Faserlegekopf bereitgestellt wird. Ein wichtiges Merkmal eines solchen quasiendlosen Fasermaterials ist dabei die Tatsache, dass das Verhältnis der Länge des Fasermaterials zur Dicke oder Breite des Fasermaterials sehr groß ist, wobei bei einem quasiendlosen Fasermaterial mindestens von einer Länge von mehr als 1 m, vorzugsweise mehr als 10 m, ausgegangen wird. Die Breite des Fasermaterials beträgt dabei bei schmalen Bändern in der Regel weniger als 10 cm, bei breiteren Bändern schon mal 25 oder 30 cm. Das quasiendlose Fasermaterial kann dabei bandförmig oder fadenförmig sein.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem quasiendlosen Fasermaterial um mehrere Kilometer lange Glasfaserrovings, die auf entsprechenden Spulen aufgewickelt sind. Die Glasfaserrovings können dabei wenige Millimeter bis hin zu 1–2 cm breit sein. In der Industrie weit verbreitet sind 300 Tex Rovings bis 9600 Tex Rovings. Die 300 Tex Rovings sind dabei beispielsweise nur 1–2 mm breit und meist sehr flach (bändchenförmig bzw. bandförmig). Im Gegensatz dazu können die 9600 Tex Rovings bis zu 1–2 cm breit und flach gestreckt sein.
Unter „quasiendlos“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei kein endloses Material im mathematischen Sinne verstanden, sondern ein quasiendloses Material, das über eine vorgegebene Zeitdauer kontinuierlich gefördert und abgelegt werden kann, und zwar solange, bis der Faserspeicher leer ist. Der Begriff „quasiendlos“ bezieht sich dabei auf das gesamte Fasermaterial an sich, wobei nicht zwangsläufig damit gemeint sein muss, dass das Fasermaterial einen durchgehenden, quasiendlosen Faden bzw. eine quasiendlose Faser hat.
Der Faserlegekopf weist gattungsgemäß eine Fasermaterial-Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen des Fasermaterials auf, wobei dies beispielsweise durch einen integrierten Faserspeicher einerseits oder durch eine Zuführkinematik andererseits realisiert werden kann, mit der dem Faserlegekopf von außen von dem Fasermaterialspeicher das Fasermaterial zugeführt wird. Bei roboterbasierten Faserlegeanlagen, bei denen der Faserlegekopf vorteilhafterweise Anwendung findet, wird meist ein feststehender Faserspeicher verwendet, innerhalb dessen das quasiendlose Fasermaterial aufbewahrt wird. Über eine Führungseinrichtung wird dann das Fasermaterial von dem Faserspeicher hin zum Faserlegekopf als Endeffektor transportiert.
Der Faserlegekopf weist gattungsgemäß eine Andruckeinrichtung zum Legen und Andrücken des Fasermaterials auf ein Werkzeug auf, wobei eine solche Andruckeinrichtung beispielsweise eine Andruckrolle sein kann.
Des Weiteren weist der Faserlegekopf eine aktive oder passive Fördereinrichtung zum kontinuierlichen Fördern des durch die Fasermaterial-Bereitstellungseinrichtung bereitgestellten Fasermaterials in eine Förderrichtung zu der Andruckeinrichtung, um so das Fasermaterial zur Andruckeinrichtung innerhalb des Faserlegekopfes transportieren zu können. Handelt es sich um eine passive Fördereinrichtung, so weist die Fördereinrichtung mindestens ein Führungselement auf, an dem das Fasermaterial bei der kontinuierlichen Förderung kontaktbehaftet entlang geführt wird, um es so entlang einer vorgegebenen Förderstrecke zu bewegen. Bei einer aktiven Fördereinrichtung ist weiterhin noch ein Vorschubelement vorgesehen, um eine Vorschubkraft auf das Fasermaterial zur aktiven Förderung in Förderrichtung aufzubringen. In dieser Form kann das Führungselement dann beispielsweise eine derartige Vorschubeinheit sein, was beispielsweise mithilfe zweier gegensinnig rotierender Rollen, durch die das Fasermaterial hindurchgeführt wird, realisiert werden kann. Eine Vorschubeinheit ist dabei immer auch ein Führungselement.
Erfindungsgemäß weist der Faserlegekopf bzw. die Fördereinrichtung eine elektrostatische Endladeeinrichtung und/oder eine elektrostatische Aufladeeinrichtung auf.
Ist eine elektrostatische Endladeeinrichtung vorgesehen, so ist diese innerhalb des Faserlegekopfes bzw. der Fördereinrichtung so angeordnet und vorgesehen, dass eine elektrostatische Aufladung des Fasermaterials vor mindestens einem der Führungselemente in Bezug auf die Förderrichtung sowie eine elektrostatische Aufladung des mindestens einen Führungselementes neutralisiert werden kann. Mithilfe der elektrostatischen Entladeeinrichtung wird somit sowohl eine elektrostatische Aufladung des Fasermaterials als auch eine elektrostatische Aufladung des Führungselementes zeitgleich neutralisiert, wodurch ein Anhaften basierend auf einer elektrostatischen Aufladung beider Elemente vermieden werden kann, wodurch das Umwickeln von brüchigen Faserteilen um die als Rollen ausgebildeten Führungselemente verhindert werden kann.
Dabei wurde erkannt, dass während des Förderprozesses und dem kontinuierlichen Bewegen des Fasermaterials mithilfe einer elektrostatischen Endladeeinrichtung sowohl das Fasermaterial als auch das Führungselement gleichzeitig elektrostatisch entladen werden können, um so eine elektrostatische Aufladung zu neutralisieren, wodurch der negative Effekt des Anhaftens der an dem Führungselement kontaktbehaftet entlang geführten Fasermaterial vermieden werden kann.
Eine derartige elektrostatische Entladeeinrichtung kann beispielsweise durch eine Ionisierung der umgebenden Luft erfolgen.
Unter einem „Neutralisieren“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei verstanden, dass die durch die elektrostatische Aufladung hervorgerufenen negativen Auswirkungen reduziert oder gänzlich unwirksam gemacht werden. Unter dem „Neutralisieren“ wird insbesondere verstanden, dass die elektrostatische Aufladung reduziert oder gänzlich eliminiert wird.
Des Weiteren kann erfindungsgemäß eine elektrostatische Aufladeeinrichtung vorgesehen sein, die alternativ oder zusätzlich zu der elektrostatischen Entladeeinrichtung vorgesehen sein kann. Ist die elektrostatische Aufladeeinrichtung zusätzlich zu der elektrostatischen Entladeeinrichtung in dem Faserlegekopf vorgesehen, so bezieht sich die elektrostatische Aufladeeinrichtung auf ein anderes Führungselement als jenes, das mit der elektrostatischen Entladeeinrichtung zusammenwirkt.
Die elektrostatische Aufladeeinrichtung ist dabei zum elektrostatischen Aufladen des bandförmigen Fasermaterials vor dem mindestens einen Führungselement sowie zum elektrostatischen Aufladen des mindestens einen Führungselementes zeitgleich ausgebildet, wobei die elektrostatische Aufladung derart erfolgt, dass die elektrische Polung der elektrostatischen Aufladung sowohl des Fasermaterials als auch des mindestens einen Führungselementes gleich ist.
Durch die gleiche elektrische Polung wird erreicht, dass sich das Fasermaterial und das Führungselement einander abstoßen, wobei auch hierdurch der durch die Brüchigkeit der Fasern hervorgerufene negative Effekt des Umwickelns eliminiert werden kann. Dabei wurde erkannt, dass die durch die gleichpolige elektrostatische Aufladung hervorgerufene Abstoßung des Fasermaterials von dem Führungselement dazu führt, dass abstehende, brüchige Faserteile nicht um eine Rolle als Führungselement umwickelt werden. Die abstoßenden Kräfte sind dabei jedoch nicht dergestalt, dass das Fasermaterial nicht mehr kontaktbehaftet an dem Führungselement entlang geführt wird, da die aufgrund der Zugspannung aufgebrachte Andruckkraft an das Führungselement stets größer ist als die abstoßenden Kräfte basierend auf der elektrostatischen Aufladung.
Unter einer gleichen elektrischen Polung der elektrostatischen Aufladung wird dabei verstanden, dass das Fasermaterial und das Führungselement gemeinsam entweder elektrisch positiv oder elektrisch negativ aufgeladen werden.
Dabei wurde erkannt, dass das Hauptproblem die Wälzkontakte zwischen als Walzen aufgeführten Führungselementen darstellt, die meist als flexible Gummirolle und einer starren Gegenrolle ausgebildet sind. Das Material wird dann durch den Antrieb einer der beiden Rollen gefördert, was das Problem der elektrostatischen Aufladung verstärkt.
Das Problem der elektrostatischen Aufladung wird noch dadurch verstärkt, dass sich die aktiv angetriebenen Vorschubrollen meist schneller drehen als das Fasermaterial transportiert wird, wodurch zwischen der Vorschubrolle und dem Fasermaterial Reibung entsteht, die eine elektrostatische Aufladung begünstigt.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, neben Karbonfasern auch zum Teil brüchige Glasfasern automatisiert abzulegen, ohne dass hier die negativen Effekte in Bezug auf die Brüchigkeit der Fasern sich negativ in der Anlagenrentabilität niederschlagen. Insbesondere unbehandelte Glasfaserrovings lassen sich mithilfe der vorliegenden Technologie nunmehr auch automatisiert im Fiber Placement-Prozess ablegen. Darüber hinaus lassen sich mithilfe des erfindungsgemäßen Faserlegekopfes auch Fasergelege, Fasermatten sowie Fasergewebe, insbesondere Glasfasergelege, Glasfasermatten und Glasfasergewebe, automatisiert ablegen.
In einer Ausführungsform wird die Andruckeinrichtung durch mindestens ein Führungselement der Fördereinrichtung gebildet, so dass sich die elektrostatische Entladeeinrichtung oder die elektrostatische Aufladeeinrichtung direkt auf die Andruckeinrichtung, beispielsweise eine Andruckrolle, und das entsprechende kontinuierlich geförderte Fasermaterial davor, beziehen. Handelt es sich um eine elektrostatische Aufladeeinrichtung, so kann hier ein weiterer Effekt erzielt werden, indem das Werkzeug, insbesondere die formgebende Werkzeugoberfläche gegenpolig zu dem Fasermaterial und der Andruckeinrichtung elektrostatisch aufgeladen wird, wodurch ein Anhaften der abzulegenden Fasermaterialien auf dem Werkzeug verbessert wird.
Alternativ hierzu ist es aber auch denkbar, dass die elektrostatische Entladeeinrichtung zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung des von dem mindestens einen Führungselement verschiedener Andruckeinrichtung ausgebildet ist, so dass neben einer elektrostatischen Entladung des Fasermaterials und des Führungselementes auch zusätzlich noch die Andruckeinrichtung separat elektrostatisch entladen wird. Hierdurch können elektrostatische Aufladungen der Andruckrolle eliminiert werden, die sich möglicherweise negativ auf den Ablegeprozess auswirken.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn neben dem Führungselement und dem Fasermaterial vor dem Führungselement und neben der Andruckeinrichtung auch eine Neutralisation einer elektrostatischen Aufladung des Fasermaterials vor der Andruckeinrichtung, aber nach dem Führungselement, das ebenfalls elektrostatisch neutralisiert ist, bewirkt wird, so dass die elektrostatische Entladeeinrichtung an mindestens zwei Stellen innerhalb der Förderstrecke eine Neutralisation der elektrostatischen Aufladung von Fasermaterial und Führungselement/Andruckeinrichtung bewirkt. Hierdurch lässt sich eine elektrostatische Aufladung, die aufgrund der in dem Faserlegekopf bei der Förderung des Fasermaterials auftretenden Reibung zwischen dem neutralisierten Führungselement einerseits und der Andruckeinrichtung andererseits vor der Andruckeinrichtung ebenfalls eliminieren, um so elektrostatische Aufladungen im gesamten Förderprozess weitgehend zu vermeiden.
Vorteilhafterweise ist die elektrostatische Entladeeinrichtung dabei so ausgebildet, dass jedes Führungselement und das entsprechende Fasermaterial vor dem jeweiligen Führungselement elektrostatisch neutralisiert wird, einschließlich der Andruckeinrichtung und dem Fasermaterial davor.
Ist eine elektrostatische Aufladeeinrichtung vorgesehen, so kann diese so ausgebildet sein, dass die von dem mindestens einen Führungselement verschiedene Andruckeinrichtung elektrostatisch aufgeladen wird, wobei gleichzeitig das Fasermaterial vor der Andruckeinrichtung, aber nach dem mindestens einen Führungselement ebenfalls elektrostatisch aufgeladen wird, wobei die elektrostatische Aufladung des bandförmigen Fasermaterials und der Andruckeinrichtung gleichpolig ist. Diese Ausführungsform spielt ihren entscheidenden Vorteil dann aus, wenn die formgebende Werkzeugoberfläche des Werkzeuges, auf dem das bandförmige Fasermaterial abgelegt wird, gegenpolig aufgeladen wird, wodurch einerseits das Fasermaterial von der Andruckeinrichtung abgestoßen und andererseits von der formgebenden Werkzeugoberfläche angezogen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mindestens zwei Führungselemente vorgesehen, nämlich ein erstes Führungselement und wenigstens ein zweites Führungselement, wobei eines der Führungselemente auch die Andruckeinrichtung sein kann. Auf das erste Führungselement ist dabei die elektrostatische Entladevorrichtung zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung des ersten Führungselementes und des Fasermaterials vor dem ersten Führungselement ausgerichtet, wodurch hierdurch eine elektrostatische Aufladung entsprechend im weiteren Prozess neutralisiert wird.
In Bezug auf das zweite Führungselement und dem davor liegenden Faserbereich ist die elektrostatische Aufladeeinrichtung ausgerichtet, so dass das zweite Führungselement und das Fasermaterial vor dem zweiten Führungselement gleichpolig elektrostatisch aufgeladen wird.
So ist es beispielsweise denkbar, dass das erste Führungselement in Bezug auf die Förderrichtung vor dem zweiten Führungselement in der Förderstrecke vorgesehen ist, vorzugsweise am Beginn der Förderstrecke innerhalb des Faserlegekopfes, so dass zunächst eine entsprechende elektrostatische Aufladung neutralisiert und somit im weiteren Prozess freigestellt ist. Das zweite Führungselement kann dabei die Andruckeinrichtung sein, die dann entsprechend elektrostatisch zusammen mit dem Fasermaterial gleichpolig aufgeladen wird, wobei die Werkzeugoberfläche gegenpolig aufgeladen ist, wodurch ein Abstoßen des Fasermaterials von der Andruckeinrichtung einerseits und ein Haften des Fasermaterials an der Werkzeugoberfläche andererseits bewirkt werden kann.
Hierdurch wird erreicht, dass in der gesamten Fördereinrichtung eine elektrostatische Aufladung neutralisiert ist, bis das Fasermaterial zur Andruckeinrichtung gelangt und dort entsprechend elektrostatisch aufgeladen wird.
Vorteilhafterweise ist die Andruckeinrichtung eine Andruckrolle bzw. Andruckwalze und ist entsprechend drehbar gelagert. Die Führungselemente können dabei ebenfalls als Rolle oder Walze ausgebildet sein, vorteilhafterweise in Form eines Führungsrollenpaares bestehend aus mindestens zwei gegensinnig rotierenden Rollen oder Walzen, zwischen denen dann das Fasermaterial hindurchgeführt wird.
Zwischen der Andruckeinrichtung und einem der Führungselemente ist vorteilhafterweise eine Schneidvorrichtung zum Durchtrennen des quasiendlosen Fasermaterials angeordnet, so dass mehrere nebeneinanderliegende bandförmige Streifen auf der Werkzeugoberfläche ablegbar sind.
Die Erfindung betrifft im Übrigen auch eine Faserlegeanlage zum automatisierten Legen von quasiendlosen Fasermaterial auf einem Werkzeug mit einem Bewegungsautomaten, beispielsweise einem Roboter, an dessen einen Ende der kinematischen Kette als Endeffektor ein Faserlegekopf der vorstehend beschriebenen Art angeordnet ist. Dem Faserlegekopf wird mithilfe einer Führungseinrichtung ein quasiendloses Fasermaterial, das in einem Faserspeicher vorgehalten wird, bereitgestellt und zwar während der Bewegung des Roboters.
Die Faserlegeanlage kann dabei so ausgebildet sein, dass mithilfe der elektrostatischen Aufladeeinrichtung die formgebende Werkzeugoberfläche des Werkzeuges elektrostatisch aufgeladen wird, und zwar mit einer elektrischen Polung, die gegenteilig zu der elektrostatischen Aufladung innerhalb des Faserlegekopfes ist.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial zur Herstellung eines Faserverbundbauteils auf einem Werkzeug gemäß Anspruch 11 gelöst, wobei das quasiendlose Fasermaterial beim Legen auf das Werkzeug kontaktbehaftet an einem Führungselement innerhalb einer Fördereinrichtung entlang geführt wird. Mittels einer elektrostatischen Entladeeinrichtung wird dabei eine elektrostatische Aufladung des Fasermaterials vor dem Führungselement in Bezug auf die Fördereinrichtung einerseits und eine elektrische Aufladung des Führungselementes selbst andererseits neutralisiert, um so ein Anhaften des Fasermaterials an dem Führungselement zu vermeiden.
Alternativ oder zusätzlich wird mittels einer elektrostatischen Aufladeeinrichtung das Fasermaterial vor dem Führungselement in Bezug auf die Förderrichtung und das Führungselement selbst elektrostatisch aufgeladen, wobei die elektrostatische Aufladung des Fasermaterials und des Führungselementes die gleiche elektrische Polung aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass sich die beiden Elemente gegenseitig abstoßen, wodurch ebenfalls ein Anhaften des Fasermaterials an dem Führungselement verhindert wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 – Darstellung einer Problemstelle innerhalb eines Faserlegekopfes bei brüchigem Fasermaterial;
2 – schematische Darstellung eines Ausschnittes eines Faserlegekopfes mit einer elektrostatischen Entladeeinrichtung;
3 – Ausführungsbeispiel der 2 zusätzlich mit einer elektrostatischen Aufladeeinrichtung.
1 zeigt eine Problemstelle innerhalb eines Faserlegekopfes bei der Förderung eines Fasermaterials 1, das in Förderrichtung R_F entlang eines Führungselementes 2, das in Form einer Rolle oder Walze 3 ausgebildet ist, kontaktbehaftet entlanggeführt wird. Aufgrund des kontaktbehafteten Entlangführens des Fasermaterials 1 an der Rolle 3 wird das Fasermaterial umgelenkt und ggf. durch einen Antrieb (nicht dargestellt) in Förderrichtung R_F gefördert, d.h. mit einer entsprechenden Förderkraft beaufschlagt.
Aufgrund des Kontaktes des Fasermaterials 1 mit der Rolle 3 entsteht Reibung zwischen dem Fasermaterial 1 und der Rolle 3, wodurch sich sowohl das Fasermaterial als auch die Rolle 3 elektrostatisch aufladen kann. Dabei kommt es zu einer Ladungstrennung, wodurch das Fasermaterial 1 eine gegenpolige Aufladung zu der Aufladung der Rolle 3 erfährt. Aufgrund dieser gegenpoligen Aufladung des Fasermaterials 1 (beispielsweise elektrisch positiv) und der Rolle 3 (beispielsweise elektrisch negativ) kommt es zu dem Effekt, dass das Fasermaterial 1 an die Rolle 3 angezogen wird, d.h. eine Kraft von dem Fasermaterial 1 in Richtung der Rolle 3 ausgeübt wird.
Handelt es sich bei dem Fasermaterial 1 beispielsweise um ein sehr brüchiges Fasermaterial, welches kleine Fehlstellen aufweist, so kann dies dazu führen, dass diese Faserteile 1a aus der Ebene des Fasermaterials 1 abstehen oder aus dieser Ebene heraus bewegbar sind. Wird ein solcher Bereich mit einem abstehenden Faserteil 1a an einer elektrostatisch gegenpolig aufgeladenen Rolle 3 entlanggeführt, so kann es dazu kommen, dass die elektrostatische Anziehungskraft F_{elektrostatisch} größer ist als die Kraft F_eigen, die aufgrund der Eigenspannung des Materials den Faserteil in Richtung Fasermaterial drücken möchte. Dies führt dazu, dass der Faserteil 1a an die Rolle 3 angezogen und bei weiterer Förderung um diese herumgewickelt wird, wodurch sich Teile des gesamten quasiendlosen Fasermaterials auf die Rolle 3 aufwickeln. Stillstand des gesamten Ablegeprozesses ist dann die Folge.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Faserlegekopf 10, dem ein quasiendloses Fasermaterial 1 zugeführt wird. Das Fasermaterial 1 wird dabei an einem ersten Führungselement 11 kontaktbehaftet entlanggeführt, wobei das erste Führungselement 11 ein aus zwei Rollen gebildetes Rollenpaar ist, das gegensinnig rotiert und zwischen denen das Fasermaterial 1 hindurchgeführt wird. Dieses erste Führungselement 11 kann dabei aktiv angetrieben sein, wodurch eine Förderung des Fasermaterials in Förderrichtung R_F bewirkt wird. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn, wie in 2 gezeigt, in Förderrichtung R_F nachfolgend eine Schneideinrichtung 13 vorgesehen ist, die zum Durchtrennen des Fasermaterials 1 ausgebildet ist. Nach dem Durchtrennen des Fasermaterials 1, beispielsweise am Ende einer Ablegebahn, kann mithilfe einer aus dem Führungselement 11 gebildeten Vorfördereinheit dann die Förderung des Fasermaterials 1 wieder aufgenommen werden.
Als ein zweites Führungselement 12 ist des Weiteren eine Andruckrolle 14 vorgesehen, an der ebenfalls das Fasermaterial 1 kontaktbehaftet entlanggeführt wird. Mithilfe der Andruckrolle 14 wird dabei das Fasermaterial auf ein Werkzeug 15 gedrückt, um es dort zur Herstellung einer Preform abzulegen.
Erfindungsgemäß weist der Faserlegekopf im Ausführungsbeispiel der 2 eine elektrostatische Entladeeinrichtung 20 auf, mit der eine elektrostatische Aufladung des Fasermaterials 1 vor dem ersten Führungselement 11 und eine elektrostatische Aufladung des ersten Führungselementes 11 selber neutralisiert werden, um so ein Anhaften des Fasermaterials 1 an den Rollen des ersten Führungselementes 11 zu verhindern. Mithilfe der elektrostatischen Entladung des Fasermaterials einerseits und des Führungselementes andererseits wird eine Ladungstrennung basierend auf dem kontaktbehafteten Entlangführen des Fasermaterials 1 an dem ersten Führungselement 11 verhindert oder zumindest reduziert, wodurch eine elektrostatische Aufladung vermieden wird, die dazu führt, dass das Fasermaterial, insbesondere einzelne, abstehende Faserteile, an die Rollen des Führungselementes 11 angezogen und von diesen umwickelt werden.
Mit Blick auf die 1 bedeutet dies, dass die Kraft F_{elektrostatisch} kleiner ist als die Eigenspannungskraft F_eigen oder gänzlich eliminiert wird, so dass sich die abstehenden Faserteile 1a nicht um die Rolle wickeln können.
Zusätzlich zum Ausführungsbeispiel der 2 ist es denkbar, dass eine weitere elektrostatische Entladeeinrichtung 21 vorgesehen ist, welche eine elektrostatische Aufladung der Andruckrolle 14 neutralisiert, um hier ebenfalls die durch die elektrostatische Aufladung bedingten Probleme beim Ablegen der Fasern vermeiden zu können.
Einer der kritischsten Prozessschritte ist dann gegeben, wenn die Schneidvorrichtung 13 das Fasermaterial vor der Andruckrolle durchtrennt, um so beispielsweise den Faserlegekopf von bereits abgelegtem Fasermaterial zu trennen und so eine Neuausrichtung des Faserlegekopfes an einer neuen Ablegeposition zu ermöglichen. Das aus den beiden Rollen gebildete Rollenpaar des ersten Führungselementes 11 muss dann das Fasermaterial 1 gegen die Zugspannung wieder zu der Andruckrolle 14 transportieren bzw. fördern, damit das Fasermaterial an den neuen Positionen erneut abgelegt werden kann. Zwischen den Rollen des ersten Führungselementes 11 entsteht dabei eine nicht unerhebliche Reibung, die dann zu der elektrostatischen Aufladung führt.
3 zeigt eine Sonderform des Ausführungsbeispiels der 2, bei der keine weitere elektrostatische Entladeeinrichtung 21 vorgesehen ist, sondern an der Andruckrolle 14 eine elektrostatische Aufladevorrichtung 22 vorgesehen ist, mit der sowohl das Fasermaterial 1 einerseits als auch die Andruckrolle 14 andererseits gleichpolig elektrostatisch aufgeladen werden können. Im Ausführungsbeispiel der 3 wird sowohl das Fasermaterial 1 als auch die Andruckrolle 14 elektrisch positiv aufgeladen. Dies führt dazu, dass das Fasermaterial von der Andruckrolle 14 an sich abgestoßen wird, wodurch ebenfalls verhindert wird, dass sich Faserteile um die Andruckrolle 14 wickeln.
Mit Blick auf die 1 bedeutet dies konkret, dass zusätzlich zu der Eigenspannungskraft F_eigen eine Kraft in dieselbe Richtung F_{elektrostatisch} wirkt, so dass die Gesamtkraft in Richtung Andruckrolle 14 verstärkt wird und das Risiko des Umwickelns erhöht wird.
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist des Weiteren eine elektrostatische Aufladeeinrichtung 23 vorgesehen, die in oder an dem Werkzeug 15 angeordnet ist und zum elektrostatischen Aufladen des Werkzeuges 15 bzw. dessen formgebende Werkzeugoberfläche 16 eingerichtet ist. Dabei erfolgt die elektrostatische Aufladung der formgebenden Werkzeugoberfläche gegenpolig zu der elektrostatischen Aufladung des Fasermaterials und der Andruckrolle 14 durch die elektrostatische Aufladevorrichtung 22, so dass neben einem Abstoßen des Fasermaterials von der Andruckrolle 14 auch ein Anziehen bzw. Anhaften des Fasermaterials 1 an der formgebenden Werkzeugoberfläche 16 des Formwerkzeuges 15 bewirkt wird. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird das Fasermaterial und die Andruckrolle 14 mithilfe der Aufladevorrichtung 22 elektrisch positiv elektrostatisch aufgeladen, während das Werkzeug bzw. die Werkzeugoberfläche mittels der elektrostatischen Aufladevorrichtung 23 elektrisch negativ elektrostatisch aufgeladen.
Bezugszeichenliste

1: Fasermaterial
1a: Faserteil
2: Führungselement
3: Rolle
10: Faserlegekopf
11: erstes Führungselement
12: zweites Führungselement
13: Schneidvorrichtung
14: Andruckrolle
15: Werkzeug
16: formgebende Werkzeugoberfläche
20: elektrostatische Entladeeinrichtung
21: zweite elektrostatische Entladeeinrichtung
22: elektrostatische Aufladevorrichtung
23: zweite elektrostatische Aufladevorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010015027 [0004]
DE 10012378 A1 [0006]
DE 102012017593 A1 [0007]

Claims

Faserlegekopf (10) zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit – einer Fasermaterial-Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen des quasiendlosen Fasermaterials (1), – eine Andruckeinrichtung zum Legen und Andrücken des quasiendlosen Fasermaterials (1) auf ein Werkzeug, und – einer Fördereinrichtung zum Fördern des durch die Fasermaterial-Bereitstellungseinrichtung bereitgestellten Fasermaterials (1) in eine Förderrichtung zu der Andruckeinrichtung, wobei die Fördereinrichtung mindestens ein Führungselement (2) aufweist, an dem das quasiendlose Fasermaterial (1) bei der Förderung kontaktbehaftet entlanggeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlegekopf (10) aufweist: – mindestens eine elektrostatische Entladeeinrichtung (20), die zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung des Fasermaterials (1) vor dem mindestens einen Führungselement in Bezug auf die Förderrichtung und zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung des mindestens einen Führungselementes (2) ausgebildet ist, und/oder – eine elektrostatischen Aufladeeinrichtung (22), die zum elektrostatischen Aufladen des Fasermaterials (1) vor dem mindestens einen Führungselement (2) in Bezug auf die Förderrichtung und zum elektrostatischen Aufladen des mindestens einen Führungselementes (2) ausgebildet ist, wobei die elektrostatische Aufladung des Fasermaterials (1) und des mindestens einen Führungselementes (2) die gleiche elektrische Polung aufweist.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckeinrichtung durch das mindestens eine Führungselement (2) der Fördereinrichtung gebildet wird.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Entladeeinrichtung (20) zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung der von dem mindestens einen Führungselement (2) verschiedenen Andruckeinrichtung ausgebildet ist.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Entladeeinrichtung (20) zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung des Fasermaterials (1) in einem Abschnitt vor der Andruckeinrichtung in Bezug auf die Förderrichtung, aber nach dem mindestens einen Führungselement (2) ausgebildet ist.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Aufladeeinrichtung (22) zum elektrostatischen Aufladen des von dem mindestens einen Führungselement (2) verschiedenen Andruckeinrichtung und des Fasermaterials (1) in einem Abschnitt vor der Andruckeinrichtung in Bezug auf die Förderrichtung, aber nach dem mindestens einen Führungselement (2), ausgebildet ist, wobei die elektrostatische Aufladung des Fasermaterials (1) und der Andruckeinrichtung die gleiche elektrische Polung aufweist.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung ein erstes Führungselement (11) und wenigstens ein zweites Führungselement (12) aufweist, wobei – die elektrostatische Entladevorrichtung (20) zum Neutralisieren einer elektrostatischen Aufladung des ersten Führungselementes (11) und des Fasermaterials (1) vor dem ersten Führungselement (11) in Bezug auf die Förderrichtung ausgebildet ist, und – die elektrostatische Aufladevorrichtung (22) zum elektrostatischen Aufladen des zweiten Führungselementes (12) und des Fasermaterials (1) vor dem zweiten Führungselement (12) in Bezug auf die Förderrichtung mit der gleichen elektrischen Polung ausgebildet ist.
Faserlegekopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckeinrichtung eine Andruckrolle (14) ist, eines oder mehrere Führungselemente (2) jeweils eine Führungsrolle und/oder eines oder mehrere Führungselemente (2) jeweils ein Führungsrollenpaar sind.
Faserlegekopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Andruckeinrichtung und einem Führungselement (2) eine Schneidvorrichtung (13) zum Durchtrennen des quasiendlosen Fasermaterials (1) angeordnet ist.
Faserlegeanlage zum automatisierten Legen von quasiendlosem Fasermaterial (1) auf einem Werkzeug (15) mit einem Bewegungsautomaten, an dessen einem Ende der kinematischen Kette als Endeffektor ein Faserlegekopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist, einem Fasermaterialspeicher zum Bereitstellen des quasiendlosen Fasermaterials (1) und einem Werkzeug (15).
Faserlegeanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (15) eine elektrostatische Aufladeeinrichtung (22) aufweist, die zur elektrostatischen Aufladung der formgebenden Werkzeugoberfläche ausgebildet ist.
Verfahren zum Legen von quasiendlosem Fasermaterial (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils auf einem Werkzeug (15), wobei das quasiendlose Fasermaterial (1) beim Legen kontaktbehaftet an einem Führungselement (2) in eine Förderrichtung entlanggeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – mittels einer elektrostatischen Entladeeinrichtung (20) eine elektrostatische Aufladung des Fasermaterials (1) vor dem Führungselement (2) in Bezug auf die Förderrichtung und eine elektrostatische Aufladung des Führungselementes (2) neutralisiert wird, und/oder – mittels einer elektrostatischen Aufladeeinrichtung (22) das Fasermaterial (1) vor dem Führungselement (2) in Bezug auf die Förderrichtung und das Führungselement (2) elektrostatisch aufgeladen wird, wobei die elektrostatische Aufladung des Fasermaterials (1) und des Führungselementes (2) die gleiche elektrische Polung aufweist.