DE102016205625A1

DE102016205625A1 - Greifervorrichtung zum Einlegen eines thermoplastischen Prepregs in ein Formwerkzeug

Info

Publication number: DE102016205625A1
Application number: DE102016205625.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mertens; Max Ehleben; Katja Zeuner; Karim Kharchi; Annegret Mallach; Rafael Dreier; Alexander Merkle; Maurice Bitterlich
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Um eine Greifervorrichtung zum Einlegen eines reaktiven thermoplastischen Prepregs in ein Formwerkzeug vorzuschlagen, mittels welcher auch das durch Umformung des Prepregs hergestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil wieder entnommen werden kann, ist eine erste Gruppe von Greifmitteln als Nadelgreifer und eine zweite Gruppe von Greifmitteln als Sauggreifer ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Greifervorrichtung zum Einlegen eines thermoplastischen Prepregs in ein Formwerkzeug mittels einer ersten Gruppe von Greifmitteln für eine Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils durch Umformen des Prepregs im Formwerkzeug. Ferner weist die Greifervorrichtung eine zweite Gruppe von Greifmitteln zur Entnahme des faserverstärkten Kunststoffbauteils auf.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils aus einem Prepreg vorgesehen.
Aufgrund der Zielsetzung zur Reduzierung der CO2-Emission werden an die Materialien, insbesondere in der Automobilfertigung, unterschiedlichste Anforderungen gestellt. Eine der wichtigsten Anforderungen ist dabei die Leichtbauweise. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Gewichts von Bauteilen und Baugruppen stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffbauteilen dar. Dabei kann gegenüber klassischen Konstruktionswerkstoffen wie Aluminium oder Stahl bis zu 50% Gewicht bei gleichem Eigenschaftsprofil reduziert werden.
Durch die Kombination von Kunststoffen mit Verstärkungsfasern kann ein großes Gewichtseinsparpotenzial generiert werden. Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen ist derzeit allerdings mit hohen Kosten verbunden, da die Fertigungsprozesse, in welchen Werkstoffe mit sehr guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, nur bedingt automatisierbar sind.
Die Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen faserverstärkten Bauteilstrukturen wird oft über den Zwischenschritt von Halbzeugen, sogenannten Prepregs, oder endkonturnahen Faservorformlingen, sogenannten Preforms, realisiert.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Herstellungsverfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile aus Halbzeugen, sogenannten Prepregs, sowie aus endkonturnahmen Faservorformlingen, sogenannten Preforms, bekannt. Hierfür entwickelte Verfahren und Vorrichtungen können aber nicht oder nur teilweise für reaktive thermoplastische Prepregs verwendet werden. Insbesondere sind aufgrund der Neuartigkeit von reaktiven thermoplastischen Prepregs neue Übergabekonzepte beziehungsweise Handlingkonzepte zum Einsetzen des Halbzeugs (Prepregs) in das Pressenwerkzeug beziehungsweise Formwerkzeug erforderlich.
Für die Verarbeitung reaktiver thermoplastischer Prepregs zu faserverstärkten Kunststoffbauteilen sind im Stand der Technik keine Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
In der DE 10 2012 017 659 A1 wird ein Nadelgreifer zur Handhabung von Textilien beschrieben.
Die DE 196 45 794 A1 betrifft eine Zuführ- und Entnahmeeinrichtung für Blechteile an einer Pressenlinie. Dabei ist vorgesehen, dass an einer Aufnahmekonsole drei in ihrer Länge verstellbare Streben angeordnet sind und die Lagerpunkte der Streben an der Aufnahmekonsole so angeordnet sind, dass die Linearachsen zweier Streben parallel zueinander stehen und eine dritte Strebe eine nicht Parallele zu den anderen einnimmt.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Greifervorrichtung zum Einlegen eines thermoplastischen Prepregs in ein Formwerkzeug vorzuschlagen, mit welcher reaktive thermoplastische Prepregs aufgenommen und in das Formwerkzeug eingelegt werden können, und wobei die umgeformten faserverstärkten Kunststoffbauteile mittels der selben Greifervorrichtung aus dem Formwerkzeug wieder entnommen werden können.
Erfindungsgemäß wird hierfür eine Greifervorrichtung zum Einlegen eines thermoplastischen Prepregs in ein Formwerkzeug mittels einer ersten Gruppe von Greifmitteln vorgeschlagen. Des Weiteren ist die Greifervorrichtung mit einer zweiten Gruppe von Greifmitteln zur Entnahme des umgeformten Kunststoffbauteils beziehungsweise des faserverstärkten Kunststoffbauteils aus dem Formwerkzeug ausgestattet. Erfindungsgemäß weist die erste Gruppe von Greifmitteln Nadelgreifer auf oder besteht aus Nadelgreifern. Des Weiteren weist die zweite Gruppe von Greifmitteln Sauggreifer auf oder besteht aus Sauggreifern.
Unter einem Prepreg ist erfindungsgemäß ein Halbzeug aus einem mit einem reaktiven thermoplastischen Matrixwerkstoff getränkten Faserwerkstoff zu verstehen. Als Faserwerkstoff kann beispielsweise ein textiles Faserhalbzeug, zum Beispiel ein Gelege oder Gewebe sowie eine Wirrfasermatte, vorgesehen sein. Des Weiteren könnten als Faserwerkstoff Endlosfaser-Rovings vorgesehen sein. Als reaktiver thermoplastischer Matrixwerkstoff ist vorzugsweise ein Lactam, zum Beispiel Caprolactam oder Laurinlactam, oder Cyclo-Butylen-Terephthalat vorgesehen. Das Prepreg kann aus einer Einzellage oder einem Lagenpaket, bestehend aus mehreren Lagen, hergestellt sein. Unter einem Prepreg ist erfindungsgemäß ferner kein Preform und somit kein endkonturnaher Faservorformling zu verstehen.
Mittels der ersten Gruppe von Greifmitteln, den Nadelgreifern, wird das Prepreg von der Greifervorrichtung aufgenommen. Dabei wird das Prepreg von Nadeln der Nadelgreifer durchstochen beziehungsweise werden Nadeln der Nadelgreifer zumindest tief genug in das Prepreg hineingestochen. Anschließend wird das aufgenommene Prepreg in das Formwerkzeug eingelegt beziehungsweise auf einer ersten Werkzeughälfte des Formwerkzeuges abgelegt. Somit ist unter dem Einlegen in das Formwerkzeug auch ein Auflegen auf ein Werkzeugteil des Formwerkzeuges zu verstehen.
Im Formwerkzeug wird das Prepreg umgeformt und dabei das faserverstärkte Kunststoffbauteil hergestellt. Anschließend wird das Formwerkzeug geöffnet und das umgeformte Bauteil beziehungsweise das faserverstärkte Kunststoffbauteil von der Greifervorrichtung mittels der zweiten Gruppe von Greifmitteln, nämlich den Sauggreifern, in dem Formwerkzeug aufgenommen und entnommen. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann dann mittels der Greifervorrichtung an einer dafür vorgesehenen Ablagestelle abgelegt werden.
Die erfindungsgemäße Greifervorrichtung weist somit eine Kombination unterschiedlicher Greiferarten beziehungsweise Greifertypen auf, nämlich Nadelgreifer und Sauggreifer. Dies hat den Vorteil, dass mittels einer einzigen Greifervorrichtung das Prepreg aufgenommen, in das Formwerkzeug eingelegt und nach dem Umformen des Prepregs das umgeformte Bauteil beziehungsweise faserverstärkte Kunststoffbauteil aus dem Formwerkzeug wieder entnommen werden kann. Es sind hierfür somit keine unterschiedlichen Greifervorrichtungen erforderlich.
Da das reaktive thermoplastische Prepreg luftdurchlässig beziehungsweise zumindest nicht vollständig luftundurchlässig ist, kann dieses nicht mit Sauggreifern aufgenommen werden. Nach dem Umformen beziehungsweise Pressen des Preforms ist das umgeformte Bauteil im Wesentlichen luftundurchlässig und kann mit Sauggreifern aufgenommen beziehungsweise aus dem Formwerkzeug entnommen werden, ohne das fertige faserverstärkte Kunststoffbauteil mit den Nadelgreifern zu beschädigen.
Bevorzugterweise weist die Greifervorrichtung ein Aufnahmemittel zur Anbindung an eine Hebevorrichtung, beispielsweise einen Roboter, auf. Dabei ist das Aufnahmemittel bevorzugterweise im Flächenschwerpunkt der Greifervorrichtung angeordnet. Hierdurch kann eine besonders kompakte Greifervorrichtung bereitgestellt werden. Bei einer Anbindung der Greifervorrichtung außerhalb eines Flächenschwerpunktes, zum Beispiel um die Greifervorrichtung drehbar zu gestalten, müsste die Greifervorrichtung massiver und somit schwerer ausgeführt werden, was gleichzeitig Auswirkungen auf die benutzte Hebevorrichtung, beispielsweise den benutzten Roboter oder eine manuelle Hebehilfe, hat. Diese müssten dann deutlich größer ausgelegt werden. Bei großen Fahrzeugteilen übersteigt das Gesamtgewicht der Greifervorrichtung zusammen mit dem jeweiligen Bauteil oft 100 kg und ist aufgrund der zu überbrückenden Länge von mehr als zwei Metern bis hin zum Formwerkzeug mit einem Aufnahmemittel im Flächenschwerpunkt der Greifervorrichtung besonders gut zu verwenden.
Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die erste Gruppe von Greifmitteln, nämlich die Nadelgreifer, und/oder die zweite Gruppe von Greifmitteln, nämlich die Sauggreifer, verfahrbar ist. Hierunter ist zu verstehen, dass zumindest eine der beiden Gruppen von Greifmitteln relativ zur anderen Gruppe von Greifmitteln bewegbar beziehungsweise verfahrbar ist. Vorzugsweise ist zumindest eine Gruppe von Greifmitteln mittels einer pneumatischen Einheit pneumatisch verfahrbar.
Die Greifmittel können in vertikaler Richtung, also zum Prepreg hin oder vom Prepreg weg, und/oder in horizontaler Richtung, nämlich im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Prepregs, verfahrbar ausgebildet und an der Greifervorrichtung angeordnet sein. Hierdurch kann eine Kollision der gerade nicht benutzten Gruppe von Greifmitteln mit dem Prepreg und dem umgeformten Bauteil vermieden werden. Besonders bevorzugterweise ist die erste Gruppe von Greifmitteln, nämlich die Nadelgreifer, verfahrbar ausgebildet und verfahrbar an der Greifervorrichtung angeordnet. Da aufgrund der auf einer Ebene liegenden Faserlagen des noch ungeformten Prepregs die Oberflächenkontur nicht berücksichtigt werden muss, greifen alle Nadelgreifer das Prepreg auf derselben Ebene auf. Besonders bevorzugterweise sind somit zwei Endstellungen für die erste Gruppe von Greifmitteln vorgesehen. Eine erste Endstellung entspricht der Betriebsbereitschaft der Nadelgreifer. In einer zweiten Endstellung befinden sich die Nadelgreifer in einem eingefahrenen Zustand, um eine Kollision bei der Entnahme des umgeformten Bauteils aus dem Formwerkzeug mittels der zweiten Gruppe von Greifmitteln zu vermeiden.
Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die erste Gruppe von Greifmitteln Nadeln mit einem Durchmesser zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, besonders bevorzugterweise zwischen 1,0 mm und 1,5 mm, aufweist. Die reaktiven thermoplastischen Prepregs werden als Einzellage oder als Lagenpaket, bestehend aus mehreren Lagen von beispielsweise unterschiedlichen Verstärkungshalbzeugen, hergestellt. Je mehr Lagen mit der Greifervorrichtung transportiert werden sollen, desto stärker muss die Ausführung der Nadelgreifer sein. Besonders geeignet, auch für mehrschichtige reaktive thermoplastische Prepregs, ist ein Durchmesser zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, sowie ganz besonders bevorzugterweise zwischen 1,0 mm und 1,5 mm. Hiermit können die Nadeln der Nadelgreifer den mit reaktivem Matrixwerkstoff getränkten Faserwerkstoff noch durchdringen, ohne dabei aufgrund eines zu geringen Durchmessers abzubrechen.
Die erste Gruppe von Greifmitteln weist bevorzugterweise Nadeln auf, welche in einem Einstechwinkel zwischen 40° und 50° zu einer Oberfläche des aufzunehmenden Prepregs angeordnet sind. Besonders bevorzugterweise sind die einzelnen Nadeln der Nadelgreifer in einem Einstechwinkel von ca. 45° zur Oberfläche des aufzunehmenden Prepregs an der Greifervorrichtung angeordnet.
Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die erste Gruppe von Greifmitteln und/oder die zweite Gruppe von Greifmitteln zum Ausgleich von Toleranzen federnd an der Greifervorrichtung gelagert ist.
Die Sauggreifer der zweiten Gruppe von Greifmitteln sind bevorzugterweise zur Erzeugung einer Haltekraft von mindestens 40 N ausgebildet. Beispielsweise können die Sauggreifer (zweite Gruppe von Greifmitteln) als Flachsauggreifer für ebene Bereiche der Kunststoffbauteiloberfläche und als Balgsauggreifer für gekrümmte Bereiche der Kunststoffbauteiloberfläche ausgebildet sein. Auch ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Greifervorrichtung mit Sauggreifern zur Erzeugung von einem Saugvolumenstrom von mindestens 55 l/min. ausgebildet sind.
Jeder Sauggreifer der zweiten Gruppe von Greifmitteln weist bevorzugterweise eine Dichtlippe mit einem äußeren Durchmesser zwischen 30 mm und 120 mm auf. Die Dichtlippe ist bevorzugterweise in Bezug auf Lactame und Lösungsmittel medienbeständig. Auch ist die Dichtlippe bevorzugterweise bis mindestens 70 °C, besonders bevorzugterweise bis 160 °C, temperaturbeständig.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils aus einem thermoplastischen Prepreg mittels eines Formwerkzeuges und einer vorbeschriebenen Greifervorrichtung vorgesehen. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:

a) Aufnehmen eines Prepregs mittels der ersten Gruppe von Greifmitteln der Greifervorrichtung und Einlegen des Prepregs in das Formwerkzeug; und
b) Schließen des Formwerkzeugs und Umformen des Prepregs durch Pressen des Prepregs mit dem Formwerkzeug; und
c) Öffnen des Formwerkzeugs und Entnehmen des faserverstärkten Kunststoffbauteils beziehungsweise des umgeformten Bauteils mittels der zweiten Gruppe von Greifmitteln der Greifervorrichtung.

Vorzugsweise wird nach Schritt a) beziehungsweise zumindest vor Schritt c) die erste Gruppe von Greifmitteln eingefahren, das heißt vom betriebsbereiten Zustand in eine Art Ruhezustand gebracht, um eine Kollision bei der Entnahme des umgeformten Bauteils aus dem Formwerkzeug zu vermeiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen schematisch:
1: eine perspektivische Ansicht einer Greifervorrichtung,
2: eine Prinzipdarstellung einer Greifervorrichtung, und
3: das Prepreg vor dem Umformen und das faserverstärkte Kunststoffbauteil nach dem Umformen des Prepregs.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Greifervorrichtung 100. Die Greifervorrichtung 100 weist eine erste Gruppe von Greifmitteln 10 auf, welche als Nadelgreifer ausgebildet sind. Die erste Gruppe von Greifmitteln 10 ist zur Aufnahme eines Prepregs 200 (nicht in 1 gezeigt) ausgebildet. Mittels der ersten Gruppe von Greifmitteln 10 wird das Prepreg 200 aufgenommen und in ein Formwerkzeug 110 (in 1 ebenfalls nicht dargestellt) eingelegt. Im Formwerkzeug 110 wird das Prepreg 200 umgeformt und dadurch das faserverstärkte Kunststoffbauteil 300 hergestellt.
Mittels derselben Greifervorrichtung 100 kann das umgeformte faserverstärkte Kunststoffbauteil 300 aus dem Formwerkzeug 110 entnommen werden. Hierfür wird die erste Gruppe von Greifmitteln 10 mit der Bewegungseinheit 13 eingefahren, damit eine Kollision zwischen der ersten Gruppe von Greifmitteln 10 und dem faserverstärkten Kunststoffbauteil 300 beim Aufnehmen des faserverstärkten Kunststoffbauteils 300 mittels der zweiten Gruppe von Greifmitteln 11 vermieden werden kann. Die Greifmittel der zweiten Gruppe von Greifmitteln 11 sind als Sauggreifer ausgebildet. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Sauggreifer statisch und somit nicht verfahrbar angeordnet. Die zweite Gruppe von Greifmitteln 11 ist auf die spezielle Oberflächenkontur des zu erzeugenden faserverstärkten Kunststoffbauteils 300 abgestimmt. Zum Ausgleichen von Fertigungstoleranzen sind die Sauggreifer federnd an der Greifervorrichtung 100 gelagert.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Greifervorrichtung 100. Wie in 2 dargestellt weist die Greifervorrichtung 100 ein Aufnahmemittel 12 auf, welches im Flächenschwerpunkt der Greifervorrichtung 100 angeordnet ist. Das Aufnahmemittel 12 dient zur Anbindung der Greifervorrichtung 100 an eine Hebevorrichtung, beispielsweise einen Roboter. Dadurch, dass die Greifervorrichtung 100 mit dem im Flächenschwerpunkt der Greifervorrichtung 100 angeordneten Aufnahmemittel 12 ausgebildet ist, ist die gesamte Greifervorrichtung 100 nicht drehbar ausgebildet. Dafür können die Gruppen von Greifmitteln 10, 11 verfahrbar ausgebildet sein. Dadurch, dass die Anbindung der Greifervorrichtung 100 im Flächenschwerpunkt der Greifervorrichtung 100 vorgesehen ist, kann die Greifervorrichtung leichter und kostengünstiger ausgebildet werden.
In 3 ist auf der linken Hälfte das Prepreg 200 vor der Umformung dargestellt. Auf der rechten Hälfte ist das im Formwerkzeug 110 umgeformte faserverstärkte Kunststoffbauteil 300 gezeigt. Das Prepreg 200 liegt als ebener Zuschnitt vor und kann mit der ersten Gruppe von Greifmitteln 10 auf einer Ebene aufgenommen werden. Beim Entnehmen des umgeformten faserverstärkten Kunststoffbauteils 300 aus dem Formwerkzeug 110 muss die Oberflächenkontur des umgeformten faserverstärkten Kunststoffbauteils 300 berücksichtigt werden. Hierfür muss die Anordnung der zweiten Gruppe von Greifmitteln 11 an die spezielle Oberflächenkontur des faserverstärkten Kunststoffbauteils 300 angepasst werden.
Bezugszeichenliste

100: Greifervorrichtung
200: Prepreg
300: Faserverstärktes Kunststoffbauteil
10: Erste Gruppe von Greifmitteln
11: Zweite Gruppe von Greifmitteln
12: Aufnahmemittel
13: Bewegungseinheit
110: Formwerkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012017659 A1 [0008]
DE 19645794 A1 [0009]

Claims

Greifervorrichtung (100) zum Einlegen eines thermoplastischen Prepregs (200) in ein Formwerkzeug (110) mittels einer ersten Gruppe von Greifmitteln (10) zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (300) durch Umformen des Prepregs (200) im Formwerkzeug (110), wobei die Greifervorrichtung (100) ferner zur Entnahme des faserverstärkten Kunststoffbauteils (300) aus dem Formwerkzeug (10) mittels einer zweiten Gruppe von Greifmitteln (11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Greifmitteln (10) Nadelgreifer aufweist oder daraus besteht, und wobei die zweite Gruppe von Greifmitteln (11) Sauggreifer aufweist oder daraus besteht.
Greifervorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifervorrichtung (100) ein Aufnahmemittel (12) zur Anbindung an eine Hebevorrichtung aufweist, wobei das Aufnahmemittel (12) im Flächenschwerpunkt der Greifervorrichtung (100) angeordnet ist.
Greifervorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Greifmitteln (10) und/oder die zweite Gruppe von Greifmitteln (11) verfahrbar ist.
Greifervorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Greifmitteln (10) Nadeln mit einem Durchmesser zwischen 0,8 mm und 2,0 mm, vorzugsweise zwischen 1,0 mm und 1,5 mm, aufweist.
Greifervorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Greifmitteln (10) Nadeln aufweist, welche in einem Einstechwinkel zwischen 40° und 50 ° zu einer Oberfläche des aufzunehmenden Prepregs (200) angeordnet sind.
Greifervorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe von Greifmitteln (10) und/oder die zweite Gruppe von Greifmitteln (11) zum Ausgleich von Toleranzen federnd an der Greifervorrichtung (100) gelagert ist.
Greifervorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauggreifer der zweiten Gruppe von Greifmitteln (11) zur Erzeugung einer Haltekraft von mindestens 40 N ausgebildet sind.
Greifervorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sauggreifer der zweiten Gruppe von Greifmitteln (11) eine Dichtlippe mit einem Durchmesser zwischen 30 mm bis 120 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (300) aus einem thermoplastischen Prepreg (200) mittels eines Formwerkzeugs (110) und einer Greifervorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a) Aufnehmen eines Prepregs (200) mittels der ersten Gruppe von Greifmitteln (10) der Greifervorrichtung (100) und Einlegen des Prepregs (200) in das Formwerkzeug (110); und b) Schließen des Formwerkzeugs (110) und Umformen des Prepregs (200) durch Pressen des Prepregs (200) mit dem Formwerkzeug (110); und c) Öffnen des Formwerkzeugs (110) und Entnehmen des faserverstärkten Kunststoffbauteils (300) mittels der zweiten Gruppe von Greifmitteln (11) der Greifervorrichtung (100).