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Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung und ein Fügeverfahren zur positionierten und überlagernden Verbindung von Materialzuschnitten unter Bildung eines Schichtverbunds sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Lagenverbunds für eine Energieumwandlungsvorrichtung wie bspw. eine Batterie oder eine Brennstoffzelle.
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Bisher bekannte Fügevorrichtungen, Fügeverfahren und Herstellungsverfahren der vorgenannten Art sind nicht optimal ausgebildet.
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Die Schriften
US 8 322 594 B2 ,
WO 2013/ 037 591 A1 und
WO 2017/ 141 013 A1 offenbaren Fügevorrichtungen nach Stand der Technik.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Fügevorrichtung, ein verbessertes Fügeverfahren und ein verbessertes Herstellungsverfahren aufzuzeigen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der eigenständigen Ansprüche.
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Die Fügevorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zur passgenauen Überlagerung von mindestens zwei und bevorzugt mindestens drei dünnschichtigen Materialzuschnitten ausgebildet. Sie ist ferner dazu ausgebildet, das Fügeverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung durchzuführen.
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Die Fügevorrichtung weist zwei benachbarte Transferwalzen auf, die zumindest zeitweise zur gegenseitigen Berührung oder zu einer Annäherung mit einem solchen Abstand gebracht werden können, dass zwischen den Transferwalzen ein, zwei oder mehr Materialzuschnitte hindurchführbar und ggf. mit einem Anpressdruck beaufschlagbar sind.
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Die Transferwalzen sind ferner derart bewegbar und positionierbar, dass sie so an einen zugeführten Materialzuschnitt und insbesondere an eine Referenzstruktur an einem zugeführten Materialzuschnitt positionierbar sind, dass die Soll-Position auf dem Walzenmantel in überdeckendem Kontakt mit der Referenzstruktur an dem zugeführten Materialzuschnitt gelangt. Die Transferwalzen sind bevorzugt synchronisiert zur Zuführbewegung des Materialzuschnitts bewegbar, d.h. in einer solchen Walze, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Walzenmantels der Transferwalze an die Zuführgeschwindigkeit des Materialzuschnitts angepasst ist.
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Die Transferwalzen weisen eine Adhäsionsvorrichtung auf, durch die ein Materialzuschnitt auf dem Walzenmantel haftend aufnehmbar ist. Die Adhäsionsvorrichtung ist bevorzugt steuerbar, wobei der Begriff steuerbar zumindest eine Aktivierung und Deaktivierung infolge eines Steuersignals oder bevorzugt eine kontinuierliche oder diskrete Einstellbarkeit der Adhäsionswirkung umfasst. Eine Adhäsionsvorrichtung kann beispielsweise eine Saugvorrichtung sein.
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Die Transferwalzen sind also dazu ausgebildet, mindestens einen in einer jeweiligen Förderrichtung zugeführten Materialzuschnitt aufzunehmen. Die Transferwalzen sind gesteuert bewegbar und weisen insbesondere eigene steuerbare Antriebe auf.
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Eine Ist-Position an der Referenzstruktur eines zugeführten Materialzuschnitts kann auf beliebige Weise für die Fügevorrichtung in verarbeitbarer Form zur Verfügung gestellt sein. Die Ist-Position kann beispielsweise durch eine Erfassungsvorrichtung ermittelt werden, die Bestandteil der Fügevorrichtung ist oder mit der Fügevorrichtung verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ist-Position von einem externen Vorrichtungsbestandteil oder einer externen Steuerung bezogen werden. Dies kann beispielsweise eine Steuerung eines im Fertigungsprozess vorgelagerten Maschinenelements sein.
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Durch die Beweglichkeit und Positionierbarkeit einer Transferwalze wird es ermöglicht, dass ein mit ungenauer Positionierung zugeführter Materialzuschnitt an einer exakten Position auf dem Walzenmantel aufgenommen wird. Durch die Bewegung und Positionierung der Transferwalze relativ zu der ermittelten Ist-Position des zugeführten Materialzuschnitts wird also eine positionsgenaue Handhabung in den weiteren Bearbeitungsschritten gewährleistet. Die Positionsgenauigkeit kann bevorzugt eine maximale Lageabweichung zwischen der definierten Soll-Position auf dem Walzenmantel und der Referenzstruktur an dem aufgenommenen Materialzuschnitt von weniger als 1mm betragen, insbesondere gleich oder weniger als 0,2mm.
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Die Aufnahme eines Materialzuschnitts auf dem Walzenmantel erfolgt mittels der Adhäsionsvorrichtung, insbesondere durch eine Aktivierung der Adhäsionsvorrichtung.
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Die Transferwalzen sind derart relativ zueinander bewegbar und positionierbar, dass die Soll-Positionen auf dem jeweiligen Walzenmantel zueinander in berührende Überdeckung gebracht werden. An jeder der Transferwalzen kann mindestens ein Materialzuschnitt auf dem Walzenmantel aufgenommen sein, dessen Referenzstruktur durch die Soll-Position vorgegeben ist bzw. mit der Soll-Position übereinstimmt. Demzufolge können durch die Bewegung und Positionierung der Transferwalzen zueinander auch zwei oder mehr aufgenommene Materialzuschnitte mit den jeweiligen Referenzstrukturen zueinander in berührende Überdeckung gelangen bzw. gebracht werden.
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Es ist ferner vorgesehen, dass ein Materialzuschnitt von der einen Transferwalze auf die andere Transferwalze übertragen wird. Dies kann insbesondere durch entsprechende Steuerung oder Regelung der Adhäsionsvorrichtungen ausgelöst oder unterstützt werden. Bei der Übertragung eines Materialzuschnitts von einer Transferwalze auf die andere kann weiterhin zwischen den Transferwalzen ein Anpressdruck erzeugt werden. Durch den Anpressdruck können insbesondere zwei oder mehr Materialzuschnitte zwischen den Transferwalzen zumindest bereichsweise zusammengepresst werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die erste Transferwalze und/oder die zweite Transferwalze zumindest in einer Querrichtung (Y, Y') zur jeweiligen Förderrichtung (X, X') eines zugeführten Materialzuschnitts verschieblich und um eine Normalrichtung (Z, Z') zur jeweiligen Förderrichtung (X, X') drehbar ist.
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Ein Fügeverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist dazu ausgebildet, zwei oder mehr flexible Materialzuschnitte in einem Schichtverbund passgenau zu fügen. Das Fügeverfahren umfasst bevorzugt zumindest die folgenden Schritte.
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Zwei jeweils ungenau positionierte Materialzuschnitte werden jeweils einer Transferwalze zugeführt, wobei jeweils die Ist-Position einer Referenzstruktur an dem zugeführten Materialzuschnitt erfasst oder bezogen wird. Die erste Transferwalze wird relativ zu dem ersten zugeführten Materialzuschnitt bewegt und die zweite Transferwalze wird relativ zu dem zweiten zugeführten Materialzuschnitt bewegt und jeweils positioniert, dass je eine am Walzenmantel definierte Soll-Position in berührende Überdeckung zur jeweiligen Referenzstruktur am Materialzuschnitt gelangt. Die Materialzuschnitte werden jeweils auf dem Walzenmantel der zugeordneten Transferwalze mittels der dortigen Adhäsionsvorrichtung aufgenommen. Während der Aufnahme wird bevorzugt die Bewegung der Transferwalze zu der Zuführbewegung des jeweiligen Materialzuschnitts synchronisiert, so dass die Mantelfläche der Transferwalze während der Aufnahme jeweils eben und verzugsfrei auf dem zugeführten Materialzuschnitt abrollt.
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Die Transferwalzen werden relativ zueinander derart bewegt und positioniert, dass die Referenzstrukturen der aufgenommenen Materialzuschnitte bzw. die zugrundeliegenden Soll-Positionen auf den Walzenmänteln zueinander in Überdeckung gelangen. Dabei kommen insbesondere die Referenzstrukturen an den Materialzuschnitten zueinander in berührende Überdeckung.
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Ein an der einen Transferwalze aufgenommener Materialzuschnitt wird auf die andere Transferwalze übergeben, wobei insbesondere der übergebende Materialzuschnitt den bereits auf der anderen Transferwalze aufgenommenen Materialzuschnitt passgenau überlagert. Hierdurch wird der Stapelverbund gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann das Fügeverfahren alternativ oder zusätzlich die folgenden Schritte umfassen.
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Ein weiterer Materialzuschnitt wird (mit einer ungenauen Positionierung) zu einer der Transferwalzen zugeführt, an der bereits mindestens ein Materialzuschnitt aufgenommen wird. Dabei wird erneut die Ist-Position einer Referenzstruktur an dem weiteren zugeführten Materialzuschnitt erfasst oder bezogen. Die Transferwalze mit dem mindestens einen aufgenommenen Materialzuschnitt wird dann relativ zu dem weiteren zugeführten Materialzuschnitt derart bewegt, dass eine Referenzstruktur an dem mindestens einen aufgenommenen Materialzuschnitt in überdeckendem Kontakt mit der Referenzstruktur an dem weiteren zugeführten Materialzuschnitt gelangt.
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Der mindestens eine auf der Transferwalze aufgenommene Materialzuschnitt wird auf dem weiteren zugeführten Materialzuschnitt appliziert. Derweil wird bevorzugt die Transferwalze in Synchronisation zu der Zuführbewegung des weiteren Materialzuschnitts bewegt, wobei bevorzugt der Walzenmantel eben auf dem weiteren Materialzuschnitt abrollt.
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Ein Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zur Herstellung eines Lagenverbunds einer Energieumwandlungsvorrichtung bestimmt und nutzt die vorliegenden offenbarte Fügevorrichtung und/oder das vorliegenden offenbarte Fügeverfahren. Soweit in der vorliegenden Offenbarung der Begriff „Materialzuschnitt“ verwendet wird, ist dieser hinsichtlich des Herstellungsverfahrens ersetzbar durch die in dem Herstellungsverfahren aufeinander zu fügenden Lagen.
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Ein Lagenverbund für eine Energieumwandlungsvorrichtung bildet insbesondere diejenige Komponente, an der eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Bei einer Batterie kann dies die Aufnahme oder Abgabe von Ionen an einer Kathode oder Anode sein, bei der zwischen Kathode und Anode ein Potenzial erzeugt wird, dass einen Stromfluss auslösen kann. Bei einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle kann an dem Lagenverbund eine Oxidationsreaktion stattfinden, bei der Elektronen frei werden, die ebenfalls ein Potenzial erzeugen, das einen Stromfluss hervorrufen kann. Neben der in der vorliegenden Offenbarung erwähnten Batterie- und Brennstoffzelle kann eine beliebige andere Energieumwandlungsvorrichtung vorliegen, für die ein Lagenverbund mittels des offenbarten Herstellungsverfahrens erzeugt wird.
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In dem Herstellungsverfahren werden zumindest zwei Materialzuschnitte zu einem Schichtverbund gefügt, der den Lagenverbund der Energieumwandlungsvorrichtung bildet. Bevorzugt ist zumindest einer der Materialzuschnitte aus einem elektroaktiven Material gebildet. Dies kann ein Kathoden- oder Anodenmaterial für eine Batteriezelle oder ein Katalysatormaterial bzw. mit einem Katalysator beschichtetes Trägermaterial sein. An dem Katalysator kann insbesondere eine Oxidationsreaktion oder Reduktionsreaktion einer Brennstoffzelle ablaufen. Ein weiterer Materialzuschnitt, der in dem Lagenverbund eingefügt wird, kann beispielsweise ein Separatormaterial sein, das die Anode von der Kathode trennt, oder eine Diffusions- oder Permeationslage, die Ionen oder einen Reaktanden durch die Wandung des Materialzuschnitts passieren lässt. Alternativ oder zusätzlich kann ein in den Lagenverbund eingefügter Materialzuschnitt aus einem beliebigen anderen Material bestehen, beispielsweise aus einem Hüll- oder Verpackungsmaterial, einem Futtermaterial oder einem Trennmaterial.
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Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläutert.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1-7: Eine Fügevorrichtung mit einer ersten Transferwalze und deren Bewegung und Positionierung zur Aufnahme eines mit ungenauer Positionierung zugeführten Materialzuschnitts sowie zur passgenauen Applikation auf ein weiteres zugeführtes Materialstück;
- 8: Eine Draufsicht auf die Transferwalze aus 1-7;
- 9-12: Seitenansichten zur weiteren Erläuterung der Vorgänge gemäß 1 bis 7;
- 13-16: Eine Fügevorrichtung mit zwei benachbarten Transferwalzen, an denen mehrere Materialzuschnitte zugeführt werden, die gemäß dem Fügeverfahren zu einem Schichtverbund gefügt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Fügetechnik zur Herstellung eines Schichtverbunds (30) aus mehreren Materialzuschnitten (6, 7, 8), die jeweils einzeln zu einer von zwei Transferwalzen (2, 3) zugeführt werden. Die Materialzuschnitte werden mit einer ungenauen Position (9) zugeführt. Die Ist-Position einer Referenzstruktur (16, 17, 18) an einem zugeführten Materialzuschnitt wird erfasst und die jeweilige Transferwalze (2, 3) wird so bewegt und positioniert, dass eine am Walzenmantel (12, 13) definierte Soll-Position (10) in berührende Überdeckung zu der Referenzstruktur (16, 17, 18) gelangt. Ein erster Materialzuschnitt (6) wird auf der ersten Transferwalze (2) mittels einer Adhäsionsvorrichtung aufgenommen und ein zweiter Materialzuschnitt (7) auf der zweiten Transferwalze (3). Die Transferwalzen werden so zueinander bewegt und positioniert, dass die Referenzstrukturen der aufgenommenen Materialzuschnitte (6, 7) in berührende Überdeckung gebracht werden. Ein Materialzuschnitt (7) der einen Transferwalze (3) wird auf die andere Transferwalze (3) übertragen - unter Überdeckung des dortigen Materialzuschnitts (6). Beide Materialzuschnitte (6, 7) werden dann unter erneuter Bewegung und Positionierung der Transferwalze (3) auf einen weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) appliziert.
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Nachfolgend werden zunächst die Bewegung und Positionierung der ersten Transferwalze (2) gegenüber einem ersten Materialstück (6) und die Applikation des an der ersten Transferwalze (3) aufgenommenen Materialstücks (6) auf ein weiteres zugeführtes Materialstück (8) erläutert. Die zugehörigen Vorgänge sind in den 1 bis 8 dargestellt. Sie lassen sich entsprechend auf die zweite Transferwalze (3) und ein dort zugeführtes Materialstück (7) anwenden.
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1 zeigt eine Fügevorrichtung (1) gemäß der vorliegenden Offenbarung im Schrägbild. Ein erster Materialzuschnitt (6) und ein weiterer (dritter) Materialzuschnitt (8) werden in einer Förderrichtung (X) einer Transferwalze (2) zugeführt. Die Transferwalze (2) ist zumindest in einer Querrichtung (Y) zur Förderrichtung (X) eines zugeführten Materialzuschnitts (6,8) verschieblich und um eine Normalrichtung (Z) zur Förderrichtung (X) drehbar. Aus Gründen der vereinfachten Darstellung wird eine Verdrehung der Transferwalze (2) um die Normalrichtung (Z) nur in 7 und 8 gezeigt und weiter unten erläutert.
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Die Fügevorrichtung (1) weist bevorzugt mehrere steuerbare Antriebe für die Bewegung der Transferwalze (2) auf. Diese können insbesondere einen steuerbaren Drehantrieb aufweisen, der eine Rotation der Transferwalze (2) oder zumindest des Walzenmantels (12) um eine Rotationsachse (R1) bewirkt, die insbesondere die Mittelachse der Transferwalze (2) ist. Der Drehantrieb ist bevorzugt derart steuerbar, dass eine Umlaufgeschwindigkeit des Walzenmantels (12) und eine Positionierung bzw. Einstellung der Rotationslage ermöglicht ist. Die Rotationslage der Transferwalze (2) ist in den Zeichnungen durch eine gestrichelte Linie auf der Walzenstirnwand angedeutet, welche auch die Drehlage (10b) einer Soll-Aufnahmelinie auf dem Walzenmantel (12) kennzeichnet.
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Die steuerbaren Antriebe können ferner einen Translationsantrieb umfassen, durch den die Transferwalze (2) oder zumindest der Walzenmantel (12) im Wesentlichen in einer Querrichtung (Y) zur Förderrichtung (X) bewegbar ist. Wenn die Transferwalze (2) um eine Normalachse (Z) verdreht wird, kann eine Verschiebung der Transferwalze (2) bzw. des Walzenmantels (12) alternativ entlang der Rotationsachse (R1) erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird davon ausgegangen, dass der Begriff „im Wesentlichen in der Querrichtung (Y)“ eine Verschiebung entlang der Rotationsachse (R1) umfasst.
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Die steuerbaren Antriebe der Transferwalze (2) können weiterhin einen Antrieb umfassen, durch den die Transferwalze (2) oder zumindest der Walzenmantel (12) in der Normalrichtung (Z) zur Förderrichtung (X) bewegbar und insbesondere positionierbar ist. In Bezug auf die Zuführebene, die durch einen zugeführten Materialzuschnitt (6, 7, 8) definiert ist, kann dieser Antrieb insbesondere einen Hubantrieb zum Abheben oder Annähern des Walzenmantels (12) gegenüber der Zuführebene bzw. gegenüber einem zugeführten Materialzuschnitt sein.
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Alle vorgenannten Merkmale und Antriebe der ersten Transferwalze (2) können in entsprechender Weise für die zweite Transferwalze (3) vorgesehen sein, deren Anordnung und Verwendung weiter unten erläutert werden.
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2 und 3 erläutern die Positionierung der ersten Transferwalze (2) an einem ersten zugeführten Materialzuschnitt (6).
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Der erste Materialzuschnitt (6) weist eine Referenzstruktur (16) auf. In den gezeigten Beispielen ist dies eine in der Förderrichtung (X) vorauseilende Kante oder Kontur des ersten Materialzuschnitts (6). Alternativ kann die Referenzstruktur (16) durch eine beliebige andere Kante, Kontur oder sonstige Struktur an dem ersten Materialzuschnitt (6) gebildet sein.
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Die Ist-Position der Referenzstruktur (16) kann auf beliebige Weise für die Bewegung und Positionierung der Transferwalze (2) zur Verfügung gestellt sein. In den dargestellten Beispielen umfasst die Fügevorrichtung (1) mindestens eine Erfassungsvorrichtung (19), deren Erfassungsbereich zumindest zeitweise auf den zugeführten Materialzuschnitt (6,8) gerichtet ist. Es kann sich dabei insbesondere um eine optische Erfassungsvorrichtung wie beispielsweise eine Kamera, ein oder mehrere Lichtschranken oder ein Lichtgitter handeln. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Referenzstruktur (16) durch eine Kamera ermittelt wird, die auf dem Zuführweg der Materialzuschnitte (6,8) zur Transferwalze (2) gerichtet ist.
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Die Ist-Position der Referenzstruktur (16) kann als absoluter Raumbezug und/oder relativer Raumbezug zu der Transferwalze (2) ermittelt und verarbeitet sein. Besonders geeignet ist die Ermittlung eines projizierten Abstands in der Förderrichtung (X) zwischen beispielsweise einem vordersten Punkt der Referenzstruktur (16) und der Rotationsachse (R1) der Transferwalze (2) bzw. einer prognostizierten Berührungslinie zwischen dem Walzenmantel (12) und der Zuführebene. Ferner kann es geeignet sein eine Querabweichung (dY1) zwischen einem Bezugspunkt der Referenzstruktur (16) (hier den Mittelpunkt) und einem zugehörigen Bezugspunkt der Soll-Position (10) bzw. der Soll-Aufnahmelinie (10a) an der Transferwalze (2) (hier Mittelpunkt der Soll-Aufnahmelinie (10a)) zu erfassen. Darüber hinaus kann beispielsweise ein Rotationslagenversatz (dR) erfasst werden, was weiter unten erläutert wird.
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In dem Beispiel von 2 wird die Ist-Position der Referenzstruktur (16) über einen Querversatz (dV1) gegenüber einer Längsachse (A) der Zuführebene und einen Vorlaufabstand zwischen der Referenzstruktur (16) und der Berührungslinie der Transferwalze (2) zur Zuführebene erfasst. Es wird hier beispielhaft davon ausgegangen, dass die Referenzstruktur (16) keine Rotationsabweichung gegenüber der Soll-Aufnahmelinie (10a) an der Transferwalze (2) hat. Im gezeigten Beispiel sind insbesondere die Referenzstruktur (16) und die Soll-Aufnahmelinie parallel zur Querrichtung (Y). Beziehungsweise weicht eine in Tangentialrichtung der Walze (2) verlaufende Bezugslinie (A') am Walzenmantel ausschließlich durch einen Querversatz (dY1) von der Längsachse (A) der Zuführebene ab. Die Bezugslinie (A') ist parallel zur Längsachse (A) ausgerichtet.
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Der Vorlaufabstand wird gemäß der Zuführgeschwindigkeit des ersten Materialzuschnitts (6) geringer und es kann dementsprechend prognostiziert oder ggf. gesteuert werden, zu welchem Zeitpunkt die Referenzstruktur (16) die Berührungslinie erreicht, bzw. der Vorlaufabstand Null wird. Dementsprechend können die Antriebe der Transferwalze (2) derart gesteuert oder geregelt werden, dass die Soll-Aufnahmelinie (10a) zu demselben Zeitpunkt die Berührungslinie erreicht. Dabei kann insbesondere in einem Zeitraum (kurz) vor dem Zeitpunkt, bei dem der Vorlaufabstand Null wird, die Umlaufgeschwindigkeit des Walzenmantels (12) auf die Zuführgeschwindigkeit des Materialzuschnitts (6) angepasst werden.
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Darüber hinaus wird die Transferwalze (2) oder zumindest der Walzenmantel (12) durch eine Querversatzbewegung (VQ) derart positioniert, dass der Bezugspunkt an der Soll-Aufnahmelinie (10a) bei Herstellung der berührenden Überdeckung genau über dem zugehörigen Bezugspunkt an der Referenzstruktur (16) zu liegen kommt. In den gezeigten Beispielen erfolgt dies darüber, dass eine Mittellinie des Walzenmantels auf denselben Querversatz (dY1) gegenüber der Längsachse (A) der Zuführebene eingestellt wird, der als Querversatz (dY1) der Referenzstruktur (16) am ersten Materialzuschnitt (6) festgestellt worden ist.
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3 zeigt einen Zustand kurz nach Herstellung der Berührung zwischen der Transferwalze (2) und dem Materialzuschnitt (6). Der Materialzuschnitt (6) wird an der Transferwalze (2) auf dem Walzenmantel (12) aufgenommen. Infolge der Positionierung der Transferwalze (2) bzw. der Soll-Aufnahmelinie (10a) in (exakter) Überdeckung zur Referenzstruktur (16) gelangt der Materialzuschnitt (6) genau auf einen solchen Oberflächenbereich des Walzenmantels (12), der als vorgesehener Aufnahmebereich (K) definiert ist. Der vorgesehene Aufnahmebereich (K) ist insbesondere als ein zur Soll-Aufnahmelinie (10a) nachlaufender Oberflächenbereich definiert, dessen Flächenmaße (B,L) mit den Flächenmaßen (B,L) des ersten Materialzuschnitts (6) übereinstimmen. In dem gezeigten Beispiel hat der Materialzuschnitt (6) eine im Wesentlichen rechteckige Fläche, die durch eine Länge (L) und eine Breite (B) definiert ist. Alternativ können beliebige andere Flächenformen vorgesehen sein.
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4 zeigt die Transferwalze (2) mit vollständig aufgenommenem erstem Materialzuschnitt (6). In dem dargestellten Zustand wird durch die Erfassungsvorrichtung (19) die Ist-Position einer weiteren Referenzstruktur (18) an dem weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) erfasst. Die Erfassung bzw. der Bezug dieser Ist-Position kann auf dieselbe Weise erfolgen, wie oben für die Erfassung oder dem Bezug der Referenzstruktur (16) an dem ersten Materialzuschnitt (6) erläutert.
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In dem gezeigten Beispiel wird angenommen, dass eine vorauseilende Körperkontur des weiteren Materialzuschnitts (8) die erfasste Kontur (31) bildet, von der aus allerdings auf die etwas beabstandete Referenzstruktur (18) umgerechnet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Referenzstruktur (18) direkt erfasst werden.
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Die Transferwalze (2) wird mit dem aufgenommenen Materialzuschnitt (6) derart gegenüber dem zugeführten weiteren Materialzuschnitt (8) bewegt und positioniert, dass die Soll-Position (10) (hier wieder definiert durch die Soll-Aufnahmelinie (10a) und die Drehlage (10b) der Soll-Aufnahmelinie) in berührende Überdeckung zu der Referenz-Struktur (18) an dem weiteren Materialzuschnitt (8) gelangt. Um dies zu erreichen, wird die Transferwalze (2) zumindest durch einen Querversatz (VQ) derart bewegt, dass der Querversatz (dY2) des Walzenmantels gegenüber der Längsachse (A) der Zuführebene auf denselben Wert eingestellt wird, der als Querversatz (dY2) der Referenzstruktur (18) des weiteren Materialzuschnitts (8) gegenüber der Längsachse (A) ermittelt worden ist.
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Durch eine Bewegung der Transferwalze (2), die auf die Zuführbewegung des weiteren Materialzuschnitts (8) synchronisiert ist, rollt der Walzenmantel (12) ab der berührenden Überdeckung zwischen den Referenzstrukturen (16,18) der Materialzuschnitte (6,8) auf der Oberfläche des weiteren Materialzuschnitts (8) ab. Der auf der Transferwalze (2) aufgenommene Materialzuschnitt (6) wird dabei auf den weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) appliziert. Infolge der Positionierung der Transferwalze (2) gegenüber dem zugeführten Materialzuschnitt (8) wird eine exakte Positionierung des ersten Materialzuschnitts (6) auf dem weiteren Materialzuschnitt (8) erreicht.
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6 zeigt einen Zustand der Fügevorrichtung nach der Applikation. Hier ist der Schichtverbund (30) aus dem ersten Materialzuschnitt (6) und dem weiteren Materialzuschnitt (8) gebildet. In dem Schichtverbund (30) liegen die Referenzstrukturen (16,18) der Materialzuschnitte (6,8) exakt übereinander bzw. bei einer Positionierungstoleranz, die oben erwähnt wurde.
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7 zeigt ein Schrägbild auf die Fügevorrichtung (1) gemäß 1 bis 6. Ein zugeführter Materialzuschnitt (6) weist gemäß der ungenauen Positionierung (9) einen Rotationslagenversatz (dR) auf. In dem vorliegenden Beispiel bedeutet dies, dass die Referenzstruktur (16) (hier nicht sichtbar) gegenüber einer Nominal-Ausrichtung der Soll-Aufnahmelinie (10a) bzw. einer Nominal-Ausrichtung der Rotationsachse (R1) abweicht. Als Nominal-Ausrichtung wird hier eine Parallelausrichtung zur Querrichtung (Y) bzw. eine senkrechte Ausrichtung zur Förderrichtung (X) angenommen.
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8 zeigt eine Draufsicht zur 7.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Transferwalze (2) durch eine Rotationsversatzbewegung (VR) derart ausgerichtet werden, dass die Soll-Position (10) an der Transferwalze (2), hier insbesondere die Soll-Aufnahmelinie (10a, 10b), bei Herstellung des berührenden Kontakts zwischen dem Walzenmantel (12) und der Referenzstruktur (16) an dem zugeführten Materialzuschnitt (6) auf die Ist-Lage der Referenzstruktur (6) ausgerichtet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Soll-Aufnahmelinie parallel zur Referenzstruktur (16) ausgerichtet ist.
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Dies kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass die Transferwalze (2) um einen solchen Rotationslagenversatz (dR) gegenüber der Normalachse (Z) bzw. Hochachse zur Zuführungsebene verdreht wird, der als Rotationslagenversatz (dR) der Referenzstruktur (16) ermittelt oder bezogen worden ist.
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Während der Aufnahme eines Materialzuschnitts (6) und/oder während der Applikation eines aufgenommenen Materialzuschnitts (6) auf einem weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) kann eine weiteren und insbesondere kontinuierliche Querversatzbewegung (VQ) der Transferwalze (2) ausgeführt werden, damit der Walzenmantel (12) der Transferwalze (2) lagegetreu auf der Oberfläche des zugeführten Materialzuschnitts (6, 8) abrollt. Die weitere Querversatzbewegung (VQ) kann insbesondere bei einer Querversatzgeschwindigkeit erfolgen, die aus der Steigung (m) des Querversatzes des zugeführten Materialzuschnitts und der Zuführgeschwindigkeit berechenbar ist.
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Die Steigung (m) gibt an, um welchen Betrag die Transferwalze (2) bzw. der Walzenmantel (12) während der Abrollbewegung auf dem zugeführten Materialzuschnitt (6, 8) momentan in der Querrichtung versetzt werden muss, damit kein (lokaler) Verzug stattfindet. Im Beispiel der 7 und 8 weicht die in Tangentialrichtung der Transferwalze (2) verlaufende Bezugslinie (A') durch den Rotationsversatz (dR) von der Längsachse (A) der Zuführebene ab. Die Bezugslinie (A') ist durch die Positionierung der Transferwalze (2) mit der Soll-Position (10) in Überdeckung zur Referenzstruktur (16, 18) am Materialzuschnitt (6, 8) im gezeigten Zustand bereits in einer korrekte Anfangs-Ausrichtung für die Aufnahme des Materialzuschnitts (6, 8) orientiert. Die Steigung (m) kann bspw. durch eine trigonometrische Funktion aus dem Rotationsversatz (dR) berechnet werden. Alternativ kann die Steigung (m) auf beliebige andere Weise ermittelt werden, bspw. durch optische Erfassung. Ggfs. kann ein bestehender Verzug des zugeführten Materialzuschnitts (6, 8) ermittelt und durch eine kompensierende Versatzbewegung der Transferwalze (2) bzw. der Walzenmantels (12) beim Aufnehmen des Materialzuschnitts ausgeglichen werden.
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9 bis 12 zeigen die Vorgänge gemäß 1 bis 6 in einer Seitenansicht. In 9 sind die passgenaue Aufnahme eines ersten Materialzuschnitts (6) auf der ersten Transferwalze (2) und die Zuführung eines weiteren Materialzuschnitts (8) gemäß der obigen Erläuterung dargestellt. Die Zuführung der Materialzuschnitte (6, 8) erfolgt hier durch eine Zuführvorrichtung (4) die beispielhaft als Bandförderer ausgebildet ist. Die Zuführvorrichtung (4) und die Transferwalze (2) weisen jeweils eine Adhäsionsvorrichtung (14, 21) auf, die hier jeweils als Saugvorrichtung ausgebildet ist, insbesondere als steuerbare Saugvorrichtung.
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In dem Fügeverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung werden an zumindest einer Transferwalze (2) bevorzugt Materialzuschnitte (6,8) einer ersten Art und einer weiteren Art im Wechsel zugeführt. In den gezeigten Beispielen sind dies jeweils abwechselnd ein erster Materialzuschnitt (6) und ein dritter Materialzuschnitt (8). Der erste Materialzuschnitt (6) wird im Schichtverbund (30) über dem zweiten Materialzuschnitt (8) gefügt, wobei evtl. weitere Zwischenlagen möglich sind, was weiter unten erläutert wird.
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Die Wechsel-Reihenfolge zwischen den verschiedenen Arten von Materialzuschnitten kann alternativ nach anderen Regeln erfolgen.
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Die wechselweise Zuführung von mindestens zwei unterschiedlichen Arten von Materialzuschnitten kann auf beliebige Weise und mit beliebigen Vorrichtungskomponenten erzeugt werden. In dem Beispiel von 9 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante dargestellt. Hier werden jeweils Materialzuschnitte einer ersten Art (6) und Materialzuschnitte einer weiteren Art (8) sortenrein bereitgestellt und durch eine erste Ablagevorrichtung (23) und eine weitere Ablagevorrichtung (24) gemäß dem gewünschten Wechselmuster auf die Zuführvorrichtung (4) abgelegt. Die Ablagevorrichtungen (23,24) können dabei eine beliebige Ausbildung haben. In dem gezeigten Beispiel sind an den Ablagevorrichtungen (23,24) jeweils Träger (25), insbesondere in Form von Trägerbändern vorgesehen, auf denen die Materialzuschnitte sortenrein bereitgestellt sind. Die Träger (25) können insbesondere in einen Trägermaterialspeicher (27) und insbesondere als Wickel oder Coil vorliegen, von dem aus der Träger (25) über einen Applikatorkörper (26) zu einem Restspeicher geführt wird, der ebenfalls als Wickel oder Coil ausgebildet sein kann. Der Träger (25) kann bevorzugt durch eine Bewegung des Applikatorkörpers (26) derart an die Zuführvorrichtung (4) angenähert werden, dass ein auf dem Träger (25) befindlicher Materialzuschnitt (6) auf der Zuführvorrichtung (4) abgelegt wird. Die Ablage kann insbesondere mittels einer Adhäsionsvorrichtung (21) der Zuführvorrichtung (4) unterstützt oder ausgelöst werden.
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Die Adhäsionsvorrichtung (21) ist in den gezeigten Beispielen wiederrum als Saugvorrichtung dargestellt. Alternativ kann die Adhäsionsvorrichtung (21) eine andere Ausbildung haben und die haftende Aufnahme von Materialzuschnitten an der Zuführvorrichtung (4) durch ein anderes Wirkprinzip hervorrufen. Die Adhäsionswirkung (S), kann insbesondere eine Saugwirkung, eine elektrostatische Anziehungswirkung, eine magnetische Anziehungswirkung oder ggf. eine mechanische Haft- oder Greifwirkung sein.
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Die Adhäsionsvorrichtungen (14, 15, 21, 22) an den Transferwalzen (2,3) und/oder den Zuführvorrichtungen (,45) sind bevorzugt derart steuerbar, das seine Adhäsionswirkung (S) nur in bestimmten Oberflächenbereichen und ggf. nur zeitweise erzeugt wird, insbesondere im Bereich einer Überdeckung mit einem aufzunehmenden Materialzuschnitt. Die Saugwirkung kann jeweils in einem solchen Oberflächenbereich verringert oder deaktiviert werden, indem ein Materialzuschnitt gemäß dem offenbarten Fügeverfahren von einem Walzenmantel oder der Oberfläche einer Zuführvorrichtung (4) abgenommen werden soll.
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10 zeigt einen Zustand der Fügevorrichtung (1), bei der ein erster Materialzuschnitt (6) auf dem Walzenmantel (12) der ersten Transferwalze (2) aufgenommen ist und sich der weitere Materialzuschnitt (8) an die Transferwalze (2) annähert.
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11 zeigt einen Zustand der Fügevorrichtung (1), bei der ein berührender und überdeckender Kontakt zwischen dem an der Transferwalze (2) aufgenommene Materialzuschnitt (6) und dem weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) stattfindet. Die Bezugsstrukturen (16,18) sind in diesem Zustand direkt übereinander positioniert.
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Die Fügevorrichtung (1) kann bevorzugt neben einer Transferwalze (2) und unterhalb der Zuführebene eine Druckfläche (32) oder einen anderen geeigneten Druckkörper aufweisen. Zwischen der (ersten) Transferwalze (2) und dem Druckkörper (32) kann bevorzugt ein Anpressdruck (P2) auf den oder die Materialzuschnitte (6, 8) ausgewirkt werden, die sich zwischen der Transferwalze (2) und der Zuführebene befinden. Der Anpressdruck (P2) kann insbesondere genutzt werden, um den Schichtverbund (30) zu verdichten. Der Anpressdruck (P2) kann weiterhin dazu genutzt werden, etwaig an oder zwischen den Materialzuschnitten vorgesehene Verbindungsmittel zu aktivieren. Solche Verbindungsmittel können insbesondere druckaktivierbare Klebstoffe sein. Alternativ oder zusätzlich kann infolge des Anpressdrucks eine mechanische Verbindung zwischen zwei oder mehr Lagen des Schichtverbunds (30) hergestellt werden, beispielsweise durch Prägen oder Falzen. An dem Walzenmantel (12) können entsprechende Profilierungen bzw. Präge- oder Falzstrukturen vorgesehen sein.
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Der Anpressdruck (P2), der bei der Applikation mindestens eines auf der Transferwalze (2) aufgenommenen Materialzuschnitts auf den weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) ausgewirkt wird, kann auf beliebige Weise erzeugt sein. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann der Anpressdruck aus einer elastischen Verformung der Materialzuschnitte in dem Schichtverbund (30) resultieren. Eine solche elastische Verformung kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass der Walzenmantel (12) einen Abstand gegenüber der Zuführebene hat, der geringer ist als die Dicke der Materialzuschnitte im Schichtverbund im unbelasteten Zustand. Dieser Abstand kann fest eingestellt oder veränderlich sein, insbesondere durch den oben erwähnten Antrieb zur Bewegung der Transferwalze (2) in der Normalrichtung (Z).
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Alternativ oder zusätzlich kann ein elastisches Element vorgesehen sein, das die Transferwalze (2) bzw. den Walzenmantel (12) in Normalrichtung (N) zu der Zuführebene hin drängt und ggf. vorgespannt ist.
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13 bis 16 zeigen eine Ausführungsvariante der Fügevorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit zwei benachbarten Transferwalzen (2,3), denen jeweils separat ein oder mehrere Materialzuschnitte (6, 8/7) zuführbar sind. In den gezeigten Beispielen ist die zweite Transferwalze (3) in der Normalrichtung (Y) neben der ersten Transferwalze (2) angeordnet, d.h. auf der gegenüberliegenden Seite zur Zuführebene. Alternativ kann eine beliebige andere Anordnung gewählt sein.
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Die beiden Transferwalzen (2,3) können gemäß der gezeigten Darstellung eine übereinstimmende oder zumindest größenmäßig abweichende Ausbildung haben.
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Die Fügevorrichtung (1) kann ferner eine zweite Zuführvorrichtung (5) aufweisen, die der zweiten Transferwalze (3) zugeordnet ist, um zumindest Materialzuschnitte (7) einer solchen (zweiten) Art zuzuführen, die sich von den Arten der an der ersten Transferwalze (2) direkt zugeführten Materialzuschnitte (6, 8) unterscheidet.
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Im Weiteren wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die zweite Transferwalze (3) einen identischen Aufbau und eine entsprechend übereinstimmende Beweglichkeit und Antriebsausstattung aufweist, wie oben hinsichtlich der ersten Transferwalze (2) beschrieben wurde. Durch die Zuführung der (zweiten) Materialzuschnitte (7) an der zweiten Transferwalze (3) ist eine zweite Förderrichtung (X') und eine zweite Zuführebene definiert. In den gezeigten Beispielen ist die zweite Zuführebene parallel zu der Zuführebene an der ersten Transferwalze (2). In der Praxis kann eine beliebige andere Relativlage der Zuführebenen vorliegen.
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Die Zuführung der zweiten Materialzuschnitte (7) an der zweiten Transferwalze (3) kann gemäß einer bevorzugten und nicht dargestellten Ausführungsvariante dadurch erfolgen, dass eine Ablagevorrichtung einen Träger und insbesondere ein Trägerband an der zweiten Transferwalze (3) in der Förderrichtung (X') vorbeibewegt, auf dem die zweiten Materialzuschnitte (7) haftend gehalten sind. Diese Ablagevorrichtung kann beispielsweise eine Ausbildung haben, die den Ablagevorrichtungen (23, 24) gemäß der obigen Erläuterung zu 9 entspricht. Die zweiten Materialzuschnitte (7) können an dem Träger bzw. Trägerband ggf. durch eine elektrostatische Wirkung anhaften und auf die zweite Trägerwalze (3) durch Saugwirkung aufgenommen werden.
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In dem Beispiel der 13 bis 16 umfasst die Fügevorrichtung (1) eine zweite Erfassungsvorrichtung (20), die die Ist-Position eines zu der zweiten Transferwalze (3) zugeführten Materialzuschnitts (7) erfasst, wobei insbesondere die Ist-Position einer Referenzstruktur (17) an einem zugeführten Materialzuschnitt (7) analog zu den obigen Ausführungen zu 1 bis 6 erfolgt.
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Die zweite Transferwalze (3) ist derart bewegbar und positionierbar, dass eine Soll-Position (11) an dem Walzenmantel (13) der zweiten Transferwalze in überdeckenden Kontakt mit der Referenzstruktur (17) an dem zugeführten Materialzuschnitt (7) gebracht wird. Die Bewegungen und Ausrichtungen der zweiten Transferwalze erfolgen dabei bevorzugt analog zu den oben erläuterten Bewegungen und Ausrichtungen der ersten Transferwalze gemäß 1 bis 8.
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Die ersten und die zweite Transferwalze (2,3) werden bevorzugt unabhängig voneinander jeweils zur positionsgenauen Aufnahme eines jeweils zugeführten Materialzuschnitts (6,7) bewegt und positioniert. Dies ist beispielhaft in 13 dargestellt. Es werden entsprechend ein erster Materialzuschnitt (6) an der ersten Transferwalze (2) und einer zweiter Materialzuschnitt (7) an der zweiten Transferwalze (3) aufgenommen. In der aufgenommenen Lage ist die jeweilige Referenzstruktur (16, 17) an dem aufgenommenen Materialzuschnitt (6, 7) exakt bzw. bei der oben erwähnten Positionstoleranz an der Soll-Position (10, 11) bzw. in überdeckendem Kontakt zur Soll-Aufnahmelinie (10a, 11a) ausgerichtet.
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Gemäß der Darstellung in 14 kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ein Materialzuschnitt, der an der einen Transferwalze (3) aufgenommen ist, auf die andere Transferwalze (2) übertragen werden, wobei er insbesondere mindestens einen bereits an der anderen Transferwalze (2) aufgenommenen Materialzuschnitt (6) überlagert.
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Um dies zu erreichen werden die erste Transferwalze (2) und/oder die zweite Transferwalze (3) derart relativ zueinander bewegt, dass die Referenzstrukturen (16,17) der aufgenommenen Materialzuschnitte (6,7) zueinander in berührende Überdeckung gelangen. Der vergrößerte Detailausschnitt der Kontaktzone zwischen den Transferwalzen (2,3) in 14 zeigt einen Zustand, kurz nachdem der berührende Kontakt zwischen den Referenzstrukturen (16,17) an dem Materialzuschnitten (6,7) hergestellt worden ist. Während einer weiteren synchronisierten Drehbewegung der Transferwalzen (2,3) wird der zweite Materialzuschnitt (7) von der zweiten Transferwalze (3) abgelöst und an der ersten Transferwalze (2) in positionsgenaue Überlagerung zu dem ersten Materialzuschnitt (6) aufgenommen. Die Adhäsionsvorrichtung (15) der zweiten Transferwalze (3) kann bevorzugt zumindest in einem Oberflächenbereich in Umlaufrichtung hinter der Kontaktzone deaktiviert oder in der Adhäsionswirkung (S) vermindert betrieben werden, um das Ablösen des zweiten Materialzuschnitts vom Walzenmantel (13) zu unterstützen oder auszulösen. Dies kann insbesondere durch lokale Verminderung oder Abschaltung einer Saugwirkung oder einer elektrostatischen Anziehungswirkung oder einer der anderen oben genannten Adhäsionswirkungen erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann bei der Übergabe eines Materialzuschnitts (7) von der einen Transferwalze (3) auf die andere Transferwalze (2) ein Anpressdruck (P1) auf den mindestens einen Materialzuschnitt (7) ausgewirkt werden. Dies ist beispielhaft in der vergrößerten Ausschnittdarstellung in 14 gezeigt. Der Anpressdruck (P1) kann auf beliebige Weise erzeugt sein. In dem Beispiel von 14 wird zumindest eine der Transferwalzen (2,3) durch eine Normalversatzbewegung (VN) in Richtung der anderen Transferwalze (3,2) zugestellt. Die Zustellung kann kraftgeregelt oder positionsgeregelt erfolgen. Der Anpressdruck kann aus der Zustellkraft und/oder einer elastischen Verformung des mindestens einen zwischen den Transferwalzen (2,3) geführten Materialzuschnitts (6,7) resultieren. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine der Transferwalzen (2,3) durch ein elastischen Vorspannmittel zu der anderen Transferwalze (3,2) hin gedrängt werden.
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15 zeigt einen nachfolgenden Zustand der Fügevorrichtung (1), bei der die beiden überlagernd an der ersten Transferwalze (2) aufgenommenen Materialzuschnitte (6,7) positionsgenau auf den weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) appliziert werden.
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Die Applikation der beiden Materialzuschnitte (6, 7) erfolgt analog zu den oben in Bezug auf 1 bis 8 erläuterten Vorgängen.
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In dem Beispiel der 13 bis 16 wird der Schichtverbund (30) aus insgesamt drei Materialzuschnitten (6, 7, 8) gebildet. Gemäß alternativen und nicht darstellten Ausführungsvarianten kann durch das offenbarte Fügeverfahren bzw. die offenbarte Fügevorrichtung auch ein Schichtverbund (30) aus zwei, vier oder mehr Materialzuschnitten gebildet werden. Hierzu können die Übertragung eines Materialzuschnitts von der einen Transferwalze (3) auf die andere Transferwalze (2) und/oder das Applizieren von mindestens einem auf einer Transferwalze (2) aufgenommenen Materialzuschnitt auf einen weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) in beliebiger Reihenfolge und Häufigkeit wiederholt werden.
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Ferner ist es möglich, mindestens eine weitere (dritte) Transferwalze (nicht dargestellt) benachbart zu der ersten oder zweiten Transferwalze (2, 3) anzuordnen, der ggf. nochmals mindestens ein weiterer Materialzuschnitt zugeführt wird.
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Die Ausrichtung von zwei benachbarten Transferwalzen (2, 3) zur Übertragung eines an der einen Walze aufgenommenen Materialzuschnitts auf die andere Walze ist bevorzugt eine Nominalausrichtung, bei der die jeweiligen Rotationsachsen der Walzen zueinander parallel ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Transferwalzen zur Aufnahme eines zugeführten Materialzuschnitts weicht in der Regel von dieser Nominalausrichtung ab und ist an die erfasste Ist-Position des zugeführten Materialzuschnitts angepasst.
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Die Transferwalzen werden somit bevorzugt jeweils taktweise zwischen einer an einen zugeführten Materialzuschnitt angepassten Ausrichtung und einer Nominalausrichtung hin und her bewegt.
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Bevorzugt ist die Umfangslänge des Walzenmantels einer Transferwalze mindestens doppelt so groß wie die längste zu erwartende Breite (B) eines zugeführten Materialzuschnitts entlang der Förderrichtung (X). Auf diese Weise wird erreicht, dass ein aufgenommener Materialzuschnitt stets weniger als die Hälfte der Mantelfläche überdeckt.
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Dementsprechend kann ein Bewegungstakt einer Transferwalze jeweils eine Halbdrehung der Transferwalze umfassen, wobei jeweils zu Beginn oder zum Ende der Halbdrehung eine Versatzbewegung (VN, VQ, VR) erfolgt, um die Transferwalze von der angepassten Ausrichtung in die Nominalausrichtung zu bewegen oder umgekehrt.
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Die Zuführbewegung der Materialzuschnitte kann asynchron zur Bewegung der Transferwalzen erfolgen. Es ist insbesondere möglich, eine kontinuierliche Zuführgeschwindigkeit vorzusehen, die insbesondere für alle Materialzuschnitte in den verschiedenen Zuführebenen einheitlich gewählt sein kann.
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Die Fügevorrichtung (1) kann bevorzugt einen Manipulator (28) mit einer Aufnahmevorrichtung (29) aufweisen, um einen Schichtverbund (30) aus mindestens zwei gefügten Materialzuschnitten (6, 7, 8) von einem Endbereich einer Zuführvorrichtung (4, 5), der sich in Förderrichtung (X, X') hinter einer Transferwalze (2, 3) befindet, abzunehmen.
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Auf oder in dem Walzenmantel (12, 13) von mindestens einer der Transferwalzen (2, 3) kann bevorzugt eine Profilierung gebildet sein, deren Form insbesondere an dem vorgesehenen Aufnahmebereich (K) für ein Materialzuschnitt (6, 7, 8) angepasst ist. Die Profilierung kann insbesondere Deckungsgleich zu einem an einem Materialzuschnitt (6, 7, 8) vorgesehenen Verbindungsmittel ausgebildet sein. Ein solches Verbindungsmittel kann bevorzugt eine an dem Materialzuschnitt umlaufende Linien- oder Ringform haben.
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Eine weitere nicht dargestellte Variante des Fügeverfahrens sieht folgende Schritte vor.
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Zuführen eines ersten ungenau positionierten Materialzuschnitts (6) zu einer ersten Transferwalze (2) unter Erfassung oder Bezug der Ist-Position einer Referenzstruktur (16) an dem zugeführten ersten Materialzuschnitt (6) sowie Zuführen eines zweiten ungenau positionierten Materialzuschnitts (7) zu einer zweiten Transferwalze (3) unter Erfassung oder Bezug der Ist-Position einer Referenzstruktur (17) an dem zugeführten zweiten Materialzuschnitt.
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Bewegen der ersten Transferwalze (2) relativ zu dem zugeführten ersten Materialzuschnitt (6) und Bewegen der zweiten Transferwalze (3) relativ zu dem zugeführten zweiten Materialzuschnitt (7), sodass jeweils eine am Walzenmantel (12, 13) der Transferwalze (2, 3) definierte Soll-Position in berührende Überdeckung zu der Referenzstruktur (16, 17) am jeweiligen Materialzuschnitt (6, 7) gelangt.
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Aufnahme des jeweiligen Materialzuschnitts (6, 7) auf den jeweiligen Walzenmantel (12, 13) der Transferwalze (2, 3) mittels einer Adhäsionsvorrichtung (21, 22). Bewegen der ersten und/oder zweiten Transferwalze (2, 3) relativ zueinander, sodass die Referenzstrukturen (16, 17) der aufgenommenen Materialzuschnitte (6, 7) zueinander in berührende Überdeckung gelangen. Übergabe eines aufgenommenen Materialzuschnitts (7) von der einen Transferwalze (3) auf die andere Transferwalze (2), wobei der übergebende Materialzuschnitt (7) den bereits auf der anderen Transferwalze (2) aufgenommene Materialzuschnitt (6) überlagert.
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Gegebenenfalls Wiederholung der Aufnahme eines zugeführten Materialzuschnitts auf der einen Transferwalze, Bewegen der ersten und/oder zweiten Transferwalze relativ zueinander, sodass die Referenzstruktur des zusätzlich aufgenommenen Materialzuschnitts in berührende Überdeckung zu den Referenzstrukturen der bereits auf der anderen Transferwalze aufgenommenen Materialzuschnitte gelangt und Übergabe des weiteren Materialzuschnitts auf die andere Transferwalze.
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Abgabe der zwei oder mehr an der anderen Transferwalze überlagernd aufgenommenen Materialzuschnitte, insbesondere durch Ablage in der Zuführebene der anderen Transferwalze. Bei dieser Ausführungsvariante werden die mehreren an der anderen Transferwalze aufgenommene Materialzuschnitte also nicht auf einen weiteren zugeführten Materialzuschnitt appliziert.
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Ein Materialzuschnitt (6, 7, 8) kann eine beliebige Ausbildung haben und aus einem beliebigen Material bestehen. Er kann einstückig ausgebildet sein oder mehrstückig. Ein Materialzuschnitt kann insbesondere ein dünnschichtiges flächiges Materialstück und zumindest ein am Rand des Materialstücks angefügtes oder angeformtes Rahmenelement umfassen. Das angefügte oder angeformte Element kann bevorzugt aus einem biegeelastischen anderen Material bestehen, als das flächige Materialstück.
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Es ist für das Fügeverfahren vorteilhaft, wenn zumindest einer der Materialzuschnitte gasdurchlässig ist, insbesondere mindestens einer der Materialzuschnitte, der eine Randlage in dem Schichtverbund bildet. Dieser Materialzuschnitt kann bevorzugt als erster Materialzuschnitt auf dem Walzenmantel einer Transferwalze (2, 3) aufgenommen werden, zu dem nachfolgend überlagernd mindestens ein weiterer Materialzuschnitt (7) auf demselben Walzenmantel aufgenommen wird. Infolge der Gasdurchlässigkeit kann eine durch die Adhäsionsvorrichtung der jeweiligen Transferwalze erzeugte Saugwirkung auch mindestens einen weiteren überlagernd aufgenommenen Materialzuschnitt in der gewünschten Position halten.
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In einem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Herstellung einer Brennstoffzelle wird der Schichtverbund bzw. Lagenverbund bevorzugt aus mindestens einer Gas-Permeationsfolie und einer mit einem Katalysator beschichteten Folie gebildet. Die Gas-Permeationsfolie kann insbesondere dem ersten Materialzuschnitt (6) und dem dritten bzw. weiteren Materialzuschnitt (8) in den Figuren entsprechen, welche die äußeren Lagen des Schichtverbunds (30) bilden. Die mit einem Katalysator beschichtete Folie kann dem zweiten Materialzuschnitt (7) entsprechen, der zwischen dem ersten und dritten Materialzuschnitt (6, 8) eingefügt wird. Die verschiedenen Lagen aus Gas-Permeationsfolie und/oder mit katalysatorbeschichteten Folien werden bevorzugt mit Verbindungsmitteln ausgestattet. Insbesondere kann bereits an den zugeführten Materialzuschnitten eine Gummierung oder eine Klebeschicht vorgesehen sein. Die Verbindungsmittel sind bevorzugt durch Druck und/oder durch Kontakt mit dem Verbindungsmittel an einem anderen Materialzuschnitt aktivierbar. Insbesondere kann durch das Aufbringen eines Anpressdrucks (P1, P2) bei der Übergabe eines Materialzuschnitts von einer Transferwalze (3) auf eine andere Transferwalze (2) oder beim Applizieren mindestens eines auf einer Transferwalze aufgenommene Materialzuschnitts auf einen weiteren zugeführten Materialzuschnitt die Aktivierung erfolgen. Somit kann eine haftende Verbindung zwischen den einzelnen Lagen des Schichtverbunds bzw. des Lagenaufbaus genau in dem Moment hergestellt werden, in dem die Lagen positionsgenau zueinander in Kontakt gebracht werden.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können alle zu den verschiedenen Ausführungsvarianten bzw. Beispielen der Vorrichtungen und/oder zu den verschiedenen Ausführungsvarianten bzw. Beispielen der Füge- oder Herstellungsverfahren offenbarten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, vertauscht oder weggelassen werden.
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Eine Ablagevorrichtung (23, 24) kann dazu ausgebildet sein, mindestens zwei Arten von Materialzuschnitten (6, 7, 8) im Wechsel auf eine gemeinsame Zuführvorrichtung (3, 4) abzugeben. Hier können beispielsweise bereits zwei oder mehr Arten von Materialzuschnitten auf einem Träger (25) vorliegen.
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Anstelle der in den Figuren dargestellten Zuführbänder können beliebige andere Fördermittel genutzt sein, insbesondere ebene Fördermittel wie ein bewegtes Zuführ-Tray (Tablett mit mindestens einem aufgelegten Materialzuschnitt). Ein Zuführ-Tray kann eine Druckfläche (32) darstellen oder beinhalten, die zur Erzeugung des Anpressdrucks (P2) nutzbar ist, der zwischen einer Transferwalze und der Zuführebene erzeugbar ist.
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Nachfolgend sind besonders bevorzugte Ausführungsmerkmale angegeben, die für sich allein oder in beliebiger Kombination eine vorteilhafte Weiterbildung der offenbarten Fügetechnik oder des offenbarten Herstellungsverfahrens bilden.
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Eine Ablagevorrichtung (23, 24) ist bevorzugt dazu ausgebildet, mindestens zwei Arten von Materialzuschnitten (6, 8) im Wechsel auf eine gemeinsame Zuführvorrichtung (3, 4) zu übertragen. Hierdurch kann es ausreichen, an einer und insbesondere jeder Zuführvorrichtung (4, 5) nur eine Ablagevorrichtung (23, 24) vorzusehen.
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Die Fügevorrichtung (1) weist bevorzugt einen Manipulator (28) mit einer Aufnahmevorrichtung (29) auf, um einen Schichtverbund (30) aus mindestens zwei gefügten Materialzuschnitten (6, 7, 8) von einem Endbereich einer Zuführvorrichtung (4, 5), der sich in der Förderrichtung (X, X') hinter einer Transferwalze (2, 3) befindet, abzunehmen. Der Manipulator kann insbesondere dazu ausgebildet sein, einen Schichtverbund (30) einem nachgeführten Bearbeitungsschritt bzw. einer nachfolgenden Bearbeitungsstation zuzuführen. Er kann alternativ oder zusätzlich dazu ausgebildet und/oder betrieben sein, einen Schichtverbund (30) einer Verpackungs- oder Transportstation bzw. einem Verpackungs- oder Transportprozess zu übergeben.
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Die Aufnahme, Übergabe oder Applikation eines Materialzuschnitts kann durch beliebige Steuerungsmittel und vorrichtungstechnische Mittel vorgegeben sein. Bevorzugt wird mindestens eine Adhäsionsvorrichtung (14, 15) an einer Transferwalze und/oder mindestens eine Adhäsionsvorrichtung (21, 22) an einer Zuführvorrichtung (4, 5), durch die ein Materialzuschnitt (6, 7, 8) zugeführt wird, bei der Aufnahme, Übergabe oder Applikation geschaltet oder gesteuert, um das lagegetreue Ablösen von dem zuführenden Körper (insbesondere Transferwalze / Zuführvorrichtung) und/oder die lagegetreue Aufnahme auf den aufnehmenden Körper (insbesondere Transferwalze / Zuführvorrichtung) zu unterstützen oder auszulösen.
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Bei der Übergabe eines Materialzuschnitts (7) von einer Transferwalze (3) auf die andere Transferwalze (2) wird bevorzugt ein (erster) Anpressdruck (P1) auf den mindestens einen übergebenen Materialzuschnitt (7) ausgewirkt. Der erste Anpressdruck (P1) kann auch die Übergabe des Materialzuschnitts auslösen oder unterstützen, bspw. indem ein Haftmittel zwischen den Oberflächen von zwei in Kontakt gebrachten Materialzuschnitten (6, 7) aktiviert wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt beim Applizieren des mindestens einen auf einer Transferwalze (2) aufgenommenen Materialzuschnitts (6, 7) auf einen weiteren zugeführten Materialzuschnitt (8) ein (zweiter) Anpressdruck (P2) auf den gebildeten Schichtverbund (30) ausgewirkt. Auch der zweite Anpressdruck (P2) kann die Applikation des mindestens einen Materialzuschnitts auslösen oder unterstützen, bspw. indem ein Haftmittel oder Lagenverbindungsmittel zwischen den Oberflächen von zwei in Kontakt gebrachten Materialzuschnitten (7, 8) aktiviert wird.
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Es ist dementsprechend vorteilhaft, wenn an zumindest einem Materialzuschnitt ein Lagenverbindungsmittel oder Haftmittel vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, eine haltende oder fixierende Verbindung gegenüber einem anderen Materialzuschnitt in dem Schichtverbund (30) zu erzeugen. Das Lagenverbindungsmittel oder Haftmittel kann insbesondere als punkt- oder linienförmige Klebeschicht oder Gummierung ausgebildet sein, die insbesondere randseitig umlaufend an einem Materialzuschnitt angeordnet ist.
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Durch die offenbarte Fügetechnik können beliebige Materialien gehandhabt werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass zumindest ein Materialzuschnitt (6, 7, 8) ein elektroaktives Material umfasst, insbesondere ein Anoden- oder Kathodenmaterial, oder ein Katalysatormaterial. Die offenbarte Fügetechnik eignet sich für diese empfindlichen Materialien in besonderer Weise, weil sie eine verzugsfreie und die Oberfläche wenig beanspruchende Handhabung gestattet.
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Besondere Vorteile ergeben sich bei der Fügetechnik, wenn zumindest einer der Materialzuschnitte (6, 7, 8) gasdurchlässig ist, insbesondere mindestens einer der Materialzuschnitte (6, 8), der eine Randlage in dem Schichtverbund (30) bildet. Ein solcher gasdurchlässiger Materialzuschnitt (6, 8) kann insbesondere von einer Transferwalze aufgenommen werden, wobei auf den gasdurchlässigen Materialzuschnitt mindestens ein weiterer Materialzuschnitt (8) überlagerbar ist, und eine von der Adhäsionsvorrichtung an der Transferwalze erzeugte Adhäsionswirkung (insbesondere Saugwirkung) durch den gasdurchlässigen Materialzuschnitt hindurch auch auf den weiteren Materialzuschnitt wirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fügevorrichtung
- 2
- Erste Transferwalze
- 3
- Zweite Transferwalze
- 4
- Erste Zuführvorrichtung / Band / Tray
- 5
- Zweite Zuführvorrichtung / Band / Tray
- 6
- Erster Materialzuschnitt
- 7
- Zweiter Materialzuschnitt
- 8
- Dritter Materialzuschnitt
- 9
- Ungenaue Position auf Zuführvorrichtung
- 10
- Soll-Position an erster Transferwalze
- 10a
- Soll-Aufnahmelinie an erster Transferwalze
- 10b
- Drehlage der Soll-Aufnahmelinie
- 11
- Soll-Position an zweiter Transferwalze
- 11a
- Soll-Aufnahmelinie an zweiter Transferwalze
- 11b
- Drehlage der Soll-Aufnahmelinie
- 12
- Erster Walzenmantel
- 13
- Zweiter Walzenmantel
- 14
- Adhäsionsvorrichtung an erster Transferwalze
- 15
- Adhäsionsvorrichtung an zweiter Transferwalze
- 16
- Referenzstruktur an erstem Materialzuschnitt
- 17
- Referenzstruktur an zweitem Materialzuschnitt
- 18
- Referenzstruktur an drittem Materialzuschnitt
- 19
- Erfassungsvorrichtung
- 20
- Erfassungsvorrichtung
- 21
- Adhäsionsvorrichtung an erster Zuführvorrichtung
- 22
- Adhäsionsvorrichtung an zweiter Zuführvorrichtung
- 23
- Erste Ablagevorrichtung
- 24
- Zweite Ablagevorrichtung
- 25
- Träger / Trägerband
- 26
- Applikatorkörper
- 27
- Trägermaterialspeicher / Coil
- 28
- Manipulator
- 29
- Aufnahmevorrichtung
- 30
- Schichtverbund
- 31
- Erfasste Kontur
- 32
- Druckfläche
- A
- Längsachse / Bezugsachse in Förderrichtung
- A'
- Bezugslinie auf Walzenmantel
- B
- Breite eines Materialzuschnitts
- dY1
- Erster Querversatz
- dY2
- Zweiter Querversatz
- dR
- Rotationslagenversatz
- H
- Hochachse / Normalachse zu Zuführungsebene
- K
- Vorgesehener Aufnahmebereich am Walzenmantel
- L
- Länge eines Materialzuschnitts
- m
- Steigung des Querversatzes
- P1
- Anpressdruck zwischen Transferwalzen
- P2
- Anpressdruck auf Schichtverbund
- R1
- Rotationsachse der ersten Transferwalze
- R2
- Rotationsachse der zweiten Transferwalze
- S
- Adhäsionswirkung / Saugwirkung
- VN
- Normalversatzbewegung
- VQ
- Querversatzbewegung
- VR
- Rotationsversatzbewegung
