DE102019109637A1

DE102019109637A1 - Faserlegevorrichtung und Faserführungsverfahren für Faserlegevorrichtungen

Info

Publication number: DE102019109637A1
Application number: DE102019109637.5A
Authority: DE
Inventors: Duy Chinh Nguyen; Yannis Grohmann; Andreas Kolbe; Christian Krombolz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Faserlegevorrichtung (1) zum Ablegen von Faserendlosmaterial (2) auf ein Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Faserlegevorrichtung (1) weist einen Faserlegekopf (3) mit einer Ablegeeinheit (5) zum Ablegen des Faserendlosmaterials (2), einen Vorratsspeicher (6) zum Bereitstellen des abzulegenden Faserendlosmaterials (2) sowie eine Faserführungseinrichtung (7) zum Führen von Faserendlosmaterial (2) auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Faserführungseinrichtung (7) zumindest abschnittsweise einen flexiblen Faserführungskanal (8) mit einem offenen Führungsquerschnitt aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Faserführungsverfahren für Faserlegevorrichtungen, bei dem ein Faserendlosmaterial (2) auf einer Strecke von einem Vorratsspeicher (6) zu einem Faserlegekopf (3) einer Faserlegevorrichtung (1) geführt wird und bei dem das Faserendlosmaterial (2) zumindest in einem Abschnitt der Führungsstrecke in einem flexiblen Faserführungskanal (8) mit einem offenen Führungsquerschnitt geführt wird. Hierdurch sollen eine verbesserte Faserlegevorrichtung (1) und ein verbessertes Faserführungsverfahren angegeben werden, mit denen Faserendlosmaterial (2) einfach und prozesssicher zu einer Ablegeeinheit (5) eines Faserlegekopfes (3) geführt werden kann, ohne dass Materialbeschädigungen aufgrund von Relativbewegungen des Faserlegekopfes (3) in Bezug auf einen feststehenden Vorratsspeicher (6) auftreten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Faserlegevorrichtung zum Ablegen von Faserendlosmaterial auf ein Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft auch ein Faserführungsverfahren für Faserlegevorrichtungen.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch im Automobilbereich findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserbundwerkstoffe können Bauteile an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
Ein Nachteil von Faserverbundwerkstoffen sind die gegenüber konventionellen Werkstoffen höheren Fertigungskosten, die sich meist dadurch ergeben, dass viele Herstellungs- bzw. Fertigungsschritte händisch durchgeführt werden müssen. Bei Großbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist daher eine zunehmende Automatisierung einzelner Fertigungsschritte zu beobachten, wie beispielsweise das automatisierte Ablegen der Fasern auf ein Werkzeug mittels Roboter. Dabei werden die Fasern bzw. Faserhalbzeuge durch einen Faserlegekopf mit einer Ablegeeinheit auf dem Werkzeug abgelegt, der als Endeffektor an einem Roboterarm angeordnet ist. Während des Ablegens der Fasern auf dem Werkzeug wird dabei der Faserlegekopf mit Hilfe des Roboters entsprechend einem vorgegebenen Bewegungsmuster verfahren, sodass die Fasern auf dem Werkzeug entsprechend abgelegt werden können.
Als Fasern bzw. Fasermaterial kommen insbesondere Faserendlosmaterialien mit einem flachen Profilquerschnitt, wie beispielsweise Tows/Towpregs, Slittapes, Faserstränge, Rovings sowie Gelege- und Gewebestränge zum Einsatz. Insbesondere kann das Faserendlosmaterial in Form von mehreren, gleichzeitig und beispielsweise auch parallel zueinander geförderten Endlos- bzw. Quasiendlossträngen, Tows etc. vorliegen. Das Faserendlosmaterial wird dabei von einem feststehenden Fasermagazin bzw. Vorratsspeicher, der das abzulegende Faserendlosmaterial bereitstellt, zu dem im Raum frei bewegbaren Faserlegekopf transportiert. Hierzu weist die Faserlegevorrichtung in der Regel eine Fördereinheit auf, die beispielsweise mit einem Antrieb zum Fördern des Faserendlosmaterials versehen ist. Die Faserlegevorrichtung weist zudem eine Faserführungseinrichtung zum Führen des Faserendlosmaterials entlang einer vorgegebenen Strecke, beispielsweise zwischen Vorratsspeicher und Faserlegekopf, auf.
Aufgrund der freien Bewegbarkeit des Faserlegekopfes im Raum verändert sich während des Ablegens der Fasern ständig die Distanz und Richtung zwischen dem feststehenden Vorratsspeicher und dem Faserlegekopf, sodass ungewollte Zugkräfte auf das Fasermaterial wirken bzw. Fasermaterialüberschuss entstehen kann. Neben der klassischen Verwendung von Portalanlagen kommen in dem Faserlegeprozess vermehrt mehrachsige Bewegungsautomaten wie beispielsweise Gelenk- bzw. Knickarmroboter zum Einsatz, die eine höhere Flexibilität im Fertigungsprozess erlauben. Dabei sind die einzelnen Glieder eines derartigen Bewegungsautomaten über Linearführungen und/oder Drehgelenke zu einer kinematischen Kette miteinander verbunden, wobei insbesondere bei Industrierobotern zwischen einer oder mehreren Hauptachsen und den in der Nähe des Endeffektors vorgesehenen Kopfachsen (auch Nebenachsen genannt) unterschieden wird. Die Hauptachsen eines Industrieroboters ermöglichen dabei die freie Positionierung eines Endeffektors im Raum, während die Kopfachsen in erster Linie für die Orientierung des Werkzeugs zuständig sind und meist aus einer Reihe von Drehgelenken bestehen. Häufig sind mindestens zwei der drei Hauptachsen parallel in der kinematischen Kette vorgesehen und bilden so ein Wattsches Parallelogramm, sodass durch die Drehbewegung der beiden parallelen Hauptachsen eine Linearbewegung erzeugt werden kann.
Aufgrund der Bewegungsvielfalt, mit der die Endeffektoren in nahezu allen sechs Freiheitsgraden bewegt werden können, ergeben sich Probleme hinsichtlich der Zuführung der Faserendlosmaterialien von dem feststehenden Vorratsspeicher zu dem frei bewegbaren Faserlegekopf. Dabei sollten starke Zugbelastungen auf dem Fasermaterial sowie Materialüberschuss in der Zuführungskette vermieden werden, um eine prozesssichere Zuführung der Fasermaterialien zu dem Faserlegekopf zu gewährleisten.
So ist aus der EP 2 117 818 B1 eine Faserlegeeinheit mit einem Faserspeicher, einem Roboter und einem Ablegekopf bekannt, bei dem das Fasermaterial mithilfe eines flexiblen Rohrleitungssystems dem Ablegekopf zugeführt wird. Die Fasermaterialien, die in dem Fasermagazin als Faserendlosmaterial bzw. Quasiendlosmaterial vorliegen, werden innerhalb des flexiblen Rohrleitungssystems transportiert, wobei der Innenraum des Rohrleitungssystems beispielsweise zu Kühlungszwecken mit einem Gas beaufschlagbar ist. Allerdings ergibt sich bei dem Röhrensystem der Nachteil, dass die Fasern bzw. Fasermaterialien an den Rohrinnenwänden während des Zuführens anliegen können und somit Reibung verursachen, was zu Beschädigungen der Fasern führen kann. Insbesondere bei starken Bewegungen und großen Abstandsänderungen zwischen Faserspeicher und Ablegekopf ist dies aufgrund der starken Biegung und Torsion des Röhrensystems zu befürchten. Zudem kann in dem Röhrensystem Feuchtigkeit vorliegen, beispielsweise durch Kondensatbildung, wodurch die Fasermaterialien an den Rohrinnenwänden anhaften können. Durch den großen Flächenkontakt des Fasermaterials mit den Rohrinnenwänden kann es vor allem bei Prepreg zur Anhaftung des Materials kommen, auch ohne Kondensatbildung. Dieses Anhaften kann in einer stockenden Faserzuführung oder gar in einer Unterbrechung aufgrund eines erforderlichen manuellen Eingriffs in die Faserzuführung resultieren. Zur Verminderung der Klebrigkeit des geführten Fasermaterials wird dieses in der Praxis und gemäß der EP 2 117 818 B1 aufwendig gekühlt. Generell ist auch das Abführen von Fasermaterialteilchen wie etwa sogenannten Faserbällchen bzw. Fuzzballs problematisch, die sich in den Rohrleitungen von dem Faserendlosmaterial beispielsweise aufgrund von Reibung abgelöst haben, sodass es zu Verstopfungen innerhalb des Rohrsystems kommen kann. Somit muss eine regelmäßige Reinigung oder ein Austausch der Rohrleitungen in Kauf genommen werden.
In der DE 10 2013 107 039 A1 wird zum Zuführen eines Quasiendlosmaterials von einem Materialspeicher zu einem Verarbeitungsort eine Einrichtung erwähnt, die in Form einer Gliederkette ausgebildet ist, wobei das Quasiendlosmaterial darin über Rollen, die sich in den einzelnen Gliedern der Gliederkette befinden, geführt wird. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass die Gliederkette mit Hilfe eines Tragsystems gehalten werden muss, um die sich ändernden Distanzen zwischen Ablegekopf und Fasermaterial ausgleichen zu können. Darüber hinaus führen starke Ausschläge aus der Nulllage zu starken Torsions- und Kippbewegungen der Gliederkette, die zu Reibungsbelastungen der Fasern an den Rollen führen können. Durch starke Torsion aus der Nulllage wirken auf die Fasern auch seitliche Kräfte, wodurch das Material an den Rollenrad geführt wird und es dadurch zu Beschädigungen kommen kann. Auch hier sind Beschädigungen der Fasern zu befürchten, welche die Prozesssicherheit des automatisierten Ablegeprozesses benachteiligen.
Aus der DE 10 2013 108 570 A1 ist des Weiteren eine mehrteilige Faserführung bekannt, bei der die Fasern mit Hilfe von an dem Roboter angeordneten Übergangspunkten entlang der kinematischen Kette geführt werden, wobei die Übergangspunkte sich in den Drehachsen der jeweiligen Achsen des mehrachsigen Roboters befinden. Hierdurch können beim Bewegen des Roboters sämtliche Zugkräfte und Materialüberschüsse beseitigt werden, sodass einzelne Faserstränge sicher zu dem Ablegekopf geführt werden können. Als nachteilig hat sich jedoch hierbei herausgestellt, dass bei zunehmender Anzahl von gleichzeitig zu transportierenden Faserendlosmaterialien (beispielsweise Faserstränge) nicht jeder einzelne Faserstrang auch tatsächlich in der Drehachse des Drehgelenkes positioniert werden kann, sodass es bei einzelnen Fasersträngen im Parallelbetrieb dennoch zu unerwünschten Zugbeanspruchungen bzw. Materialüberschüssen kommt. Die DE 10 2013 108 570 A1 offenbart zudem eine zusätzliche Faserführung zwischen Mikrorollen, die jedoch mit einem nicht zu vernachlässigenden Montage-, Justierungs- und Wartungsaufwand verbunden ist.
Rollensysteme mit Führungs- und Umlenkrollen zur Führung von Faserendlosmaterial von einem Vorratsspeicher zu einem Faserlegekopf sind zudem aus der Praxis hinreichend bekannt. Bei Faserlegevorrichtungen mit Bewegungsautomaten, beispielsweise einem Knickarmroboter, führt ein solches Rollensystem jedoch zur Einschränkung der Bewegungsfreiheit des Roboters. Anderenfalls muss ein enormer Hubausgleich des abgewickelten Faserendlosmaterials bereitgestellt werden, um bei einer Rückstellung eines der zahlreichen Gelenke des Knickarmroboters das Faserendlosmaterial zurückspulen und somit unter einer Grundspannung halten zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Faserlegevorrichtung und ein verbessertes Faserführungsverfahren für Faserlegevorrichtungen anzugeben, bei denen Faserendlosmaterial einfach und prozesssicher zu einer Ablegeeinheit eines Faserlegekopfes geführt werden kann, ohne dass Materialbeschädigungen aufgrund von Relativbewegungen des Faserlegekopfes in Bezug auf einen Vorratsspeicher auftreten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Faserlegevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, deren Faserführungseinrichtung zum Führen von Faserendlosmaterial zumindest abschnittsweise einen flexiblen Faserführungskanal mit einem offenen Führungsquerschnitt aufweist.
Unter einem Faserführungskanal wird hierbei zunächst jegliches, in der Regel langgestrecktes Führungsprofil verstanden, das zur Aufnahme und Führung eines strangförmigen Faserendlosmaterials (Quasiendlosmaterial) geeignet ist und eine Bewegungsbahn des Faserendlosmaterials vorgeben kann. Mit einem langgestreckten Führungsprofil ist ein Profil beschrieben, dessen Haupterstreckung in Faserführungsrichtung liegt, also eine größere Ausdehnung in Richtung der geführten Faser als quer dazu aufweist. Bevorzugt ist der Faserführungskanal genauso breit oder unwesentlich breiter als das geführte Faserendlosmaterial, dessen Breite üblicherweise im Millimeter- oder Zentimeterbereich liegt. Die Länge des Faserführungskanals hingegen ist vergleichsweise größer als die Breite und kann vorzugsweise im zweistelligen Zentimeterbereich oder Meterbereich liegen.
Das Faserendlosmaterial kann zumindest abschnittsweise auf einer Oberfläche des Faserführungskanals geführt werden. Grundsätzlich sind jedoch verschiedene Varianten der Kontaktierung zwischen Faserführungskanal und Faserendlosmaterial denkbar, beispielsweise kann das Faserendlosmaterial auch nur mit seinen Seitenkanten an den Faserführungskanal anstoßen oder die Seitenkanten könnten in Nuten des Faserführungskanals geführt werden. Denkbar ist es auch, zusätzliche Führungselemente wie beispielsweise Führungsrollen in dem Faserführungskanal vorzusehen; bevorzugt wird jedoch zur Minimierung von Kosten und Wartungsaufwand auf zusätzliche Führungselemente wie Führungsrollen verzichtet. Auch ist eine grundsätzlich frei schwebende Führung des Faserendlosmaterials in dem Faserführungskanal denkbar, bei der eine Kontaktierung zwischen Faserendlosmaterial und Faserführungskanal lediglich bei Umlenkungen oder Zugverringerungen beim Fördern des Faserendlosmaterials auftritt.
Der Faserführungskanal ist flexibel ausgeführt. Diese Flexibilität kennzeichnet sich durch eine gewisse Biegsamkeit, und zwar bevorzugt in Ebenen senkrecht zur Faserführungsrichtung. Bei einer horizontalen Bewegung der beiden Enden des Faserführungskanals aufeinander zu wird der Faserführungskanal somit nicht gestaucht, sondern weicht aufgrund seiner Biegsamkeit in einer vertikalen Richtung aus. Hierbei wird das auf in dem Faserführungskanal geführte Faserendlosmaterial ebenfalls mitgebogen, was die zuverlässige Führung des Faserendlosmaterials jedoch nicht beeinträchtigt.
Es wird darauf hingewiesen, dass „ein“ als unbestimmter Artikel und nicht als Zahlwort zu verstehen ist, sodass die Faserlegevorrichtung nicht nur einen, sondern auch mehrere Faserführungskanäle aufweisen kann. Insbesondere kann für jeden geförderten Faserstrang bzw. jedes Tow ein eigener Faserführungskanal vorgesehen sein.
Die Faserführungseinrichtung weist zumindest abschnittsweise einen vorbeschriebenen Faserführungskanal auf. Dies schließt grundsätzlich auch ein, dass die gesamte Faserführungseinrichtung aus einem solchen Faserführungskanal oder aus mehreren Faserführungskanälen gebildet sein kann. So kann die gesamte Faserführungseinrichtung vom Vorratsspeicher bis zur Ablegeeinheit am Faserlegekopf durch einen oder mehrere Faserführungskanäle gebildet sein. Es kann jedoch auch nur zur Überbrückung mindestens einer Achse eines Bewegungsautomaten ein flexibler Faserführungskanal als Faserführungseinrichtung vorgesehen sein. Die Faserführungseinrichtung kann beispielsweise auch zusätzlich aus Umlenkeinheiten bestehen und beispielsweise Umlenkrollen aufweisen. Somit ist es auch denkbar, die Faserführungseinrichtung teilweise aus Umlenkeinheiten und teilweise aus flexiblen Faserführungskanälen zu bilden. Auch weitere zusätzliche Führungsarten wie beispielsweise ein Gliederkettenabschnitt sind denkbar, wobei der flexible Faserführungskanal gerade keinen Gliederkettenabschnitt ausbildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Faserführung ausgehend vom Vorratsspeicher zunächst über Umlenkeinheiten und nur zur Überbrückung von Kopfachsen eines Bewegungsautomaten mit flexiblen Faserführungskanälen. Hierdurch wird die vorteilhafte Flexibilität der erfindungsgemäßen Faserführungseinrichtung genau dort zur Verfügung gestellt, wo die größte Bewegungsfreiheit der Faserlegevorrichtung vorliegen muss.
Der flexible Faserführungskanal weist einen offenen Führungsquerschnitt auf. Der Führungsquerschnitt bezieht sich auf den Bereich des Faserführungskanals, in dem das Faserendlosmaterial geführt ist und schließt zusätzliche, geschlossene Querschnitte an dem Faserführungskanal beispielsweise zu Stützfunktionen nicht aus. Insbesondere bezieht sich der Führungsquerschnitt auf einen Führungsbereich der Faserführungseinrichtung, der zwischen einem Einleitungsabschnitt, in dem das Faserendlosmaterial in die Faserführungseinrichtung eingeführt wird, und einem Ausleitungsabschnitt, in dem das Faserendlosmaterial aus der Faserführungseinrichtung herausgeführt wird, liegt. In dem offenen Führungsquerschnitt ist das Faserendlosmaterial nicht vollständig von dem Faserführungskanal umschlossen, sondern steht in Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre.
Mit der erfindungsgemäßen Faserlegevorrichtung werden zahlreiche Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen erzielt. Durch die offene Ausgestaltung des Faserführungskanals, also seinen offenen Führungsquerschnitt, ist eine visuelle Überprüfung der Faserführung an jeder Stelle der Faserführungseinrichtung möglich. Defekte des Faserendlosmaterials, beispielsweise sich von dem Faserendlosmaterial lösende Faserteile wie Faserbällchen, können besser erkannt, entfernt oder gar automatisch durch Herausfallen aus der Faserführungseinrichtung abtransportiert werden. Im Vergleich zu aktiven Kühlungen, bei denen beispielsweise ein Kühlmedium in geschlossene Führungsleitungen eingeleitet wird, ist die passive Luftkühlung bei der vorliegenden Faserführungseinrichtung wesentlich energie- und ressourcenschonender. Zudem bleiben die Umgebungsbedingungen an dem Faserendlosmaterial konstant. Beispielsweise bei Forschungseinrichtungen ist es vorteilhaft, wenn die zu untersuchenden Faserendlosmaterialien zu jedem Zeitpunkt Normbedingungen unterliegen, beispielsweise einer Normtemperatur oder Normfeuchte. Durch den Kontakt zur Umgebungsatmosphäre unterliegt das geführte Faserendlosmaterial durchgängig dem regelbaren Umgebungs-, beispielsweise Hallenklima, sodass die erzielten Forschungs- und Entwicklungsergebnisse reproduzierbarer werden. Im Gegensatz zu geschlossenen Faserführungseinrichtungen kann entstehende Feuchtigkeit mit einem offenen Führungsquerschnitt auch besser abtransportiert werden, sodass ein feuchtebedingtes Anhaften des Faserführungsmaterials in der Faserführungseinrichtung vermieden werden kann. Gleichzeitig wurde jedoch erkannt, dass auch mit einem Faserführungskanal mit offenem Führungsquerschnitt eine hinreichend prozesssichere Faserführung auch bei großskaligen Bauteilen erreicht werden kann.
Gegenüber beispielsweise der in der DE 10 2013 107 039 A1 beschriebenen Gliederkettenlösung weist die erfindungsgemäße Faserlegevorrichtung eine wesentlich beweglichere Faserführungseinrichtung auf, die nicht an einen vorgegebenen Transportweg oder ein starres Trägersystem gebunden ist. Zudem bedeuten flexible Faserführungskanäle der vorbeschriebenen Art eine erhebliche Gewichtsreduktion gegenüber schweren Gliederketten und sind im Ergebnis auch einfacher und kostengünstiger herzustellen.
Unter einem offenen Führungsquerschnitt des Führungskanals wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass der Führungskanal das in einem Innendurchgang geführte Faserendlosmaterial nicht vollständig umschließt bzw. einschließt. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass offene Bereiche des Führungskanals flächenmäßig in Summe größer sind als geschlossene Bereiche des Führungskanals. Vorzugsweise sind die offenen Bereiche flächenmäßig mehr als doppelt so groß wie die geschlossenen Bereiche. Die offenen Bereiche sind dabei dadurch gekennzeichnet, dass kein Material vorhanden ist und somit ein Durchgriff von außen auf das im Innendurchgang geführte Faserendlosmaterial möglich ist. Die geschlossenen Bereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass kein Durchgriff von außen möglich ist. Demzufolge wird unter einem offenen Faserführungsquerschnitt im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass der Faserführungskanal ein oder mehrere offene Bereiche und ein oder mehrere geschlossene Bereiche hat, die sich abwechsein können. Durch den offenen Führungsquerschnitt wird somit eine Sichtverbindung zu dem im Innendurchgang des Führungskanals geführten Faserendlosmaterials möglich.
Ein Faserführungskanal mit offenem Führungsquerschnitt kann bspw. eine Magazinfeder oder eine Spirale sein. Der offene Führungsquerschnitt kann dabei sowohl in axialer Richtung und/oder quer zur axialen Richtung vorliegen bzw. definiert sein.
Ein Faserführungskanal ist somit ein Abschnitt, eine Komponente oder ein Bereich, mittels derer ein Faserendlosmaterial von einem Einleitungspunkt zu einem Ausleitungspunkt geführt werden kann, wobei durch den offenen Führungsquerschnitt das in dem Innendurchgang des Faserführungskanals geführte Faserendlosmaterial durch den Faserführungskanal nicht vollständig umschlossen oder eingeschlossen wird.
Für die Ausgestaltung des offenen Führungsquerschnitts sind verschiedene Optionen denkbar. So kann einerseits der Führungsquerschnitt entlang der in Faserführungsrichtung verlaufenden Haupterstreckungsrichtung des Faserführungskanals offen gehalten werden. Hierbei entspricht die Haupterstreckungsrichtung des Faserführungskanals grundsätzlich der Faserführungsrichtung. Dies bedeutet, dass ein Faserführungskanal abschnittsweise mit einem geschlossen ausgeführten Querschnitt ausgeführt sein kann, jedoch in seiner Längsrichtung in diskreten Abständen unterbrochen ist. In diesen offenen Abschnitten wird das Faserendlosmaterial nicht von dem Faserführungskanal umschlossen, sondern weitgehend frei in der Umgebungsatmosphäre geführt. Alternativ kann die Oberfläche des Faserführungskanals in Längsrichtung in diskreten Abständen reduziert sein, sodass das Faserendlosmaterial beispielsweise nicht umschlossen, sondern nur an einer Oberfläche des Faserführungskanals geführt wird. Im Prinzip sollte bei allen Ausführungsvarianten mit einem offenen Führungsquerschnitt in Haupterstreckungsrichtung des Faserführungskanals bei einem seitlichen Blick auf den Faserführungskanal erkennbar sein, dass dieser keine um das Faserendlosmaterial herum geschlossene Kontur bzw. keinen vollständig geschlossenen Querschnitt aufweist.
Andererseits kann der Führungsquerschnitt auch quer zu seiner in Faserführungsrichtung verlaufenden Haupterstreckungsrichtung offen gehalten sein. Hierzu kommen grundsätzlich beispielsweise U-förmige Querschnittsprofile in Betracht. Besonders günstig sind jedoch offene Querschnittsprofile, bei denen die Breite des offenen Querschnittsbereichs geringer ist als die Breite des geführten Faserendlosmaterials. Dies können beispielsweise kreisbogenförmige oder rechteckige bzw. polygonale Querschnittsprofile mit entsprechenden Ausnehmungen sein, die das Faserendlosmaterial ausreichend umschließen, sodass es nicht aus dem Faserführungskanal gleiten kann, jedoch durch eine Öffnung in dem Querschnittsprofil die Kommunikation des Kanalinneren mit der Umgebungsatmosphäre ermöglichen. Das Querschnittsprofil quer zu der Haupterstreckungsrichtung kann über die gesamte Länge des Faserführungskanals gleichbleibend sein. In anderen Ausführungsformen kann es jedoch auch über die Länge des Faserführungskanals variieren, zum Beispiel eine erweiterte Öffnung aufweisen, um etwa an bekannten Problemstellen der Faserführungseinrichtung eine verbesserte Belüftung, Kühlung oder Abführung von Materialteilchen zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Faserführungskanal durch miteinander verbundene Führungsösen gebildet oder weist entlang seiner Haupterstreckungsrichtung in diskreten Abständen angeordnete Führungsösen auf. Unter einer Führungsöse wird ein ring- oder schlingenförmiges, schmales Bauteil verstanden, das eine Art Rahmen für ein durch die Öse hindurchgeführtes Faserendlosmaterial bildet und die Bewegung des Faserendlosmaterials innerhalb der Öse auf deren Ausdehnung begrenzt. Die Führungsöse kann beispielsweise aus Metall, Kunststoff oder Gummi bestehen und insbesondere aus einem Draht gefertigt sein, um eine kostengünstige und einfach umzusetzende Lösung zu erhalten. Die Stärke der Führungsösen liegt bevorzugt im Millimeterbereich. Die Führungsöse kann eine beliebige, beispielsweise kreisförmige, ovale, dreieckige, viereckige, quadratische, polygonale oder trapezförmige Grundform haben. Die Führungsösen können beispielsweise über biegeschlaffe Verbindungsmittel wie zum Beispiel Seile, Fäden oder Gurte miteinander verbunden sein. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, die Führungsösen mit etwas formstabileren, jedoch ebenfalls in Grenzen flexiblen Verbindungsmitteln miteinander zu verbinden, beispielsweise mit Metall- oder Gliederbändern. Unter einer beabstandeten Anordnung werden optisch mit bloßem Auge wahrnehmbare Abstände zwischen einzelnen Führungsösen angesehen. Diese Abstände können beispielsweise mindestens 3 cm, vorzugsweise mindestens 5 cm betragen und maximal 70 cm, vorzugsweise maximal 50 cm betragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Faserführungskanal eine sich in Haupterstreckungsrichtung des Faserführungskanals, also in Faserführungsrichtung erstreckende Trägerseele auf. Diese kann beispielsweise als Metall- oder Kunststoffband ausgebildet sein. Grundsätzlich sollte die Trägerseele eine gewisse Biegbarkeit aufweisen, um einen flexiblen Faserführungskanal bilden zu können. Der Trägerseele können verschiedene Aufgaben der Faserführung zukommen. So kann sie beispielsweise einerseits abschnittsweise oder durchgängig als Träger für Faserendlosmaterial dienen, also Fasern entlang ihrer Oberfläche führen. Andererseits kann sie auch als Träger oder Verbindungsmittel für Führungsösen oder andere Komponenten der Faserführungseinrichtung dienen. Bevorzugt weist die Trägerseele eine möglichst reibungsarme oder antistatische, gegebenenfalls auch beschichtete Oberfläche auf.
In einer besonders einfachen, langlebigen und kostengünstigen Ausgestaltung des Faserführungskanals weist dieser eine vorbeschriebene Trägerseele und hierauf beabstandet angeordnete Führungsösen auf. Hierbei können die Führungsösen vorzugsweise stoffschlüssig mit der Trägerseele verbunden sein, beispielsweise an die Trägerseele angeklebt, angelötet oder angeschweißt sein. Aber auch kraft- und formschlüssige Verbindungsarten, beispielsweise durch Anklemmen oder Anclipsen sind denkbar. Die Führungsösen sind im Wesentlichen quer zu der Faserführungsrichtung auf der Trägerseele angeordnet. „Quer“ bedeutet jedoch nicht zwangsläufig eine Anordnung im 90°-Winkel. Auch andere Winkelungen, also schräg auf der Trägerseele platzierte Führungsösen sind denkbar.
Bei einer Ausführungsform des Faserführungskanals mit einer Trägerseele und Führungsösen kann grundsätzlich festgestellt werden, dass in mehreren Ebenen bzw. Richtungen offene Führungsquerschnitte vorliegen. So ist der Führungsquerschnitt zwischen den Führungsösen einerseits quer zur Faserführungsrichtung, andererseits auch längs bzw. entlang der Faserführungsrichtung offen gehalten.
Bei dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn Führungsösen auf einer Unterseite und einer Oberseite der Trägerseele angeordnet sind. Dadurch wird auf beiden Seiten der Trägerseele jeweils ein Faserführungskanal gebildet, also ein oberer Faserführungskanal auf einer Oberseite und ein unterer Faserführungskanal auf einer Unterseite der Trägerseele. Auf diese Weise teilen sich zwei benachbarte Faserführungskanäle eine Trägerseele, was in einer Gewichts- und Materialersparnis bei der Faserführungseinrichtung resultiert. Die sich ergebende räumliche Bündelung mehrerer Faserführungen führt zudem zu einem geringeren Platzbedarf für die Faserführungseinrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform können auf der Seele bzw. Trägerseele ein oder mehrere Mikrorollen positioniert sein, um eine weitere Reibungsminimierung beim Führen des Fasermaterials zu ermöglichen. Hierdurch kann der Materialabrieb verringert werden, sodass sich nur geringe Materialansammlungen an den Rollen ergeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Faserführungskanal eine Magazinfeder auf oder ist aus einer Magazinfeder gebildet. Unter einer Magazinfeder wird eine langgestreckte Feder verstanden, die beispielsweise aus einem spiralförmig gewundenen oder in Zickzackform gebogenen Federdraht gebildet sein kann. Die Windungsform kann unter anderem oval, rechteckig mit Biegeradius oder elliptisch sein. Zumindest in einem unbelasteten Zustand liegen die einzelnen Windungen der Magazinfeder so weit auseinander, dass ein Medium wie Gas oder Flüssigkeit ungehindert zwischen den Windungen hindurchtreten kann. Bevorzugt nähern sich die Windungen jedoch auch in einem belasteten Zustand, beispielsweise bei einer Komprimierung der Magazinfeder, zu keinem Zeitpunkt so weit an, dass das Federinnere nicht mehr in Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre steht. Das Faserendlosmaterial wird im Inneren der Magazinfeder, also innerhalb der die Magazinfeder bildenden Windungen geführt.
Bevorzugt kann die Magazinfeder mit einer vorbeschriebenen Trägerseele verbunden oder auf dieser angeordnet sein. Insbesondere kann eine Trägerseele auch zwei Magazinfedern, jeweils an einer Unterseite und einer Oberseite der Trägerseele aufnehmen. Auf diese Weise teilen sich zwei benachbarte Faserführungskanäle eine Trägerseele, was in einer Gewichts- und Materialersparnis bei der Faserführungseinrichtung resultiert. Die sich ergebende räumliche Bündelung mehrerer Faserführungen führt zudem zu einem geringeren Platzbedarf für die Faserführungseinrichtung.
Bevorzugt ist die Magazinfeder stoffschlüssig mit der Trägerseele verbunden, beispielsweise angeklebt, angelötet oder angeschweißt. Jedoch ist beispielsweise auch ein punktuelles Anschrauben der Magazinfeder an die Trägerseele denkbar, um eine lösbare Verbindung zu schaffen. Durch die Verbindung der Magazinfeder mit der Trägerseele wird vorteilhafterweise der Windungsabstand der Magazinfeder festgelegt, sodass der Abstand zwischen einzelnen Windungen unabhängig von einwirkenden Kräften im Wesentlichen gleich bleibt, die Feder also nicht oder zumindest nicht wesentlich gestaucht oder gestreckt werden kann. In einer besonders günstigen Ausführungsform ist die Magazinfeder bereits einteilig mit einer Trägerseele hergestellt, sodass der Faserführungskanal dann eine streifenförmige, durchgängige Grundfläche mit hieran einteilig angeformten Windungen aufweisen kann.
Die Magazinfeder kann über die gesamte Länge des Faserführungskanals verlaufen oder es können eine oder mehrere Magazinfedern an der Faserführungseinrichtung vorgesehen sein. Die Magazinfeder kann beispielsweise aus einem Metall oder Kunststoff bestehen, aber auch mehrere Materialarten aufweisen, zum Beispiel aus einem Metallkern mit einer Kunststoffbeschichtung gebildet sein. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Magazinfeder eine besonders glatte und somit reibungsarme oder auch eine antistatische Oberfläche aufweist, um möglichst wenig Wechselwirkungen mit dem geführten Faserendlosmaterial zu erzeugen.
Die Nutzung einer Magazinfeder als Faserführungskanal oder als Teil des Faserführungskanals stellt eine sehr einfache und prozesssichere Führungsmöglichkeit für das zu führende Faserendlosmaterial dar. Auch bei stärkeren Biegungen des Faserführungskanals wird die Beweglichkeit des Faserendlosmaterials durch die Magazinfeder ausreichend begrenzt, sodass das Faserendlosmaterial nicht aus dem Faserführungskanal gleiten kann. Im Prinzip stellt die Magazinfeder eine Anreihung miteinander verbundener Führungsösen dar, sodass die gleichen Vorteile der Führungsösen auch für die Magazinfeder gelten. Die Magazinfeder hat gegenüber einzelnen Führungsösen jedoch den zusätzlichen Vorteil einer vereinfachten Montage, beispielsweise auf einer Trägerseele, wobei auch eine Demontage beispielsweise zu Änderungszwecken erleichtert ist. Die Magazinfeder ist weiterhin als kostengünstiges Massenbauteil in zahlreichen Ausführungsvarianten weit verbreitet. Die Magazinfeder ermöglicht eine sichere Faserführung auch über größere Strecken, ohne dabei die Flexibilität des flexiblen Faserführungskanals zu reduzieren, da sie als Federbauteil ebenfalls eine ausreichende Beweglichkeit bzw. Biegsamkeit aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Magazinfeder eine rechteckige Windungsform auf. Eine solche Windungsform ist insbesondere für das häufig flachbandartig oder streifenförmig ausgeführte Faserendlosmaterial geeignet, das sich in einer Magazinfeder mit rechteckigförmigen Windungen nicht so leicht verdrehen kann wie beispielsweise einer Magazinfeder mit runder Windungsform. Bevorzugt hat dabei das Rechteck bzw. die Magazinfeder eine Höhe, die geringer ist als die Breite des zu führenden Faserendlosmaterials, sodass eine Torsion des Faserendlosmaterials innerhalb der Magazinfeder zuverlässig verhindert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Faserführungskanal mindestens einen Versteifungsabschnitt mit reduzierter Flexibilität auf. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist alle 20 bis 60 cm entlang des Faserführungskanals ein Versteifungsabschnitt mit einer Länge von jeweils etwa 5 bis 20 cm vorgesehen. In den Versteifungsabschnitten wird die Flexibilität des Faserführungskanals gezielt vermindert. Dies kann beispielsweise durch eine Materialverstärkung an dem Faserführungskanal, durch eine Magazinfeder mit stärkerem Drahtdurchmesser, durch eine auf den Faserführungskanal aufgesteckte oder aufgeschweißte Hülse oder auch durch eine einfache Umwicklung des Faserführungskanals mit einem Klebeband erfolgen. Durch den mindestens einen Versteifungsabschnitt wird die Beweglichkeit des Faserführungskanals insgesamt oder nur an gewünschten Stellen begrenzt. Hierdurch wird auch die Entstehung unerwünschter Schwingungen des Faserführungskanals bei Bewegungen des Faserlegekopfes verhindert oder zumindest reduziert. Sind mehrere Faserführungskanäle an einer Faserlegevorrichtung vorgesehen, vermindern die Versteifungsabschnitte das Risiko unerwünschter Verschlingungen der flexiblen Faserführungskanäle miteinander.
Günstig ist es, wenn der Faserführungskanal zumindest anteilig aus einem metallischen Werkstoff besteht. Hierdurch kann auf einfache Weise ein robuster, biegsamer und kostengünstiger Faserführungskanal bereitgestellt werden. Als metallischer Werkstoff kommt beispielsweise Federstahl in Betracht, der ein kostengünstiges, flexibles und leichtes Material darstellt. Grundsätzlich sind alle Halbzeuge mit einer ausreichenden Oberflächenqualität als Ausgangsmaterial geeignet, die mit einer möglichst glatten bzw. reibungsarmen Oberfläche Schäden an dem geführten Faserendlosmaterial verhindern. Idealerweise ist der Faserführungskanal zusätzlich beschichtet, beispielsweise mit einer Kunststoffschicht, um etwa eine bestimmte Gleitfähigkeit, geringere stoffliche Wechselwirkungen mit dem Faserendlosmaterial oder eine höhere Haltbarkeit des Faserführungskanals zu erzielen.
In anderen Ausführungsformen ist es jedoch auch denkbar, beispielsweise den gesamten Faserführungskanal aus einem Kunststoffmaterial herzustellen, sofern dieses die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Flexibilität und Steifigkeit aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist an den Faserführungskanal ein Fluidkanal angeformt. Ein solcher Fluidkanal kann insbesondere auf einer von dem offenen Führungsquerschnitt des Faserführungskanals abgewandten Seite des Faserführungskanals vorgesehen sein, beispielsweise an einer Rückseite, auf der kein Faserendlosmaterial geführt wird. Der Fluidkanal kann insbesondere auch an eine Seite einer vorbeschriebenen Trägerseele angeformt sein. Der Fluidkanal weist einen geschlossenen Querschnitt auf und kann von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt werden, das heißt, der Fluidkanal umschließt einen Hohlraum, der über die Länge des Kanals nicht mit der Außenatmosphäre kommuniziert. Zur Ausbildung des Fluidkanals kann beispielsweise ein langgestreckter Blechstreifen mit einem halbrunden Querschnitt an die Länge des Faserführungskanals angeschweißt werden, sodass eine Kavität unterhalb der Faserführungsebene, in der das Faserendlosmaterial geführt ist, entsteht. Alternativ kann beispielsweise auch der Faserführungskanal oder eine Trägerseele als Bestandsteil des Faserführungskanals bereits ein geschlossenes, beispielsweise rechteckiges Grundprofil bzw. einen solchen Querschnitt aufweisen, an dessen Außenseiten das Faserendlosmaterial geführt wird, während der von den Außenseiten ausgebildete Innenraum von einem Fluid durchströmbar ist.
Der Vorteil einer solchen Ausführungsform mit einem Fluidkanal liegt in einer Temperierbarkeit des Faserführungskanals mittels des beispielsweise gekühlten oder beheizten Fluids. Durch die Temperierung des Faserführungskanals kann auch das Faserendlosmaterial indirekt temperiert werden. Dies ist beispielsweise für Anwendungen interessant, bei denen das Fasermaterial mit einer bestimmten Temperatur auf dem Werkzeug abgelegt werden soll oder bereits in der Faserführungseinrichtung vortrocknen soll.
In einer besonders kompakten Ausführungsvariante, die insbesondere für Faserlegevorrichtungen mit beispielsweise 4, 8, 12 oder 16 Einzelzuführungen für jedes Tow oder jeden Faserstrang geeignet ist, weist der Faserführungskanal einen rechteckförmigen Grundquerschnitt auf, der als Fluidkanal ausgebildet ist, wobei auf jeder Außenseite des rechteckförmigen Faserführungskanals eine Magazinfeder angeordnet ist. Auf diese Weise erfolgt eine platzsparende Bündelung von geführten Faserendlosmaterialsträngen an einem Faserführungskanal, während dieser zugleich mittels eines beheizten oder gekühlten Fluids temperierbar ist. Da die Führung des Faserendlosmaterials an der Außenseite des Faserführungskanals erfolgt, weist dieser weiterhin im Sinne der Erfindung einen offenen Führungsquerschnitt an seinen Außenseiten auf, wobei das Faserendlosmaterial prozesssicher von den Windungen der Magazinfeder an dem Faserführungskanal gehalten und geführt wird.
Um bei der Vielzahl von Bewegungen des Faserlegekopfes in Relation zu den weiteren Komponenten der Faserlegevorrichtung eine Torsionsentlastung für die Faserführungseinrichtung bereitzustellen, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Faserführungskanal an zumindest einem Ende drehend gelagert ist. Generell ist vorgesehen, dass der Faserführungskanal an zumindest zwei Punkten an der Faserlegevorrichtung befestigt beziehungsweise an dieser gelagert ist, beispielsweise an dem Vorratsspeicher und dem Faserlegekopf oder zwischen einem Bauteil eines Bewegungsautomaten und dem Faserlegekopf. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zumindest an einem der beiden Befestigungspunkte eine Lagerung vorgesehen ist, die eine Drehung des Faserführungskanals um seine eigene Achse ermöglicht. In der Praxis wird der Faserführungskanal zwar höchstwahrscheinlich keine 360°-Umdrehung durchführen, jedoch schwenkt er durch die Bewegung des Bewegungsautomaten zumindest leicht aus. Eine drehende Lagerung ermöglicht nicht nur ein Zurückschwenken des Faserführungskanals in seine Ausgangslage, sondern schützt den Faserführungskanal und das hierauf geführte Faserendlosmaterial auch vor Torsionsbeanspruchungen.
Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Somit ist ein Faserlegeverfahren zum Ablegen von Faserendlosmaterial auf ein Werkzeug mittels einer Faserlegevorrichtungen vorgesehen, wobei mit der Faserlegevorrichtung ein Faserendlosmaterial von einem Vorratsspeicher zum Bereitstellen des abzulegenden Faserendlosmaterials mittels einer Faserführungseinrichtung auf einer Strecke zu einem Faserlegekopf mit einer Ablegeeinheit zum Ablegen des Faserendlosmaterials geführt wird, um das Faserendlosmaterial auf dem Werkzeug abzulegen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Faserendlosmaterial zumindest in einem Abschnitt der Führungsstrecke in einem flexiblen Faserführungskanal mit einem offenen Führungsquerschnitt geführt wird.
Auf diese Weise ist es auf überraschend einfache Weise möglich, wesentliche Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. So ist durch die offene Ausgestaltung der Faserführung eine visuelle Überprüfung der Faserführung an jeder Stelle möglich. Defekte des Faserendlosmaterials, beispielsweise sich von dem Faserendlosmaterial lösende Faserteile wie Faserbällchen, können besser erkannt, entfernt oder gar automatisch durch Herausfallen aus dem flexiblen Faserführungskanal abtransportiert werden. Im Vergleich zu aktiven Kühlungen, bei denen beispielsweise ein Kühlmedium in geschlossene Führungsleitungen eingeleitet wird, ist die passive Luftkühlung bei dem vorliegenden Faserführungsverfahren wesentlich energie- und ressourcenschonender. Zudem bleiben die Umgebungsbedingungen an dem Faserendlosmaterial konstant. Beispielsweise bei Forschungseinrichtungen ist es vorteilhaft, wenn die zu untersuchenden Faserendlosmaterialien zu jedem Zeitpunkt Normbedingungen unterliegen, beispielsweise einer Normtemperatur oder Normfeuchte. Durch den Kontakt zur Umgebungsatmosphäre unterliegt das geführte Faserendlosmaterial durchgängig dem regelbaren Umgebungs-, beispielsweise Hallenklima, sodass die erzielten Forschungs- und Entwicklungsergebnisse reproduzierbarer werden. Im Gegensatz zu Faserführungsverfahren mit geschlossenen Führungseinrichtungen kann entstehende Feuchtigkeit bei einem offenen Führungsquerschnitt auch besser abtransportiert werden, sodass ein feuchtebedingtes Anhaften des Faserführungsmaterials in dem Faserführungskanal vermieden werden kann.
Gegenüber beispielsweise der in der DE 10 2013 107 039 A1 beschriebenen Gliederkettenlösung gestattet das erfindungsgemäße Faserführungsverfahren eine höhere Beweglichkeit des Faserführungskanals, der nicht an einen vorgegebenen Transportweg oder ein starres Trägersystem gebunden ist. Zudem bedeuten flexible Faserführungskanäle der vorbeschriebenen Art eine erhebliche Gewichtsreduktion gegenüber schweren Gliederketten und sind im Ergebnis auch einfacher und kostengünstiger herzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Faserendlosmaterial in einem flexiblen Faserführungskanal geführt, der einen offenen Führungsquerschnitt entlang oder quer zu seiner in Faserführungsrichtung verlaufenden Haupterstreckungsrichtung aufweist.
Hierbei entspricht die Haupterstreckungsrichtung des Faserführungskanals grundsätzlich der Faserführungsrichtung. Dies bedeutet, dass ein abschnittsweise durchaus geschlossener Faserführungskanal in seiner Längsrichtung in diskreten Abständen, beispielsweise auch regelmäßig unterbrochen sein kann. In diesen offenen Abschnitten wird das Faserendlosmaterial nicht von dem Faserführungskanal umschlossen, sondern weitgehend frei in der Umgebungsatmosphäre geführt. Alternativ kann die Oberfläche des Faserführungskanals in Längsrichtung in diskreten Abständen reduziert sein, sodass das Faserendlosmaterial beispielsweise nicht umschlossen, sondern nur an einer Oberfläche des Faserführungskanals geführt wird.
Für Führungsquerschnitte quer zur Haupterstreckungsrichtung kommen grundsätzlich beispielsweise U-förmige Querschnittsprofile in Betracht. Besonders günstig sind jedoch offene Querschnittsprofile, deren Öffnungsbreite geringer ist als die Breite des geführten Faserendlosmaterials. Dies können beispielsweise kreisbogenförmige oder rechteckige bzw. polygonale Querschnittsprofile mit entsprechenden Ausnehmungen sein, die das Faserendlosmaterial ausreichend umschließen, sodass es nicht aus dem Faserführungskanal gleiten kann, jedoch durch eine Öffnung in dem Querschnittsprofil die Kommunikation des Kanalinneren mit der Umgebungsatmosphäre ermöglichen. Das Querschnittsprofil quer zu der Haupterstreckungsrichtung kann über die gesamte Länge des Faserführungskanals gleichbleibend sein. In anderen Ausführungsformen kann es jedoch auch über die Länge des Faserführungskanals variieren, zum Beispiel eine erweiterte Öffnung aufweisen, um etwa an bekannten Problemstellen der Faserführungseinrichtung eine verbesserte Belüftung, Kühlung oder Abführung von Materialteilchen zu gewährleisten.
Vorteilhaft ist es, wenn das Faserendlosmaterial in einen Einleitungsabschnitt eines flexiblen Faserführungskanals, der insbesondere eine Magazinfeder und eine Trägerseele aufweist, eingeführt wird, anschließend durch den flexiblen Faserführungskanal geleitet, insbesondere gezogen wird und sodann über einen Ausleitungsabschnitt des Faserführungskanals aus diesem herausgeführt wird. Es handelt sich somit um ein besonders einfaches Faserführungsverfahren, das mit wenig Aufwand umgesetzt werden kann und beispielsweise ohne die aufwendige Einleitung von Kühlmedien auskommt, weitestgehend wartungsfrei ist und sich als kostengünstig und wirtschaftlich erwiesen hat.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - eine schematische Seitenansicht einer Faserlegevorrichtung;
2 - schematische Darstellungen von Faserführungskanälen mit offenen F ührungsquerschn itten;
3 - eine schematische Darstellung eines Faserführungskanals mit Führungsösen;
4 - eine schematische Darstellung eines weiteren Faserführungskanals mit Führungsösen;
5 - eine Draufsicht auf einen Faserführungskanal mit einer Magazinfeder;
6 - eine schematische Darstellung der Lagerung eines Faserführungskanals an einem Endeffektor;
7 - eine schematische Darstellung eines Faserführungskanals mit einem hieran angeformten Fluidkanal;
8 - eine ausschnitthafte Ansicht einer Faserführungseinrichtung mit einem Faserführungskanal;
9 - eine weitere ausschnitthafte Ansicht einer Faserführungseinrichtung mit einem Faserführungskanal.

1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Faserlegevorrichtung 1 zum Ablegen von Faserendlosmaterial 2 auf ein nicht gezeigtes Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Faserlegevorrichtung 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Bewegungsautomaten 4 mit mehreren Bewegungsachsen A1 bis A6 auf, der am Ende seiner kinematischen Kette einen Faserlegekopf 3 mit einer Ablegeeinheit 5 hat. Der Faserlegevorrichtung 1 ist weiterhin ein feststehender Vorratsspeicher 6 für das zu legende Faserendlosmaterial 2 zugeordnet. Um das Faserendlosmaterial 2 von dem Vorratsspeicher 6 bis zur der Ablegeeinheit 5 des Faserlegekopfes 3 zu transportieren, ist eine Faserführungseinrichtung 7 zum Führen des Faserendlosmaterials 2 vorgesehen.
Aufgrund der mehrachsigen Beweglichkeit des Bewegungsautomaten 4 und somit der relativen Beweglichkeit des Faserlegekopfes 5 in Bezug zu dem feststehenden Vorratsspeicher 6 kann es bei aus dem Stand der Technik bekannten Faserführungseinrichtungen zu Materialschäden und temporären Materialüberschüssen des geförderten Faserendlosmaterials 2 kommen. Es ist daher vorgesehen, dass die Faserführungseinrichtung 7 zumindest abschnittsweise einen flexiblen Faserführungskanal 8 mit einem offenen Führungsquerschnitt aufweist, in dem das Faserendlosmaterial 2 geführt ist. In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist ein solcher flexibler Faserführungskanal 8 zur Überbrückung der Kopfachsen A4 bis A6 des Bewegungsautomaten 4 vorgesehen, während über die verbleibende Strecke der Faserführung zwischen dem Vorratsspeicher 6 und den weiteren Achsen A1 bis A3 des Bewegungsautomaten 4 die Faserführungseinrichtung 7 mittels Umlenkrollen 9 gebildet ist. Somit wird insbesondere im Bereich der Kopfachsen A4 bis A6 des Bewegungsautomaten 4 eine besonders einfache und prozesssichere Führung von Faserendlosmaterial 2 ermöglicht, die Relativbewegungen des Faserlegekopfes 3 zuverlässig ausgleicht, ohne dass es zu Materialbeschädigungen oder -überschüssen kommt. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die gesamte Faserführungseinrichtung 7 aus einem oder mehreren flexiblen Faserführungskanälen 8 zu bilden, wodurch die Faserführung auch in anderen Bereichen der Faserlegevorrichtung 1 vereinfacht wird und über die gesamte Vorrichtung einen hohen Freiheits- und Beweglichkeitsgrad erlaubt. Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass den Figuren schematisch jeweils nur ein Tow oder Faserstrang als Faserendlosmaterial 2 gezeigt ist. In der Praxis werden jedoch häufig mehrere Tows oder Faserstränge gleichzeitig und bevorzugt parallel mit der Faserführungseinrichtung 7 geführt, sodass grundsätzlich auch mehrere parallele Faserführungskanäle 8 vorgesehen sein können.
Die 2a) und 2b) zeigen zwei verschiedene Beispiele von Faserführungskanälen 8 mit einem offenen Führungsquerschnitt, wobei diese Aufstellung keinesfalls als abschließend zu erachten ist, sondern lediglich Ausgestaltungsmöglichkeiten mit nicht geschlossenen Führungsprofilen verbildlichen soll. In beiden Figuren ist jeweils ein Faserführungskanal 8 zu erkennen, in dem ein Faserendlosmaterial 2 in Form eines streifen- oder bandförmigen Tows geführt ist.
In 2a) ist der Führungskanal 8 durch voneinander beabstandete Führungsösen 10 gebildet, die über ein Verbindungsmittel 21, das beispielsweise als Drahtseil oder Metallband ausgeführt sein kann, miteinander verbunden sind. Das Faserendlosmaterial 2 ist in Faserführungsrichtung 24 durch die Führungsösen 10 hindurch geführt, die in ihrer Ausdehnung die Beweglichkeit des Faserendlosmaterials 2 an diskreten Positionen begrenzen und so verhindern, dass das Faserendlosmaterial 2 den Faserführungskanal 8 verlässt. Zwischen den Führungsösen 10 ist entlang des Faserführungskanals 8 ein offener Führungsquerschnitt mit einem offenen Querschnittsbereich 23 gebildet, in welchem das Faserendlosmaterial 2 nicht von dem Faserführungskanal 8 umschlossen ist. Die Führungsösen 10 können einen runden, ovalen oder eckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen.
In 2b) ist der Faserführungskanal 8 als langgestreckter Kanal mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt quer zur Faserführungsrichtung 24 ausgebildet. Somit weist der Faserführungskanal 8 einen offenen Führungsquerschnitt quer zu seiner Haupterstreckungsrichtung auf. Der offene Querschnittsbereich 23 weist eine geringere Breite als das Faserendlosmaterial 2 auf, sodass das Faserendlosmaterial 2 nicht über den offenen Querschnittsbereich 23 aus dem Faserführungskanal 8 gleiten kann. Selbstverständlich sind auch andere Querschnittsformen für einen solchen Kanal denkbar, beispielsweise ein an einer Seite durchbrochenes Viereck oder ein nicht geschlossenes Polygon.
Es ist zu erkennen, dass das Kanalinnere der Faserführungskanäle 8 in 2 a) und b) über die gesamte Länge des Faserführungskanals 8 in Verbindung mit der Umgebungsatmosphäre 25 steht. Das Faserendlosmaterial 2 wird durch den offenen Querschnittsbereich 23 von Umgebungsluft umströmt und somit gekühlt sowie bedarfsweise auch getrocknet oder vorgetrocknet, da Feuchtigkeit ungehindert den Faserführungskanal 8 über den offenen Querschnittsbereich 23 verlassen kann.
Die 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele eines Faserführungskanals 8, der aus einer metallischen Trägerseele 22 und hierauf angeordneten, voneinander beabstandeten Führungsösen 10 gebildet ist. Das Faserendlosmaterial 2 wird in Faserführungsrichtung 24 durch die Führungsösen 10 hindurchgeführt. Die Führungsösen 10 können insbesondere stoffschlüssig mit der Trägerseele 22 verbunden, beispielsweise an diese angeklebt sein. Auch eine einteilige Ausführung der Trägerseele 22 mit Führungsösen 10 ist denkbar, um den Montageaufwand des Faserführungskanals 8 zu reduzieren. Die Trägerseele 22 verleiht dem Faserführungskanal 8 eine gewisse Grundstabilität, aufgrund der Ausführung als flaches Metallband verleiht sie dem Faserführungskanal 8 jedoch auch eine ausreichende Flexibilität, um Relativbewegungen eines Faserlegekopfes 3 gegenüber einem Vorratsspeicher 6 ausgleichen zu können. Die Trägerseele 22 dient nicht nur als Verbindungsmittel zur Verbindung der voneinander beabstandeten Führungsösen 10, sondern in den Zwischenräumen zwischen den Führungsösen 10 auch als Faserträger, auf dessen Oberfläche Faserendlosmaterial 2 führbar ist.
Während in 3 lediglich die Oberseite 19 der Trägerseele 22 mit Führungsösen 10 bestückt ist, sind in 4 auf der Oberseite 19 und auf der Unterseite 20 Führungsösen 10 angeordnet. Auf diese Weise werden mit derselben Trägerseele 22 gleich zwei Faserführungskanäle 8, nämlich ein oberer Faserführungskanal 8a und ein unterer Faserführungskanal 8b, bereitgestellt, was in einer Gewichts- und Materialersparnis bei der Faserführungseinrichtung 7 resultiert. Die sich ergebende räumliche Bündelung mehrerer Faserführungskanäle 8 führt zudem zu einem geringeren Platzbedarf für die Faserführungseinrichtung 7.
Die Abstände zwischen einzelnen Führungsösen 10 sind derart bemessen, dass ein Fluid, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, ungehindert zwischen den Führungsösen 10 hindurchtreten und somit das Faserendlosmaterial 2 kontaktieren könnte. Diese Abstände können beispielsweise zwischen 5 und 50 cm betragen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Faserführungskanal 8, der aus einer Trägerseele 22 und einer hierauf angeordneten Magazinfeder 11 gebildet ist. Die gezeigte Magazinfeder 11 weist in einer Zickzackform gebogene Windungen 12 auf, die in regelmäßigen Abständen rechteckförmige, schräg auf der Trägerseele 22 positionierte Begrenzungen oder im weitesten Sinne miteinander verbundene Führungsösen für ein in dem Faserführungskanal 8 geführtes Faserendlosmaterial 2 bilden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Magazinfeder 11 auf einer Oberseite 19 der Trägerseele 22 angeordnet. Grundsätzlich ist es jedoch genauso denkbar, diese zusätzlich oder alternativ auf einer Unterseite 20 der Trägerseele 22 anzuordnen. Bei der Trägerseele 22 handelt es sich wie in den Beispielen der 3 und 4 um ein langgestrecktes, streifenförmiges flexibles Metallband. Die Magazinfeder 11 ist bevorzugt fest mit der Trägerseele 22 verbunden oder sogar einteilig mit diesem ausgeführt. Sie kann beispielsweise an die Trägerseele 22 angeklebt, angeschweißt, angeklemmt, angeschraubt oder angelötet sein. Die Abstände zwischen einzelnen Windungen 12 der Magazinfeder 11 sind derart bemessen, dass ein Fluid, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, ungehindert zwischen den Windungen 12 hindurchtreten und somit das Faserendlosmaterial 2 kontaktieren könnte. Die Höhe der im Wesentlichen rechteck- oder halbrechteckförmigen Windungen 12 ist geringer als die Breite des in dem Faserführungskanal 8 geführten Faserendlosmaterials 2, sodass sich dieses innerhalb der Magazinfeder 11 nicht um seine eigene Achse verdrehen kann.
6 zeigt eine schematische Darstellung der drehenden Lagerung 15 eines Faserführungskanals 8 an einem Endeffektor 18 des Bewegungsautomaten 4, wobei der Endeffektor 18 dem Faserlegekopf 3 zugeordnet ist und eine Ablegeeinheit 5 aufweist. Zusätzlich ist mit der Bezugsziffer 17 der Ausleitungsabschnitt, also der Faserausgang gekennzeichnet, an dem das Tow oder der Faserstrang den Faserführungskanal 8 verlässt und dem Endeffektor 18 zugeführt wird. Die drehende Lagerung 15 dient der Torsionsentlastung und begrenzt die Biegung des Faserführungskanals 8 und des Faserendlosmaterials 2 bei auftretenden Bewegungen und Kräften.
7 zeigt einen Faserführungskanal 8 mit einem hierin geführten Faserendlosmaterial 2, wobei an den Faserführungskanal 8 ein Fluidkanal 14 in Form eines gebogenen, mit dem Faserführungskanal 8 verbundenen Leiters angeformt ist. Der Fluidkanal 14 weist einen Hohlraum auf, durch den ein Kühl- oder Heizfluid geleitet werden kann, beispielsweise ein Gas oder eine Kühlflüssigkeit. Der Fluidkanal 14 ist fest mit dem Faserführungskanal 8 verbunden, beispielsweise an diesen angeschweißt oder angeklebt oder sogar einteilig mit diesem ausgeführt. Dadurch, dass die Oberflächen des Fluidkanals 14 und des Faserführungskanals 8 miteinander in Kontakt stehen, kann Wärme von dem Faserführungskanal 8 auf ein in dem Fluidkanal 14 befindliches Fluid übertragen werden und umgekehrt. Somit kann der Faserführungskanal 8 und in der Folge das hierin geführte Faserendlosmaterial 2 bedarfsweise temperiert werden.
8 zeigt ausschnitthaft eine Ansicht einer Faserführungseinrichtung 7 mit einem flexiblen Faserführungskanal 8. In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Faserführungskanal 8 aus einer Trägerseele 22 und einer hierauf angeordneten Magazinfeder 11 gebildet. Der Ausschnitt zeigt einen Bereich der Faserführungseinrichtung 7, in dem der Faserstrang oder das Tow in einem Einleitungsabschnitt 16 in den Faserführungskanal 8 geleitet wird. In 8 ist außerdem ersichtlich, dass in regelmäßigen Abständen Versteifungsabschnitte 13 vorgesehen sind, um lokal die Flexibilität des Faserführungskanals 8 zu begrenzen. In der gezeigten Ausführungsform wurde die Trägerseele 22 zusammen mit der Magazinfeder 11 abschnittsweise mit Klebeband umwickelt, um die gewünschte Versteifung zu erzeugen. Grundsätzlich ist jedoch beispielsweise auch das Aufstecken von Hülsen als Versteifungselemente denkbar.
9 zeigt eine ausschnitthafte Ansicht der Faserführungseinrichtung 7 einer Faserlegevorrichtung 1 mit einem Faserlegekopf 3. Es ist zu erkennen, dass das Faserendlosmaterial 2 in einem flexiblen Faserführungskanal 8 mit einem offenen Führungsquerschnitt geführt ist, wobei der Faserführungskanal 8 hierzu vorliegend eine Magazinfeder 11 und eine Trägerseele 22 aufweist. Das Faserendlosmaterial 2 wird in einen Einleitungsabschnitt 16 eines flexiblen Faserführungskanals 8 eingeführt, anschließend durch den flexiblen Faserführungskanal 8 geleitet, bevorzugt gezogen, und sodann über einen Ausleitungsabschnitt 17 des Faserführungskanals 8 aus diesem herausgeführt. Die Flexibilität bzw. Biegsamkeit des Faserführungskanals 8 ist in 9 deutlich anhand des geschwungenen Bahnverlaufs zu erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Faserlegevorrichtung
2: Faserendlosmaterial
3: Faserlegekopf
4: Bewegungsautomat
5: Ablegeeinheit
6: Vorratsspeicher
7: Faserführungseinrichtung
8: Faserführungskanal
9: Umlenkrolle
10: Führungsöse
11: Magazinfeder
12: Windungen
13: Versteifungsabschnitt
14: Fluidkanal
15: drehende Lagerung
16: Einleitungsabschnitt
17: Ausleitungsabschnitt
18: Endeffektor
19: Oberseite
20: Unterseite
21: Verbindungsmittel
22: Trägerseele
23: offener Querschnittsbereich
24: Faserführungsrichtung
25: Umgebungsatmosphäre
A1-A6: Achsen des Bewegungsautomaten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2117818 B1 [0007]
DE 102013107039 A1 [0008, 0020, 0047]
DE 102013108570 A1 [0009]

Claims

Faserlegevorrichtung (1) zum Ablegen von Faserendlosmaterial (2) auf ein Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei die Faserlegevorrichtung (1) ■ einen Faserlegekopf (3) mit einer Ablegeeinheit (5) zum Ablegen des Faserendlosmaterials (2), ■ einen Vorratsspeicher (6) zum Bereitstellen des abzulegenden Faserendlosmaterials (2) und ■ eine Faserführungseinrichtung (7) zum Führen von Faserendlosmaterial (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserführungseinrichtung (7) zumindest abschnittsweise einen flexiblen Faserführungskanal (8) mit einem offenen Führungsquerschnitt aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) einen offenen Führungsquerschnitt entlang seiner in Faserführungsrichtung (24) verlaufenden Haupterstreckungsrichtung aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) einen offenen Führungsquerschnitt quer zu seiner in Faserführungsrichtung (24) verlaufenden Haupterstreckungsrichtung aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) einen kreisbogenförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt mit einem offenen Querschnittsbereich (23) aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) durch miteinander verbundene Führungsösen (10) gebildet ist oder dass der flexible Faserführungskanal (8) entlang seiner Haupterstreckungsrichtung beabstandet angeordnete Führungsösen (10) aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) eine sich in Haupterstreckungsrichtung des Faserführungskanals (8) erstreckende Trägerseele (22) aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) eine Trägerseele (22) und hierauf beabstandet angeordnete Führungsösen (10) aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsösen (10) auf einer Unterseite (20) und einer Oberseite (19) der Trägerseele (22) angeordnet sind, die jeweils einen unteren und einen oberen Faserführungskanal (8a, 8b) bilden.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) eine Magazinfeder (11) und/oder Spirale aufweist oder aus einer Magazinfeder (11) und/oder Spirale gebildet ist.
Faserlegevorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magazinfeder (11) eine rechteckige Windungsform aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) mindestens einen Versteifungsabschnitt (13) mit reduzierter Flexibilität aufweist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) zumindest anteilig aus einem Metallwerkstoff und/oder einem Kunststoff gebildet ist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Faserführungskanal (8) ein Fluidkanal (14) angeformt ist.
Faserlegevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserführungskanal (8) an zumindest einem Ende drehend gelagert ist.
Faserlegeverfahren zum Ablegen von Faserendlosmaterial (2) auf ein Werkzeug mittels einer Faserlegevorrichtung (1), wobei mit der Faserlegevorrichtung (1) ein Faserendlosmaterial (2) von einem Vorratsspeicher (6) zum Bereitstellen des abzulegenden Faserendlosmaterials (2) mittels einer Faserführungseinrichtung (7) auf einer Strecke zu einem Faserlegekopf (3) mit einer Ablegeeinheit (5) zum Ablegen des Faserendlosmaterials (2) geführt wird, um das Faserendlosmaterial (2) auf dem Werkzeug abzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserendlosmaterial (2) zumindest in einem Abschnitt der Führungsstrecke in einem flexiblen Faserführungskanal (8) mit einem offenen Führungsquerschnitt geführt wird.
Faserlegeverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserlegevorrichtung (1) mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 bereitgestellt wird.
Faserlegeverfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserendlosmaterial (2) in einen Einleitungsabschnitt (16) eines flexiblen Faserführungskanals (8), der insbesondere eine Magazinfeder (11) und eine Trägerseele (22) aufweist, eingeführt wird, anschließend durch den flexiblen Faserführungskanal (8) geleitet, insbesondere gezogen wird und sodann über einen Ausleitungsabschnitt (17) des Faserführungskanals (8) aus diesem herausgeführt wird.