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Die Erfindung betrifft eine Faserlegeanlage zum automatisierten Legen von Fasermaterial auf ein Werkzeug, wobei die Faserlegeanlage mindestens eine robotische Legeeinheit hat, mit der das Fasermaterial auf das Werkzeug abgelegt wird gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum automatisierten Legen von Fasermaterial auf ein Werkzeug mittels einer solchen Faserlegeanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
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Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vorgegebene Richtung aufnehmen.
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Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
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Vor dem Aushärten des Matrixmaterials wird in der Regel das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht, das mit seiner formgebenden Werkzeugoberfläche die spätere Bauteilform nachbildet. Dabei können sowohl trockene als auch vorimprägnierte Fasermaterialien in das Formwerkzeug abgelegt bzw. eingebracht werden. Zur Herstellung von großskaligen Strukturbauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen von Verkehrsflugzeugen oder Rotorblätter von Windkraftanlagen, werden zur Optimierung des Ablegeverfahrens automatisierte Faserablegeprozesse verwendet, bei denen mithilfe einer Fertigungsanlage und mindestens einem Faserlegekopf ein dem Faserlegekopf zugeführtes quasiendloses Fasermaterial auf dem Werkzeug abgelegt wird. Bei der sogenannten Fiber Placement Technologie werden beispielsweise vorimprägnierte Fasermaterialien bahnweise auf dem Formwerkzeug mithilfe eines derartigen Faserlegekopfes abgelegt. Der Faserlegekopf ist dabei an einem Roboter angeordnet und kann gegenüber dem Formwerkzeug relativ verfahren bzw. bewegt werden. Hierdurch können die einzelnen Faserbahnen auf der Werkzeugoberfläche zuerst bahnweise und dann lagenweise abgelegt werden. Bei der Fiber Placement Technologie werden dabei gleichzeitig mehrere, meist 8, 16 oder 32 schmale Materialstreifen, sogenannte Tows, auf dem Werkzeug abgelegt. Im Gegensatz hierzu werden bei der Fiber Tape Laying Technologie meist breite Faserbahnen, auch Tapes genannt (in der Regel 150 mm, 300 mm oder 600 mm breit mit einer Dicke von wenigen Zehntel Millimeter), mithilfe des Faserlegekopfes auf dem Formwerkzeug abgelegt.
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Eine solche automatisierte Faserlegeanlage ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 015 027 B4 bekannt, bei der auf einem umlaufenden Schienensystem mehrere Roboter geführt werden, die jeweils einen Faserlegekopf als Endeffektor haben. Mittels einer Faserzuführung werden den Faserlegeköpfen kontinuierlich Fasermaterial aus einem Fasermagazin zugeführt, während die einzelnen Roboter mit ihren Faserlegeköpfen das ihnen zugeführte Fasermaterial auf ein in der Mitte des umlaufenden Schienensystems vorgesehenes Formwerkzeug ablegen. Mithilfe der Faserlegeköpfe werden somit in dem Formwerkzeug sogenannte Faserlaminate, auch Faserpreformen genannt, hergestellt, bei denen der Prozess des Infundierens des Matrixmaterials bzw. des Aushärtens des Matrixmaterials noch nicht stattgefunden hat. Derartige Faserlaminate bilden somit das Bauteil in einem Rohzustand vor dem Aushärten des Matrixmaterials ab.
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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.
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Aufgrund der Bewegungsvielfalt, mit der die Endeffektoren (Faserlegeköpfe) 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.
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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 in einem Innendurchgang transportiert, wobei der Inndurchgang 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.
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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. Auch hier sind Beschädigungen der Fasern zu befürchten, welche die Prozesssicherheit des automatisierten Ablegeprozesses benachteiligen.
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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.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2019 109 637 A1 ist eine Faserlegevorrichtung zum Ablegen von Faserendlosmaterial bekannt, bei dem die Faserführungseinrichtung zumindest abschnittsweise einen flexiblen Faserführungskanal mit einem offenen Führungsquerschnitt aufweist. Hierdurch können beim Bewegen des Roboters sämtliche Störkräfte beseitigt werden und gleichzeitig die reibungsbehafteten Berührungspunkte zwischen Faserführungseinrichtung und Fasermaterial reduziert werden.
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Durch Stillstandszeiten oder Umlenkung mit kleinem Radius kann es dazu kommen, dass das Fasermaterial fest an den reibungsbehafteten Führungselementen anliegt. Zum weiteren Fördern und Führen des Fasermaterials muss dann oft eine Losbrechkraft aufgebracht werden, um die Haftreibung zwischen Fasermaterial und Führungselementen zu überwinden. Hierbei kann es passieren, dass die benötigte Kraft zu groß ist und somit das Fasermaterial nicht weiter gefördert bzw. geführt werden kann. Der Ablegeprozesses muss dadurch abgebrochen und der Fehler manuell behoben werden.
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Außerdem entsteht ein mechanischer Abrieb an dem Fasermaterial. Speziell bei trockenen Fasermaterialien entstehen dadurch Fuzzballs, die in der Faserführung verbleiben oder auf dem Bauteil mit abgelegt werden. Dies reduziert ebenfalls die Qualität des Ablegeprozesses sowie die des Bauteils.
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Die
US 2014/0182787 A1 offenbart eine Faserlegeanlage mit flexiblen Faserzuführungsschläuchen, die jeweils aus einem äußeren Schlauch, einem inneren Schlauch und einer flexiblen Metallseele bestehen. Die Faserzuführungsschläuche können beispielsweise zu Kühlungszwecken mit einem Gas beaufschlagbar sein und mittels einer Vibrationseinrichtung zu Schwingungen angeregt werden, um den Fasertransport zu verbessern.
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Die
US 8,667,999 B2 betrifft eine Faserlegeanlage mit flexiblen Faserzuführungsschläuchen, die mit einem Kühlgas beaufschlagbar sind und mit Vibrationsmitteln zu Schwingungen angeregt werden können.
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Der
DE 32 26 290 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Ablegen von Fasern auf eine Bauteilform zu entnehmen. Die Vorrichtung hat Vorratsrollen, von denen die Fasern zu einem Ablegekopf geführt werden. In dem Ablegekopf wird jeder Faserstrang berührungslos gefördert und über eine Düse abgelegt. Hierbei kann in dem Ablegekopf eine Vibrationsfördereinrichtung für den Transport des Faserstranges vorgesehen sein.
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Die
DE 102015121428 A1 beschreibt einen Faserlegekopf und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei der Faserlegekopf eine Zugkraftreduzierungseinrichtung aufweist, um auf das Fasermaterial aufgebrachte Zugkräfte zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Faserlegeanlage sowie ein verbessertes Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial anzugeben, bei denen der Einfluss der Reibung des Fasermaterials an den Elementen der Faserführungseinrichtung reduziert oder gänzlich eliminiert werden kann.
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Die Aufgabe wird mit der Faserlegeanlage gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren gemäß Anspruch 4 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Patentanspruch 1 wird eine Faserlegeanlage zum automatisierten Legen von Fasermaterial auf ein Werkzeug vorgeschlagen, wobei die Faserlegeanlage mindestens eine robotische Legeeinheit hat. Mithilfe dieser robotischen Legeeinheit wird das Fasermaterial kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt, um hieraus dann in einem späteren Prozessschritt dann das Faserverbundbauteil herzustellen. Das Fasermaterial ist dabei Bestandteil eines Faserverbundwerkstoffes, aus dem das herzustellende Faserverbundbauteil gebildet werden soll.
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Gattungsgemäß weist die Faserlegeanlage einen Roboter auf, an dem als Endeffektor ein Faserlegekopf angeordnet ist. Der Roboter ist dabei so ausgebildet, dass er den Faserlegekopf in zumindest eine Raumrichtung, vorzugsweise in alle drei Raumrichtungen und besonders vorzugsweise in alle drei translatorischen Raumrichtungen und in alle drei rotatorischen Raumrichtungen bewegen kann. Ein solcher Roboter kann beispielsweise ein Industrieroboter bzw. Knickarmroboter sein. Ein solcher Roboter kann beispielsweise aber auch eine Portalanlage darstellen.
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Der Faserlegekopf ist dabei zum Legen von dem Faserlegekopf zugeführtem Fasermaterial ausgebildet. Hierfür wird während des Ablegeprozesses dem Faserlegekopf kontinuierlich Fasermaterial in Form von quasiendlosen Faserhalbzeugen, die beispielsweise band- oder strangförmig sein können, zugeführt, wobei der Faserlegekopf mittels des Roboters gegenüber dem Werkzeug relativ bewegt wird und über eine Andruckeinrichtung, beispielsweise in Form einer Kompaktierungsrolle, das ihm zugeführte Fasermaterial auf das Werkzeug gedrückt und dabei abgelegt wird.
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Die Faserlegeanlage weist des Weiteren eine Faserführungseinrichtung auf, die dazu vorgesehen ist, dass Fasermaterial kontrolliert von einem Fasermaterialspeicher entlang der kinematischen Kette des Roboters hin zu dem Faserlegekopf als Endeffektor zu führen. Hierfür weist die Faserführungseinrichtung ein oder mehrere Führungselemente auf, beispielsweise in Form von Umlenkrollen oder Umlenkwalzen oder feststehende Umlenkelemente, an denen das Fasermaterial in der Regel kontaktbehaftet entlang geführt wird.
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Um nun bei Stillstandszeiten oder bei Umlenkungen mit sehr kleinem Umlenkungsradius entsprechende Prozessfehler aufgrund von zu hoher Reibung der Fasermaterialien an den Führungselementen zu verhindern, weist die Faserlegeanlage mindestens einen Schwingungsanreger auf, der zumindest einen Aktuator hat, um eine Schwingung bzw. Vibration an dem Fasermaterial zu bewirken. Hierfür steht der Schwingungsanreger mit dem durch die Faserführungseinrichtung zu führenden Fasermaterial in mechanischer Wirkverbindung, um eine entsprechende Schwingung bzw. Vibration auf das durch die Faserführungseinrichtung zu führende Fasermaterial aufzubringen.
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Die auf das Fasermaterial aufgebrachte Schwingung bzw. Vibration verhindert dabei, dass das Fasermaterial an den Führungselementen der Faserführungseinrichtung haftet. Dabei wurde erkannt, dass insbesondere zum Zeitpunkt des Beginns des Fasermaterialtransportes durch die Schwingung bzw. Vibration die Haftreibung des Fasermaterials an den Führungselementen soweit verringert werden kann, dass ein prozesssicherer Start des Transportes des Fasermaterials in der Faserführungseinrichtung gewährleistet werden kann. Insbesondere wird die benötigte Losbrechkraft soweit reduziert bzw. eliminiert, dass auch nach dem Stillstand des Fasermaterialtransportes, beispielsweise nach dem Ablegen einer vollständigen Bahn und dem Neuausrichten des Faserlegekopfes, der Fasermaterialtransport problemlos gestartet werden kann.
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Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass insbesondere bei Führungselementen mit kleinem Umlenkungsradius durch die implizierte Schwingung bzw. Vibration der mechanische Abrieb speziell bei Trockenfasern deutlich verringert werden kann.
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Die Frequenz der erzeugten Schwingung bzw. Vibration kann zwischen 60 Hz und mehr als 1000 Hz liegen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Faserführungseinrichtung zumindest stellenweise mittels kontaktbehafteter Umlenkelemente zur Faserführung ausgebildet ist, wobei der Schwingungsanreger mit mindestens einem Umlenkelement in Wirkverbindung steht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Faserlegeanlage eine Steuereinheit hat, die zum Ansteuern des mindestens einen Schwingungsanregers ausgebildet ist. Die Steuereinheit kann dabei so eingerichtet sein, das vor dem Beginn eines Faserführungszeitraumes, bei dem das Fasermaterial durch die Faserführungseinrichtung zu dem Faserlegekopf geführt wird, der Schwingungsanreger zum Erzeugen der Schwingung aktiviert wird. Dies bedeutet, dass vor dem Beginn eines Faserführungszeitraumes das Fasermaterial durch die Faserführungseinrichtung nicht transportiert wird. Erst mit dem Beginn des Faserführungszeitraumes wird das Fasermaterial durch die Faserführungseinrichtung zum Faserlegekopf transportiert und entsprechend geführt. Dabei kann vorgesehen sein, dass schon kurz nach dem Beginn des Faserführungszeitraumes, während das Fasermaterial noch geführt wird, der Schwingungsanreger durch die Steuereinheit deaktiviert wird, wodurch keine Schwingung bzw. Vibration mehr impliziert wird. Denkbar ist allerdings auch, dass der Schwingungsanreger während des gesamten Faserführungszeitraumes aktiviert bleibt und eine entsprechende Schwingung bzw. Vibration impliziert, und zwar solange, bis der Faserführungszeitraum beendet ist und der Transport des Fasermaterials durch die Faserführungseinrichtung stoppt. Erst dann wird der Schwingungsanreger durch die Steuereinheit deaktiviert.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum automatisierten Legen von Fasermaterial auf ein Werkzeug mittels der vorbeschriebenen Faserlegeanlage gemäß Anspruch 4 erfindungsgemäß gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - kontinuierliches Zuführen eines Fasermaterials von einem Fasermaterialspeicher zu einem als Endeffektor an einem Roboter angeordneten Faserlegekopf,
- - wobei während des kontinuierlichen Zuführens das Fasermaterial mittels einer Faserführungseinrichtung das Fasermaterial kontrolliert geführt wird, und
- - Ablegen des kontinuierlich zugeführten Fasermaterials auf einem Werkzeug mittels des Faserlegekopfes,
- - wobei eine durch mindestens einen Schwingungsanreger erzeugte Schwingung auf das durch die Faserführungseinrichtung geführte Fasermaterial aufgebracht wird.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung einer Faserlegeanlage;
- 2 schematische Darstellung der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einer schematisch vereinfachten Darstellung einer Faserlegeanlage 10, die zum Ablegen von Fasermaterial 1 auf ein Werkzeug 100 mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche 110 ausgebildet ist. Die Faserlegeanlage 10 weist eine robotische Legeeinheit 20 auf, mit der das Fasermaterial 1 auf die formgebende Werkzeugoberfläche 110 gelegt werden kann.
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Die robotische Legeeinheit 20 hat einen Roboter 21, der als Knickarmroboter ausgebildet ist. Der Knickarmroboter 21 hat insgesamt sechs Drehachsen A1 - A6, sodass der als Endeffektor an dem Roboter 21 angeordnete Faserlegekopf 22 in nahezu jede beliebige Richtung bewegt werden kann.
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Dem Faserlegekopf 22 wird dabei von einem Fasermagazin 23, auch Fasermaterialspeicher genannt, kontinuierlich das Fasermaterial 1 mithilfe einer Faserführungseinrichtung 24 zugeführt, sodass es schließlich durch den Faserlegekopf 22 auf der formgebenden Werkzeugoberfläche 110 des Werkzeugs 100 abgelegt werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Faserzuführungseinrichtung 24 zwischen der dritten Drehachse A3 und der sechsten Drehachse A6 eine schlauchförmige oder kanalförmige Faserführung 25 auf, bei der das Fasermaterial 1 in einem Innendurchgang der schlauchförmigen oder kanalförmigen Faserführung hindurchgeführt wird. Darüber hinaus wird das Fasermaterial an vorgegebenen Umlenkelementen 26 entlang der kinematischen Kette des Roboters 21 geführt, um es prozesssicher von dem Fasermagazin 23 zu dem Faserlegekopf 22 zu transportieren.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist an der schlauchförmigen oder kanalförmigen Faserführung 25 ein Schwingungsanreger 27 angeordnet, um die schlauchförmige oder kanalförmige Faserführung 25 mit einer Schwingung zu beaufschlagen.
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Dieses ist detaillierter und beispielhaft in 2 gezeigt. Die schlauchförmige oder kanalförmige Faserführung 25 ist in 2 als eine Art Spiralfeder oder Magazinfeder ausgebildet, wobei in dem offenen Innendurchgang das Fasermaterial 1 geführt wird. Die Spiralfeder bzw. Magazinfeder der Faserführung 25 steht dabei in Wirkverbindung mit dem Schwingungsanreger 27, der mittels eines nicht dargestellten Aktuators eine Schwingung erzeugen kann, die sich dann auf die Spiralfeder bzw. Magazinfeder in Form einer Vibration auswirkt. Weil der Schwingungsanreger 27 in Wirkverbindung mit der Faserführung 25 steht, wird die durch den Aktuator des Schwingungsanregers erzeugte Schwingung auf die Spiralfeder bzw. Magazinfeder der Faserführung 25 übertragen, sodass diese ebenfalls eine Schwingung ausführt.
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Hierdurch wird erreicht, dass während des Transportes des Fasermaterials 1 durch die Faserführung 25 oder bei Stillstandszeiten das Fasermaterial 1 nicht an den Elementen des Innendurchgangs der Faserführung 25 haftet und es demzufolge nicht mehr zu Beschädigungen des Fasermaterials kommt bzw. zu einem Ausfall der Anlage. Die benötigte Losbrechkraft wird dabei auf ein prozesssicheres Maß reduziert oder gänzlich eliminiert.
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Zusätzlich oder alternativ zu dem gezeigten Schwingungserreger ist in jedem Fall ein Schwingungserreger in Wirkverbindung mit mindestens einem Umlenkelement erfindungsgemäß vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fasermaterial
- 10
- Faserlegeanlage
- 20
- robotische Legeeinheit
- 21
- Roboter
- 22
- Faserlegekopf
- 23
- Fasermagazin
- 24
- Faserführungseinrichtung
- 25
- schlauchförmige oder kanalförmige Faserführung
- 26
- Umlenkelemente
- 27
- Schwingungsanreger
- 100
- Werkzeug
- 110
- formgebende Werkzeugoberfläche
