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Die Erfindung betrifft eine Tapelegemaschine, umfassend mindestens eine Ablegerolle zum Ablegen von Tapes auf einem Substrat.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Tapeablage an einem Substrat, bei dem abzulegendes Tape über eine Ablegerolle auf dem Substrat abgelegt wird.
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In dem Artikel „An investigation of in-situ AFP process parameters using CF/LM-PAEK“ von Ines Schiel, Lukas Raps, Ashley R. Chadwick, Isabelle Schmidt, Manuel Simone, Sebastian Nowotny, Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, Volume 6, 2020 - Issue 4, Seiten 191-197, Online-Veröffentlichung: 08 Oct 2020 ist ein automatisierter Faserpositionierungsprozess beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tapelegemaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine definierte Tapeablage auf einem Substrat ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Tapelegemaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens einen Ablegerolle eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung zugeordnet ist, welche im Betrieb einen Unterdruckbereich vor der mindestens einen Ablegerolle erzeugt und mittels welchem abzulegendes Tape Unterdruck-beaufschlagt ist.
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Die mindestens eine Ablegerolle ist eine Konsolidierungsrolle, durch welche Tape auf das Substrat gedrückt wird. Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung ergibt sich eine definierte Tapeführung. Dadurch lässt sich gesteuert eine definierte reproduzierbare Tapeablage an dem Substrat erreichen und es lässt sich eine hohe Bauteilqualität erzielen.
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Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung wird abzulegendes Tape gewissermaßen gegen die mindestens eine Ablegerolle gezogen und an diese angelegt. Es lässt sich dadurch eine definierte Tapeführung erreichen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann ein Raum zwischen einer Heizquelle und einem abzulegenden Tape freigehalten werden von beispielsweise einer Anblasvorrichtung, welche das abzulegende Tape durch Anblasen gegen die Ablegerolle sonst drücken würde. Dadurch ergibt sich eine effektive Platznutzung. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, stark gekrümmte konkave Werkzeugformen einzusetzen oder komplexere Bauteile mit Stufen usw. herzustellen.
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Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung lässt sich weiterhin eine effektive Kühlung der mindestens einen Ablegerolle beispielsweise durch einen Abluft-Blasstrahl erreichen. Dadurch lässt sich eine Überhitzung der Ablegerolle effektiv verhindern. Insbesondere muss kein Luftstrom in einem Bereich zwischen der Heizeinrichtung und dem abzulegenden Tape erzeugt werden. Der entsprechende Luftstrom, welcher zu Kühlzwecken die Ablegerolle beaufschlägt, kann so geführt werden, dass er nicht in großen Rahmen das abzulegende Tape kühlt, sondern im Wesentlichen auf die mindestens eine Ablegerolle wirkt.
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Günstig ist es, wenn abzulegendes Tape eine erste Seite aufweist, welche der mindestens einen Ablegerolle zugewandt ist, und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, welche dem Substrat zugewandt ist, mit mindestens einem der Folgenden:
- - die erste Seite des abzulegenden Tapes liegt an dem Unterdruckbereich;
- - die mindestens eine Ablegerolle sitzt an einem Halter und der Unterdruckbereich liegt zwischen dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle und liegt insbesondere zwischen der ersten Seite des abzulegenden Tapes, dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle;
- - der mindestens einen Ablegerolle ist eine Heizeinrichtung zugeordnet, wobei die Heizeinrichtung auf die zweite Seite des abzulegenden Tapes wirkt;
- - der mindestens einen Ablegerolle ist eine Kamera und/oder eine optische Sensoreinrichtung zugeordnet, welche auf die zweite Seite des abzulegenden Tapes ausgerichtet ist;
- - der Unterdruckbereich ist einer Auflaufstelle (nip point) eines abzulegenden Tapes an dem Substrat vorgelagert.
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Es ergibt sich durch die genannten Merkmale einzeln oder in Kombination eine optimierte Platznutzung. Durch den Unterdruckbereich, welcher an der ersten Seite des abzulegenden Tapes liegt, lässt sich das Tape gewissermaßen an die Ablegerolle heranziehen, um eine reproduzierbare, definierte Ablage des Tapes an dem Substrat zu erreichen.
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Dies ist insbesondere günstig, wenn das Tape eine thermoplastische Matrix aufweist. Grundsätzlich weisen Thermoplaste keine Eigenklebrigkeit auf. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die zweite Seite des Tapes aufzuheizen und insbesondere über die Schmelztemperatur aufzuheizen, um eine entsprechende Klebrigkeit bereitzustellen. An der ersten Seite muss keine Aufheizung über die Schmelztemperatur erfolgen, da durch die Unterdruckbeaufschlagung eine Anlage an der mindestens einen Ablegerolle erfolgen kann.
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Es ergibt sich eine optimierte Nutzung des Bauraums, wenn der Unterdruckbereich zwischen dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle und vorzugsweise zwischen der ersten Seite des abzulegenden Tapes, dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle ist. Dadurch müssen benachbart zu der zweiten Seite, an welcher insbesondere eine Aufheizung über die Schmelztemperatur erfolgt, keine Mittel zum Drücken des abzulegenden Tapes an die mindestens eine Ablegerolle vorgesehen werden. Es ergibt sich dann eine optimierte Platznutzbarkeit und es lassen sich beispielsweise auch stark konkave Werkzeuge bzw. Substrate einsetzen.
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Günstig ist es, wenn der mindestens einen Ablegerolle eine Heizeinrichtung (Heizquelle) zugeordnet ist, welche auf die zweite Seite des Tapes wirkt. Dadurch lässt sich die zweite Seite des Tapes, welche eine Ablegeseite ist, über die Schmelztemperatur erhitzen. Über die mindestens eine Ablegerolle (Konsolidierungsrolle) lässt sich dann das abzulegende Tape auf das Substrat aufdrücken und es kann dann eine Konsolidierung erfolgen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kamera (wie eine Wärmebildkamera) und/oder eine optische Sensoreinrichtung vorgesehen, mittels welcher sich der Bereich der zweiten Seite und insbesondere ein Ablegebereich optisch detektieren lässt.
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Mittels der mindestens einen Ablegerolle ist eine Auflaufstelle (nip point) gebildet, an welcher die mindestens eine Ablegerolle das abzulegende Tape auf das Substrat aufdrückt. Wenn der Unterdruckbereich entsprechend dieser Auflaufstelle vorgelagert ist, dann ergibt sich eine optimierte und reproduzierbare Ablegbarkeit. Das abzulegende Tape wird vor der Auflaufstelle an die mindestens eine Ablegerolle angelegt, um eine auch geometrisch definierte Ablage zu ermöglichen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung mindestens ein Rohr umfasst, an welchem mindestens eine Mündungsöffnung angeordnet ist, welche in den Unterdruckbereich mündet. Über das mindestens eine Rohr lässt sich der entsprechende Unterdruck zur Anlage des abzulegenden Tapes an der mindestens eine Ablegerolle erzeugen. Grundsätzlich kann dabei in dem Rohr ein Saugstrom oder ein Blasstrom geführt sein.
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Es ergibt sich eine optimierte Platznutzung, wenn das mindestens eine Rohr zwischen einem Halter für die mindestens eine Ablegerolle und der mindestens einen Ablegerolle geführt ist. Beispielsweise ist die mindestens eine Ablegerolle über einen oder mehrere Stege an dem Halter gehalten. Wenn das Rohr dann zwischen dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle geführt ist, lässt sich der entsprechende Platz optimiert nutzen.
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Bei einer Ausführungsform ist im Betrieb der Tapelegemaschine in dem mindestens einen Rohr ein Saugstrom geführt und insbesondere umfasst die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung eine Sauggebläseeinrichtung. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise der Unterdruckbereich vor der Mündungsöffnung des mindestens einen Rohrs erzeugen. Der Saugstrom in dem mindestens einen Rohr kann durch eine Sauggebläseeinrichtung erzeugt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, dass eine Saugstromdüse (Venturi-Düse) verwendet wird, um über einen Blasstrom einen Saugstrom zu erzeugen.
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Es ist auch möglich, dass in dem mindestens einen Rohr im Betrieb der Tapelegemaschine ein Blasstrom geführt ist und das mindestens eine Rohr so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich aufgrund des Bernoulli-Effekts vor der mindestens einen Ablegerolle der Unterdruckbereich ausbildet. Es ist dann das mindestens eine Rohr so angeordnet, dass an der entsprechenden Mündungsöffnung eine Verengung liegt, welche aufgrund des Bernoulli-Effekts (des hydrodynamischen Paradoxons) den Unterdruckbereich erzeugt. Beispielsweise mündet das Rohr in einen Hohlkehlbereich bzw. Zwickel zwischen dem abzulegenden Tape und der mindestens einen Ablegerolle.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung so angeordnet und ausgebildet, dass sie einen Luftstrom und insbesondere einen Blasluftstrom bereitstellt, welcher die mindestens eine Ablegerolle zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle beaufschlägt. Es ergibt sich dadurch eine optimale Kühlbarkeit der grundsätzlich thermisch belasteten mindestens einen Ablegerolle. Es kann so insbesondere eine zusätzliche Kühlwirkung zu einer Rollenkühlung bewirkt werden. Es können dadurch kontinuierliche Prozesstemperaturen gewährleistet werden und es wird eine Überhitzung der mindestens einen Ablegerolle verhindert. Ferner ist es dadurch auf einfache Weise möglich, eine Kühlung und beispielsweise Zusatzkühlung der mindestens einen Ablegerolle beabstandet zu einer Heizeinrichtung zu erreichen. Insbesondere lässt sich der Blasluftstrom zur Kühlung so richten, dass er im Wesentlichen nur die mindestens eine Ablegerolle beaufschlagt und beispielsweise nicht das abzulegende Tape beaufschlagt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Substrat und einem Halter für die mindestens eine Ablegerolle ein Zwischenraum gebildet ist, in dem abzulegendes Tape positioniert ist, dass der Zwischenraum einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist und der erste Bereich und der zweite Bereich durch abzulegendes Tape getrennt sind, dass die Ablegerolle an dem ersten Bereich angeordnet ist, und dass der Blasluftstrom zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle an dem ersten Bereich erzeugt wird. Mit Erzeugung ist damit gemeint, dass der Blasluftstrom aus einer entsprechenden Mündungsöffnung austritt. Es ist dadurch möglich, dass der Blasluftstrom zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle vollständig oder zumindest größtenteils zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle genutzt wird. Er kann so gerichtet werden, dass er das abzulegende Tape nur gering oder gar nicht beaufschlägt. Es lässt sich so eine „verlustarme“ und damit effektive Kühlung der mindestens einen Ablegerolle erreichen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens einen Ablegerolle eine Führungseinrichtung für abzulegendes Tape zugeordnet ist. Insbesondere ist die Führungseinrichtung mit der Unterdruckbeaufschlagung gekoppelt. Durch die Führungseinrichtung wird entlang dieser abzulegendes Tape geführt. Dadurch ergibt sich eine definierte und reproduzierbare Tapeablage. Insbesondere lässt sich dadurch auch die Anlage des abzulegenden Tapes an der mindestens einen Ablegerolle mittels der Unterdruckbeaufschlagung verbessern.
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Günstig ist es, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist:
- - die Führungseinrichtung ist bezogen auf eine Auflaufstelle (nip point) von abzulegendem Tape an der Ablegerolle der mindestens einen Ablegerolle vorgeschaltet;
- - die Führungseinrichtung umfasst mindestens ein Führungselement in Form einer Führungsplatte, an welcher abzulegendes Tape geführt ist;
- - die Führungseinrichtung umfasst gegenüberliegende Führungselemente, zwischen welchen abzulegendes Tape durchgeführt ist;
- - die Führungseinrichtung sitzt an einem Halter, an welchem die mindestens eine Ablegerolle sitzt.
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Durch die entsprechende Führungseinrichtung ergibt sich eine optimierte mechanische Tapeführung vor der Ablegerolle.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Führungseinrichtung mindestens ein Führungselement, an welchem mindestens eine Mündungsöffnung der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung angeordnet ist. Die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung ist an das entsprechende Führungselement angeschlossen. Insbesondere sind ein oder mehrere Rohre der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung fest mit dem mindestens einen Führungselement verbunden und dabei fluiddicht verbunden. Dadurch lässt sich der Unterdruckbereich an der Führungseinrichtung erzeugen. Es lässt sich eine optimierte Führung von abzulegendem Tape bezüglich der Ablegerolle erreichen.
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Bei einem fertigungstechnisch günstigen Ausführungsbeispiel umfasst die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung mindestens eine Venturi-Düse, insbesondere mit mindestens einem der Folgenden:
- - es ist mindestens ein Abnahmerohr zur Unterdruckbeaufschlagung eines abzulegenden Tapes vorgesehen;
- - die Venturi-Düse stellt einen Luftstrom (Blasluftstrom) bereit, welcher die mindestens eine Ablegerolle zur Kühlung beaufschlagt.
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Die Venturi-Düse weist einen Engstellenbereich auf, über welchen sich ein Saugstrom erzeugen lässt. Durch diesen Saugstrom in dem mindestens einen Abnahmerohr kann der Unterdruckbereich erzeugt werden. Die Venturi-Düse ist eine Saugstromdüse, welche auf dem Prinzip des Bernoulli-Effekts funktioniert. Die Venturi-Düse kann gleichzeitig mit der Erzeugung des Saugstroms auch genutzt werden, um einen Luftstrom (Blasluftstrom) bereitzustellen, welcher zur Kühlung der mindestens eine Ablegerolle genutzt werden kann. Die Venturi-Düse lässt sich insbesondere in eine sowieso vorhandene Pneumatikeinrichtung der Tapelegemaschine integrieren, um entsprechend den Unterdruckbereich zu erzeugen und auch um einen Kühlluftstrom zu erzeugen.
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Die erfindungsgemäße Tapelegemaschine lässt sich auf vorteilhafte Weise verwenden, wenn das Tape eine thermoplastische Matrix umfasst, in der insbesondere Fasern und vorzugsweise C-Fasern eingebettet sind. Thermoplastische Materialien weisen in der Regel keine Eigenklebrigkeit auf. Es ist eine Erwärmung notwendig. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich es auf einfache Weise erreichen, dass eine Erwärmung über die Schmelztemperatur nur an einer Seite (einer zweiten Seite) des Tapes notwendig ist. Die Anlage des Tapes an einer gegenüberliegenden ersten Seite an der mindestens einen Ablegerolle, welche dann das Tape über die zweite Seite auf ein Substrat drückt, erfolgt über die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung.
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Insbesondere ist es günstig, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist:
- - ein beweglicher Roboterarm, welcher einen Halter umfasst, an welchem die mindestens eine Ablegerolle sitzt;
- - eine Pneumatikeinrichtung, welche einen Luftstrom für die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung bereitstellt, wobei insbesondere die Pneumatikeinrichtung mindestens teilweise an dem Roboterarm angeordnet ist;
- - eine Heizquelle, welche insbesondere an dem Roboterarm angeordnet ist;
- - eine Kamera und/oder eine optische Sensoreinrichtung, welche insbesondere an dem Roboterarm angeordnet ist;
- - ein Werkzeug zur Substrataufnahme;
- - der Roboterarm und das Werkzeug sind relativ zueinander beweglich.
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Über den beweglichen Roboterarm lässt sich ein automatischer Tapeablegevorgang realisieren. Durch die Kopplung der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung an die Pneumatikeinrichtung ergibt sich ein konstruktiv einfacher Aufbau.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei dem abzulegendes Tape durch Unterdruckbeaufschlagung in einem Unterdruckbereich vor der Ablegerolle an die Ablegerolle angelegt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäße Tapelegemaschine erläuterten Vorteile auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Tapelegemaschine erläutert.
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Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf der erfindungsgemäßen Tapelegemaschine durchführen bzw. die erfindungsgemäße Tapelegemaschine lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
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Günstig ist es, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist:
- - abzulegendes Tape wird durch die Unterdruckbeaufschlagung vor einer Auflaufstelle (nip point) von abzulegendem Tape an der Ablegerolle angelegt;
- - es erfolgt eine Unterdruckbeaufschlagung an einer ersten Seite des Tapes, und eine Beheizung des Tapes an einer zweiten Seite, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt und die zweite Seite eine Ablegeseite an dem Substrat ist.
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Durch die Unterdruckbeaufschlagung vor der Auflaufstelle (nip point) ergibt sich eine optimierte Positionierbarkeit von abzulegendem Tape und entsprechend lässt sich abzulegendes Tape durch die Ablegerolle optimiert an das Substrat andrücken. Durch die Unterdruckbeaufschlagung des Tapes an einer ersten Seite, welche der zweiten Seite gegenüberliegt, ergibt sich ein vergrößerter Raum in dem Bereich, in dem die Beheizung des Tapes erfolgt. Dieser lässt sich beispielsweise dazu nutzen, dass auch komplexere Bauteilstrukturen wie größere Krümmungen herstellbar sind.
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Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Unterdruckbeaufschlagung über einen Saugstrom, welcher insbesondere durch eine Sauggebläseeinrichtung und/oder eine Venturi-Düse bereitgestellt wird. Die Venturi-Düse (Saugstromdüse) lässt sich auch dazu verwenden, einen Blasluftstrom als Kühlluftstrom insbesondere mit direkter Beaufschlagung der Ablegerolle bereitzustellen.
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Entsprechend ist es günstig, wenn ein Blasluftstrom, welcher insbesondere zur Unterdruckbeaufschlagung verwendet wird, mindestens mit einem Teilstrom so gerichtet wird, dass er die Ablegerolle zur Kühlung der Ablegerolle beaufschlägt. Der Blasluftstrom kann dabei ein Blasluftstrom sein, welcher zu dem abzulegenden Tape hin geführt wird, wobei dann über den Bernoulli-Effekt durch Ausbildung einer Engstelle ein Unterdruckbereich erzeugt wird. Der Blasluftstrom kann auch beispielsweise einer Venturi-Düse zugeführt werden, welche dann einen Saugstrom erzeugt, welcher dann wiederum zur Unterdruckbeaufschlagung verwendet wird. Im Falle, dass an dem Tape der Blasluftstrom über den Bernoulli-Effekt zur Erzeugung des Unterdruckbereichs verwendet wird, ist dann insbesondere der Blasluftstrom mindestens in einem Teilstrom so gerichtet, dass er auf die Ablegerolle zur Kühlung wirkt. Im Falle, dass über eine Venturi-Düse ein Saugstrom erzeugt wird, wird ein Abgabeblasluftstrom der Venturi-Düse so gerichtet, dass er die Ablegerolle zur Kühlung beaufschlägt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel hat das abzulegende Tape eine thermoplastische Matrix. Es lässt sich so insbesondere in einem automatisierten Ablageprozess ein entsprechendes Werkstück herstellen.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Tapelegemaschine;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines vergrößerten Bereichs der Tapelegemaschine gemäß 1 im Bereich der Tapeablage an einem Substrat;
- 3 eine ähnliche Ansicht wie 2 bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Tapelegemaschine, welches in 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Maschinenbasis 12. An der Maschinebasis 12 ist eine Schlittenführung 14 angeordnet. An der Schlittenführung 14 sitzt ein Schlitten 16. Der Schlitten 16 ist an der Schlittenführung 14 in einer Richtung/Gegenrichtung 18 verschieblich geführt.
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An dem Schlitten 16 sitzt ein als Ganzes mit 20 bezeichneter Ablegeroboter. Dieser Ablegeroboter 20 ist über den Schlitten 16 in der Richtung/Gegenrichtung 18 an der Maschinenbasis 12 verfahrbar.
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Der Ablegeroboter 20 weist einen Kopf 22 auf, welcher dreidimensional beweglich ist (durch entsprechende Ausbildung des Ablegeroboters 20).
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An der Maschinenbasis 12 sitzt ein Tisch 24. Dieser Tisch 24 ist in einer Höhenrichtung quer zu der Richtung/Gegenrichtung 18 zu der Maschinenbasis 12 beabstandet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sitzt der Tisch 24 fest an der Maschinenbasis 12. Er kann grundsätzlich auch beweglich sein.
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Der Tisch 24 weist eine Aufnahme 26 für ein Werkzeug 28 auf. Das Werkzeug 28 (vergleiche auch die 2 und 3) ist ein Formungswerkzeug für ein Bauteil, welches mittels Tapeablage hergestellt werden soll. Das hergestellte Bauteil ist insbesondere ein faserverstärktes Composit-Bauteil mit einer Kunststoffmatrix. Die Kunststoffmatrix ist insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff.
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Das Werkzeug 28 ist entsprechend der Form des herzustellenden Bauteils geformt. In den 2 und 3 ist eine Krümmung angedeutet, um entsprechend ein gekrümmtes Bauteil zu erzeugen.
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Bei der Herstellung des entsprechenden Bauteils nimmt das Werkzeug 28 ein Substrat auf. Während des Tapeablegevorgangs verändert sich das Substrat in der Hinsicht, dass es durch abgelegte Tapes „anwächst“. Grundsätzlich ist es möglich, dass das erste abzulegende Tape direkt auf dem Werkzeug 28 abgelegt wird, oder dass ein „Basissubstrat“ zu der ersten Tapeablage verwendet wird. Das Basissubstrat kann beispielsweise auch nur eine Trennfolie sein, oder bereits Teil des Werkstücks sein.
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Der Ablegeroboter 20 weist einen Roboterarm 30 auf, an welchem der Kopf 22 sitzt. Der Kopf 22 ist bezüglich des Werkzeugs 28 an dem Tisch 24 über die Schlittenführung 14 und den Ablegeroboter 20 selber gesteuert positionierbar und insbesondere bezüglich jeder Stelle des Werkzeugs 28 positionierbar. Ferner ist aufgrund der Beweglichkeit des Ablegeroboters 20 selber und seiner Schlittenführung 14 der Kopf 22 zu dem Werkzeug 28 beweglich. Dadurch kann eine gesteuerte, definierte Tapeablage an einem Substrat am Werkzeug 28 erfolgen.
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An dem Kopf 22 sitzt mindestens eine Materialspule 32, welche Tapematerial zur Ablage an dem Substrat bereitstellt.
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Der Kopf 22 ist oder bildet einen Halter 34, an welchem (mindestens) eine Ablegerolle 36 sitzt. Die Ablegerolle 36 ist eine Konsolidierungsrolle, welche bei der Ablage von Tape an dem entsprechenden Substrat für eine definierte Ablage sorgt.
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Die Ablegerolle 36 ist um eine Drehachse 35 drehbar an einem Steg 37 gelagert, wobei der Steg 37 an dem Halter 34 sitzt. Die Drehachse 35 ist in der Darstellung gemäß 2 senkrecht zur Zeichenebene orientiert.
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Die Ablegerolle 36 umfasst einen metallischen Kern 39, an welchem ein Mantel 41 insbesondere aus einem Silikonmaterial sitzt.
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An dem Kopf 22 und insbesondere im Halter 34 ist eine Heizeinrichtung 38 und insbesondere Laser-Heizeinrichtung 38 angeordnet. Im Betrieb der Tapelegemaschine 10 wirkt die Heizeinrichtung 38 auf abzulegendes Tape. Insbesondere ist im Betrieb ein Laserstrahl auf abzulegendes Tape gerichtet, welcher für eine entsprechende Erhitzung sorgt. Dies wird untenstehend noch näher definiert.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Kamera 40 und/oder eine optische Sensoreinrichtung vorgesehen, welche ebenfalls an dem Kopf 22 sitzt und auf abzulegendes Tape ausgerichtet ist.
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Über die Tapelegemaschine 10 wird insbesondere ein additives Fertigungsverfahren in Form des Automated Fiber Placement (AFP) durchgeführt. Als Tape werden insbesondere unidirektionale Halbzeuge (UD-Tapes) verwendet. Die Tapes weisen insbesondere eine thermoplastische Matrix auf und über die Heizeinrichtung 38 erfolgt ein Aufschmelzen. (Thermoplastische Tapes weisen keine Eigenklebrigkeit auf; das Aufschmelzen durch die Heizeinrichtung 38 erzeugt die Klebrigkeit.)
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Beim AFP-Verfahren ist der Kopf 22 beispielsweise ein AFPT-Kopf (der AFPT GmbH, 56281 Dörth, Deutschland).
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Der Ablageroboter 20 weist beispielsweise als Roboterarm 30 einen Roboterarm mit sechs Bewegungs-Freiheitsgraden auf.
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Bei thermoplastischen Tapes liegt aufgrund der fehlenden Eigenklebrigkeit grundsätzlich keine Anhaftung an der Ablegerolle 36 vor.
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Bei einem Ausführungsbeispiel, wie in 2 schematisch gezeigt, wird abzulegendes Tape 42 von einer oder mehreren der Materialspulen 32 bereitgestellt.
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Zwischen dem Werkzeug 28 mit dem Substrat 44 und dem Halter 34, welcher die Ablegerolle 36 hält, liegt ein Zwischenraum 46.
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Das Substrat 44 ist, wie oben erwähnt, am Anfang des Prozesses das Werkzeug 28 gegebenenfalls beispielsweise mit einer Trennfolie, oder einem Grundbauteil, welches dann anwächst mit bereits abgelegten Tapes. Solche abgelegten Tapes sind sehr schematisch in 2 mit dem Bezugszeichen 48 angedeutet. Die abgelegten Tapes 48 sind aufgrund der Konsolidierung nicht mehr Tapes im engeren Sinne sondern untrennbarer Bestandteil des Bauteils.
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In dem Zwischenraum 46 ist die Ablegerolle 36 positioniert. Ferner ist die Heizeinrichtung 38 positioniert und gegebenenfalls die Kamera 40.
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Abzulegendes Tape 42 ist so geführt, dass es auf dem Substrat 44 ablegbar ist. (In 2 ist aus darstellerischen Gründen ein Abstand zum Substrat 44 gezeigt, wobei natürlich bei der Ablage ein solcher Abstand nicht vorhanden ist.)
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Abzulegendes Tape 42 verläuft durch den Zwischenraum 46.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Führungseinrichtung 50 vorgesehen, welche der Ablegerolle 36 zugeordnet ist. Die Führungseinrichtung 50 ist insbesondere an dem Halter 34 gehalten.
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Die Führungseinrichtung 50 dient dazu, abzulegendes Tape 42 definiert bezüglich der Ablegerolle 36 zu führen. Abzulegendes Tape 42 wird an der Führungseinrichtung 50 entlanggeführt.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Führungseinrichtung 50 austauschbar an dem Halter 34 und damit an dem Kopf 22 sitzt.
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Bezogen auf eine Zuführungsrichtung 52 von Tape von einer Materialspule 32 zu dem Substrat 44 ist die Führungseinrichtung 50 der Ablegerolle 36 vorgelagert.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Führungseinrichtung 50 ein erstes Führungselement 54 und ein gegenüberliegendes zweites Führungselement 56. Das erste Führungselement 54 und das zweite Führungselement 56 sind beabstandet zueinander und zwischen diesen ist abzulegendes Tape 42 hindurchgeführt.
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Das erste Führungselement 54 und das zweite Führungselement 56 sind in dem Zwischenraum 46 zwischen dem Halter 34 und dem Substrat 44 positioniert.
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Die Führungselemente 54, 56 sind insbesondere als Führungsbleche ausgebildet und insbesondere aus einem metallischen Material wie Edelstahl hergestellt.
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Die Tapelegemaschine 10 umfasst eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58. Die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 erzeugt einen Unterdruckbereich 60, welcher zur definierten Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36 dient.
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Das abzulegende Tape 42 hat eine erste Seite 62, welche der Ablegerolle 36 zugewandt ist. Es hat eine der ersten Seite 62 gegenüberliegende zweite Seite 64, welche dem Substrat 44 zugewandt ist. Die zweite Seite 64 ist eine Ablegeseite, über welche die Ablage an dem Substrat 44 erfolgt.
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Die Heizeinrichtung 38 wirkt mit ihrem Laserstrahl auf die zweite Seite 64, um eine Erwärmung über die Konsolidierungstemperatur der thermoplastischen Matrix des Tapematerials an der zweiten Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 zu bewirken.
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Der Unterdruckbereich 60 grenzt an die erste Seite 62. Der Unterdruckbereich 60 ist zwischen der ersten Seite 62 des abzulegenden Tapes 42, der Ablegerolle 36 und dem Halter 34 gebildet.
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Der Zwischenraum 46 wird durch das abzulegende Tape 42 in einen ersten Bereich 66 und einen zweiten Bereich 68 unterteilt. Die erste Seite des abzulegenden Tapes 42 begrenzt den ersten Bereich 66 und grenzt an diesen an. Die zweite Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 grenzt an den zweiten Bereich 68 an und begrenzt diesen. Der Unterdruckbereich 60 der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 liegt in dem ersten Bereich 66. Die Laserbeaufschlagung des abzulegenden Tapes 42 erfolgt über den zweiten Bereich 68.
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An der Ablegerolle 36 ist eine Auflaufstelle 70 (nip point). Die Auflaufstelle 70 ist die Stelle, an der abzulegendes Tape 42 über die zweite Seite 64 das Substrat 44 berührt und eine entsprechende Ablage mit Konsolidierung durch die Ablegerolle 36 erfolgt. Die Heizung an der zweiten Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 erfolgt in einem Bereich 72 des abzulegenden Tapes 42, welcher vor dem nip point 70 liegt. Wenn abzulegendes Tape 42 an dem nip point 70 auf das Substrat 44 aufgetragen wird (und insbesondere aufgedrückt wird), dann ist es dort über die Konsolidierungstemperatur erhitzt, um eine entsprechende Klebrigkeit bereitzustellen, es kann aber dann eine Abkühlung unter die Konsolidierungstemperatur erfolgen.
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Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 erfolgt eine Unterdruckbeaufschlagung des abzulegenden Tapes 42 in dem Unterdruckbereich 60, welcher vor dem nip point 70 liegt. Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 und den Unterdruckbereich 60 lässt sich eine hohe Ablegegenauigkeit für abzulegendes Tape 42 an dem Substrat 44 erreichen. Beispielsweise neigen Halbzeuge aufgrund von Eigenspannungen dazu, von einer „geometrisch“ vorgesehenen Position abzuweichen. Durch den Unterdruckbereich 60 können solche Abweichungen korrigiert werden. Es ergibt sich dadurch eine definierte Tapeführung und Ablage an dem Substrat 44. Eine undefinierte fehlerhafte Tapeablage wird dadurch verhindert und eine gewünschte Bauteilqualität kann reproduzierbar sichergestellt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel (2) umfasst die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 mindestens ein Rohr 74. Dieses Rohr 74 weist eine Mündungsöffnung 76 auf. Dieses mindestens eine Rohr 74 ist insbesondere mit dem ersten Führungselement 54 fluiddicht verbunden und die Mündungsöffnung 76 liegt an dem ersten Führungselement 54.
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Das Rohr 74 ist zwischen dem Halter 34 und der Ablegerolle 36 geführt und dabei mit dem ersten Führungselement 54 verbunden.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass in dem Rohr 74 der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung ein Saugstrom (in 2 durch das Bezugszeichen 78 angedeutet) geführt ist, um entsprechend den Unterdruckbereich 60 im Betrieb der Tapelegemaschine 10 zu erzeugen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Rohr 74 mit einer Sauggebläseeinrichtung verbunden, welche entsprechend den Saugstrom erzeugt (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
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Bei einem Ausführungsbeispiel (2) ist die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 an eine Pneumatikeinrichtung 80 der Tapelegemaschine 10 gekoppelt, welche sowieso vorhanden ist. Diese Pneumatikeinrichtung 80 ist zumindest mit einem Teilbereich an dem Kopf 22 bzw. dem Halter 34 positioniert und mit diesem beweglich.
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An der Pneumatikeinrichtung 80 sitzt eine Venturi-Düse 82. Die Venturi-Düse 82 ist beispielsweise in Form einer Laval-Düse ausgebildet.
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Die Venturi-Düse weist mindestens ein Abnahmerohr 84 auf, welches das Rohr 74 ist oder mit dem Rohr 74 fluidwirksam verbunden ist. An dem Abnahmerohr 84 steht bei einer Luftstrombeaufschlagung 86 der Venturi-Düse 82 ein entsprechender Unterdruck an, das heißt es wirkt der Saugstrom 78 und erzeugt den Unterdruckbereich 60.
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Die Venturi-Düse 82 weist ferner einen Ausgabebereich 88 auf, an welchem ein Blasluftstrom 90 bereitgestellt ist.
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Der Ausgabebereich 88 ist dabei so angeordnet und positioniert, dass der Blassstrom 90 auf die Ablegerolle 36 zu deren Kühlung ausgerichtet ist.
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Über die Venturi-Düse 82 lässt sich dann sowohl der Saugstrom 78 zur Erzeugung des Unterdruckbereichs 60 erzeugen, als auch der Blasluftstrom 90, welcher zur Abkühlung der Ablegerolle 36 im Betrieb der Tapelegemaschine 10 dient.
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Die Venturi-Düse 82 lässt sich auf einfache Weise in eine sowieso vorhandene Pneumatikeinrichtung 80 integrieren.
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Grundsätzlich kann ein Ausgaberohr als Ausgabebereich 88 oder es können eine Mehrzahl von Ausgaberohren vorgesehen sein (siehe 2).
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Die Venturi-Düse 82 ist eine Vakuumsaugdüse, welche einen Saugstrom 78 und einen Blasluftstrom 90 bereitstellt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel liegt eine Durchflussrate von Druckluft an der Venturi-Düse 82 im Bereich zwischen 2 l/min und 20 l/min. Der Anzugdruck am Unterdruckbereich 60 liegt im Bereich zwischen 1 bar und 10 bar.
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Ein Beispiel für eine verwendete Venturi-Düse 82 in Form einer Laval-Düse ist die Düse VN-05-H-T2-PQ1-VQ1-RQ1 der Festo SE & Co. KG, Ruiter Strasse 82, 73734 Esslingen - Berkheim.
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Die Tapelegemaschine 10 funktioniert wie folgt:
- Auf dem Substrat 44 werden Tapes 42 abgelegt. Diese werden dabei durch eine oder mehrere Materialspulen 32 bereitgestellt. Grundsätzlich kann beispielsweise parallel eine Ablage von mehreren Tapes erfolgen. Bei der Darstellung gemäß 2 sind dann senkrecht zur Zeichenebene eine Mehrzahl von Tapes bereitgestellt.
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Die zweite Seite 64 von abzulegendem Tape 42 wird über den zweiten Bereich 68 durch die Heizeinrichtung 38 aufgeheizt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 erfolgt eine Führung von abzulegendem Tape 42 über die Führungseinrichtung 50.
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Es wird dabei abzulegendes Tape 42 von der entsprechenden Materialspule 32 abgerollt mit der Zuführungseinrichtung 52. Der Ablegeroboter 20 wird relativ zu dem Werkzeug 28 derart in einer Richtung 92 verfahren, dass eine sukzessive Tapeablage auf dem Substrat 44 erfolgt.
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Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 wird der Unterdruckbereich 60 erzeugt. Dieser sorgt für eine definierte Tapeführung mit Anlage an der Ablegerolle 36. Der zweite Bereich 68 des Zwischenraums 46 ist dabei frei von jeglicher Einrichtung zur Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36. Dadurch wird beispielsweise ein Laserstrahl der Heizeinrichtung 38 nicht behindert. Weiterhin können dadurch beispielsweise auch stark konkave Werkzeuge 28 verwendet werden, es können Stufen vorhanden sein usw. Es lassen sich also auch sehr komplexe Bauteilformen realisieren.
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Der Blasluftstrom 90 sorgt für eine Kühlung der thermisch stark belasteten Ablegerolle 36.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Unterdruckansaugung von abzulegendem Tape 42 an der Ablegerolle 36.
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Die Venturi-Düse 82 mit dem Ausgabebereich 88 ist dabei abgewandt (bezogen auf das abzulegende Tape 42) zu der Heizeinrichtung 38 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine effektive Kühlung der Ablegerolle 36, da gewissermaßen ein maximaler Abstand zu der Heizeinrichtung 38 erreicht ist. Die entsprechende Kühleinrichtung zur Kühlung der Ablegerolle 36 ist in dem ersten Bereich 66 positioniert.
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Der Blasluftstrom 90, welcher ein Abluftstrom der Venturi-Düse 82 ist, wird in dem ersten Bereich 66 erzeugt und er strömt in dem ersten Bereich 66.
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Eine typische Größenordnung für die Schmelztemperatur eines Thermoplasten liegt zwischen 100°C und 400°C. (Beispielsweise liegt die Schmelztemperatur PEEK bei 343°C.) Eine Prozesstemperatur liegt in der Größenordnung von 300°C bis 500°C. Die Heizeinrichtung 38 muss für eine Erhitzung des Thermoplasten an der zweiten Seite 64 über diese Schmelztemperatur sorgen. Die Ablegerolle 36 (Konsolidierungsrolle) drückt abzulegendes Tape 42 auf das Substrat 44, wobei die zweite Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 auf das Substrat 44 aufgelegt wird. Es erfolgt eine Konsolidierung des Thermoplasten im Bereich des nip points 70.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 über das oder die Rohre 74 an die Führungseinrichtung 50 angeschlossen. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass eine oder mehrere Mündungsöffnungen 76 des Rohrs 74 beabstandet zu der Führungseinrichtung 50 sind, oder dass keine Führungseinrichtung 50 vorhanden ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 an die Führungseinrichtung 50 angeschlossen ist, liegt der Unterdruckbereich 60 dann auch an der Führungseinrichtung 50 und ermöglicht eine definierte, reproduzierbare Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36 und damit wiederum eine definierte Ablage auf dem Substrat 44.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist schematisch in 3 dargestellt, wobei für gleiche Elemente wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Es ist ein weiteres Werkzeug 28' mit stärkerer Krümmung als das Werkzeug 28 angedeutet. Im Betrieb ist nur ein Werkzeug 28 oder 28' verwendet.
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Es ist eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 94 vorgesehen, welche mit der Pneumatikeinrichtung 80 der Tapelegemaschine 10 verbunden ist.
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Die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 94 weist (mindestens) ein Rohr 96 auf, welches eine Mündungsöffnung 98 hat. Vor der Mündungsöffnung 98 kann sich ein Unterdruckbereich 100 ausbilden.
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Das Rohr 96 ist zwischen der Ablegerolle 36, dem Halter 34 und dem abzulegenden Tape 42 geführt. Die Mündungsöffnung 98 liegt in dem ersten Bereich 66.
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In das Rohr 96 wird mittels der Ankopplung an die Pneumatikeinrichtung 80 ein Blasstrahl eingekoppelt. Dieser Blasstrahl tritt an der Mündungsöffnung 98 auf (in 3 mit dem Bezugszeichen 102 versehen).
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Es kann vorgesehen sein, dass ein abgezweigter Blasluftstrom die Ablegerolle 36 zu Kühlzwecken beaufschlägt und insbesondere an dieser entlanggeführt wird.
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Das Rohr 96 mit seiner Mündungsöffnung 98 ist so angeordnet und ausgebildet, dass sich vor der Mündungsöffnung 98 der Unterdruckbereich 100 ausbildet, welcher für eine Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36 sorgt.
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Vor der Mündungsöffnung 98 tritt (bei einem Ausführungsbeispiel in Zusammenwirkung mit dem abzulegenden Tape 42) im Vergleich zu dem Rohr 96 eine Querschnittsverengung auf, welche aufgrund des Bernoulli-Effekts den Unterdruckbereich 100 bewirkt.
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Die Mündungsöffnung 98 liegt in einem Hohlkehlbereich 99 (Hohlkeilbereich, Zwickel) vor der Ablegerolle 36, wobei dieser Hohlkehlbereich 99 zwischen dem abzulegenden Tape 42 und der Ablegerolle 36 gebildet ist.
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Das Rohr 96 mit seiner Mündungsöffnung 98 ist so angeordnet und ausgebildet, dass aufgrund des hydrodynamischen Paradoxon der Blasluftstrom in dem Rohr 96 beim Austritt an der Mündungsöffnung 98 vor der Ablegerolle 36 den Unterdruckbereich 100 erzeugt.
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Gegebenenfalls können in dem ersten Bereich 66 ein oder mehrere Strömungselemente zur Strömungsführung und zur Ausbildung einer Engstelle angeordnet sein (in der Zeichnung nicht gezeigt).
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Es ist insbesondere eine Führungseinrichtung 104 vorgesehen, welche Führungselemente 106 (Führungsbleche) für abzulegendes Tape 42 umfasst. Vorzugsweise sind die Führungselemente 106 beabstandet zu der Mündungsöffnung 98.
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Ansonsten bewirkt die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 94 das gleiche wie die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58, nämlich eine gesteuerte definierte Anlage des abzulegenden Tapes 42 an die Ablegerolle 36 durch Erzeugung eines Unterdruckbereichs 100 vor der Ablegerolle 36 und insbesondere vor der Auflaufstelle 70.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Tapelegemaschine
- 12
- Maschinenbasis
- 14
- Schlittenführung
- 16
- Schlitten
- 18
- Richtung/Gegenrichtung
- 20
- Ablegeroboter
- 22
- Kopf
- 24
- Tisch
- 26
- Aufnahme
- 28, 28'
- Werkzeug
- 30
- Roboterarm
- 32
- Materialspule
- 34
- Halter
- 35
- Drehachse
- 36
- Ablegerolle
- 37
- Steg
- 38
- Heizeinrichtung
- 39
- Metallischer Kern
- 40
- Kamera
- 41
- Mantel
- 42
- Abzulegendes Tape
- 44
- Substrat
- 46
- Zwischenraum
- 48
- Abgelegtes Tape
- 50
- Führungseinrichtung
- 52
- Zuführungseinrichtung
- 54
- Erstes Führungselement
- 56
- Zweites Führungselement
- 58
- Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung
- 60
- Unterdruckbereich
- 62
- Erste Seite
- 64
- Zweite Seite
- 66
- Erster Bereich
- 68
- Zweiter Bereich
- 70
- Auflaufstelle (nip point)
- 72
- Bereich
- 74
- Rohr
- 76
- Mündungsöffnung
- 78
- Saugstrom
- 80
- Pneumatikeinrichtung
- 82
- Venturi-Düse
- 84
- Abnahmerohr
- 86
- Luftstrombeaufschlagung
- 88
- Ausgabebereich
- 90
- Blasluftstrom
- 92
- Richtung
- 94
- Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung
- 96
- Rohr
- 98
- Mündungsöffnung
- 99
- Hohlkehlbereich
- 100
- Unterdruckbereich
- 102
- Blasluftstrom
- 104
- Führungseinrichtung
- 106
- Führungselement
