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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Legen von flachen Bauteilen,
insbesondere von formlabilen Bauteilen, auf ein Formwerkzeug.
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Bei
der Fertigung von Verbundwerkstoffen, wie z. B. CFK-Bauteilen (CFK
= kohlefaserverstärkter Kunststoff), werden mehrere flache
Bauteile auf einem Formwerkzeug übereinander gelegt und
mit einem geeigneten Herstellungsverfahren zu einem Verbundwerkstoff
verbunden. Dabei müssen häufig formlabile Bauteile,
beispielsweise Lagen aus textilem Material, positionsgenau auf dem
Formwerkzeug abgelegt werden.
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Im
Bereich der Herstellung von CFK-Bauteilen ist der sog. VAP-Prozess
bekannt (VAP = Vacuum Assisted Process). In diesem Verfahren werden
trockene Kohlefasertextilien verarbeitet, welche zunächst
auf ein Formwerkzeug gelegt werden und anschließend miteinander
verklebt werden. Die Verklebung wird durch die Bearbeitung der Textilien
mit einem Bügeleisen bewirkt. Dabei ist beispielsweise
auf einer Seite der Textilien ein Bindervlies vorgesehen, welches
durch Wärmeeinwirkung klebrig wird. Anschließend
wird ein Vakuum-Prozess durchgeführt. Dabei wird ein Vakuum-Aufbau
evakuiert und in das auf dem Formwerkzeug fixierte Textilmaterial
Harz injiziert. Nach weiteren Nachbearbeitungsschritten wird schließlich
der Kohlefaserverbundwerkstoff erhalten. Das Legen der textilen
Materialien auf das Formwerkzeug sowie die Bearbeitung des Materials mit
einem Bügeleisen werden heutzutage in der Regel manuell
durchgeführt. Hierzu wird besonders geschultes Personal
mit viel Erfahrung benötigt. Aufgrund der manuellen Verarbeitung
ist das Verfahren fehleranfällig und führt zu
hohen Ausschussraten.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, welche
eine automatisierte Bearbeitung von flachen Bauteilen ermöglichen.
In der Druckschrift
WO
2008/101803 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, in der
thermoplastisches Material durch Unterdruck auf einem Formwerkzeug
gehalten wird, wobei auf das thermoplastische Material Streifen
von vorimprägniertem Material über eine Druckrolle,
die mit einer Heinzeinrichtung kombiniert ist, aufgebracht werden.
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In
dem Dokument
WO
2008/053288 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
aus Verbundmaterial beschrieben, bei dem in einer Kompaktierstation
auf einer mit Verbundmaterial belegten Rolle Kompaktierelemente
aufgebracht werden. Dabei werden die Kompaktierelemente über
ein Element aus porösem Material mittels Unterdruck aufgenommen
und hin zu der Rolle transportiert, an der sie auf das Verbundmaterial
abgelegt werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Legen von flachen Bauteilen
zu schaffen, welche auf einfache Weise ein korrektes Legen und Fixieren
der flachen Bauteile auf einem Formwerkzeug ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein mit einem
Unterdruckerzeuger verbundenes Legewerkzeug. Dieses Legewerkzeug
beinhaltet eine Saugeinrichtung zum Erzeugen von Saugkräften
mit Hilfe des im Betrieb des Unterdruckerzeugers generierten Unterdrucks
sowie eine mit der Saugeinrichtung verbundene Drapiereinrichtung.
Diese Drapiereinrichtung weist eine Legefläche zum Aufnehmen und
anschließenden Legen eines oder mehrerer flacher Bauteile
auf das Formwerkzeug auf und wechselwirkt derart mit der Saugeinrichtung,
dass über die Saugkräfte der Saugeinrichtung das
oder die flachen Bauteile an der Legefläche gehalten werden
können. Dabei beinhaltet die Legefläche ein Heizmittel, über welches
dem oder den an der Legefläche gehaltenen Bauteilen Wärme
zuführbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch
aus, dass in einem einzigen Legewerkzeug sowohl die Funktionalität
des Greifens eines zu legenden flachen Bauteils als auch des Drapierens des
Bauteils unter Verwendung eines Heizmittels integriert ist. Insbesondere
wird dabei eine einzige Legefläche verwendet, an der das
Bauteil sowohl festgehalten werden kann als auch mit Wärme
beaufschlagt werden kann. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung ermöglicht somit das automatisierte Aufnehmen des
zu legenden Bauteils als auch das automatisierte Fixieren des flachen
Bauteils auf einem Formwerkzeug, ohne dass hierfür manuelle
Zwischenschritte erforderlich sind.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Legefläche
des Legewerkzeugs gekrümmt ausgestaltet, insbesondere als
ein oder mehrere Segmente von Zylindermantelflächen. Auf
diese Weise kann mittels einer geeigneten Abrollbewegung auf einfache
Weise das Aufnehmen und das Ablegen des flachen Bauteils bewirkt
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Legefläche
der Drapiereinrichtung temporär verformbar, wobei die Verformung
der Legefläche durch eine benachbart zu der Legefläche angeordnete
flexible Materialschicht bewirkt wird. Durch Druck auf die Legefläche
ergibt sich dabei eine temporäre Verformung der flexiblen
Materialschicht. Es wird somit eine flexible Anpassung der Legefläche an
beliebig geformte Formwerkzeuge erreicht, so dass die Vorrichtung
zum Legen von formlabilen Bauteilen auf Formwerkzeugen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen
eingesetzt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird als flexible Materialschicht ein Schaumstoff verwendet,
insbesondere ein Polyurethan-Schaumstoff, der an der Saugeinrichtung
befestigt ist, insbesondere lösbar befestigt ist. Diese
Schaumstoffe sind preiswert in der Herstellung und weisen eine ausreichende
Flexibilität zur Anpassung an unterschiedliche Oberflächenstrukturen
von Formwerkzeugen auf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst die flexible Materialschicht eine Vielzahl von
sich durch die flexible Materialschicht erstreckender Sauglöcher,
welche mit der Saugeinrichtung derart Wechselwirken, dass über
die Sauglöcher Luft zum Festhalten von flachen Bauteilen
an der Legefläche angesaugt wird. Hierdurch kann ein besonders
kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erreicht werden. In einer Variante sind dabei in der Legefläche
an den Positionen der Sauglöcher entsprechende Öffnungen vorgesehen.
Gegebenenfalls kann die Legefläche jedoch auch eine permeable
Schicht umfassen. In diesem Fall kann gegebenenfalls darauf verzichtet
werden, entsprechende Öffnungen in der Legefläche
hin zu den Sauglöchern vorzusehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Saugeinrichtung einen Filter
zur Filterung der angesaugten Luft, wodurch Beschädigungen
von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen in der Saugeinrichtung
durch Staub bzw. Verunreinigungen vorgebeugt wird.
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In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform beinhaltet
die Saugeinrichtung des Legewerkzeugs eine Vielzahl von entlang
der Legefläche verteilten Saugelementen, wobei die jeweiligen
Saugelemente oder jeweilige Gruppen von Saugelementen über
eine Steuereinrichtung selektiv zur Erzeugung einer Saugkraft aktivierbar
und zum Abschalten der Saugkraft deaktivierbar sind. Auf diese Weise
kann erreicht werden, dass Saugkräfte nur in vorbestimmten
Bereichen der Legefläche ausgeübt werden. Vorzugsweise
ist dabei ein jeweiliges Saugelement oder eine jeweilige Gruppe
von Saugelementen einer Saugkammer zugeordnet, welche zum Aktivieren
des jeweiligen Saugelements oder der jeweiligen Gruppe von Saugelementen über
einen Aktor geöffnet werden kann und zum Deaktivieren des jeweiligen
Saugelements oder der jeweiligen Gruppe von Saugelementen über
den Aktor geschlossen werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist das Heizmittel derart ausgestaltet, dass die Legefläche
in eine Vielzahl von Heizabschnitten unterteilt ist, welche selektiv
durch das Heizmittel über eine Steuereinrichtung beheizbar sind,
wobei die Steuereinrichtung vorzugsweise die gleiche Steuereinrichtung
ist, welche in der oben beschriebenen Variante der Erfindung zum
selektiven Aktivieren bzw. Deaktiveren der Saugelemente eingesetzt
wird. Mit Hilfe eines solchen Heizmittels können somit
Heizbereiche der Legefläche bedarfsweise beheizt werden.
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In
einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist das Legewerkzeug bewegbar, beispielsweise über
einen Roboter und/oder über ein Portalsystem. In einer
besonders bevorzugten Variante eines solchen bewegbaren Legewerkzeugs, welches
eine Steuereinrichtung zum selektiven Aktivieren von Saugelementen
und Beheizen von Heizabschnitten umfasst, kann die Steuereinrichtung
derart ausgestaltet sein, dass sie basierend auf Parameter eines
durchzuführenden Legevorgangs die Bewegung des Legewerkzeugs
sowie die Saugeinrichtung und das Heizmittel derart steuert, dass
durch selektives Aktivieren von Saugelementen ein flaches Bauteil
zu nächst an der Legefläche festgehalten wird und anschließend
das festgehaltene Bauteil durch einen Andruck- und Heizvorgang an
ein Formwerkzeug fixiert wird, wobei im Andruck- und Heizvorgang
die Legefläche mit dem festgehaltenen Bauteil an das Formwerkzeug
gedrückt wird und dabei selektiv die aktivierten Saugelemente
deaktiviert werden und selektiv die Heizabschnitte der Legefläche
beheizt werden. Der Vorgang des Andrückens im Rahmen des Andruck-
und Heizvorgangs kann dabei beliebig ausgestaltet sein. Zum Beispiel
kann ein Andrücken in senkrechter Richtung von oben auf
das Formwerkzeug erfolgen. In einer bevorzugten Variante, welche weiter
unten näher beschrieben wird, erfolgt das Andrücken
jedoch im Rahmen eines Vorgangs, in dem die Legefläche
auf dem Formwerkzeug abgerollt wird. Die Parameter des Legevorgangs
umfassen vorzugsweise die Kontur des flachen Bauteils und/oder das
Material des flachen Bauteils und/oder die Form des Formwerkzeugs
und/oder die Heiztemperatur des Heizmittels und/oder die Größe
des Drucks zum Andrücken des flachen Bauteils und dergleichen.
Auf diese Weise erfolgt eine geeignete Anpassung des Legevorgangs
an spezifische Gegebenheiten. Insbesondere kann mit einem solchen
Legewerkzeug auch ein Legevorgang an konturierte Formwerkzeugen
durchgeführt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der die
Legefläche gekrümmt ausgestaltet ist, umfasst
der Andruck- und Heizvorgang das Abrollen der gekrümmten
Legefläche auf dem Formwerkzeug, wobei das Abrollen vorzugsweise
derart ausgestaltet ist, dass beim Abrollen für die Bereiche des
an der Legefläche festgehaltenen flachen Bauteils, welche
gerade mit dem Formwerkzeug in Realisierung einer Linienberührung
in Kontakt kommen, die in diesen Bereichen liegenden Heizabschnitte
der Legefläche beheizt werden und die in diesen Bereichen
liegenden Saugelemente der Saugeinrichtung deaktiviert werden. Hierdurch
wird ein besonders effizienter Legevorgang durchgeführt,
bei dem ein glattes flächiges Anlegen der flachen Bauteile
an das Formwerkzeug erreicht wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfasst die Saugeinrichtung eine Vielzahl von Saugrohren,
wobei die Saugrohre vorzugsweise mit jeweiligen Blendenöffnungen
einer Saugblende verbunden sind. Diese Saugrohre sowie die damit
verbundenen Blendenöffnungen (sofern vorhanden) entsprechen
vorzugsweise den oben beschriebenen aktivierbaren und deaktivierbaren
Saugelementen. In einer bevorzugten Variante erstrecken sich die
jeweiligen Saugrohre bis zu einer vorbestimmten Tiefe in jeweilige
Sauglöcher der oben beschriebenen flexiblen Materialschicht. Dadurch,
dass sich die Saugrohre nur bis zu einer vorbestimmten Tiefe und
nicht ganz durch die Materialschicht erstrecken, wird gewährleistet,
dass die Flexibilität der flexiblen Materialschicht durch
die Saugrohre, welche unter Umständen keine oder nur geringe
Flexibilität aufweisen, nicht beeinträchtigt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist das Heizmittel als eine Heizschicht in der Legefläche
ausgebildet, wobei die Heizschicht ein Trägermaterial,
insbesondere aus Glasfilamentgewebe, umfasst, welches vorzugsweise
durch ein oder mehrere Heizdrahtabschnitte in dem Trägermaterial
beheizbar ist. Vorzugsweise entspricht ein Heizdrahtabschnitt dabei
einem oben beschriebenen, selektiv beheizbaren Heizabschnitt. Zur Isolation
der Heizschicht gegenüber weiteren Bestandteilen der Vorrichtung
kann dabei ferner eine Wärmeisolationsschicht auf der Heizschicht
vorgesehen, welche auch aus Glasfilamentgewebe bestehen kann.
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Wie
bereits oben dargelegt, ist die Legefläche der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorzugsweise gekrümmt ausgestaltet. Um die
Legefläche auch für Formwerkzeuge mit innen liegenden
Kanten zu verwenden, umfasst die Legefläche in einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei gegenüber
liegende Segmente von Zylindermantelflächen, welche in
einem spitzen Winkel aneinander stoßen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Vorrichtung modular aus einer Vielzahl von lösbar
am Legewerkzeug befestigten Legemodulen aufgebaut, wobei jedes Legemodul
einen Teil der Saugeinrichtung und der Drapiereinrichtung bildet.
Hierdurch kann durch Entfernen bzw. Hinzufügen von Legemodulen
das Legewerkzeug und insbesondere seine Legefläche an spezifische
Gegebenheiten angepasst werden. Das Legewerkzeug weist dabei vorzugsweise
einen Träger auf, der einen mit dem Unterdruckerzeuger
verbundenen Saugraum, insbesondere einen zylindrischen Saugraum,
umfasst, wobei an dem Träger die Vielzahl von Legemodulen
befestigt ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten
Figuren detailliert beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Legewerkzeugs gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Explosionsdarstellung, welche den Aufbau der Drapiereinrichtung
und Teilen der Saugeinrichtung des Legewerkzeugs der 1 zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung, welche die in der Saugeinrichtung des
Legewerkzeugs der 1 verwendeten Aktoren zur Aktivierung
und Deaktivierung von Saugelementen wiedergibt;
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4 eine
perspektivische Darstellung eines modular aufgebauten Legewerkzeugs
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung;
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5 eine
Schnittansicht durch eines der Legemodule, die in dem Legewerkzeug
der 4 verwendet werden; und
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6 eine
schematische Darstellung, welche eine spezielle Formgestaltung der
Legeflächen eines Legewerkzeugs zum Drapieren an Formwerkzeugen
mit konkaven Kanten zeigt.
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Die
nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden in Bezug auf das Legen von CF-Textilien (CF =
Kohlefaser) im Rahmen eines VAP-Prozesses beschrieben. In diesem
Prozess, der bereits oben beschrieben wurde, werden zugeschnittene
Lagen von CF-Textilien, welche auf einer Seite ein Bindervlies aufweisen,
aufeinander folgend auf ein Formwerkzeug gelegt und miteinander
verschmolzen. Anschließend wird in einem Vakuum-Prozess
und in weiteren Nachverarbeitungsschritten ein kohlefaserverstärkter
Verbundwerkstoff hergestellt. Das Verfahren kann dabei in einer
Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, beispielsweise
können mit dem Verfahren Formteile aus kohlefaserverstärktem
Verbundwerkstoff für den Flugzeugbau hergestellt werden.
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Herkömmlicherweise
erfolgen das Legen des CF-Materials und das Schmelzen des Bindervlieses
in einem manuellen Prozess, in dem ein Werker das CF-Material auf
das Formwerkzeug drapiert und anschließend mit einem Bügeleisen über
das Material fährt, um hierdurch das Bindervlies zu schmelzen. Gemäß den
nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen von Legewerkzeugen
kann nunmehr sowohl das Legen der CF-Textilien als auch das Schmelzen
des Bindervlieses vollkommen automatisiert durchgeführt
werden.
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In
den nachfolgend beschriebenen Figuren sind Bauteile, welche in einer
großen Anzahl vorhanden sind, aus Übersichtlichkeitsgründen
nur teilweise mit Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Legewerkzeugs. Das Legewerkzeug
ist dabei mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und umfasst
einen Träger 2, der eine Vielzahl von Streben
aufweist, wobei an einer Seitenfläche des Trägers 2 eine
Roboter-Anbindung 2a vorgesehen ist, an der zur Bewegung
des Legewerkzeugs 1 ein Roboter angeschlossen wird, mit
dem insbesondere eine rotatorische Bewegung des Legewerkzeugs 1 in
der Ebene der Anbindung 2a ermöglicht wird. An
dem Träger 2 ist im unteren Bereich eine Saugeinrichtung 3 befestigt, welche
im Folgenden auch als Saugmodul bezeichnet wird. An die Saugeinrichtung 3 schließt
sich eine Drapiereinrichtung 4 an, welche im Folgenden
auch als Drapiermodul bezeichnet wird. Von der Drapiereinrichtung 4 sind
in 1 eine gekrümmte Schaumstoffschicht 6 sowie
eine darauf angeordnete beheizbare Legefläche 5 ersichtlich.
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Durch
eine abrollende Bewegung des Legewerkzeugs 1, welche über
den an das Werkzeug angeschlossenen Roboter durchgeführt
wird, können CF-Textilien über ein Ansaugen an
die Legefläche 5 aufgenommen werden, wobei hierfür
entsprechende Saugöffnungen 601 (2)
vorgesehen sind, was im Folgenden noch näher beschrieben
wird. Anschließend können die aufgenommenen Textilien
wiederum durch den Roboter auf ein entsprechendes Formwerkzeug über
eine abrollende Bewegung abgelegt werden, wobei gleichzeitig über
das Beheizen der Legefläche 5 ein Fixieren des
CF-Textils an das Formwerkzeug durch das Aufschmelzen des Bindervlieses
erreicht wird. Um den Vorgang des Aufnehmens und des Legens der
CF-Textilien automatisiert durchführen zu können,
wird eine (nicht aus 1 ersichtliche) Steuereinrichtung
verwendet, die den Legeprozess basierend auf entsprechenden Parametern
geeignet steuert.
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2 zeigt
in Explosionsdarstellung den Aufbau des Drapiermoduls 4 und
Teilen des Saugmoduls 3 des Werkzeugs 1 der 1.
Man erkennt in 2, dass auf der Unterseite des
Drapiermoduls 4 die Heizschicht 7 vorgesehen ist,
welche aus einem hitzebeständigen Trägermaterial,
insbesondere aus Glasfilamentgewebe, besteht. Auf diesem Trägermaterial
sind mehrere Heizbereiche ausgebildet, welche jeweils durch einen
mäanderförmig verlaufenden Heizdraht gebildet
werden. Der Heizdraht ist dabei mit einem hitzebeständigen
Nähfaden an das Trägermaterial festgenäht.
Die einzelnen Heizbereiche sind insbesondere quadratisch ausgestaltet
und auf der gesamten Oberfläche der Heizschicht 7 verteilt. Durch
die einzelnen Heizbereiche kann die Legefläche 5 bereichsweise
geheizt werden, denn die Heizbereiche sind einzeln und unabhängig
voneinander auf eine gewisse Temperatur regelbar, wobei zur Regelung
beispielsweise entsprechende NTC-Sensoren verwendet werden können.
Dies selektive Steuerung der Heizbereiche wird über die
bereits oben erwähnte Steuereinrichtung vorgenommen, so
dass es ermöglicht wird, dass während der Abrollbewe gung des
Legewerkzeugs 1 gezielt diejenigen Heizbereiche beheizt
werden, die gerade Kontakt zu dem Formwerkzeug haben, so dass das
Bindervlies aufschmilzt und die Lagen der CF-Textilien verklebt.
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An
die Heizschicht 7 schließt sich eine Isolationsschicht 8 an,
welche aus Wärme isolierendem Material, insbesondere wiederum
aus Glasfilamentgewebe, besteht. Die Isolationsschicht 8 dient
dazu, die Heizschicht 7 gegenüber der Schaumstoffschicht 6 zu
isolieren, so dass es nicht zu einer Beschädigung des Schaumstoffs
durch Hitzeeinwirkung kommt. Als Schaumstoff für die Schaumstoffschicht 6 wird
insbesondere ein Polyurethan-Schaumstoff verwendet. Zum Beispiel
können Schaumstoffe der Firma Richfoam® eingesetzt
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei
der Schaumstoff vom Typ RF30045 verwendet. In dem Schaumstoff 6 ist
eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Sauglöchern 601 vorgesehen,
welche sich durchgängig von der Oberseite bis zur Unterseite
des Schaumstoffs 8 erstrecken. Die Sauglöcher 601 können
beispielsweise durch Wasserstrahlschneiden hergestellt werden. Es
können anstatt Schaumstoff gegebenenfalls auch andere flexible
Materialien für die Schicht 6 verwendet werden.
Generell sollte das verwendete Material hitzebeständig
sein und unkritische Partikelemissionen aufweisen. Ferner besteht
auch die Möglichkeit, dass in den einzelnen Sauglöchern 601 des Schaumstoffs 6 zur
Luftführung noch flexible Schläuche eingesetzt
werden. Vorzugsweise ist die Schaumstoffschicht 6 auf ihrer
Oberfläche mit einer speziellen Beschichtung versehen,
welche verhindert, dass seitlich Fehlluft gezogen wird.
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Die
Dicke des Schaumstoffs 6 kann je nach Anwendungszweck verschieden
ausgestaltet sein, vorzugsweise liegt die Dicke zwischen 5 cm und
20 cm, beispielsweise bei 8 cm. Da der Schaumstoff 6 temporär
verformbar ist, passt er sich (und damit auch die Legefläche 5 aus
Heizschicht 7 und Isolationsschicht 8) flexibel
an unterschiedliche Formen von Formwerkzeugen an, wodurch sichergestellt wird,
dass sich die Textilien glatt an das Formwerkzeug ohne Faltenbildung
anlegen. Auf diese Weise kann das Legewerkzeug 1 auch für
Formwerkzeuge eingesetzt werden, welche Unebenheiten aufweisen, denn
die Unebenheiten werden durch den verformbaren Schaumstoff 6 ausgeglichen.
In der Ausführungsform der 2 ist die
Heizschicht 7 und die Isolationsschicht 8 als
durchgehende Schicht wiedergegeben. Aufgrund der Permeabilität
der Schichten ist ein Ansaugen von Luft auch ohne Öffnungen
in den Schichten möglich. Vorzugsweise sind jedoch an den Positionen
dieser Schichten, welche den Sauglöchern 601 des
Schaumstoffs 6 entsprechen, Öffnungen vom Durchmesser
der jeweiligen Sauglöcher 601 vorgesehen, wodurch
ein verbessertes Ansaugen von CF-Textilien an der Legefläche 5 erreicht wird.
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An
die Schaumstoffschicht 6 schließt sich das Saugmodul 3 an,
welches eine Vielzahl von Saugrohren 9 umfasst, wobei in
jede der Sauglöcher 601 ein Saugrohr 9 gesteckt
ist. Gegebenenfalls können die Saugrohre 9 auch
entfallen und Luft direkt über die Sauglöcher 601 angesaugt
werden. Da die Saugrohre 9 nur bedingt verformbar sind,
ist die Länge der Saugrohre kürzer als die Dicke
des Schaumstoffs 6, um hierdurch die Flexibilität
des Schaumstoffs 6 beizubehalten. Insbesondere können
die Saugrohre 9 eine Länge von 4 cm aufweisen,
wohingegen der Schaumstoff 6 eine Dicke von 8 cm hat. An die
Saugrohre 9 schließt sich eine Blende 10 mit
matrixförmig angeordneten Blendenöffnungen 10a an, wobei
jede der Blendenöffnungen mit einem der Saugrohre 9 verbunden
ist. Oberhalb der Saugblende 10 liegt eine Filterschicht 11,
mit der die angesaugte Luft gefiltert wird, um zu vermeiden, dass Staubpartikel
bzw. Verunreinigungen in das Saugmodul 3 gelangen und dort
Beschädigungen an elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen
hervorrufen können.
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Zur
Befestigung des Schaumstoffs 6 an der Blende 10 können
parallel entlang der Oberseite des Schaumstoffs 6 verlaufende
Montagestreifen vorgesehen sein, mit denen der Schaumstoff 6 an
der Blende 10 fixiert wird. Vorzugsweise wird über
die Montagestreifen eine lösbare Befestigung des Schaumstoffs 6 an
der Blende 10 realisiert, z. B. über einen Klettverschluss.
Gegebenenfalls kann auch auf die Montagestreifen verzichtet werden,
da durch die Saugrohre 9 innerhalb der Sauglöcher 601 eine Krümmung
des an sich ebenen Schaumstoffs 6 und somit eine Verspannung
desselben an der gekrümmte Blende 10 erreicht
wird.
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Oberhalb
des Filters 11 befindet sich eine gekrümmte Segmentplatte 12,
welche eine Vielzahl von quadratischen Saugkammern 12a mit
entsprechenden Saugkammeröffnungen 12b aufweist.
Durch die einzelnen Saugkammern 12a werden mehrere der Saugrohre 9 und
Blendenöffnungen 10a, z. B. neun solcher Rohre 9 mit
zugeordneten Blendenöffnungen 10a, zusammengefasst.
Durch Öffnen bzw. Schließen der einzelnen Saugkammeröffnungen 12b mit den
weiter unten beschriebenen Aktoren 16 (3) können
dabei entsprechende Saugströme für die zu einer
Saugkammer 12a gehörigen Saugrohre 9 erzeugt
werden. Durch entsprechende Vergrößerung bzw.
Verkleinerung der Saugkammern 12a kann dabei gezielt die
Größe von selektiv steuerbaren Ansaugbereichen
auf der Legefläche 5 variiert werden. Gegebenenfalls
besteht die Möglichkeit, dass jedem einzelnen Saugrohr 9 nur
eine einzelne Kammer 12a zugeordnet ist bzw. das Saugrohr 9 direkt
ohne Saugkammer über das Öffnen bzw. Schließen
der entsprechenden Blendenöffnung 10a aktiviert
bzw. deaktiviert wird.
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Oberhalb
der Segmentplatte 12 sind die bereits erwähnten
Aktoren 16 angeordnet, welche aus 3 ersichtlich
sind. Man erkennt dabei, dass innerhalb eines Gehäuses,
welches durch eine obere Abdeckplatte 13 sowie zwei Seitenwände 14 und 15 gebildet
ist, eine Vielzahl von Aktoren 16 vorgesehen ist, welche
an ihrer Unterseite entsprechende Verschlusspfropfen 16a aufweisen.
Die Aktoren 16 sind dabei in einer Mehrzahl von parallel
verlaufenden Aktorleisten 16b befestigt. Jedem Aktor 16 ist
eine entsprechende Saugkammeröffnung 12b zugeordnet, welche
durch den Verschlusspfropfen 16a über die Betätigung
des Aktors 16 geöffnet bzw. geschlossen werden
kann. Die Aktoren 16 sind in der Ausführungsform
der 3 als bistabile Hubmagneten realisiert, die sich
einzeln über eine Matrixansteuerung mittels der Steuereinrichtung
des Legewerkzeugs 1 ansteuern lassen. Durch Aus- bzw. Einfahren
der Verschlusspfropfen 16a in diesen Aktoren 16 wird das
Verschließen bzw. Öffnen der zugeordneten Saugkammeröffnung 12b bewirkt.
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In
der oberen Abdeckplatte 13 ist eine Öffnung 13a vorgesehen,
an der über einen Vakuumflansch 17 ein Vakuumerzeuger 18 befestigt
ist. Dieser Vakuumerzeuger 18 war in der perspektivischen Darstellung
der 1 nicht ersichtlich. Der Vakuumer zeuger 18 generiert
einen entsprechenden Unterdruck, mit dem basierend auf dem Prinzip
des Niederdruckflächensaugens Textilien an der Legefläche 5 gehalten
werden können. Mit Hilfe der oben beschriebenen Verschlussaktorik
basierend auf einer Vielzahl von Aktoren 16 ist es dabei
möglich, einzelne Bereiche der Legefläche 5 gezielt
zu aktivieren und zu deaktivieren. In einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die selektive Steuerung der Verschlussaktorik und damit
der Ansaugbereiche auf der Legefläche 5 derart,
dass die Steuereinrichtung des Legewerkzeugs entsprechende Konturdaten
des zugeschnittenen Textils, welche beispielsweise als geometrische
CAD-Daten vorliegen, verarbeitet. Basierend auf den Konturdaten
werden dann nur solche Flächenbereiche zum Ansaugen aktiviert,
welche ganz bzw. teilweise unterhalb des anzuhebenden CF-Textils
liegen. Analog können auch beim anschließenden
Ablegen des Textils einzelne Bereiche der Legefläche 5 gezielt
vom Vakuum getrennt werden, wodurch man mehr Flexibilität
und Freiheitsgrade für verschiedene Legestrategien erlangt.
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Wie
bereits oben erwähnt, ist die Verschlussaktorik in der
Ausführungsform der 3 über
bistabile Hubmagnete realisiert. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit,
dass die Verschlussaktorik auf andere Weise, beispielsweise mittels
Ventilen oder bistabilen mechanischen Schaltern umgesetzt wird.
Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass für
jede Saugkammeröffnung 12b ein passiver Verschlussmechanismus
vorgesehen ist, wobei der Verschlussmechanismus über einen
einzelnen verfahrbaren Aktor betätigt werden kann. Hierfür
ist der Aktor in einem Portalsystem integriert, mit dem das Verfahren des
Aktors hin zu den einzelnen Saugkammeröffnungen erreicht
wird.
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Mit
dem im Vorangegangenen beschriebenen Legewerkzeug 1 kann
ein automatisiertes Legen von textilem Material auf verschieden
ausgestaltete Formwerkzeuge erreicht werden. Der Legevorgang wird
mittels einer entsprechenden Steuervorrichtung durchgeführt,
welche sowohl die Bewegung des Legewerkzeugs über einen
Roboter als auch die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Saugkammern
des Saugmoduls und der Heizbereiche der Heizschicht steuert. Im
Betrieb des Legewerkzeugs 1 werden dabei über
eine abrollende Bewegung, welche durch die gekrümmte Form
der Legefläche 5 ermöglicht wird, CF-Textilien
von der Ebene aufgenommen. Dies geschieht über eine selektive
Aktivierung von Saugkammern 12a oberhalb der CF-Textilien.
Anschließend wird das Legewerkzeug 1 mit dem aufgenommenen
Textil zum Formwerkzeug bewegt, und wiederum durch eine abrollende
Bewegung des Legewerkzeugs 1 entlang der Oberfläche
des Formwerkzeugs wird das Textil darauf abgelegt. Durch eine gesteuerte
Abschaltung von Legeflächen-Bereichen vom Vakuum wird hierdurch
das CF-Textil losgelassen. Insbesondere werden dabei sukzessive die
Bereiche der Legefläche 5 abgeschaltet, welche gerade
in Kontakt mit der Oberfläche des Formwerkzeugs kommen.
Analog zur selektiven Abschaltung des Vakuums werden auch die einzelnen
Heizbereiche der Heizfläche 7 gezielt gesteuert.
Vorzugsweise werden dabei diejenigen Heizbereiche auf eine bestimmte
Temperatur (insbesondere 80°C oder mehr) erwärmt,
welche gerade gegen das Formwerkzeug drücken. Hierdurch
wird ein Schmelzen des Bindervlieses effektiv beim Andrücken
des CF-Textils an das Formwerkzeug gewährleistet.
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Mit
den im Vorangegangenen beschriebenen Funktionalitäten des
Legewerkzeugs wird es insbesondere auch ermöglicht, dass
einzelne Bereiche des CF-Textils auf dem Formwerkzeug fixiert werden und
anschließend durch Absetzen und erneutes Ansetzen des Legewerkzeugs 1 das
ganze Textil sukzessive auf das Formwerkzeug drapiert wird. Dadurch,
dass die Unterseite des Legewerkzeugs 1 über den
Schaumstoff 6 flexibel ausgestaltet ist, können
neben glatten Oberflächen auch Oberflächen mit Unebenheiten
gelegt werden, da diese durch den Schaumstoff 6 ausgeglichen
werden.
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4 zeigt
in perspektivischer Darstellung eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Legewerkzeugs. Das Legewerkzeug
ist dabei modular aufgebaut und besteht aus einer Vielzahl von einzelnen
Legemodulen 22 mit quadratischer Legefläche, wobei
jedes Modul ein entsprechendes Saugmodul 3 und Drapiermodul 4 enthält.
Die Legemodule 22 sind dabei auf einem zylindrischen Träger 19 befestigt,
der in der Ausführungsform der 4 nochmals
aus drei Teilsegmenten 19a, 19b und 19c zusammengesetzt
ist. Auf der Oberseite der einzelnen Segmente 19a, 19b und 19c sind
entsprechende Elektronikmodule 23 vorgesehen, welche insgesamt die
Steuerung des Legewerkzeugs bewirken und somit der im Vorangegangenen
beschriebenen Steuereinrichtung entsprechen. An der Vorderseite
des Trägers 19 ist eine entsprechende Anbindung 20 für
einen Roboter zur Bewegung des Legewerkzeugs vorgesehen sowie eine
zentrale Vakuumversorgung 21 mit Dreheinführung,
welche hin zu einem (nicht gezeigten) Unterdruckerzeuger führt.
Die Vakuumversorgung 21 ist dabei mit dem Innenraum der
zylindrischen Segmente 19a, 19b und 19c des
Trägers 19 verbunden. Dieser Innenraum bildet
einen Saugraum, der wiederum mit entsprechenden Saugkammern der
Legemodule 22 verbunden ist, wie noch näher in
Bezug auf 5 beschrieben wird. Die Funktionsweise
des Legewerkzeugs der 4 entspricht dem Legewerkzeug
der 1. Durch den modularen Aufbau des Legewerkzeugs
der 4 kann jedoch die Legefläche 5 geeignet
angepasst werden, indem je nach erwünschter Größe
mehr oder weniger Legemodule 22 auf den Träger 19 aufgesetzt
werden bzw. die Anzahl an verwendenden Trägersegmenten
variiert wird.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht durch eines der Legemodule 22 der 4.
Man erkennt, dass analog zum Legewerkzeug der 1 auf
der Außenseite des Moduls 22 eine Heizschicht 7 und eine
Isolationsschicht 8 vorgesehen sind. Die Heizschicht 7 kann
dabei einen einzelnen durchgehenden Heizdraht umfassen, wobei eine
selektive Ansteuerung von Heizbereichen der Legefläche 5 dadurch
erreicht wird, dass eine Vielzahl von Modulen 22 mit entsprechend
separat ansteuerbaren Heizflächen verwendet wird. An die
Isolationsschicht 8 schließt sich wiederum eine
flexible Schaumstoffschicht 6 mit Saugöffnungen 601 an.
In die Saugöffnungen 601 sind entsprechende Saugrohre 9 eingesetzt,
die an Öffnungen 10a in einer entsprechenden Blende 10 befestigt
sind. Man erkennt in 5 insbesondere, dass in dem
Legemodul 22 eine einzige Saugkammer gebildet ist, die
durch Seitenwände 23, einem Boden 24 sowie
die Blende 10 abgeschlossen ist. Die Saugkammer weist dabei
eine Öffnung 24a auf, welche oberhalb einer Öffnung 19a in
dem zylindrischen Träger 19 liegt, so dass eine
Verbindung hin zu dem Saugraum des Trägers 19 und
von dort zu dem Unterdruckerzeuger geschaffen wird. Das Legemodul umfasst
zum Öffnen bzw. Schließen der Öffnung 24a lediglich
einen einzelnen Aktor 16. Zur Veranschaulichung ist der
Aktor 16 in seinem linken Bereich in einem Zustand wiedergegeben,
in dem die Öffnung 24a durch den Verschlusspfropfen 16a verschlossen ist
und hierdurch alle Saugrohre 9 des Legemoduls 22 deaktiviert
sind. Demgegenüber ist der Aktor 16 im rechten
Bereich im geöffneten Zustand dargestellt, in dem die Öffnung 24a freigegeben
ist und hierdurch alle Saugrohre 9 des Legemoduls 22 aktiviert
werden. In Analogie zu der Heizschicht 7 wird eine selektive
Steuerung des Ansaugens bzw. Loslassens von Textilien dabei dadurch
erreicht, dass eine Vielzahl von Legemodulen 22 vorgesehen
ist, deren Aktoren 16 separat ansteuerbar sind, so dass selektiv
einzelne Legemodule 22 und damit Legeflächen-Bereiche
zur Erzeugung von Saugkräften aktiviert bzw. deaktiviert
werden können.
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6 zeigt
in schematischer Darstellung eine Abwandlung eines erfindungsgemäßen
Legewerkzeugs, welche auch das Legen an innenliegenden Kanten eines
Formwerkzeugs ermöglicht. Es ist dabei aus Übersichtlichkeitsgründen
lediglich die Oberflächenform der Legefläche des
Legewerkzeugs angedeutet, wobei die Legefläche aus zwei
gegenüber liegenden Zylindersegmenten 501 und 501' gebildet
ist. Die Zylindersegmente schneiden sich dabei an zwei spitzen Winkeln,
welche in 6 mit α bezeichnet
sind. In dem Szenario der 6 befindet sich
einer der Winkel α in der innen liegenden Kante der Oberfläche
O eines Formwerkzeugs. Durch die angedeutete Bewegungsrichtung B
wird auch das flächige Anlegen an diese Kante des Formwerkzeugs erreicht.
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Die
im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Legewerkzeugs weisen eine Vielzahl
von Vorteilen auf. Insbesondere kann der heutzutage rein manuell
ablaufende Vorgang des Legens von Textilien in einem Prozess zur
Herstellung von Faserverbundwerkstoffen vollkommen automatisiert
und reproduzierbar ablaufen, was bei manuellen Verfahren nicht der
Fall ist, da diese auf die Erfahrung der den Legeprozess durchführenden
Person beruhen. Darüber hinaus kann das Verfahren für
beliebige Strukturen von Formwerkzeugen eingesetzt wer den, da durch
die Verwendung von flexiblem Schaumstoff 6 eine Anpassung
der Legefläche 5 an das Formwerkzeug erfolgt.
Durch die selektive Aktivierung bzw. Deaktivierung von Saugbereichen
und Heizbereichen auf der Legefläche 5 in Abhängigkeit
von der Abrollbewegung des Legewerkzeugs wird ferner eine effiziente und
zuverlässige Fixierung von Textilien auf dem Formwerkzeug
gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/101803
A1 [0004]
- - WO 2008/053288 A2 [0005]