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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Besäumen eines vorgefertigten dreidimensional geformten Halbzeugs aus einem Fasermaterial.
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Vorgefertigte dreidimensional geformte Halbzeuge aus Fasermaterial sind als Halbzeuge zur Weiterverarbeitung zu faserverstärkten Formteilen mittels Spritzgussverfahren oder Harzinjektions- beziehungsweise -infusionsverfahren (RTM, VARI, VIP), beispielsweise einem Hochdruckverfahren, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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Die
DE 10 2010 043 666 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen dreidimensional vorgeformten Halbzeugs beziehungsweise dreidimensionalen Vorformlings. Die dort beschriebene Vorrichtung, welche auch als Drapiervorrichtung bezeichnet wird, ist dabei in der Lage, eine oder insbesondere mehrere Lagen eines aus Fasern hergestellten Gewirks, Gewebes oder Gestrickes in eine vorgegebene dreidimensionale Form zu bringen, und zwar insbesondere so, dass die Fasern dabei nicht auf Zug belastet werden. Zusammen mit einer kleinen Menge an Bindemittel, typischerweise ca. 5–30 g/m
2 bezogen auf die Fläche der einzelnen Lagen, entsteht so das dreidimensional vorgeformte Halbzeug. Dieses dreidimensional vorgeformte Halbzeug wird dann entlang seiner späteren Außenkanten auf die spätere Form beschnitten und kann beispielsweise in einer Presse mit Hochdruck-Injektionsanlage entsprechend weiter verarbeitet werden.
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Durch die beschriebene geringe Menge an Bindemittel beziehungsweise Bindermaterial wird dabei ein Zusammenhalt der in die dreidimensionale Form beziehungsweise Kontur drapierten Einzellagen des Fasermaterials erzielt. Das Bindematerial ist dabei jedoch nur in den oben beschriebenen vergleichsweise geringen Mengen erwünscht, um die späteren Eigenschaften des fertigen faserverstärkten Bauteils nicht oder nur minimal zu beeinträchtigen. Das dreidimensional vorgeformte Halbzeug ist damit meist nur sehr wenig formstabil und besitzt eine vergleichsweise hohe Flexibilität.
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Die Weiterverarbeitung des dreidimensional vorgefertigten Halbzeugs erfolgt dann so, dass dieses in das Presswerkzeug eingelegt wird. Die Umfangsform des Halbzeugs muss dabei umlaufend sehr präzise mit der Innenkontur des Formwerkzeugs abschließen, um einerseits eine vollständige Ummantelung der Fasern zu erzielen und andererseits ein komplettes Schließen der Formwerkzeuge zu gewährleisten. Wäre im Randbereich das Fasermaterial zu groß, würde es zwischen die Dichtelemente der Form ragen. Diese ließe sich nicht mehr vollständig dicht verschließen, was insbesondere bei Hochdruck-RTM-Verfahren von entscheidendem Nachteil wäre. Ist die Außenkontur des vorgeformten dreidimensionalen Halbzeugs zu klein, ergibt sich im Randbereich eine verstärkte Ansammlung des eingespritzten Trägerharzes, was ebenfalls unerwünscht ist, da hierdurch im Randbereich verschlechterte und/oder unerwartete Materialeigenschaften resultieren. Die Außenkontur des dreidimensional vorgefertigten Halbzeugs muss daher eine für derartige Verhältnisse vergleichsweise hohe Maßhaltigkeit in der Größenordnung von ±1 mm erzielen. Aufgrund der hohen Flexibilität beziehungsweise der fehlenden Stabilität des dreidimensional vorgeformten Halbzeugs stellt dies eine erhebliche Herausforderung beim sogenannten Besäumen, also dem Zuschneiden des dreidimensional vorgefertigten Halbzeuges auf seine endgültige Umfangsform dar. Aufgrund der angesprochenen hohen Flexibilität des Halbzeugs kommt es bereits bei sehr geringen Schnittkräften zu einer nicht zu vernachlässigenden Deformation des Halbzeugs, was sich somit auf die Schneidtoleranz außerordentlich negativ auswirkt. Eine mögliche Lösung, welche so im allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, wäre das Besäumen der Umfangsform mittels einer Laserschneidanlage. Diese Lösung ist jedoch außerordentlich teuer und damit nicht oder nur in Grenzfällen wirtschaftlich.
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Eine weitere Lösung wird durch die
WO 91/17035 A1 beschrieben. Diese Schrift nutzt ein dreidimensional vorgeformtes Halbzeug, welches ohne vorheriges Besäumen in das Presswerkzeug mit Spritzgussform eingelegt wird. Anschließend fährt in dem Presswerkzeug ein Messer, welches die gesamte Umfangsform des späteren Werkstücks abbildet, von oben nach unten auf eine Schneidgegenlage und schneidet dabei das Fasermaterial ab. Anschließend wird eine Dichtung auf der Innenseite des Schneidmessers nach unten gedrückt, um den Bereich, in welchen das Harz injiziert wird, entsprechend abzudichten. Dieser Aufbau ist dabei vergleichsweise unflexibel und weist einige Nachteile auf. Insbesondere muss ein Schneidmesser existieren, welches die Außenkontur beziehungsweise Umfangsform des späteren Werkstücks jeweils komplett abbildet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beim umlaufenden Abschneiden über ein Schneidmesser, welches von oben nach unten auf eine Schneidgegenlage presst, die Fasern des Fasermaterials teilweise und insbesondere ungleichmäßig gespannt und gequetscht werden, was zu unerwünschten Materialeigenschaften in dem fertigen Bauteil führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abdichtung entlang des Messers erfolgen muss, und, insbesondere für Hochdruckanwendungen, daher nicht geeignet ist, da je nach Reibung zwischen der Dichtung und dem Messer gegebenenfalls Undichtheiten auftreten können. Außerdem muss durch die spitz zulaufend ausgeführte Dichtung das Fasermaterial zurückgeschoben werden, was zwar einerseits eventuell eingetragene Spannungen lösen kann, was jedoch andererseits auch zu Stauchungen des Fasermaterials führen kann, welche noch weitaus unerwünschter als eingetragene Spannungen sind, da sie eine Welligkeit in dem Fasermaterial erzeugen können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch den Aufbau im Randbereich das Fasermaterial, insbesondere an den Stirnseiten der Schnittkanten, nicht oder nur ungenügend mit dem injizierten Harz benetzt wird, sodass offene Ränder des Fasermaterials entstehen können. Diese stellen beispielsweise hinsichtlich dem Eindringen von Feuchtigkeit in die Fasern einen erheblichen Nachteil hinsichtlich der Lebensdauer des faserverstärkten Bauteils dar.
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Ferner ist aus der
EP 2 524 796 A1 ein ähnlicher Aufbau bekannt, bei dem auch im Presswerkzeug einer Spritzgussform durch ein die Umfangsform des späteren Halbzeugs in seiner Gesamtheit wiedergebenden Schneidrahmen ein Beschnitt des Halbzeugs im Sinne eines Abstands beziehungsweise Abschneidens des überstehenden Materials erfolgt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und einen flexiblen, einfachen und sicheren Aufbau zum Besäumen des dreidimensional vorgefertigten Halbzeugs angibt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich jeweils aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Aufnahmeeinrichtung vorgesehen, welche der Kontur des Halbzeugs folgend ausgebildet ist. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei insbesondere vorgesehen sein, dass die Aufnahmeeinrichtung durch die Drapierschale einer Drapiervorrichtung analog zum eingangs genannten Stand der Technik ausgebildet ist, welche zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung um 180° geschwenkt wird. Ferner ist ein Beschnittrahmen Teil der Vorrichtung, welcher der späteren Umfangsform des Halbzeugs folgend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtung im bestimmungsgemäßen Gebrauch in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Halbzeugs angeordnet ist und dieses entsprechend unterstützt. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Schneideinrichtung, welche entlang der Umgangsform des Halbzeugs umlaufend bewegbar zum Beschnitt des überstehenden Materials des Halbzeugs ausgebildet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird das vergleichsweise flexible Halbzeug also durch eine der Kontur des Halbzeugs folgende Aufnahmeeinrichtung gestützt, beispielsweise eine Drapierschale. Zumindest unterhalb der Umfangsform des Halbzeugs befindet sich dann ein Beschnittrahmen. Entlang dieses Beschnittrahmens wird die Umfangsform des Halbzeugs durch eine um die Umfangsform geführte Schneideinrichtung besäumt. Im Gegensatz zu einem gleichzeitigen Besäumen aller Stellen der gesamten Umfangsform werden so unerwünschte Spannungen in dem Fasermaterial vermieden, und es wird eine hohe Flexibilität erreicht, insbesondere wenn die Schneideinrichtung beispielsweise mittels eines Roboterarms und einer entsprechenden Programmierung entlang der gewünschten Umfangsform des Halbzeugs geführt wird. Durch die Aufnahme des Halbzeugs in der Aufnahmeeinrichtung kann außerdem eine sehr gute Unterstützung des flexiblen Materials des Halbzeugs erzielt werden, sodass, ohne dass unerwünschte Kräfte eingebracht werden, ein sehr exaktes Besäumen erfolgen kann. Dies gilt insbesondere, wenn gemäß der beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung die Aufnahmeeinrichtung gleichzeitig die Drapierschale ist, da dann kein Umsetzen des Halbzeugs aus der Drapierschale in die Aufnahmeeinrichtung erforderlich ist und hierdurch eine noch höhere Präzision beim Besäumen der äußeren Umfangsform erzielt werden kann.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass der Beschnittrahmen an seiner Außenkontur der Umfangsform des fertigen Halbzeugs entsprechend ausgebildet ist. Dies bedeutet also, dass die Außenkontur des Beschnittrahmens der Umfangsform des fertigen Halbzeugs unmittelbar folgt beziehungsweise diese abbildet. Der Beschnittrahmen steht also nicht über die spätere Form des Halbzeugs über, sodass sämtliche Überschnitte einfach entlang des Beschnittrahmens abgeschnitten werden können, um so die gewünschte spätere Umfangsform des fertigen Halbzeugs zu erreichen. Der Beschnittrahmen kann dabei insbesondere eine Schneidkante aufweisen. Eine solche Ausbildung, bei welcher der Beschnittrahmen der Umfangsform exakt folgt und insbesondere eine Schneidkante aufweist, ermöglicht die Verwendung des Beschnittrahmens als eine Art Schablone. Es kann dann sehr exakt entlang der Schneidkante beziehungsweise entlang der Außenkontur des Beschnittrahmens das Besäumen des Halbzeugs erfolgen, wodurch eine hohe Präzision erzielt wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es auch vorgesehen sein, dass der Beschnittrahmen unterhalb der Umfangsform des Halbzeugs einen Schneidspalt oder eine Schneidnut aufweist. Ein solcher Schneidspalt beziehungsweise eine Schneidnut kann Bestandteil des die spätere Umfangsform des Halbzeugs überragenden Beschnittrahmens sein, wobei durch den Schneidspalt beziehungsweise die Schneidnut, welche wiederum exakt der späteren Umfangsform des Halbzeugs folgt, ein Beschnitt desselben sehr exakt möglich wird.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass der Beschnittrahmen unterhalb der Umfangsform des Halbzeugs verläuft und ein Schneidgegenelement für eine Schneideinrichtung aufweist. Diese Ausführung umfasst ein typischerweise flexibles Gegenelement für die Schneideinrichtung. Diese könnte dann beispielsweise in Form eines Schneidrads, oder insbesondere in Form eines oszillierenden Messers, entlang der späteren Umfangsform des Halbzeugs geführt werden, wobei durch das flexible Gegenelement im Bereich des Beschnittrahmens ein unnötiger vorzeitiger Verschleiß der Schneideinrichtung verhindert wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es ferner vorgesehen, dass der Schneidspalt, die Schneidnut oder das Schneidgegenelement quer zur Umfangsform des fertigen Halbzeugs verlaufende Abschnitte aufweist. Solche quer zur späteren Umfangsform des fertigen Halbzeugs verlaufende Abschnitte des Schneidgegenelements der Schneidnut oder der Schneidspalts können dazu genutzt werden, das überstehende Material, welches abgeschnitten wird, quer, beispielsweise senkrecht zur Richtung der späteren Umfangsform des Halbzeugs, einzuschneiden. Durch ein solches Einschneiden lässt sich das abgeschnittene Material in mehrere einzelne Teilabschnitte unterteilen und kann so sehr viel leichter aus der Vorrichtung entfernt werden, als wenn dieses als durchgehendes typischerweise in sich ringförmig geschlossenes Material vorliegt.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass ein Niederhalterahmen oberhalb des Halbzeugs angeordnet und an seiner Außenkontur der Umfangsform des Halbzeugs folgend ausgebildet ist. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass der Niederhalterahmen unter Vorspannung gegen den Beschnittrahmen pressbar ausgebildet ist. Bei diesem besonders günstigen Aufbau kann mit leichtem Druck der Niederhalterahmen von oben auf den im bestimmungsgemäßen Einsatz unterhalb der Außenkontur des Halbzeugs liegenden Beschnittrahmen gepresst werden. Das Material des Halbzeugs wird also zwischen dem Niederhalterahmen und dem Beschnittrahmen eingeklemmt. Der Druck, mit welchem der obere Niederhalterahmen auf den unteren Beschnittrahmen gepresst wird, kann dabei insbesondere so gewählt werden, dass das Material des Halbzeugs zwar ausreichend fixiert ist, um präzise abgeschnitten zu werden, andererseits aber nicht hinsichtlich seiner Fasern gespannt oder gequetscht wird. Dann kann ein Abschneiden des überstehenden Fasermaterials entlang der durch den Niederhalterahmen und durch den Beschnittrahmen Außenkontur der Vorrichtung erfolgen. Bei dieser vorteilhaften Ausführung wird ein Verzug des Halbzeugs wirkungsvoll vermieden.
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Entsprechend einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ergänzend oder alternativ zu dem Niederhalterahmen vorgesehen sein, dass der Beschnittrahmen in seiner mit dem Halbzeug in Kontakt stehenden Oberfläche Öffnungen aufweist, welche mit einer Unterdruckquelle verbindbar sind. Ein solcher Aufbau ermöglicht das Ansaugen des Halbzeugs über Unterdruck beziehungsweise ein Vakuum. Das Halbzeug ist dann sicher und zuverlässig an dem Beschnittrahmen fixiert und kann sehr leicht mit oder insbesondere auch ohne den Niederhalterahmen sauber und zuverlässig auf die spätere Umfangsform des fertigen Halbzeugs beschnitten werden.
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Das Beschneiden selbst kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung so erfolgen, dass die Schneideinrichtung als Scherenschnittsystem ausgebildet ist. Ein solches Scherenschnittsystem mit relativ gegeneinander beweglichen Schneiden ist besonders effizient und schonend beim Besäumen des Fasermaterials, da ein sauberer Schnitt ohne Quetschungen oder Verformungen und insbesondere ohne den Eintrag von Spannungen oder Stauchungen in die Fasern erfolgt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es vorgesehen sein, dass bei entsprechender Ausgestaltung des Beschnittrahmens als eine der zwei relativ zueinander beweglichen Schneiden die Schneidkante des Beschnittrahmens genutzt wird. Der Aufbau ist sehr einfach und effizient. Der Beschnittrahmen kann insbesondere so ausgebildet sein, dass an seiner Außenkontur auswechselbare Schneiden montiert werden, sodass diese bei Verschleiß leicht ausgetauscht werden können.
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Eine alternative Ausgestaltung der Schneideinrichtung sieht es vor, dass diese eine oszillierende Klinge, insbesondere ein Ultraschallmesser, aufweist. Bei dem an sich bekannten Verfahren des technischen Ultraschallschneidens erfolgt ein druckfreies Schneiden des Fasermaterials durch eine, insbesondere ultraschallerregte, oszillierende Klinge. Dies ist besonders schonend und kann ebenfalls ohne den Eintrag von unerwünschten Spannungen in das Fasermaterial einfach und effizient realisiert werden.
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Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun außerdem vorgesehen, dass eine Absaugeinrichtung zum Absaugen des abgeschnittenen überstehenden Materials vorgesehen ist. Das abgeschnittene überstehende Material kann in dieser besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über die Absaugeinrichtung abgesaugt und so sehr leicht, zuverlässig und sauber aus der Vorrichtung entfernt werden. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass je nach Fasertyp ein eventuell von den Fasern, insbesondere wenn diese in sehr kleine Längen abgeschnitten werden, einhergehende Beeinträchtigungen der Umgebung verhindert werden, da durch die Absaugeinrichtung auch diese sehr kurzen Faserschnipsel mit abgesaugt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann die Absaugeinrichtung dabei von einem Roboterarm, beispielsweise parallel oder zeitlich nach der Schneideinrichtung, entlang der Umfangsform des Halbzeugs geführt werden. Das in zeitlicher Abfolge nach der Schneideinrichtung vorgesehene Führen der Absaugeinrichtung über den Roboter erlaubt insbesondere den Einsatz eines einzigen Roboters, während ansonsten zwei Roboterarme oder eine entsprechende Vorrichtung zum beabstandeten Führen der Schneideinrichtung einerseits und der Absaugeinrichtung andererseits an einem gemeinsamen Roboterarm notwendig wären.
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Prinzipiell können Besäumschnitte nach der vorliegenden Erfindung nicht nur vertikal, und damit parallel zur Schwerkraft erfolgen, sondern auch in einem beliebigen Winkel dazu durchgeführt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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4 mehrere Darstellungen einer möglichen Vorrichtung zum Besäumen eines vorgefertigten dreidimensional geformten Halbzeugs und des Verfahrensablaufs;
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5 eine erste mögliche Ausführungsform eines Details der Vorrichtung zum Besäumen im Querschnitt;
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6 eine Darstellung analog zu 5 in einer Seitenansicht;
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7 eine zweite mögliche Ausführungsform eines Details der Vorrichtung zum Besäumen im Querschnitt;
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8 eine Darstellung analog zu 7 in einer Seitenansicht,
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9 eine dritte mögliche Ausführungsform eines Details der Vorrichtung zum Besäumen im Querschnitt;
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10 ein vergrößertes Detail X aus 9;
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11 eine Darstellung analog zu 9 in einer Seitenansicht;
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12 eine alternative Ausführungsform des vergrößerten Details analog zur 10;
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13 eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zum Besäumen im Querschnitt während eines weiteren Schritts des Verfahrensablaufs; und
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14 eine Draufsicht auf den Beschnittrahmen analog zur Darstellung in 13.
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In den
1,
2 und
3 ist jeweils eine Drapiervorrichtung
1 analog zu den Darstellungen in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 043 666 A1 zu erkennen. Hinsichtlich ihrer exakten Funktionalität wird auf die dortige Schrift verwiesen. Diese Funktionalität spielt für die hier vorliegende Erfindung eine untergeordnete Rolle und dient lediglich zur Erläuterung der besten Ausführungsform. Teil der Drapiervorrichtung
1 ist eine Drapierschale, welche als Aufnahmeeinrichtung
2 für ein dreidimensional vorgefertigtes Halbzeug, welches in der Drapiervorrichtung
1 erzeugt beziehungsweise vorgefertigt wird, dient. Das spätere Halbzeug
3 ist in den Darstellungen der
1 bis
3 in Form von mehreren drapierten Faserlagen
4 dargestellt. Diese Faserlagen
4 werden, wie es in der genannten deutschen Offenlegungsschrift beschrieben ist, spannungsfrei in die Form der Drapierschale eingelegt und durch Stempelelemente
5 entsprechend vorgeformt. Nachdem dies erfolgt ist, was in der Darstellung der
1 angedeutet ist, wird die Drapiervorrichtung
1 mit der Drapierschale um einen Winkel von 180° verschwenkt, sodass die Drapierschale in Richtung der Schwerkraft g unterhalb des Halbzeugs
3 aus den einzelnen Faserlagen
4 des Fasermaterials zu liegen kommt. Zu diesem Zeitpunkt sind die einzelnen Faserlagen
4 des Fasermaterials bereits mit einer sehr geringen Menge an Bindemittel von typischerweise 5–30 g/m
2 der einzelnen Faserlagen
4 versehen. Sie haften dadurch aneinander und bilden das dreidimensional vorgeformte Halbzeug
3 aus, das jedoch aufgrund der sehr geringen Menge an Bindemittel noch eine vergleichsweise hohe Flexibilität aufweist. Nach dem Verschwenken der Drapiervorrichtung
1 in die in
2 dargestellte Position wird die mit den Stempeln
5 versehene Einheit analog zur Darstellung in
3 wieder zurückgeschwenkt. In der Drapierschale liegt nun das Halbzeug
3 und wird durch die Drapierschale, welche der Kontur des Halbzeugs
3 folgt, entsprechend unterstützt beziehungsweise von der Schwerkraft g gegen die Drapierschale gedrückt. Es liegt damit vergleichsweise sicher und ohne dass, trotz seiner vergleichsweise hohen Flexibilität, die Gefahr einer Verformung besteht, in der Drapierschale.
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Diese Drapierschale dient nun gleichzeitig als Aufnahmeeinrichtung 2 für eine in mehreren Ablaufschritten in 4 dargestellte Vorrichtung 6 zum Besäumen des Halbzeugs 3. In der Teildarstellung in 4a) ist nochmals die Position der Drapierschale beziehungsweise Aufnahmeeinrichtung 2 analog zur Darstellung in 1 zu erkennen. Über einen Pfeil ist das Verschwenken angedeutet. In der 4b) ist nun die Vorrichtung 6 zum Besäumen dargestellt. Die Aufnahmeeinrichtung 2 ist bereits in die analog zur Darstellung in den 2 und 3 gezeigte Position verschwenkt. Das Halbzeug 3 befindet sich dabei oberhalb der Drapierschale und wird von dieser gestützt. Die Besonderheit gegenüber dem Stand der Technik besteht nun darin, dass die Drapierschale beziehungsweise Aufnahmeeinrichtung 2 in der Vorrichtung 6 gemäß 4 einen Beschnittrahmen 7 aufweist. Analog zur direkten Integration des Beschnittrahmens 7 könnte dieser auch beim Einlegen der Aufnahmeeinrichtung 2 in die Vorrichtung 6 von unten herangeführt werden. Ebenso wäre es denkbar, die Aufnahmeeinrichtung 2 als eigenständige Aufnahmeeinrichtung auszubilden und das Halbzeug entsprechend über einen Handhabungsroboter oder dergleichen von der Drapierschale in die dann eigenständig ausgebildete Aufnahmeeinrichtung 2 zu befördern. Es ist jedoch von Vorteil, wenn Aufnahmeeinrichtung 2 und Drapierschale dasselbe Bauteil sind, da dann kein Verlagern des noch flexiblen Halbzeugs 3 vor dem Besäumen notwendig ist, was letztlich die beim Besäumen erzielbare Genauigkeit erhöht.
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In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem ein Niederhalterahmen 8 Teil der Vorrichtung 6. Dieser wird, wie es in den Teildarstellungen b) und c) der 4 zu erkennen ist, in Richtung der Schwerkraft von oben über das Halbzeug 3 und die jetzt unterhalb des Halbzeugs 3 liegende Aufnahmeeinrichtung 2 verschwenkt. In der Teildarstellung der 4c) ist über zwei mit F bezeichnete Pfeile angedeutet, dass der Niederhalterahmen 8 mit einer leichten Anpresskraft gegen den Beschnittrahmen 7 gepresst wird. Hierdurch wird das Material des Halbzeugs 3 sicher zwischen dem Niederhalterahmen 8 und dem Beschnittrahmen 7 festgehalten. Die Kraft F kann dabei so gewählt werden, dass kein Quetschen des Fasermaterials auftritt, und dass das Fasermaterial nicht gespannt wird. Dennoch wird der Rand des Halbzeugs 3 entsprechend geklemmt und sicher in Position gehalten. Anschließend wird, wie es in der Darstellung der 4d) zu erkennen ist, über einen Roboterarm 9 und eine an dem Roboterarm 9 befestigte Schneideinrichtung 10 das über den Beschnittrahmen 7 und den Niederhalterahmen 8 überstehende Material x abgeschnitten. Man spricht hierbei auch von einem Besäumen des Halbzeugs 3. Der Vorgang mit dem umlaufenden Abschneiden des überstehenden Materials x ist dabei sehr materialschonend und quetscht und spannt die Fasern des Halbzeugs 3 nicht oder nur minimal. Gleichzeitig lässt sich durch den Einsatz des Beschnittrahmens 7 und vorteilhafterweise zusätzlich des Niederhalterahmen 8 eine vergleichsweise hohe Präzision beim Besäumen des Halbzeugs 3 erzielen. Das so besäumte Halbzeug kann dann, wie es in der Darstellung der 4e) zu erkennen ist, beispielsweise über einen angedeuteten Handhabungsroboter 11 bei hochgeklapptem Niederhalterahmen 8 von der Aufnahmeeinrichtung 2 abgehoben und beispielsweise einer Zwischenlagerung und/oder der direkten Weiterverarbeitung in einem Press- und Injektionsprozess, zum Beispiel RTM-Verfahren, in einer entsprechenden Presse respektive Presswerkzeug, zugeführt werden.
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In der Darstellung der 5 ist eine mögliche Ausführungsform der Schneideinrichtung 10 in einer Schnittdarstellung durch das Halbzeug 3 und den Beschnittrahmen 7 sowie den Niederhalterahmen 8 zu erkennen. Die Schneideinrichtung 10 ist in diesem Fall als Scherenschnittsystem 12 ausgebildet. Das Scherenschnittsystem 12 umfasst zwei relativ gegeneinander bewegliche Schneiden 13, 14, von denen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Schneide 14 als stillstehende Schneide und die Schneide 13 als bewegliche Schneide ausgebildet ist. In der Seitenansicht der 6 ist zu erkennen, dass die Schneideinrichtung 10 entsprechend dem mit V gekennzeichneten Vorschub um die Umfangsform des Halbzeugs 3 herumgeführt wird. Dabei werden die überstehenden Teile des Materials x des Halbzeugs 3 abgeschnitten. Somit ist das Halbzeug 3 links der Schneideinrichtung 10 bereits besäumt, während in Vorschubrichtung vor der Schneideinrichtung 10 noch die Überstände des Materials x zu erkennen sind. Die Schneiden 13, 14 oder zumindest eine der Schneiden, insbesondere die bewegliche Schneide 13, ist dabei schräg zur hauptsächlichen Lage der Kante des Halbzeugs 3 ausgebildet. Neben einer Schräge wäre auch eine gerundete Kontur denkbar. Hierdurch wird erreicht, dass im Wesentlichen immer nur in einen sehr kleinen Bereich der Kante des Halbzeugs 3 der Schnitt erfolgt, wodurch der Eintrag von Kräften in die Fasern des Halbzeugs 3 minimiert wird.
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Eine alternative Darstellung der Schneideinrichtung 10 ist in der Darstellung der 7 zu erkennen. Die Schneideinrichtung 10 umfasst wieder eine bewegliche Schneide, welche hier jedoch als Ultraschallmesser 15 ausgebildet ist. Dieses Ultraschallmesser 15 nutzt eine durch Ultraschall erzeugte oszillierende Bewegung seiner Schneide und kann so sehr präzise und ohne eine Druckbeeinflussung auf das Halbzeug 3 das überstehende Material x des Halbzeugs 3 abschneiden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Beschnittrahmen 7 eine weitere Schneidkante 16 in Form einer über die angedeuteten Bohrungen für Schrauben auswechselbaren Schneidkante 16 angeordnet. Diese lässt sich bei Bedarf austauschen und ermöglicht den Einsatz der Schneideinrichtung 10 ohne eigene zweite Schneide, da diese in den Beschnittrahmen 7 integriert ist. Dies wäre im Prinzip auch bei der Ausbildung der Schneideinrichtung 10 als Scherenschnittsystem 12 denkbar. Zusammen mit der Anregung der beweglichen Schneide durch Ultraschall entsteht jedoch die Möglichkeit, das überstehende Material x des Halbzeugs 3 praktisch ohne Druckbeeinflussung und ohne den Eintrag von Spannungen oder dergleichen in das Halbzeug 3 abzuschneiden. Demnach kann auf den in 7 nur noch gestrichelt dargestellten Niederhalterahmen 8 bei diesem Aufbau auch gänzlich verzichtet werden.
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In der Seitenansicht der 8 ist dabei mittels der durchgezogenen mit V bezeichneten Linie der Vorschub der als Ultraschallmesser 15 ausgebildeten Schneide nochmals gezeigt. Der Vorschub erfolgt dabei so, dass die Schneide, welche wiederum schräg ausgebildet ist, jedoch im Prinzip auch gerundet ausgebildet sein könnte, in der Darstellung der 8 zuerst nach unten durch das überstehende Material x hindurchgeführt wird, bevor sie wieder nach oben und in Umfangsrichtung des Halbzeugs 3 versetzt verfahren wird. Dann erfolgt die Bewegung wieder nach unten, wieder nach oben und so fort. Hierdurch wird ein sehr präzises Schneiden mittels der Schneideinrichtung 10 erreicht.
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In der Darstellung der 9 ist eine weitere mögliche Ausführungsform zu erkennen. Die Schneideinrichtung 10 ist hierbei wiederum als Messer ausgebildet, beispielsweise in Form des in der Darstellung der 11 erkennbaren Schneidrads 17. Die Aufnahmeeinrichtung 2 mit integriertem Beschnittrahmen 7 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unterhalb umlaufend um die Umfangsform des Halbzeugs 3 ein Schneidgegenelement 18 für die Schneideinrichtung 10 beziehungsweise das Schneidrad 17 auf. Außerdem wird das Halbzeug 3 über den Niederhalterahmen 8 gegen die Aufnahmeeinrichtung 2 beziehungsweise den hierin integrierten Beschnittrahmen 7 gehalten. Die Schneideinrichtung 10 ist in der Darstellung der 9 in einer ersten oberen Position und schwarz dargestellt in einer zweiten im Eingriff befindlichen Position zu erkennen. Diese im Eingriff befindliche Position lässt sich aus der vergrößerten Darstellung der 10 nochmals im Detail erkennen. Das Schneidrad 17 durchdringt dabei das Material des Halbzeugs 3 und schneidet das überstehende Material x entsprechend ab. Die Schneide des Schneidrads 17 taucht dabei geringfügig in das Schneidgegenelement 18 ein, um so einen sicheren und zuverlässigen Schnitt zu gewährleisten. Das Schneidgegenelement 18 ist dabei flexibel ausgebildet, um die Schneide des Schneidrades 17 zu schonen. Der ganze Aufbau ist in der Darstellung der 11 nochmals in einer Seitenansicht mit teilweise ausgeschnittenem Beschnittrahmen 7 dargestellt. Neben dem hier dargestellten Schneidrad 17 kann zusammenwirkend mit dem Schneidgegenelement 18 insbesondere ein bewegliches Messer eingesetzt werden, welches oszillierend angeregt wird, insbesondere durch Ultraschall. Die Ausführungsvariante mit dem Schneidgegenelement 18 ist also insbesondere in Kombination mit dem oben bereits angesprochenen Ultraschallmesser 15 besonders zuverlässig und effizient.
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Analog zur Darstellung in 10 ist in der Darstellung der 12 eine alternative Ausführungsform gezeigt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in den 9, 10 und 11 bereits beschriebenen Aufbau. An die Stelle des Schneidgegenelements 18 tritt hier jedoch eine Schneidnut beziehungsweise ein Schneidspalt 19, welcher so ausgebildet ist, dass beispielsweise das Schneidrad 17 oder ein Ultraschallmesser 15 beim Beschneiden der Umfangsform des Halbzeugs 3 in den Schneidespalt 19 so weit eintauchen kann, dass auch hier keine Beschädigung der Schneide auftritt. Im Gegensatz zu einem Schneidgegenelement 18 ist der Aufbau weniger anfällig gegen Verschleiß.
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Das abgeschnittene Material x muss nun aus der Vorrichtung 6 zuverlässig entfernt werden. Hierfür kann insbesondere eine in 13 dargestellte Absaugeinrichtung 20 eingesetzt werden. Diese kann beispielsweise über den Roboterarm 9 zeitlich nach der Schneideinrichtung 10 um den Umfang des Halbzeugs 3 geführt werden, um das abgeschnittene Material x abzusaugen. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es auch denkbar, entweder über einen zweiten Roboter oder eine entsprechende Einrichtung, welche die Absaugeinrichtung 20 und die Schneideinrichtung 10 beabstandet voneinander an dem einen Roboter hält, diese gleichzeitig aber idealerweise örtlich versetzt zueinander um den Umfang des Halbzeugs 3 zu führen.
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Der Beschnittrahmen 7, wie er in der Darstellung der 13 zu erkennen ist, weist wiederum den Niederhalterahmen 8 sowie das Schneidgegenelement 18 auf. Außerdem sind mit 21 bezeichnete Abschnitte zu erkennen, welche aus demselben Material wie des Schneidgegenelement 18 ausgebildet sind. Der Aufbau und die Funktion dieser Abschnitte 21 erschließt sich aus der Darstellung in 14 im Detail. Die Abschnitte 21 verlaufen quer zu dem eigentlichen Schneidgegenelement 18, beispielsweise senkrecht zur Umfangsform des fertigen Halbzeugs 3. Sie dienen dazu, vor dem Beschneiden der späteren Umfangsform des Halbzeugs 3 das überstehende Material x entsprechend einzuschneiden, um einzelne Teilabschnitte des abgeschnittenen Materials x und kein ringförmig geschlossenes Material zu erhalten, welches so nicht oder nur sehr viel schlechter abgesaugt werden könnte, als die einzelnen Abschnitte.
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Verfahrenstechnisch wird dabei typischerweise die Schneideinrichtung 10 zuerst entlang der Abschnitte 21 geführt, um das überstehende Material entsprechend einzuschneiden, bevor dieses entlang des Schneidgegenelements 18 abgeschnitten wird. Ein vergleichbarer Aufbau ist selbstverständlich nicht nur mit dem Schneidgegenelement 18, sondern analog hierzu auch mit einer Schneidnut beziehungsweise einem Schneidspalt 19 denkbar.
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In der Darstellung der 14 ist außerdem zu erkennen, dass innerhalb der Fläche, in welcher das in 14 nicht dargestellte Halbzeug 3 auf dem Beschnittrahmen 7 aufliegt, einzelne Öffnungen 22 angeordnet sind. Diese Öffnungen 22, von welchen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, sind mit einer Unterdruckquelle verbunden, um so über Unterdruck beziehungsweise Vakuum das Halbzeug 3 während des Beschneidens an dem Beschnittrahmen 7 festzuhalten. Bei diesem Aufbau kann, anders als es in der Darstellung der 13 dargestellt ist, dann auch auf den Niederhalterahmen 8 verzichtet werden. Die Verwendung der Öffnungen 22 und das Ansaugen mit Unterdruck kann auch mit den anderen Ausführungsvarianten kombiniert werden kann und ist nicht auf das Schneidgegenelement 18 und die Abschnitte 21 beziehungsweise die Schneidnut beziehungsweise den Schneidspalt 19 eingeschränkt.
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Grundsätzlich wird erfindungsgemäß erwartet, dass das Halbzeug 3 durch die Schwerkraft g in der Aufnahmeeinrichtung 2 gehalten wird. Dennoch ist davon nicht ausgeschlossen, dass manche Besäumschnitte im Wesentlichen nicht vertikal (parallel zur Schwerkraft g), sondern auch winkelig hierzu ausgeführt werden können und dass die Vorrichtung auch hierzu im Wesentlichen geeignet wäre.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drapiervorrichtung
- 2
- Aufnahmeeinrichtung
- 3
- Halbzeug
- 4
- Faserlage
- 5
- Stempel
- 6
- Vorrichtung
- 7
- Beschnittrahmen
- 8
- Niederhalterahmen
- 9
- Roboterarm
- 10
- Schneideinrichtung
- 11
- Handhabungsroboter
- 12
- Scherenschnittsystem
- 13
- Schneide
- 14
- Schneide
- 15
- Ultraschallmesser
- 16
- Schneidkante
- 17
- Schneidrad
- 18
- Schneidgegenelement
- 19
- Schneidspalt
- 20
- Absaugeinrichtung
- 21
- Abschnitte
- 22
- Öffnungen
- V
- Vorschub
- x
- Material
- F
- Kraft
- g
- Schwerkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010043666 A1 [0003, 0025, 0026, 0027, 0039]
- WO 91/17035 A1 [0006]
- EP 2524796 A1 [0007]
