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Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Legen von Fasern auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft ebenso eine Faserlegevorrichtung mit diesbezüglichem Faserlegekopf.
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Faserverbundwerkstoffe stellen als Konstruktionswerkstoff eine hervorragende Möglichkeit dar, eine Gewichtsreduzierung bei verschiedenen Bauteilen zu erzielen. Die daraus resultierenden Vorteile, wie beispielsweise der über die gesamte Lebensdauer von Transportmitteln gesenkte Treibstoffverbrauch und der reduzierte Verschleiß, führen zu einer zunehmenden Verwendung dieser Werkstoffe auch in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen. Im Vergleich zu isotropen Werkstoffen kann jedoch nur ein hohes Leichtbaupotenzial erreicht werden, wenn die Bauteile mit einer Fertigungsmethode produziert werden, die sowohl den Eigenschaften des Faserwerkstoffes als auch denen des formgebenden Harzes gerecht wird. Zur Fertigung von hoch belastbaren Primärstrukturen ist die Anpassung der Faserausrichtung entsprechend der Spannungszustände zwingend erforderlich. Aufgrund dieser Bedingung bedarf es angepasster Fertigungsstrategien hinsichtlich des Automatisierungsprozesses.
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Die aktuelle Fertigung von Großbauteilen in der Fiber Placement bzw. der Tapelaying Technologie umfasst die Ablage eines Faserkunststoffverbundes auf einem Formwerkzeug. Das abzulegende Fasermaterial ist hierbei entweder als Tows (zumeist ¼“ oder ½“ Breite) oder Tapes (zumindest 150mm oder 300mm) auf einer Spule aufgewickelt und wird anschließend in mehreren Bahnen nebeneinander auf dem Formwerkzeug abgelegt. Dies ergibt in der gesamten Fläche eine Laminatschicht (Ply).
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Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Faserverbundbauteilen, beispielsweise CFK-Bauteilen, stoßen aktuelle Fertigungsanlagen an ihre Kapazitätsgrenzen. Eine Steigerung der Produktionsrate muss mit neuen Anlagentypen erreicht werden, mit denen eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit erzielbar ist. Ein Anstieg in der Fertigungsgeschwindigkeit führt jedoch zu hohen Beschleunigungen sowohl bei Anfahr- als auch bei Abbremsvorgängen, wodurch höhere Inertialmomente und schließlich Vibrationen auftreten, die die Ablegequalität negativ beeinflussen können.
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Aus der
DE 10 2010 015 027 B1 ist beispielsweise eine Faserlegevorrichtung bekannt, bei der die Fasern mit Hilfe von an Robotern angeordneten Faserlegeköpfen auf dem Werkzeug abgelegt werden. Die Roboter sind dabei auf einem um das Werkzeug herumlaufendenden Schienensystem geführt, so dass jede beliebige Position auf dem Werkzeug durch die Roboter erreicht werden kann.
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Des Weiteren sind aus der Praxis sogenannte Portalanlagen bekannt, bei denen der Ablegekopf über ein meist horizontal angeordnetes Formwerkzeug verfahrbar ist, um so die Fasern auf dem Formwerkzeug abzulegen.
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Die aktuellen Anlagetypen sind dabei geprägt durch den traditionellen Schwermaschinenbau. Durch die Masse der Anlage und einer entsprechend limitierten Fertigungsgeschwindigkeit stoßen die Anlagen an ihre Kapazitätsgrenzen. Durch den Einsatz von Industrierobotern kann zwar die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden, jedoch sind diese aufgrund ihrer seriellen Struktur anfälliger für auftretende Schwingungen im Prozess.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf anzugeben, der geeignet ist, bei einer Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit eine gleichbleibende oder verbesserte Qualität des Ablegeprozesses zu gewährleisten und insbesondere Ungenauigkeiten im Ablegeprozess zu verringern. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf anzugeben, mit dem qualitative Prozessparameter des Ablegeprozesses verbessert werden können.
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Die Aufgabe wird mit dem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1 sowie der Faserlegevorrichtung gemäß Anspruch 17 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach wird ein Faserlegekopf zum Legen von Fasern auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, der einen Strukturrahmen aufweist, der aus einer Mehrzahl von Rahmenelementen gebildet oder hergestellt ist. Die Rahmenelemente, die lösbar oder fest miteinander verbunden sein können, bilden somit das dreidimensionale Grundgerüst des Strukturrahmens, an dem schließlich die Anpressrolle des Faserlegekopfes mittelbar oder unmittelbar angeordnet ist. Die Anpressrolle ist dabei zum Legen der dem Faserlegekopf bereitgestellten Fasern auf ein Formwerkzeug eingerichtet.
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Eine Anpressrolle kann eine zylindrische oder kegelförmige Form aufweisen. Mit anderen Worten, der Strukturrahmen bildet das lasttragende Grundgerüst des Faserlegekopfes, wobei in oder an dem Strukturrahmen des Faserlegekopfes schließlich die für den Legeprozess notwendigen Komponenten vorgesehen sind. Die Rahmenelemente können dabei Stäbe/Streben sein, die winklig zueinander an Kreuzungspunkte zur Bildung des Strukturelements miteinander verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist nun des Weiteren vorgesehen, dass mindestens ein Aktuator vorgesehen ist, der mit mindestens einem Rahmenelement zur Verformung und/oder Versteifung des Rahmenelementes derart zusammenwirkt, dass bei einer Ansteuerung des Aktuators mittels einer Steuereinheit eine Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens bewirkt wird.
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Der mindestens eine Aktuator kann dabei an dem Rahmenelement des Strukturrahmens direkt angeordnet sein oder mit diesem in Wirkverbindung stehen und bei Ansteuerung, beispielsweise zum Zwecke einer Aktivierung eines piezoelektrischen Aktuators, die Verformung und/oder Versteifung des Rahmenelementes hervorrufen. Wird nun wenigstens ein Rahmenelement, vorteilhafterweise mehrere Rahmenelemente gemeinsam, mit Hilfe eines oder mehrerer Aktuatoren verformt und/oder versteift, so lässt sich die Geometrie des Strukturrahmens während des Ablegeprozesses verändern bzw. das Steifigkeitsverhalten des gesamten Strukturrahmens verändern, wodurch während des Ablegeprozesses selbst auf die entsprechenden Prozessparameter, wie beispielsweise die Position der Anpressrolle, die Anpresskraft sowie mechanische Schwingungen Einfluss genommen werden kann. So bewirkt beispielsweise eine Versteifung eines Rahmenelementes und somit eine Versteifung des gesamten Strukturrahmens eine Erhöhung der Anpresskraft, in der die Biegesteifigkeit des Strukturrahmens erhöht wird.
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Bei einer Verformung eines Rahmenelementes wird dabei die Ursprungsform des Rahmenelementes, wie sie demontiert oder im zusammengebauten Zustand vorliegen würde, verändert, wobei das Rahmenelement regelmäßig bestrebt ist, in seine Ursprungsform zurückzukehren. Bei einer Versteifung des Rahmenelementes wird insbesondere der Parameter der Biegesteifigkeit verändert, wodurch die Kraft, die notwendig ist, um das Rahmenelement zu verformen, höher ist als im nichtversteiften Zustand.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Faserlegekopf vorgeschlagen, der ein gegenüber herkömmlichen Faserlegeköpfen geringeres Gewicht aufweist, da aufgrund der Strukturbauweise des Grundgerüstes in Form eines Strukturrahmens Material und somit Gewicht eingespart werden kann. Gleichzeitig kann aufgrund der adaptiven Rahmenelemente des Strukturrahmens durch Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens auf wichtige Prozessparameter direkt durch den Faserlegekopf Einfluss genommen werden, wodurch die Ablegequalität erhöht wird. Hierdurch wird es möglich, höhere Fertigungsgeschwindigkeiten beim Legen der Fasern zur Herstellung von Fasergelegen zu erreichen, so dass insbesondere die Kosten bei der Herstellung von Großbauteilen mittels Faserverbundwerkstoffen reduziert werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Rahmenelemente stabförmig und/oder flächig ausgebildet, wobei der Querschnitt der stabförmigen und/oder flächig ausgebildeten Rahmenelemente beliebig sein kann, vorteilhafterweise rund, oval oder eckig.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eines der Rahmenelemente, mehrere Rahmenelemente oder alle Rahmenelemente des Strukturrahmens aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem CFK-Werkstoff, hergestellt, wodurch dem Leichtbauprinzip auch bei den Ablegeköpfen Rechnung getragen werden kann. Hierdurch wird es möglich, die lasttragenden Strukturen eines Ablegekopfes aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen, wodurch das Gewicht des Faserlegekopfes signifikant reduziert werden kann. Hierdurch wird die zu bewegende Masse beim Legen der Fasern reduziert, was schnellere und präzisere Bewegungsabläufe ermöglicht.
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Durch die Anwendung eines Strukturrahmens aus einem Faserverbundwerkstoff verringert sich das Gewicht des Kopfes, wodurch Inertialmomente reduziert werden, die einen direkten Einfluss auf die Fertigungsgeschwindigkeit haben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Aktuator ein piezoelektrischer Aktuator, der in das Rahmenelement eingebettet sein kann oder auf das Rahmenelement appliziert ist. Der piezoelektrische Aktuator kann beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung seine Form verändern und/oder seine Steifigkeit verändern, wodurch das entsprechende Rahmenelement entsprechend verformt und/oder versteift werden kann. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass mehrere piezoelektrische Aktuatoren als ein gemeinsamer Aktuator an einem Rahmenelement angeordnet sein können, wobei mehrere oder gar alle Rahmenelemente des Strukturrahmens über derartige Aktuatoren verfügen können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Strukturrahmen Befestigungselemente auf, mit denen der Faserlegekopf an einer robotischen Fertigungseinheit, beispielsweise einem Industrieroboter, angeordnet werden kann. Die für den Legeprozess benötigten Kräfte werden dann von der robotischen Fertigungseinheit über den Strukturrahmen als Grundgerüst des Faserlegekopfes auf die Anpressrolle übertragen.
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A. Schwingungsdämpfung
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Ablegekopf mindestens einen Schwingungssensor auf, der zum Detektieren von mechanischen Schwingungen der Anpressrolle ausgebildet ist. Der Schwingungssensor kann beispielsweise in Form eines Beschleunigungssensors direkt an den Faserlegekopf und/oder der Anpressrolle angeordnet sein. Denkbar ist allerdings auch, dass Sensoren verwendet werden, die berührungslos arbeiten und nicht direkten Kontakt mit dem Faserlegekopf und/oder der Anpressrolle haben müssen.
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Die detektierten mechanischen Schwingungen der Anpressrolle werden dann einer Steuereinheit bereitgestellt, die zum Ansteuern des Aktuators zur Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens in Abhängigkeit von den detektierten mechanischen Schwingungen derart ausgebildet ist, dass die aus der Ansteuerung resultierende Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens die mechanischen Schwingungen der Anpressrolle entgegenwirkt. So können parasitäre Schwingungen während des Legeprozesses, welche die Qualität des herzustellenden Laminats beeinträchtigen können, entgegengewirkt werden, indem beispielsweise mechanischen Kompensationsschwingungen durch eine kontinuierliche Verformung des Strukturrahmens erzeugt werden, die den mechanischen Schwingungen entgegenwirken. Hierdurch lassen sich die parasitären mechanischen Schwingungen reduzieren oder gänzlich eliminieren.
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Dadurch können Vibrationen, die beispielsweise aus der kinematischen Struktur der robotischen Fertigungsanlage hervorgerufen werden, durch kontinuierliche Verformung und Rückverformung des Strukturrahmens kompensiert werden, indem durch die Verformung und Rückverformung des Strukturrahmens mit Hilfe von Aktuatoren an den Rahmenelementen Schwingungen in dem Strukturrahmen erzeugt werden, die den mechanischen Schwingungen entgegenwirken. Die Ablagequalität wird damit erhöht, da parasitäre Vibrationen nicht mehr auf die Anpressrolle übertragen werden.
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B. Regelung der Anpresskraft
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Faserlegekopf mindestens einen Kraftsensor auf, der zum detektieren einer Anpresskraft (Ist-Anpresskraft) der Anpressrolle beim Legen der Fasern auf ein Formwerkzeug ausgebildet ist. Die detektierte Anpresskraft wird dann einer Steuereinheit bereitgestellt, die eingerichtet ist, die zum Ansteuern des Aktuators zur Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens in Abhängigkeit von der detektierten Anpresskraft beim Legen der Fasern und einer vorgegebenen Anpresskraft ausgebildet ist. Hierdurch kann eine Regelung der Anpresskraft beim Legen der Fasern durch den Faserlegekopf mittels einer Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens realisiert werden, wodurch beispielsweise erreicht werden kann, dass der Prozessparameter „Anpresskraft“ über den gesamten Ablegeprozess hinweg hochgenau eingestellt wird. Der adaptive Strukturrahmen des erfindungsgemäßen Faserlegekopfes kompensiert die Schwankunken bezüglich der Anpresskraft, wodurch auch hierdurch die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der Kraftsensor an der Anpressrolle zum Detektieren der Anpresskraft beim Legen der Fasern angeordnet bzw. in der kinematischen Kette zwischen dem Strukturrahmen und der Anpressrolle.
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Darüber hinaus ist es hierbei vorteilhaft, wenn die Steuereinheit zum Ansteuern des Aktuators derart eingerichtet ist, dass durch die Verformung und/oder Versteifung des Strukturrahmens die Differenz zwischen der detektierten Anpresskraft und der vorgegebenen Anpresskraft reduziert oder minimiert wird, so dass immer ein Optimum bezüglich der vorgegebenen Soll-Anpresskraft eingestellt wird.
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C. Positionskorrektur
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Positionssensor vorgesehen, der zum Detektieren einer Positionsinformation der Anpressrolle beim Legen der Fasern und/oder zum Detektieren einer Positionsinformation von bereits abgelegten Fasern oder Faserbahnen ausgebildet ist, wodurch die Position absolut oder relativ zu anderen Komponenten oder Objekten beim Legen der Fasern ermittelbar wird. Diese Positionsinformationen werden einer Steuereinheit bereitgestellt, die zum Ansteuern des Aktuators zur Verformung des Strukturrahmens in Abhängigkeit von den detektierten Positionsinformationen und vorgegebenen Positionsinformationen ausgebildet ist. Durch eine Verformung von Rahmenelementen, die zu einer Verformung des Strukturrahmens quer zur Ablegerichtung der Fasern führt, kann eine Positionskorrektur beim Legen der Fasern der sogenannten Y-Achse (quer zur Faserlegerichtung) erreicht werden.
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So kann beispielsweise eine relative Positionsinformation zu einer bereits abgelegten Faserbahn ermittelt werden, wodurch sich ein definierter Abstand, der auch null sein kann, zu der bereits abgelegten Faserbahn einstellen lässt, neben durch die Verformung von Rahmenelementen eine Verformung des Strukturrahmens zum Zwecke der Positionskorrektur bewirkt wird.
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Vorteilhafterweise ist der Positionssensor an dem Faserlegekopf zum Detektieren der Positionsinformation beim Legen der Fasern angeordnet. Denkbar ist allerdings auch, dass der Positionssensor feststehend und nicht direkt in mechanischer Wirkverbindung mit dem Faserlegekopf steht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass durch die Verformung des Strukturrahmens die Differenz zwischen den detektierten Positionsinformationen und den vorgegebenen Positionsinformationen reduziert oder minimiert wird. Hierdurch wird immer eine optimale Positionsvorgabe eingestellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Strukturrahmen eine Mehrzahl von stabförmigen Rahmenelementen auf, die in einer Fachwerkstruktur angeordnet sind. Hierdurch kann die Stabilität und Festigkeit des lasttragenden Strukturrahmens insbesondere bei der Herstellung der Rahmenelemente aus Faserverbundwerkstoff deutlich erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an wenigstens zwei, in dem Strukturrahmen parallel angeordneten Rahmenelementen jeweils mindestens ein Aktuator zur Verformung und/oder Versteifung des jeweiligen Rahmenelementes vorgesehen, so dass durch eine Verformung zweier paralleler Rahmenelemente eine entsprechende parallele Verformung des Strukturrahmens erzeugt werden kann. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Position der Anpressrolle in Y-Richtung, d.h. quer zur Faserlegerichtung, verändert werden soll.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 schematische Darstellung einer robotergestützten Faserlegevorrichtung;
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2 schematische Darstellung mit erfindungsgemäßen Faserlegekopfes.
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1 zeigt schematisch eine Faserlegevorrichtung 1, die einen Roboter 2 in Form eines Knickarmroboters bzw. Industrieroboters hat. Als Endeffektor ist an dem Roboter 2 ein Faserlegekopf 3 angeordnet, der Fasermaterial auf ein Formwerkzeug 4 ablegen kann. Mittels derartiger Faserlegevorrichtungen können beispielsweise Großbauteile wie Flügelschalen aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden.
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2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Faserlegekopf 10 in einer perspektivischen Darstellung. Der Faserlegekopf 10 weist einen Strukturrahmen 11 auf, der das Grundgerüst des Faserlegekopfes 10 darstellt und somit die von der robotischen Fertigungseinheit aufgeprägten Lasten und Kräfte an die an dem Strukturrahmen 11 angeordnete Anpressrolle 12 überträgt. Der Strukturrahmen 11 des Faserlegekopfes 10 weist eine Mehrzahl von stabförmigen Rahmenelementen 13 auf, die in einer Fachwerkstruktur angeordnet sind.
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An zwei lasttragenden stabförmigen Rahmenelementen 13a und 13b sind jeweils piezoelektrische Aktuatoren 14 angeordnet, die ausgebildet sind, dass Rahmenelemente 13a, 13b jeweils zu verformen und/oder zu versteifen. Hierdurch kann der gesamte Strukturrahmen 11 verformt und/oder versteift werden, wodurch auf die Prozessparameter beim Ablegen der Fasern Einfluss genommen werden kann. Die Aktuatoren 14 sind dabei mit einer Steuereinheit 15 verbunden, welche die Aktuatoren entsprechend ansteuert.
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Gemäß in dem Ausführungsbeispiel der 2 ist des Weiteren zwischen dem Strukturrahmen 11 und der Anpressrolle 12 ein Kraftsensor 16 vorgesehen, der die Anpresskraft beim Legen der Fasern erfasst und sie der Steuereinheit 15 bereitstellt. Erfindungsgemäß kann nun in Abhängigkeit der ermittelten Anpresskraft die Aktuatoren 14 so angesteuert werden, dass eine entsprechende Einstellung der Anpresskraft beim Legen der Fasern geregelt werden kann.
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Des Weiteren ist ein Beschleunigungssensor 17 an der Anpressrolle vorgesehen, der beispielsweise zum Erfassen von mechanischen Schwingungen an der Anpressrolle 12 ausgebildet ist. Diese detektierten mechanischen Schwingungen werden dann ebenfalls der Steuereinheit 15 bereitgestellt, um so die Aktuatoren 14 entsprechend so anzusteuern, dass die parasitären mechanischen Schwingungen kompensiert werden können.
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Schließlich ist schematisch im Ausführungsbeispiel der 2 ein Positionssensor 18 vorgesehen, welcher die Position der Anpressrolle 12 beim Legen der Fasern absolut oder relativ zu bereits abgelegten Fasern erfasst. Auch in diesen Positionsinformationen aus den Positionssensor 18 werden der Steuereinheit 15 bereitgestellt, so dass durch eine Ansteuerung der Aktuatoren 14 eine Verformung des Strukturrahmens 11 erzeugt werden kann, der eine Positionskorrektur bewirkt.
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Im Bereich 19 des Faserlegekopfes 10 sind an der Fachwerkstruktur nicht dargestellte Befestigungselemente vorgesehen, mit der der Faserlegekopf 10 an einer robotischen Fertigungseinheit angeordnet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015027 B1 [0005]
