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Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils.
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Aufgrund der besonders vorteilhaften Eigenschaft, bei einem relativ geringem Gewicht eine besonders hohe Festigkeit und Steifigkeit hin zumindest einer lasttragenden Richtung aufzuweisen, sind Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurden, aus dem industriellen Umfeld heute kaum mehr wegzudenken. Die aus diesen besonders vorteilhaften Eigenschaften resultierenden Vorteile, wie beispielsweise der über die gesamte Lebensdauer von Transportmitteln gesenkte Treibstoffverbrauch oder der reduzierte Verschleiß, führen zu einer zunehmenden Verwendung auch in sicherheitskritischen und strukturtragenden Anwendungsbereichen. Gerade in diesen Bereichen ist jedoch eine hohe und vor allem industrielle reproduzierbare Bauteilqualität von besonderer Bedeutung.
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Ein Nachteil von Faserverbundwerkstoffen ist der meist nur mit recht hohem Aufwand automatisierbare Fertigungsprozess, sodass auch heute noch bei komplexen Bauteilstrukturen viele Fertigungsschritte von Hand durchgeführt werden müssen. Es gibt daher Bestrebungen, den Herstellungsprozess, insbesondere das Legen des Fasermaterials auf einem Formwerkzeug, weitestgehend zu automatisieren. So ist beispielsweise aus der eine Faserlegevorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe von an Robotern angeordneten Faserlegeköpfen Fasermaterial auf einem Formwerkzeug abgelegt werden kann, wobei die Roboter auf einem um das Formwerkzeug umlaufenden Schienensystem geführt werden und so jeden Punkt des Formwerkzeuges zum Ablegen von Fasermaterial erreichen können.
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Aufgrund der Nachgiebigkeit des Gesamtsystems, insbesondere bei Industrierobotern, ist der Ablegeprozess an sich mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet, die bei einigen Bauteilen, insbesondere im sicherheitskritischen Bereich, außerhalb der Toleranzen liegen. Aber auch die Faserhalbzeuge bzw. das Fasermaterial weist Fertigungstoleranzen auf, die unter Umständen im fertigen Bauteil zu Fehlstellen führen können, die dann den Ausschuss des entsprechend hergestellten Bauteils bedingen.
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Aus der
DE 41 30 269 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen laminierter Prepreg-Teile bekannt, bei der ein bahnförmiges Fasermaterial, das auf einer Faserrolle aufgewickelt und der Vorrichtung zugeführt ist, über eine Andruckrolle geführt wird, die dann das Fasermaterial auf einem Werkzeug ablegt. Damit das Fasermaterial immer mittig über die Anpressrolle geführt wird, wird dort vorgeschlagen, dass die Faserrolle, welche das abzulegende Fasermaterial enthält, gegenüber der Anpressrolle axial verschiebbar gelagert ist, sodass bei einer Bahnabweichung die gesamte Faserrolle mit dem aufgewickelten Fasermaterial ausgerichtet werden kann.
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Eine derartige Vorrichtung findet allerdings dann ihre Grenzen, wenn das Fasermaterial in dem Faserspeicher nicht seriell übereinander aufgerollt ist, sondern seriell nebeneinander, wodurch bei geringeren Bahnbreiten des Fasermaterials mehr Fasermaterial auf der Rolle aufgewickelt werden kann. Denn hierdurch müsste die gesamte Faserrolle mit dem gespeicherten Fasermaterial derart axial verschoben werden, dass in bestimmten Bereichen zumindest teilweise der Faserspeicher aus dem Ablegekopf herausragt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf anzugeben, mit dem Prozessunsicherheiten beim automatisierten Ablegen von Fasermaterial kompensiert werden können und gleichzeitig auch seriell nebeneinander abgelegten Fasermaterialien verwendet werden können.
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Die Aufgabe wird mit dem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Demnach wird ein Faserlegekopf vorgeschlagen, der zum Legen von Fasermaterial zum Herstellen eines Fasergeleges für die Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen ist. Der Faserlegekopf weist eine Faserbereitstellungseinheit zum Bereitstellen von Fasermaterial an dem Faserlegekopf und eine Faserlegeeinheit auf, wobei die Faserlegeeinheit zum Legen des dem Faserlegekopf durch die Faserbereitstellungseinheit bereitgestellten und von der Faserbereitstellungseinheit zu der Faserlegeeinheit geförderten Fasermaterials auf einem Werkzeug ausgebildet ist.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Faserbereitstellungseinheit ein Fasermaterialspeicher, der zum Speichern von bahnförmigen Fasermaterialien ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise eine Fasermaterialrolle sein, auf dem die bahnförmigen Fasermaterialien aufgewickelt sind. Das Fasermaterial kann dabei seriell nebeneinander auf der Fasermaterialrolle aufgewickelt sein. Die Faserlegeeinheit kann in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Andruckrolle bzw. Anpressrolle sein, mit der das der Andruckrolle zugeführte Fasermaterial auf das Werkzeug gedrückt und somit gelegt wird. Demnach werden die Fasermaterialien an die Faserlegeeinheit so zugeführt, dass das Fasermaterial zwischen Faserlegeeinheit und Werkzeug hindurch läuft und so von dem Faserlegekopf auf dem Werkzeug abgelegt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in der Förderkette des Fasermaterials zwischen der Faserbereitstellungseinheit und der Faserlegeeinheit eine Faserführungseinheit vorgesehen ist, durch die das Fasermaterial geführt der Faserlegeeinheit an einer Zuführungsposition zugeführt wird. Die Faserführungseinheit ist dabei zum Verändern der Zuführungsposition des Fasermaterials an der Faserlegeeinheit quer zur Förderrichtung des Fasermaterials ausgebildet, sodass die Zuführungsposition während des Legens des Fasermaterials veränderbar ist. Die Faserzuführungseinheit ist des Weiteren signaltechnisch mit einer Steuereinheit verbunden, die ausgebildet ist, die Faserzuführungseinheit entsprechend anzusteuern, um die Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit zu verändern bzw. auf einen vorbestimmten oder berechneten Wert einzustellen.
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Erfindungsgemäß ist die Faserzuführungseinheit dabei zwischen der Faserbereitstellungseinheit und der Faserlegeeinheit angeordnet, um die Zuführungsposition der Faserlegeeinheit verändern zu können. Vorteilhafterweise wird das Fasermaterial von der Faserbereitstellungseinheit durch die Faserzuführungseinheit hindurchgeführt und dann der Faserlegeeinheit zugeführt. Hierdurch entsteht der Vorteil, dass das Fasermaterial kurz vor dem Zuführen zu der Faserlegeeinheit entsprechend beeinflusst werden kann, um so die Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit verändern oder einstellen zu können, wobei hierbei nicht der gesamte Fasermaterialvorratsspeicher bewegt werden muss. Hierdurch lassen sich auch Fasermaterialien verwenden, die axial nebeneinander auf einer Fasermaterialrolle aufgewickelt sind.
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Hierdurch entsteht der Vorteil, dass der Faserlegekopf in die Lage versetzt wird, die Zuführungsposition des Fasermaterials an der Faserlegeeinheit zu verändern, sodass Prozessunsicherheiten beim Ablegen der Fasern kompensiert werden können. So kann beispielsweise eine Materialbahnabweichung von einer bereits abgelegten Faserbahn oder Fertigungstoleranzen des Fasermaterials ausgeglichen werden.
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Fasermaterialien im Sinne der vorliegenden Erfindung können jegliche Materialien sein, die sich für die Herstellung eines Faserverbundbauteils eignen. So können die Fasermaterialien beispielsweise Tows (zumeist ¼´´ oder ½´´ Breite) oder Tapes (zumindest 150 mm oder 300 mm Breite) sein. Denkbar sind aber auch Rowings oder andere Faserstränge.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Faserführungseinheit mindestens einen Aktuator auf, der zum rotatorischen und/oder translatorischen Bewegen der Faserführungseinheit quer zur Förderrichtung des Fasermaterials zum Verändern der Zuführungsposition ausgebildet ist. Ein derartiger Aktuator kann beispielsweise ein Linearantrieb sein, mit dem die Faserzuführungseinheit quer zur Förderrichtung des Fasermaterials verschoben wird. Durch das Verschieben der Faserführungseinheit quer zur Förderrichtung des Fasermaterials kann die Zuführungsposition des Fasermaterials an der Faserlegeeinheit quer zur Förderrichtung verändert werden, sodass die vorteilhaften Effekte erreicht werden.
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Ist die Faserlegeeinheit beispielsweise eine Andruckrolle, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Faserführungseinheit mittels des Aktuators axial zu der Anpressrolle bzw. Andruckrolle bewegt werden kann, um die Zuführungsposition an der Andruckrolle verändern bzw. einstellen zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Faserführungseinheit mindestens ein Paar gegenüberliegender Führungselemente auf, zwischen denen das Fasermaterial hindurchgeführt wird. Vorteilhafterweise weist die Faserführungseinheit mehrere solcher Paare von Führungselementen auf, sodass das Fasermaterial zwischen diesen Paaren von Führungselementen hindurch sicher geführt werden kann und durch eine Bewegung der Faserführungseinheit entsprechend die Zuführungsposition veränderbar ist. Die Führungselemente stehen dabei vorteilhafterweise senkrecht zu einer durch die Faserlegeeinheit definierten Faserlegeebene, sodass insbesondere bei bahnförmigen Endlosfasermaterialien eine Veränderung der Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit ermöglicht wird, ohne die Fasermaterialien an den Randbereichen zu beschädigen. Vielmehr stehen die Führungselemente, die Führungsrollen sein können, senkrecht zu der Faserlegeebene, und somit auch senkrecht zu einer Achse einer Anpressrolle, sodass das Material zunächst um 90 Grad gedreht werden muss, ehe es der Faserlegeeinheit dann wieder zugeführt werden kann.
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Mit anderen Worten, das flächige Fasermaterial wird senkrecht zu der eigentlichen Faserlegeebene durch die Faserführungseinheit hindurchgeführt und erfährt dann eine Torsion um 90 Grad um die eigene Achse, sodass das flächige Fasermaterial dann wieder in der Faserlegeebene liegt und so entsprechend auf dem Werkzeug ablegbar ist. Durch die Drehung des Fasermaterials um 90 Grad um die eigene Achse kann erreicht werden, dass durch eine Verschiebung der Faserzuführungseinheit quer zur Förderrichtung keine Kraft auf die Randbereiche der Fasermaterialien einwirkt, um die Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit zu verändern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Sensor vorgesehen, der zum Erfassen der Breite des zu der Faserlegeeinheit geförderten Fasermaterials ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit zum Ansteuern der Faserführungseinheit zum Einstellen der Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit in Abhängigkeit der erfassten Breite des Fasermaterials ausgebildet ist. Weicht die Breite des Fasermaterials ab, so kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die Lage des Materials korrigiert werden, bevor das Fasermaterial auf die Faserlegeeinheit gelangt und auf das Formwerkzeug gedrückt wird. Die aktuelle Bahn überlappt dann die benachbarte, vorher abgelegte Bahn nicht, da bei dem Ablegeprozess die Toleranz des Fasermaterials hinsichtlich der Breite mit berücksichtigt wurde.
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Die Breite des Fasermaterials zeichnet dabei die Ausdehnung des Fasermaterials quer zur Förderrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Sensor vorgesehen, der zum Erfassen einer Ist-Führungsposition des Fasermaterials quer zur Förderrichtung des Fasermaterials ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit zum Ansteuern der Faserführungseinheit zum Einstellen der Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit in Abhängigkeit von der erfassten Ist-Führungsposition und einer vorgegebenen Soll-Führungsposition eingerichtet ist. Durch das Erfassen der aktuellen Ist-Führungsposition und Vergleich dieser Ist-Führungsposition mit einer vorliegenden Soll-Führungsposition kann das Abweichen des Fasermaterials von der vorgegebenen Soll-Führungsposition festgestellt werden und korrigiert und eingegriffen werden, um so zu verhindern, dass das Fasermaterial nicht mehr an der bevorzugten Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit zugeführt wird, was zu Materialabweichungen beim Ablegen des Fasermaterials auf dem Werkzeug führt. Vielmehr kann durch das Ansteuern der Faserführungseinheit erreicht werden, dass das Fasermaterial immer exakt auf die vorgegebene Soll-Führungsposition eingeregelt wird, wodurch das Fasermaterial immer an der vorgegebenen Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit zugeführt und somit entsprechend hochgenau abgelegt wird.
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Die Führungsposition kann beispielsweise eine Position quer zur Förderrichtung des Fasermaterials sein, beispielsweise eine entsprechende Position axial zu einer Anpressrolle. Die Ist-Führungsposition kann aber auch an einer anderen Stelle mittels des Sensors erfasst werden, wobei durch den konstruktiven Zusammenhang dann auf die entsprechende Führungsposition an der Faserlegeeinheit geschlossen werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu kann der Sensor zum Erfassen der Breite des Fasermaterials oder den Sensor zum Erfassen der Ist-Führungsposition durch eine vor der Faserlegeeinheit und Faserzuführungseinheit angeordneten Umlenkrolle gebildet werden, wobei die Umlenkrolle ein drucksensitives Material aufweist, welches den mechanischen Anpressdruck durch das Fasermaterial in ein elektrisches Signal umwandelt, wodurch sich die Breite des Fasermaterials und/oder die Ist-Führungsposition erfassen lässt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Sensor vorgesehen, der zum Erfassen von bereits abgelegtem Fasermaterial bezüglich der Faserlegeeinheit ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit zum Ansteuern der Faserführungseinheit zum Einstellen der Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit in Abhängigkeit von erfassten, bereits abgelegtem Fasermaterial bezüglich der Faserlegeeinheit eingerichtet ist. Hierdurch lassen sich mit Hilfe der zum Einstellen der Zuführungsposition vorgesehenen Faserzuführungseinheit niederfrequente Bahnabweichungen zu einer benachbarten Materialbahn kompensieren, sodass Lücken innerhalb des Fasergeleges aufgrund von Bahnabweichungen beim Legeprozess vermieden werden. Weicht die Ablage von der Sollbahn ab und wird dies durch den Sensor, beispielsweise einem Laserlichtschnittsensor, detektiert, so wird durch die Steuereinheit ein Korrektursignal generiert und an den Aktor bzw. die Faserführungseinheit gesendet, damit die Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit verändert und die Materialführung entsprechend verlagert wird, um die Ablage von der Sollbahn zu kompensieren. Das Material tritt dann bereits korrigiert bzw. störungskompensiert auf die Andruckrolle, sodass folglich im gesamten Verbundbauteil eine gleichmäßige Eigenschaftsausprägung erzielt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können die Sensoren, d.h. die Sensoren zum Erfassen der Breite, die Sensoren zum Erfassen der Ist-Führungsposition und/oder die Sensoren zum Erfassen von bereits abgelegtem Fasermaterial ein Laserlichtschnittsensor sein, mit dem hochgenau die gewünschten Parameter erfassbar sind.
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Das Verändern der Zuführungsposition des Fasermaterials an der Faserlegeeinheit meint dabei zumindest den Aspekt, dass die Position an der Faserlegeeinheit quer zur Förderrichtung zu einem ersten Zeitpunkt von der Position quer zur Förderrichtung zu einem späteren zweiten Zeitpunkt abweicht. Durch das Verändern der Zuführungsposition an der Faserlegeeinheit lassen sich konkrete vorbestimmte oder berechnete Zuführungspositionen an der Faserlegeeinheit einstellen bzw. auch verstellen bzw. auch regeln.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Faserlegekopfes;
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2 schematische Darstellung einer Draufsicht auf wesentliche Elemente des erfindungsgemäßen Faserlegekopfes.
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1 zeigt schematisch die Seitenansicht eines Faserlegekopfes 1, der zum Legen von Fasermaterial 2 auf einem Werkzeug 3 vorgesehen ist. Der Faserlegekopf 1 weist hierfür einen Materialspeicher 4 in Form einer Rolle auf, auf dem das Fasermaterial 2 dem Faserlegekopf 1 bereitgestellt wird. Der Fasermaterialspeicher 4 ist somit eine Faserbereitstellungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Faserbereitstellungseinheit kann im Übrigen auch eine Faserzuführung sein, mit der das Fasermaterial von außen in den Faserlegekopf 1 zugeführt wird (nicht dargestellt).
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Der Faserlegekopf 1 weist des Weiteren eine Andruckrolle 5 auf, mit der das Fasermaterial 2 auf dem Werkzeug 3 angedrückt und abgelegt wird. Hierfür wird das Fasermaterial 2 von dem Fasermaterialspeicher 4 über zumindest eine dargestellt Umlenkrolle 6 zu der Andruckrolle 5 gefördert, und zwar derart, dass das Fasermaterial 2 zwischen Andruckrolle 5 und Werkzeugoberfläche des Werkzeuges 3 geführt wird. Somit wird zwischen dem Fasermaterialspeicher 4 und der Andruckrolle 5 eine Förderkette definiert, in der das Fasermaterial 2 von dem Fasermaterialspeicher 4 zu der Andruckrolle 5 gefördert wird.
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In der Förderkette des Fasermaterials, im Ausführungsbeispiel der 1 zwischen der Umlenkrolle 6 und der Andruckrolle 5, ist erfindungsgemäß die Faserführungseinheit 7 vorgesehen, durch die das Fasermaterial 2 hindurch zur der Andruckrolle 5 geführt wird. Die Faserführungseinheit 7 ist dabei so ausgebildet, dass die Zuführungsposition des Fasermaterials an der Andruckrolle 5 quer zur Förderrichtung des Fasermaterials (die Ebene aus der Darstellung heraus) veränderbar ist, sodass die Position des abgelegten Fasermaterials 2 auf dem Werkzeug während des Legens des Fasermaterials 2 verändert bzw. aktiv geregelt werden kann. Hierfür ist die Faserlegeeinheit so ausgebildet, dass sie mittels eines dargestellten Aktuators sich axial zu der Andruckrolle 5 bewegen kann, wodurch die Zuführungsposition des Fasermaterials an der Andruckrolle 5 quer zur Förderrichtung des Fasermaterials, d.h. axial im Ausführungsbeispiel der 1, verändert werden kann.
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Die Faserführungseinheit 7 steht dabei signaltechnisch mit einer Steuereinheit 8 in Verbindung, um die Faserführungseinheit 7 entsprechend anzusteuern und so die Zuführungsposition des Fasermaterials an der Andruckrolle 5 verändern zu können.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 ist ein erster Lichtschnittsensor 9 vorgesehen, der zum Erfassen von bereits abgelegten Fasermaterialbahnen auf dem Werkzeug 3 ausgebildet ist. Die Steuereinheit 8 ist so ausgebildet, die Faserführungseinheit 7 so anzusteuern, dass durch eine Veränderung der Zuführungsposition an der Andruckrolle 5 Ablagen von der Sollbahn der bereits abgelegten und erfassten Materialbahnen kompensiert werden können.
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Des Weiteren ist ein zweiter Lichtschnittsensor 10 vorgesehen, der sowohl zum Erfassen der Breite des Fasermaterials 2 als auch zum Erfassen eine Ist-Führungsposition vor der Faserführungseinheit 7 ausgebildet ist. Unter Kenntnis der Breite des Fasermaterials bzw. der Ist-Führungsposition des Fasermaterials 2 kann die Steuereinheit 8 dann die Faserführungseinheit 7 entsprechend so ansteuern, dass Materialtoleranzen des Fasermaterials 2 hinsichtlich der Breite ausgeglichen werden können oder eine Soll-Führungsposition eingeregelt wird.
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Denkbar ist allerdings auch, dass die Umlenkrolle 6 ein drucksensitives Material aufweist, welches den mechanischen Anpressdruck in ein elektrisches Signal, beispielsweise eine elektrische Spannung, umwandelt, sodass die Ist-Führungsposition und/oder die Breite des Fasermaterials mit Hilfe der Umlenkrolle 6 in Art eines Sensors erfassbar wird.
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2 zeigt schematisch die Draufsicht auf den Fasermaterialspeicher 4, die Faserführungseinheit 7 und die Andruckrolle 5 sowie die Förderkette des Fasermaterials 2 in einer Draufsicht. Die Faserführungseinheit 7 weist paarweise Führungselemente 11 auf, beispielsweise in Form von Führungsrollen. Zwischen jeweils einem Paarführungselement 11 wird das Fasermaterial 2 hindurchgeführt. Die Faserführungseinheit 7 ist dabei ausgebildet, quer zur Förderrichtung Fm des Fasermaterials 2 bewegbar zu sein, sodass eine Zuführungsposition Pm an der Andruckrolle 5 veränderbar bzw. einstellbar ist. Die Faserführungseinheit 7 bewegt sich dabei koaxial zu der Andruckrolle 5, sodass die Zuführungsposition Pm des Fasermaterials 2 an der Andruckrolle 5 axial einstellbar ist.
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Die Faserführungseinheit 7 kann beispielsweise mittels eines Linearaktuators in die dargestellten Richtungen R1, R2 verschiebbar gelagert werden, ggf. mittels eines Hebelmechanismus. Ein solcher Aktuator kann beispielsweise ein Piezoaktuator sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserlegekopf
- 2
- Fasermaterial
- 3
- Werkzeug
- 4
- Fasermaterialspeicher, Faserbereitstellungseinheit
- 5
- Andruckrolle, Faserlegeeinheit
- 6
- Umlenkrollen
- 7
- Faserführungseinheit
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Lichtschnittsensor
- 10
- Lichtschnittsensor
- 11
- Führungselemente Fm, Förderrichtung des Fasermaterials Pm, Zuführungsposition des Fasermaterials R1, R2, Bewegungsrichtung der Faserführungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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