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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Greifvorrichtung zum Greifen einer Bandspule, eine Zuführvorrichtung zum Bereitstellen der Bandspule sowie ein Transportsystem zum Transport einer Bandspule.
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In den vergangenen Jahrzehnten haben Faserverbundwerkstoffe wie beispielsweise CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) eine immer weitere Verbreitung in verschiedenen Anwendungsbereichen erfahren. Im Vergleich zu metallischen Werkstoffen bieten diese Faserverbundwerkstoffe eine höhere Gestaltungsfreiheit sowie anwendungsspezifische Formulierungsmöglichkeiten. Entsprechende Produktionssysteme zur Herstellung von Formteilen umfassen dabei üblicherweise sogenannte Preform-Herstelleinheiten, in denen die zumeist flachen Rohlinge hergestellt werden, Presseinheiten und gegebenenfalls Injektionseinheiten, Nachbearbeitungseinheiten sowie eine entsprechende Automatisierung für das Handling der Preformen.
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Die automatisierte Herstellung der Preformen stellt eine Schlüsseltechnologie bei der Realisierung einer effizienten Großserienfertigung mit reproduzierbarer und stabiler Bauteilqualität dar. Heutzutage werden zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen überwiegend textile Halbzeuge, insbesondere Faser-Halbzeuge, wie beispielsweise mit einem Binder (Schmelzkleber) benetzte und/oder mit einer Matrix teilweise oder vollständig imprägnierte Fasergarne und/oder Flächengebilde (sogenannte Prepregs), wie Fasergewebe, Fasergestricke, Fasergelege oder Fasermatten verwendet. Hierbei hat die Matrix die Aufgabe, die hochbelastbaren Fasern einzubetten (Stützfunktion) und deren Zwischenräume vollständig auszufüllen (Sperrfunktion).
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Grundsätzlich kommen als Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe Materialien aus den Gruppen der Thermoplaste oder der Duroplaste infrage. Gegebenenfalls können zusätzlich elastifizierende Komponenten, wie Elastomere, eingesetzt werden. Aus den daraus gefertigten Halbzeugen, die als Rollen- oder Plattenware in Standardformaten zur Verfügung stehen, werden in einem Schneidprozess Zuschnitte erzeugt, die in der Regel das umgeformte Bauteil vollständig auskleiden. Beim Zuschneiden kann je nach Bauteilgeometrie ein nicht unbeträchtlicher Verschnitt entstehen. Um dies zu vermeiden, werden sogenannte Faser- oder auch Band-Legeverfahren (Tape-Legeverfahren) eingesetzt. Das Band wird üblicherweise auf einer Rolle (Bandspule) geliefert, auf Länge zu einem Tape bzw. Bandabschnitt oder Bandstreifen geschnitten und auf einem Legetisch bzw. auf einer bereits auf dem Legetisch abgelegten Bandstruktur abgelegt. Mit dem Ablegen des Bandstreifens wird dieser über eine Anzahl an Ultraschall-Schweißköpfen punktweise mit der darunterliegenden Bandschicht verbunden. Speziell die Verwendung von Bändern aus thermoplastischen Endlosfasern hat sich dabei als attraktive Prozessvariante herausgestellt.
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Bei der Verarbeitung der Bänder werden vielfach automatische Legevorrichtungen eingesetzt, die in der Lage sind, ein Band strukturiert abzulegen. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus
WO 2014/083196 A1 bekannt. Beschrieben wird eine Auflege-Maschine zum Auflegen und Anheften von Bandabschnitten auf ein herzustellendes Teil, mit einer ersten Material-Zuführungseinheit zum Zuführen von Tape-Bandmaterial; ersten Greifmitteln zum Ziehen von Wandabschnitten von der ersten Material-Zuführungseinheit und zum Positionieren der Bandabschnitte in Führungsbahnen; einer ersten Schneideinrichtung zum Schneiden auf Länge der Bandabschnitte von der ersten Material-Zuführungseinheit; einem Bewegungstisch; und zumindest einer Bandhefteinheit zum Platzieren auf einer Bearbeitungsfläche des Bewegungstisches und zum Festheften der Bandabschnitte; wobei die Auflege-Maschine weiterhin eine zweite Material-Zuführungseinheit zum Zuführen von Bandmaterial; zweite Greifmittel zum Ziehen von Bandabschnitten von der ersten Material-Zuführungseinheit und zum Positionieren der Bandabschnitte in Führungsbahnen; und eine zweite Schneideinrichtung zum Schneiden auf Länge der Bandabschnitte von der ersten Material-Zuführungseinheit aufweist.
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Insbesondere bei der Handhabung der auf Spulen (Bandspulen) aufgewickelten Bänder (insbesondere unidirektional faserverstärkte Bänder, sog. UD-Tapes) kommt es jedoch oft zu Schwierigkeiten und ineffizienten Abläufen, da das Band auf der Bandspule ohne weitere Befestigung aufgrund seiner Eigenspannung auffedert und sich somit abwickeln kann. Aufgrund des Auffederns befindet sich der Bandanfang an einer undefinierten Stelle, was die Weiterverarbeitung erschwert und oft eine Intervention durch das Bedienpersonal erfordert. Zudem können sich auf einem aufgefederten Band Verschmutzungen auch auf tieferen Lagen ansammeln, die die Qualität der Preformen beeinträchtigen können. Daher ist es oft nicht möglich, eine nur teilweise aufgebrauchte Bandspule, welche zum Beispiel dann entsteht, wenn ein Wechsel der Breite des Bandes in der Bandlegevorrichtung notwendig ist, zu einem späteren Zeitpunkt erneut zu verwenden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es in diesem Zusammenhang, die Handhabung der Bandspulen zu verbessern und die Effizienz des Produktionsvorgangs der Herstellung von Bandstrukturen, auch als Tapestrukturen bezeichnet, zu erhöhen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Vergleich zu früheren Ansätzen schnellere und kostengünstigere Herstellung von Bandstrukturen zu ermöglichen.
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Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Greifvorrichtung zum Greifen einer Bandspule, mit:
einem Halteelement zum Festlegen der Bandspule;
einem Spannelement zum Einspannen eines Bandanfangs eines auf die Bandspule aufgespulten Bandes, um das Band unter Spannung zu halten; und
einem Grundkörper, an dem das Halteelement und das Spannelement befestigt sind und der ankoppelbar an eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen der Bandspule ausgebildet ist, wobei das Halteelement und das Spannelement dazu ausgebildet sind, die Bandspule festzulegen und den Bandanfang einzuspannen, wenn die Bandspule in einer Zuführvorrichtung zum Bereitstellen der Bandspule bereitgestellt wird; und die Festlegung der Bandspule und die Einspannung des Bandanfangs zu lösen, wenn die Bandspule in einer Materialaufnahme eines Verarbeitungssystems gehalten wird.
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Die Greifvorrichtung dient insbesondere der Automatisierung der Handhabung einer Bandspule bei der Verarbeitung in einem entsprechenden Verarbeitungssystem bzw. bei der Zuführung zu einem Verarbeitungssystem. Die Bandspule wird mittels einer Zuführvorrichtung bereitgestellt, sodass sie mit einer Greifvorrichtung gegriffen und aufgenommen werden kann. Um die Bandspule zu befestigen, umfasst die Greifvorrichtung zumindest ein Halteelement, durch das die Bandspule festgelegt werden kann. Unter Festlegen wird hierbei ein lösbares Befestigen im Sinne eines Ankoppelns verstanden. Durch das Spannelement wird ein auf der Bandspule aufgespultes Band auf Spannung gehalten, wenn die Bandspule von der Greifvorrichtung gegriffen wird. Das Spannelement wirkt auf den Bandanfang, also auf das zugängliche Ende des Bandes, ein. Das Spannelement legt den Bandanfang aktiv oder passiv fest, sodass das Band gespannt bleibt und sich nicht auffedern kann. Unter Einspannen versteht sich hierin demnach insbesondere ein lösbares Befestigen des Bandanfangs an der Einspannvorrichtung mit oder ohne aktivem Ausüben einer Zugkraft auf den Bandanfang. Solange sich die Bandspule in der Greifvorrichtung befindet, wird mittels des Spannelements ein Auffedern verhindert. Halteelement und Spannelement wirken demnach bevorzugt als Aktoren. Halteelement und Spannelement sind an einem Grundkörper befestigt, der mit einer Antriebsvorrichtung verbunden werden kann. Durch die Antriebsvorrichtung kann eine Kraft auf den Grundkörper ausgeübt werden, wodurch das Halteelement, das Spannelement sowie die mittels des Halteelements festgelegte Bandspule bewegt werden. Die Bandspule wird durch das Greifelement in der Zuführvorrichtung aufgenommen und dann mittels der Antriebsvorrichtung in eine Materialaufnahme einer Verarbeitungseinheit transportiert. Halteelement und Spannelement sind dazu ausgebildet, also insbesondere entsprechend auf dem Grundkörper und relativ zueinander angeordnet sowie entsprechend ansteuerbar, mit der Zuführvorrichtung und der Materialaufnahme zu korrespondieren und zusammenzuwirken.
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Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen erlaubt die vorliegende Erfindung eine Automatisierung der Abläufe beim Wechsel einer Bandspule. Das Band wird auf Spannung gehalten ohne dass es manueller Intervention bedarf. Durch die Verwendung der Greifvorrichtung ist es nicht mehr erforderlich, dass das Bedienpersonal bei jedem Bandspulenwechsel zugegen und aktiv beteiligt ist. Weiterhin wird vermieden, dass ein Band auf einer Bandspule auffedert und aufgrund von Verschmutzungen nicht mehr verwendbar ist. Demnach werden bisherige Ansätze in Bezug auf Kosten sowie in Bezug auf Schnelligkeit verbessert. Durch die vollständige Automatisierung des Prozesses beim Bandspulenwechsel, kann der Wechsel sehr schnell vorgenommen werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Greifvorrichtung ist der Grundkörper im Wesentlichen flächig zum Anlegen an eine dem Grundkörper zugewandte Spulenflanke der Bandspule ausgebildet; und das Halteelement dazu ausgebildet, die Bandspule an der dem Grundkörper zugewandten Spulenflanke festzulegen, sodass die dem Grundkörper abgewandte Spulenflanke in festgelegtem Zustand zugänglich ist, wobei das Halteelement insbesondere ein Aufnahmeprofil zur Aufnahme der Spulenflanke aufweist. Der Grundkörper weist zumindest einseitig eine Fläche auf bzw. ist bevorzugt im Wesentlichen als Scheibe oder auch scheibenförmig ausgebildet. Die Stirnfläche der Bandspule wird an den Grundkörper angelegt. Durch das direkte Anlegen wird ein Wackeln der Bandspule im eingespannten Zustand verhindert oder zumindest vermindert. Zudem wird erreicht, dass die dem Grundkörper abgewandte Spulenflanke im festgelegten Zustand zu Aufnahme bzw. zu Weitergabe der Bandspule frei zugänglich bleibt. Hierdurch wird das Einlegen in die Materialaufnahme der Verarbeitungseinheit erleichtert. Zum Halten der Bandspule in der Greifvorrichtung wirkt das Halteelement mit der Spulenflanke zusammen. Das Halteelement weist einen Fortsatz auf, der mit einem Aufnahmeprofil ausgebildet ist und mit der Spulenflanke zusammenwirkt. Insbesondere umfasst bzw. umgreift das Aufnahmeprofil die Spulenflanke bzw. einen Teil des Umfangs der Spulenflanke. Bevorzugt ist das Aufnahmeprofil als U-Profil ausgebildet. Ein Kontakt zwischen Halteelement und Band, durch den das Band beschädigt oder verschmutzt werden könnte, wird vermieden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Halteelement im Wesentlichen auf einer der Bandspule abgewandten Seite des Grundkörpers angeordnet und überragt den Grundkörper zum Festlegen der Bandspule parallel und orthogonal zum Grundkörper, um die Bandspule an der dem Grundkörper zugewandten Spulenflanke festzulegen. Bevorzugt steht zumindest ein Teil des Halteelements über den Grundkörper in Richtung der Bandspule über. Der Überstand bewirkt, dass das Halteelement mit der dem Grundkörper zugewandten Spulenflanke an ihrem Umfang zusammenwirken kann, um die Bandspule an ihrer Spulenflanke festzulegen. Die dem Grundkörper abgewandte Spulenflanke bleibt zugänglich. Zudem wird sichergestellt, dass das Halteelement nicht mit dem Band in Kontakt kommt und dieses beschädigt.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Greifvorrichtung zumindest zwei weitere Halteelemente, wobei das Halteelement und die weiteren Halteelemente dazu ausgebildet sind, die Bandspule an der dem Grundkörper zugewandten Spulenflanke in versetzter Anordnung, bevorzugt um ungefähr 90° versetzt, festzulegen. Die insgesamt zumindest drei Halteelemente wirken zum Halten der Bandspule zusammen. Die Halteelemente sind bevorzugt bezüglich der Bandspule um ungefähr 90° versetzt gegenüber einander angeordnet und/oder identisch ausgebildet. Durch die Halterung an drei Punkten wird eine stabile Befestigung erreicht. Insbesondere kann die Bandspule zwischen den Halteelementen eingeklemmt werden. Jedes einzelne Halteelement muss lediglich eine relativ geringe Kraft aufnehmen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Grundkörper im Wesentlichen kreisförmig, bevorzugt kreisringförmig mit einem Innenkreisradius, der größer als ein Radius eines Zentralzylinders der Bandspule ist, ausgebildet; und das Halteelement dazu ausgebildet, die Bandspule in konzentrischer Ausrichtung zum Grundkörper festzulegen. Durch eine kreisringförmige Ausbildung des Grundkörpers sowie durch die konzentrische Ausrichtung der Bandspule wird erreicht, dass ein Zentralzylinder der Bandspule sowohl auf der dem Grundkörper abgewandten Seite der Bandspule als auch auf der dem Grundkörper zugewandten Seite der Bandspule zugänglich ist. Hierdurch kann eine Befestigung der Bandspule an der Materialaufnahme am Zentralzylinder der Bandspule vorgenommen werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Halteelement eine Haltepneumatik oder eine Haltehydraulik zum klemmenden Festlegen der Bandspule; und/oder das Spannelement eine Spannpneumatik oder Spannhydraulik zum klemmenden Einspannen des Bandanfangs. Sowohl die Haltepneumatik/-hydraulik als auch die Spannpneumatik/-hydraulik bewirken bevorzugt das Ausüben einer translatorischen Klemmbewegung zum Einklemmen der Bandspule bzw. des Bandanfangs. Alternativ sind jedoch auch rotatorische Bewegungen oder Schwenkbewegungen möglich. Eine Pneumatik oder eine Hydraulik erlauben das Ausüben vergleichsweise großer Kräfte auf kleinem Raum und ermöglichen insbesondere eine effiziente und einfache Ansteuerung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Zuführvorrichtung zum Bereitstellen einer Bandspule zum Greifen mit einer Greifvorrichtung wie zuvor beschrieben, mit:
einem Vorspannelement zum Einspannen eines Bandanfangs eines auf die Bandspule aufgespulten Bandes, um das Band unter Spannung zu halten, wobei das Vorspannelement mit dem Spannelement der Greifvorrichtung zusammenwirkt, um eine Spannung des Bandes beim Greifen der Bandspule in der Zuführvorrichtung zu erhalten; und das Vorspannelement bevorzugt eine Vorspannpneumatik oder eine Vorspannhydraulik zum klemmenden Festlegen des Bandanfangs umfasst.
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Die erfindungsgemäße Zuführvorrichtung ist dazu ausgelegt, die Bandspule derart bereitzustellen, dass sie mit der erfindungsgemäßen Greifvorrichtung gegriffen werden kann. Insbesondere versteht sich hierunter eine zugängliche Ausrichtung der Bandspule sowie des Bandanfangs im bereitgestellten Zustand. Das Vorspannelement der Zuführvorrichtung bewirkt, dass das Band auf Spannung gehalten wird während sich die Bandspule in der Zuführvorrichtung befindet. Das erfindungsgemäße Transportsystem umfasst zudem die an die Greifvorrichtung ankoppelbare Antriebsvorrichtung, durch die insbesondere eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Greifvorrichtung sowie einer daran festgelegten Bandspule erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Transportsystem stellt einen Teil eines entsprechenden Verarbeitungssystems zum Verarbeiten eines Bandes, insbesondere einer Herstellungseinheit zum Herstellen von Preformen, dar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Zuführvorrichtung eine Vorratsvorrichtung zum Bereitstellen mehrerer Bandspulen und/oder ist als Materialwagen zur Aufnahme und zum rollenden Transportieren mindestens einer Bandspule ausgebildet; und/oder umfasst die Zuführvorrichtung ein Förderbandsystem zum Fördern der Bandspule aus einem Vorratsbereich in einen Aufnahmebereich, in dem die Bandspule zum Greifen mit der Greifvorrichtung bereitgestellt wird. Die genannten Merkmale können hierbei allein oder in Kombination verwendet werden. Das Bereitstellen mehrerer Bandspulen bewirkt, dass seltener Bandspulen nachgeliefert werden müssen, wodurch die Produktivität gesteigert werden kann. Vorteilhafterweise ist die Zuführungsvorrichtung als Materialwagen ausgebildet, mit dem eine oder mehrere Bandspulen von einem Lagerbereich in den Bereich der Greifvorrichtung transportiert werden können. Die Bandspule oder die Bandspulen können dem Materialwagen mit der Greifvorrichtung direkt entnommen werden. Alternativ oder auch in Kombination ist es möglich, dass die die Zuführvorrichtung ein Förderbandsystem umfasst, durch das neue Bandspulen ohne Mitwirkung des Bedienpersonals zugeführt werden können.
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Weiterhin betrifft ein Aspekt der Erfindung ein Transportsystem zum Transport einer Bandspule, mit einer Greifvorrichtung wie zuvor beschrieben; mit einer Zuführvorrichtung zum Bereitstellen einer Bandspule, insbesondere wie zuvor beschrieben; mit einer an die Greifvorrichtung ankoppelbaren Antriebsvorrichtung zum Bewegen der Bandspule, die dazu ausgebildet ist, eine Transportbewegung auszuführen, durch die die Bandspule von der Zuführvorrichtung zu der Materialaufnahme des Verarbeitungssystems transportiert wird; und mit einer Steuereinheit zum Steuern der Antriebsvorrichtung, wobei die Antriebsvorrichtung bevorzugt als Industrieroboter mit einem Roboterarm zum Ankoppeln der Greifvorrichtung ausgebildet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Transportsystems ist die Steuereinheit zum Ansteuern des Spannelements und des Vorspannelements beim Greifen der Bandspule in der Zuführvorrichtung ausgebildet, um ein Lösen der Einspannung des Bandes durch das Vorspannelement und ein Einspannen des Bandes durch das Spannelement aufeinander abzustimmen, sodass die Spannung des Bandes beim Greifen der Bandspule erhalten wird. Spannelement und Vorspannelement werden so gesteuert, dass zu keinem Zeitpunkt die Spannung des Bandes verloren geht. Insbesondere ist hier eine zeitliche Abstimmung notwendig. Zudem muss die entsprechende mechanische Ausführung so sein, dass sich die Aktoren nicht gegenseitig behindern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinheit zum Ansteuern des Halteelements ausgebildet, um die Bandspule in der Zuführposition festzulegen und die Festlegung der Bandspule zu lösen, wenn die Bandspule in der Materialaufnahme gehalten und der Bandanfang eingespannt gehalten wird. Die Steuereinheit bewirkt, dass die Bandspule während der Bewegung durch die Antriebsvorrichtung festgelegt ist. Ein schneller Wechsel einer leeren Bandspule wird ermöglicht.
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Bevorzugt ist die Antriebsvorrichtung dazu ausgebildet, den Bandanfang von der Materialaufnahme zu einer Fördereinheit zur Förderung des Bandes durch das Verarbeitungssystem zu führen, wenn die Bandspule in der Materialaufnahme gehalten wird. Beim Wechseln einer Bandspule ist es zumeist erforderlich, dass der Bandanfang ausgehend von der Spule zu einer entsprechenden Einheit des Verarbeitungssystems geführt wird, die das Band dann einzieht bzw. fördert. Dieser Einlegevorgang kann ebenfalls durch die Antriebsvorrichtung durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass auch hierzu kein manuelles Eingreifen erforderlich ist.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die Greifvorrichtung, die Zuführvorrichtung, das Transport- und das Verarbeitungssystem in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein können.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Transportsystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Bandspule und eines darauf aufgewickelten Bandes;
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3 eine schematische Darstellung einer Greifvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Detailansicht eines Halteelements zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Greifvorrichtung;
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5 eine schematische Darstellung einer Zuführvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, die als Materialwagen ausgebildet ist; und
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6 eine schematische Darstellung eines Verarbeitungssystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Transportsystem 10 dargestellt. Eine Greifvorrichtung 12 ist an eine Antriebsvorrichtung 14 angekoppelt. An der Greifvorrichtung 12 ist eine Bandspule 16 festgelegt. Mittels der Antriebsvorrichtung 14 wird die Bandspule 16 von einer Zuführvorrichtung 18 in eine Materialaufnahme 20 eines Verarbeitungssystems transportiert. Die Antriebsvorrichtung 14 wird mittels einer Steuereinheit 22 entsprechend zum Ausführen der Bewegung angesteuert. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Transportsystem 10 zur Verwendung in der Herstellung von Bandstrukturen bzw. Tapestrukturen, welche zur Verstärkung in faserverstärkten Bauteilen zur Verwendung kommen, mittels des Band- bzw. Tape-Legeverfahrens.
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Bei entsprechenden Legevorrichtungen besteht das Problem, dass das zu verarbeitende und auf Spulen, insbesondere Bandspulen 16, vorhandene Rohmaterial, welches in Form eines Bandes 36, welches auch als Tape bezeichnet wird, vorliegt, aufgrund seiner Eigenspannung auf der Spule auffedert und sich abwickeln kann, sodass sich der Bandanfang 38 an einer undefinierten Position befindet, die ein automatisiertes Beladen der Bandspule 16 und Einfädeln des Bandes 36 unmöglich macht. Bei der Lieferung der Bandspulen 16 ist der Bandanfang 38 zumeist durch eine Punktschweißverbindung (insbesondere mittels Ultraschallschweißen) oder ähnliches mit der darunterliegenden Schicht verbunden. Diese Verbindung muss vor der Weiterverarbeitung gelöst werden.
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Ein bisheriger Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, den Bandanfang 38 eines neuen Bandes 36 an das Bandende einer vorher verwendeten Bandspule 16 anzuheften, welches auch als Spleißen bekannt ist. Bei diesem Ansatz liegen beide Bänder 36 in einem gespleißten Bereich übereinander. Dieser Bereich kann zumeist nicht weiterverarbeitet werden und muss unter zusätzlichem Aufwand und unter Inkaufnahme zusätzlichen Materialverlustes mittels einer Schneideinrichtung entfernt und aus dem System ausgeschleust werden. Zudem bleibt das Problem bestehen, dass es bei der Entnahme einer nur teilweise verbrauchten Bandspule 16 zum Auffedern des auf der Spule verbleibenden Materials kommt, wodurch dieses unbrauchbar werden kann, da sich unter anderem Staub und Partikel an dem aufgefedertem Band anlagern kann. Zudem ist die Position des Bandanfanges 38 nicht mehr genau definiert, wodurch ein automatisiertes Wiederverwenden der teilweise aufgebrauchten Bandspule 16 nicht möglich ist und somit teilweise aufgebrauchte Bandspulen 16 nur durch einen händischen Prozess in den Prozess zum Legen von Bandstrukturen zurückgeführt werden können.
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Erfindungsgemäß wird eine Bandspule 16 mittels einer Zuführvorrichtung 18, die bevorzugt als Materialwagen ausgebildet sein kann, für die weitere Verwendung bereitgestellt. Der Bandanfang 38 wird eingespannt und das Band 36 wird auf Spannung gehalten, solange sich die Bandspule 16 in der Zuführvorrichtung 18 befindet. Durch die Einspannung sind die Länge und Position des Bandes 36, und insbesondere des Bandanfanges 38, fest definiert. Anschließend wird mittels der erfindungsgemäßen Greifvorrichtung 12 die Bandspule 16 aufgenommen und der Materialaufnahme 20 zugeführt. In der dargestellten Ausführungsform kann die Materialaufnahme 20 zwei Bandspulen 16 aufnehmen. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungen möglich sind, insbesondere zur Aufnahme lediglich einer oder auch weiterer Bandspulen 16.
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Die Greifvorrichtung 12 wird mittels einer Antriebsvorrichtung 14 bewegt. Durch die Antriebsvorrichtung 14 wird die Bandspule 16 von einer Bereitstellungs- oder Zuführposition in der Zuführvorrichtung 18 in eine Halte- oder Aufnahmeposition in der Materialaufnahme 20 des Verarbeitungssystems 46 transportiert. Bevorzugt ist die Antriebsvorrichtung 14 wie dargestellt als Industrieroboter bzw. als Roboterarm eines Industrieroboters ausgebildet. Die Greifvorrichtung 12 ist über eine entsprechende Schnittstelle mit dem Roboterarm verbunden. Die Verbindung kann insbesondere angeschraubt oder mittels einer Werkzeugkopplung lösbar angekoppelt sein, um einen Werkzeugwechsel zu ermöglichen, so dass der Roboter auch andere Aufgaben im Bereich der Herstellung von Bandstrukturen übernehmen kann. Die Steuerung der Antriebsvorrichtung 14 wird von einer Steuereinheit 22 bewirkt, die ein entsprechendes Steuersignal erzeugt.
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Die Steuereinheit 22 ist bevorzugt zudem dazu ausgebildet, die Antriebsvorrichtung 14 nach der Übergabe der Bandspule 16 an die Materialaufnahme 20 zum Einführen des Bandanfangs 38 in das Verarbeitungssystem 46 zur weiteren Verarbeitung des Bandes 36 anzusteuern. Hierzu kann der Bandanfang 38 zunächst weiterhin durch das Spannelement 24 eingespannt bleiben und der Roboterarm, an den die Greifvorrichtung 12 gekoppelt ist, kann die entsprechende Einführ- oder Einfädelbewegung ausführen. Ebenfalls ist es jedoch auch möglich, dass ein separater Roboterarm zum Einführen bzw. Einfädeln des Bandes 38 verwendet und angesteuert wird. Alternativ ist es auch denkbar, dass nach Übergabe der Bandspule 16 an die Materialaufnahme 20 der Bandanfang 38 durch eine Spanneinrichtung in der Materialaufnahme 20 eingespannt gehalten wird und am Roboterarm ein Werkzeugwechsel von der Greifvorrichtung 12 zu einer Greifeinrichtung erfolgt, welche dann das Band 36 durch die Materialaufnahme führen und dem Verarbeitungssystem 46 zuführen kann.
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Es versteht sich, dass die Antriebsvorrichtung 14 in anderen Ausführungsformen auch in einer gemeinsamen Vorrichtung mit der Zuführvorrichtung 18 kombiniert ausgeführt sein kann. Zudem ist auch eine Kombination mit der Materialaufnahme 20 bzw. mit dem Verarbeitungssystem 46 denkbar.
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In der 2 ist schematisch eine Bandspule 16 illustriert. Die Bandspule 16 weist Spulenflanken 32 auf. Die Spulenflanken schließen die Bandspule 16 auf ihren Stirnseiten 34 ab. Auf der Bandspule 16 ist ein entsprechendes Band 36, welches auch als Tape bezeichnet wird, aufgewickelt, das bevorzugt thermoplastische Endlosfasern umfasst. Die Spulenflanken 32 verhindern ein Abgleiten oder Abrutschen des Bandes 36 in Axialrichtung der Bandspule 16. In der schematischen Darstellung ist zudem ein Bandanfang 38, also das Ende der Wicklung des Bandes 36, dargestellt. Die Bandspule 16 weist einen Zentralzylinder 17 auf, der sich zum Ankoppeln an eine Drehvorrichtung zum Antreiben der Bandspule 16 eignet.
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In der 3 ist eine erfindungsgemäße Greifvorrichtung 12 schematisch illustriert. Die Greifvorrichtung 12 weist ein Spannelement 24 auf, mittels dem der Bandanfang 38 gegriffen oder eingespannt werden kann, sodass ein auf der Bandspule 16 aufgewickeltes Band 36 stets unter Spannung steht und sich nicht abwickeln bzw. auffedern kann. Die Greifvorrichtung 12 umfasst weiterhin ein Halteelement 26, durch das eine Bandspule 16 an der Greifvorrichtung 12 festgelegt werden kann. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Greifvorrichtung 12 zudem zwei weitere Halteelemente 26a und 26b. Weiterhin umfasst die Greifvorrichtung 12 einen Grundkörper 28, an dem die Halteelemente 26, 26a, 26b sowie das Spannelement 24 befestigt sind. Ebenfalls dargestellt ist die Ankopplung 30 der Antriebsvorrichtung 14.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Grundkörper 28 im Wesentlichen als kreisförmige Scheibe ausgebildet. Die dem Spannelement 24 sowie den Halteelementen 26, 26a und 26b abgewandte Seite des flächigen Grundkörpers 28 ist flach und zum Anlegen an eine Stirnseite 34 der Bandspule 16 ausgebildet. Die Bandspule 16 wird an einer ihrer Stirnseiten 34 an die Anlagefläche des Grundkörpers 28 der Greifvorrichtung 12 angelegt und von den Halteelementen 26, 26a und 26b gehalten.
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Erfindungsgemäß sind die Halteelemente 26, 26a und 26b sowie das Spannelement 24 so angeordnet, dass eine Bandspule 16, die sich in einer Zuführvorrichtung 18 befindet, festgelegt werden kann und der Bandanfang 38 während des Festlegens und Einspannens auf Spannung gehalten werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die drei Halteelemente 26, 26a und 26b identisch als Aktuatoren zum Ausführen einer translatorischen (Klemm-)Bewegung in Radialrichtung ausgebildet. Die Halteelemente 26, 26a und 26b sind bezüglich des Grundkörpers 28 um 90° zueinander versetzt, sodass, aufgrund der Breite eines Halteelements 26, 26a, 26b insgesamt ein Winkelbereich von mehr als 180° abgedeckt wird und sich die Bandspule 16 im festgelegten Zustand nicht lösen kann. Ein Teil jedes Halteelements 26, 26a, 26b steht über den Grundkörper 28 radial und axial bezüglich des Grundkörpers 28 in Richtung der Bandspule 16 über und überragt somit den Grundkörper 28. Der überragende Teil ist radial beweglich und erlaubt das Festlegen bzw. Festklemmen der Bandspule 16 an der Spulenflanke 32, ohne dass das Band 36 berührt wird. Zudem bleibt in dieser Anordnung die dem Grundkörper 28 abgewandte Stirnseite 34 bzw. Spulenflanke 32 der Bandspule 16 im festgelegten Zustand zur Aufnahme und zur Weitergabe der Bandspule 16 frei. Die Halteelemente 26, 26a und 26b sowie das Spannelement 24 sind auf dem Grundkörper 28 korrespondierend zur Ausgestaltung der Zuführvorrichtung 18 bzw. der Materialaufnahme 20 des Verarbeitungssystems 46 angeordnet sowie zum Zusammenwirken mit Zuführvorrichtung 18 und Materialaufnahme 20 ansteuerbar.
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Die dargestellte Ausführungsform mit drei identisch ausgebildeten aktiven Halteelementen 26, 26a, 26b hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Anzahlen von Halteelementen 26, 26a, 26b sowie andere Anordnungen oder Winkel möglich sind. Ebenfalls ist es möglich, lediglich ein oder zwei als Aktuatoren ausgebildete Halteelemente 26, 26a, 26b zu verwenden und ein anderes bzw. mehrere andere Halteelemente 26, 26a, 26b als Anschlag, an den die Bandspule 16 angepresst wird, zu verwenden.
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In der 4 ist ein Halteelement 26 schematisch illustriert. Das Halteelement 26 umfasst zur Befestigung einer mit ihrer Stirnseite an der Greifvorrichtung 12 anliegenden Bandspule 16 ein entsprechendes Aufnahmeprofil 40. Das Aufnahmeprofil 40 ist als U-Profil ausgebildet und umgreift eine Spulenflanke 32 der anliegenden Bandspule 16. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Halteelement 26 eine Haltepneumatik 42, welche als pneumatisches Element, beispielsweise Arbeitszylinder ausgebildet sein kann, die das Ausüben einer translatorischen Bewegung des Aufnahmeprofils 40 in Richtung der Spulenflanke 32 und damit ein Festlegen der Bandspule 16 bewirkt. Es versteht sich, dass das Halteelement 26 auch hydraulisch ausgeführt sein kann sowie dass auch andere Aktuatoren verwendet werden können.
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In der 5 ist eine erfindungsgemäße Zuführvorrichtung 18 im Zusammenspiel mit einer Greifvorrichtung 12 schematisch illustriert. Die Zuführvorrichtung 18 ist dazu ausgelegt, eine Bandspule 16 in einer Form aufzunehmen, dass diese durch eine Greifvorrichtung 12 aufgenommen und weiter transportiert werden kann. Die Greifvorrichtung 12 liegt mit ihrer flachen Seite an der Bandspule 16 an und legt diese fest. In der dargestellten Ausführungsform ist die Zuführvorrichtung 18 als Vorratsvorrichtung zum Aufnehmen von insgesamt vier Bandspulen 16 ausgebildet, die nacheinander bereitgestellt werden. Die in der Darstellung oberste Bandspule 16 ist zugänglich und kann mit der Greifvorrichtung festgelegt werden. Es erfolgt eine Übergabe der Bandspule von der Zuführvorrichtung 18 an die Greifvorrichtung 12.
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Die Zuführvorrichtung weist ein Vorspannelement 44 auf, durch das ein Bandanfang 38 eines auf die Bandspule 16 aufgespulten Bandes 36 unter Spannung gehalten werden kann. Das Vorspannelement 44 wirkt als Aktor zum Einklemmen des Bandanfangs 38. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Vorspannelement 44 dazu ausgelegt, die Bandanfänge 38 aller vier Bandspulen 16 unter Spannung zu halten. Die Einwirkung auf die Bandanfänge 38 erfolgt dabei jeweils separat durch separate Klemmelemente, beispielsweise Klemmbacken (nicht dargestellt), sodass ein einzelnes Lösen des Bandanfangs 38 der obersten Bandspule 16 möglich ist, wenn diese mit der Greifvorrichtung 12 gegriffen wird.
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Die Bandspule 16 wird festgelegt und der Bandanfang 38 wird mit dem Spannelement 24 eingespannt, während sich die Bandspule 16 in der Zuführvorrichtung 18 befindet. Das Vorspannelement 44 und das Spannelement 24 der Greifvorrichtung 12 sind dazu korrespondierend ausgebildet. Beim Greifen der Bandspule 16 wirken Vorspannelement 44 und Spannelement 24 zusammen, sodass die Spannung des Bandes 36 während des Greifvorgangs erhalten bleibt. Das Vorspannelement 44 gibt erst dann den Bandanfang 38 frei, wenn er durch das Spannelement 24 eingespannt ist. Sowohl das Vorspannelement 44 als auch das Spannelement 24 können dabei beispielsweise als pneumatische oder hydraulische Elemente ausgeführt sein. Durch die damit ausgeübte Kraft können insbesondere zwei Klemmbacken eine Klemmbewegung ausführen und das Band 36 bzw. den Bandanfang 38 einklemmen. Es versteht sich, dass auch andere Aktoren und/oder andere Konstruktionen möglich sind.
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In der 6 ist eine Weiterverarbeitung der Bandspule 16 in einem Verarbeitungssystem 46 schematisch illustriert. Dargestellt ist eine Band-Legevorrichtung. Eine Bandspule 16 wird in einer entsprechenden Materialaufnahme 20 gehalten. Hierzu ist ein Haltedorn 48 vorgesehen, der als Fortsatz in einen Zentralzylinder 17 der Bandspule 16 eingreift. Vorteilhafterweise ist der Haltedorn 48 angetrieben, sodass er ein aktives Abwickeln des Bandes 36 bewirken kann. Zur weiteren Verarbeitung wird das Band 36 über eine oder mehrere Umlenkrollen 50 durch ein Tänzersystem 52 geführt. Das Tänzersystem 52 bewirkt mittels eines Federsystems einen Bandvorrat. Im weiteren Verlauf wird das Band 36 von einer Schneidvorrichtung 54 geschnitten. Zum sauberen Schneiden ist es erforderlich, dass das Band 36 kurz angehalten wird. Um trotzdem ein kontinuierliches Abwickeln der Bandspule 16 zu ermöglichen, kann das Tänzersystem 52 dieses kurze Abbremsen oder Abstoppen der Bandbewegung ausgleichen. Weiterhin vorgesehen ist eine Fördereinheit 56, die das Band 36 einzieht und der Schneidvorrichtung 54 zuführt. Mittels einer oder mehrerer Förderbänder 58, die bevorzugt als Vakuum-Transportbänder ausgebildet sind, wird das Band 36 bzw. ein vom Band 38 abgetrennter Bandabschnitt dann auf einen Legetisch 60, der bevorzugt ebenfalls als Unterdrucksystem ausgebildet ist, gelegt. Auf dem Legetisch 60 werden die Bandstrukturen im Legeverfahren hergestellt.
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Mit einem Band 36 oder Tape ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise jegliche Art von bahnförmigem Material, insbesondere ein Prepregmaterial, das beispielsweise eine Breite zwischen 30 und 200 mm aufweist, gemeint, welches für ein Ablegen mittels einer Band-Legevorrichtung geeignet ist. Mit Prepegmaterial sind vorliegend insbesondere Fasergarne (Rovings), Fasergelege und/oder Fasergewebe gemeint, welche mit einem Binder benetzt und/oder mit einer Matrix, beispielsweise einer Duroplastmatrix oder Thermoplastmatrix, teilweise oder vollständig imprägniert, insbesondere vorimprägniert, sind.
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Bei den Fasern handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern, ist aber in gleicher Weise auch für Glasfasern oder andere, insbesondere künstlich hergestellte, Fasern anwendbar. Das Band 36 kann auf einem Trägermaterial angeordnet sein, insbesondere einer Trägerfolie oder einem Trägerpapier, das während des Ablegens des Tapes zum Aufbau des Laminats sich von dem Trägermaterial löst, wobei das Trägermaterial mittels einer geeigneten Einrichtung der Legevorrichtung beseitigt, beispielsweise aufgewickelt, wird. Bevorzugt können jedoch auch Bänder Verwendung finden, die keine Trägermaterialien benötigen.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Transportsystem
- 12
- Greifvorrichtung
- 14
- Antriebsvorrichtung
- 16
- Bandspule
- 17
- Zentralzylinder
- 18
- Zuführvorrichtung
- 20
- Materialaufnahme
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Spannelement
- 26
- Halteelement
- 26a
- Halteelement
- 26b
- Halteelement
- 28
- Grundkörper
- 30
- Ankopplung
- 32
- Spulenflanke
- 34
- Stirnseiten
- 36
- Band
- 38
- Bandanfang
- 40
- Aufnahmeprofil
- 42
- Haltepneumatik
- 44
- Vorspannelement
- 46
- Verarbeitungssystem
- 48
- Haltedorn
- 50
- Umlenkrolle
- 52
- Tänzersystem
- 54
- Schneidvorrichtung
- 56
- Fördereinheit
- 58
- Transportband
- 60
- Legetisch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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