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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tapelegevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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Die Anwendungen für Faserverbundwerkstoffe sind über die vergangenen Jahrzehnte immer weiter gestiegen, insbesondere wenn sie als preiswerte Alternative zu den metallischen Werkstoffen gesehen werden konnten, mit den Vorteilen der Gestaltungsfreiheit und anwendungsspezifischer Formulierungsmöglichkeiten. Speziell der Werkstoff CFK (Carbonfaserverstärkter Kunststoff) hat ein extrem hohes Leichtbaupotential, wobei er sich zugleich durch seine hohe Festigkeit und sehr hohe Struktursteifigkeit auszeichnet. Letzteres ist beispielsweise im Automobilbau ein wichtiges Kriterium.
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Die heutigen Entwicklungstätigkeiten für Produktionsanlagen zur Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen reichen daher von reiner Maschinenentwicklung bis hin zu schlüsselfertigen Produktionssystemen. Erstere umfassen für gewöhnlich Preform-Herstelleinheiten, Presseinheiten und ggf. Injektionseinheiten sowie Nachbearbeitungseinheiten – letztere die entsprechende Automatisation für das Preform-Handling, die Werkzeugreinigung, die Bauteilentnahme und dergleichen mehr.
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Die automatisierbare Herstellung der Preform stellt eine Schlüsseltechnologie im Herstellungsprozess von endlosfaserverstärkten Faserverbundbauteilen zur Realisierung einer effizienten Großserienfertigung mit reproduzierbarer stabiler Bauteilqualität dar. Aber auch bei sogenannten Hybridbauteilen, also formgepressten Blechen, die vornehmlich mit Carbonfaser-Halbzeugen verpresst werden, um kritische Belastungszonen zusätzlich zu verstärken, müssen sich alle Produktions-Einheiten anlagen- und steuerungstechnisch integrieren lassen, wenn eine hinreichende Produktivität erreicht werden soll.
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Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen werden heute überwiegend textile Faser-Halbzeuge wie mit einem Binder (Schmelzkleber) benetzte und/oder mit einer Matrix teilweise oder vollständig imprägnierte Faser-Garne und/oder Flächengebilde (sog. Prepregs) wie Fasergewebe, Fasergestricke, Fasergelege oder Fasermatten verwendet. Die Matrix von faserverstärkten Kunststoffen hat die Aufgabe, die hochbelastbaren Fasern einzubetten (Stützfunktion) und deren Zwischenraum vollständig auszufüllen (Sperrfunktion).
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An Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen können grundsätzlich Materialien aus den Gruppen der Thermoplaste oder der Duroplaste und ggf. zusätzlicher elastifizierender Komponenten, wie Elastomere, eingesetzt werden, welche sich in der Festigkeit, der maximalen Dehnung, der Einsatztemperatur, der Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Chemikalienbeständigkeit unterscheiden. Duroplastische Formmassen lassen sich durch Temperatureinwirkung plastifizieren, sind in diesem Moment formbar und härten dann irreversibel unter Druck und Temperatur aus. Im Gegensatz zu den Thermoplasten bestehen die Elastomere und Duroplaste (auch Duromere genannt) nach der Verarbeitung, d. h. im gebrauchsfertigen Zustand, aus mehr oder weniger stark vernetzten Makromolekülen, die in der Regel weder schmelzbar noch löslich sind.
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Aus diesen Halbzeugen, die als Rollen oder Plattenware in Standardformaten zur Verfügung stehen, werden in einem Schneidprozess Zuschnitte erzeugt, die in der Regel das umgeformte Bauteil vollflächig auskleiden. Beim Schneiden der Zuschnitte entsteht, je nach Bauteilgeometrie ein signifikanter Schneidabfall, der nicht verarbeitet werden kann und die Effizienz dieses Prozesses erheblich verschlechtert.
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Zur Verbesserung der Ressourceneffizienz können endlosfaserverstärkte Bauteile über Faser- oder auch als Tape-Legeverfahren bekannt gewordene Verfahren wesentlich verschnittärmer bzw. verschnittfrei hergestellt werden. Speziell die Verwendung von Tapes aus thermoplastischen Endlosfasern erweist sich als eine sehr attraktive Prozessvariante. Hierbei stellt insbesondere das Legen der für gewöhnlich als Tape vorliegenden Faserverbundwerkstoffe zum Aufbau eines Laminats eine besondere Herausforderung dar.
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Mit einem „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 Tapelegevorrichtung 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.
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Das Tape 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 Tapelegevorrichtung beseitigt, beispielsweise aufgewickelt, wird. Bevorzugt können jedoch auch Tapes Verwendung finden, die keine Trägermaterialien mehr benötigen.
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Zur Verarbeitung von Tapes ist bekannt, diese von einer Spule oder Rolle abzuziehen, auf Länge zu schneiden und auf einen Legetisch bzw. einer bereits auf dem Legetisch abgelegten Tapestruktur abzulegen. Mit dem Ablegen eines Tapestreifens wird dieser über eine Anzahl an Ultraschall-Schweißköpfen punktweise mit der darunter liegende Tapeschicht verbunden.
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Zur Verarbeitung von Tapes und zur Durchführung eines Tape-Legeverfahrens werden vielfach automatische Vorrichtungen eingesetzt, welche in der Lage sind, ein Tape strukturiert abzulegen. Bekannt sind insbesondere sog. Tapelegevorrichtungen, unter welchen vorliegend beispielsweise auch eine sog. Fiber-Placement-Vorrichtung zu verstehen ist.
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Eine beispielhafte Tapelegevorrichtung ist aus dem Dokument
WO 2014/083196 A1 bekannt, das eine Tapelegevorrichtung beschreibt, die mit zwei Legekopfeinheiten konfiguriert ist. Die Legekopfeinheiten sind so angeordnet, dass sie für einen einzelnen Legetisch zugänglich sind. Die Legekopfeinheiten sind voneinander unabhängig und jeweils mit einer eigenen Material-Zuführungseinheit, Schneideinrichtung, Greifmittel mit zugehörigem Linearantrieb, Führungsbahnen und Bandhefteinheit konfiguriert. In dieser Konfiguration kann ein Bandabschnitt auf Länge gezogen, in Führungsbahnen positioniert und mit der ersten Legekopfeinheit auf dem zu produzierenden Teil in Position geheftet werden, während gleichzeitig der nächste Bandabschnitt auf Länge gezogen und auf der zweiten Legekopfeinheit in den Führungsbahnen positioniert wird. Nachdem der erste Bandabschnitt von der ersten Legekopfeinheit angeheftet wurde, befördert der Legetisch das zu produzierende Teil zur zweiten Legekopfeinheit, währenddessen der nächste Bandabschnitt vorbereitet und in Position gebracht ist, um am zu produzierenden Teil angeheftet zu werden.
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Die
US 8,048,253 B2 beschreibt ebenfalls eine Tapelegevorrichtung mit einem Legekopf, wobei ein Tape-Bandmaterial einer Schneideinrichtung zugeführt wird, welche einen Tapestreifen bzw. ein Tape abtrennt, der anschließend mit dem Legekopf auf die Bearbeitungsfläche eines Legetisches platziert wird. Das Tape-Bandmaterial und der abgetrennte Tapestreifen werden in dem Legekopf dabei jeweils in Führungsschienen geführt, die zu beiden Seiten des Bandes bzw. des Tapes angeordnet sind, wobei die Kanten des Bandes bzw. des Tapes in Nuten, die in den Führungsschienen vorgesehen sind, gehalten werden. Das Dokument beschreibt auch, dass mehrere Legeköpfe vorgesehen sein können, so dass es möglich wird, mehrere Tapes bzw. Tapestreifen gleichzeitig abzulegen.
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Bei beiden dieser bekannten Tapelegevorrichtungen besteht der Nachteil, dass wegen dem nur seitlichen Führen und Halten der Tapes mittels der Führungsschienen das zu verarbeitende Tape-Bandmaterial eine hinreichend hohe innere Steifigkeit aufweisen muss, so dass es nicht dazu kommt, dass das Tape-Bandmaterial durchhängt und aus den Führungsschienen fällt. Dies kann eine unerwünschte Einschränkung hinsichtlich der verarbeitbaren Materialien, Dicken und/oder Breiten darstellen.
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Auch kann wegen dem nur relativ losen Halten der Tapes mittels der seitlichen Führungsschienen die Taktzeit nicht beliebig erhöht werden. Dies liegt daran, dass bei einer zu raschen Bewegung beim Absenken des Legekopfs, bei der dementsprechend der Tapestreifen rasch gegen den Widerstand der umgebenden Luft bewegt werden muss, sich die Gefahr, dass der das Tape aus den Führungsschienen „geweht“ wird und herausfällt, signifikant erhöhen kann.
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Für die Verlegung von großflächigen Fasergeweben beschreibt das Dokument
WO 2012/156524 A1 ein Verfahren zum Transportieren einer aus einem flächigen Fasergewebe ausgeschnittenen Faserkontur im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen. Dabei wird eine Faserkontur auf einem Schneidtisch ausgeschnitten. Anschließend verfährt ein Sauggreifer über die Faserkontur und bringt eine Transportplatte in Kontakt mit der ausgeschnittenen Faserkontur. Mittels an der Transportplatte angeordneten Saugvorrichtungen wird die Faserkontur an der Transportplatte fixiert und von dem Schneidtisch abgehoben. Die Saugvorrichtungen arbeiten nach dem Bernoulli-Prinzip, wobei durch die Druckluftzufuhr entstehenden Luftströmungen der Saugvorrichtungen von dem Trennschnitt der Faserkontur weggeführt werden. Der Sauggreifer ist an einem Manipulator wie einem Industrieroboter befestigt. Ein vergleichbares Prinzip eines Sauggreifers, der zum Aufnehmen von großflächigen Fasergeweben dient an einem Industrieroboter befestigt ist, ist auch aus dem Dokument
DE 10 2013 208 778 A1 bekannt, das einen Sauggreifer in Form einer Stabsystemanordnung aus winkelig verkreuzten und parallelogrammartig verschiebbaren Stäben beschreibt. An der Gitterstruktur sind Sauggreifer, die einen Coanda-Effekt nutzen, variabel positionierbar angeordnet.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Tapelegevorrichtung anzugeben, welche die vorstehenden Nachteile überwindet.
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Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Tapelegevorrichtung anzugeben, welche ein schnelles Legen von Bauteilen oder von Bauteillagen mit kurzer Zykluszeit erlauben.
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Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Tapelegevorrichtung anzugeben, welche flexibel und rasch zum effizienten Ablegen von Tape-Bandmaterial unterschiedlicher Breiten eingesetzt werden können.
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Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Tapelegevorrichtung anzugeben, die mit geringen Anlagenkosten und Betriebskosten eingesetzt werden können.
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Die vorstehenden Aufgaben und weitere Aufgaben werden gelöst durch eine Tapelegevorrichtung umfassend eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen zumindest eines Tapes zu einer nachgeordneten Legeeinrichtung, welche zum Aufnehmen von zugeführten Tapes und Platzieren der Tapes auf einem Legetisch angeordnet ist, wobei die Legeeinrichtung und vorzugsweise die Zuführungseinrichtung jeweils ein flächiges Transportelement aufweisen, wobei die Legeeinrichtung und die Zuführungseinrichtung zur Übergabe zumindest eines Tapes von der Zuführungsvorrichtung auf die Legeeinrichtung vertikal in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind, so dass diese einen vertikalen Abstand ausbilden, und die Legeeinrichtung und die Zuführungseinrichtung weiterhin in einem Übergabebereich derart überlappen, dass Tapes von der Zuführungseinrichtung an die Legeeinrichtung übergeben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Transport der Tapes in der Legeeinrichtung hängend und in der Zuführungseinrichtung liegend erfolgt und/oder dass die Legeeinrichtung im Übergabebereich über der Zuführungseinrichtung angeordnet ist. Dabei bezeichnet über oder auch oberhalb der Zuführungseinrichtung einerseits eine Anordnung der Legeeinrichtung vertikal oberhalb der Zuführungseinrichtung. Bei schräg gestellter Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung bezeichnet über oder auch oberhalb, dass die Bewegung des Tapes eine vertikale Komponente neben einer horizontalen Komponente aufweist.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich gemacht, den Transport von Tapes in einer Tapelegevorrichtung zu vereinfachen, da die Tapes nun nicht mehr in Führungsschienen geführt werden, sondern auf einem flächigen Transportelement, welche das Tape flächig, vorzugsweise deren komplette Fläche aufnimmt. Somit können nun Tapes unabhängig von Ihren Eigenschaften wie Dicke, Breite, Steifigkeit in einer Tapelegevorrichtung verarbeitet werden. Durch die Ausbildung eines Übergabebereiches, in welchem die Legeeinrichtung und die Zuführungseinrichtung überlappen kann zudem sichergestellt werden, dass das zumindest eine Tape auch sicher und ohne Beschädigung des Tapes an sich, wie beispielsweise der Faserstruktur oder der Oberfläche, übernommen werden kann. Der Abstand der Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung richtet sich danach, dass die zu transportierenden Tapes auch sicher übernommen werden können und ist bevorzugt etwas größer als die Dicke der Tapes.
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Insbesondere kann das flächige Transportelement der Legeeinrichtung und/oder der Zuführungseinrichtung als ein um Umlenkrollen umlaufendes Transportband ausgeführt sein. Alternativ oder in Kombination kann das flächige Transportelement der Legeeinrichtung und/oder der Zuführungseinrichtung eine plattenförmige Auflagefläche aufweisen, die in und entgegen der Transportrichtung der Tapes verfahrbar ist. Durch das flächige Transportelement wird das Tape über dessen gesamte Breite am Transportelement gehalten oder getragen. Der Transport ist somit unabhängig von den Eigenschaften des Tapes und auch biegeschlaffe Tapes können problemlos transportiert werden. Gerade bei der Verwendung von umlaufenden Transportbändern kann ein kontinuierlicher Legeprozess erreicht werden ohne einen Zeitverlust durch das Bewegen von einer Aufnahmeposition in eine Ablegeposition und wieder in eine Aufnahmeposition zurück, da das Transportband kontinuierlich umläuft.
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Vorzugsweise weist die Legeeinrichtung und/oder die Zuführungseinrichtung eine Vakuumeinrichtung auf, wobei das zumindest eine Tape mittels dem von der Vakuumeinrichtung erzeugten Unterdruck an das flächige Transportelement der Legeeinrichtung und/oder Zuführungseinrichtung ansaugbar und an dem Transportelement haltend transportierbar ist. Durch die Verwendung einer Vakuumeinrichtung kann das Tape an die Transportelemente angesaugt werden und bleibt auch an diesen haften und wird gehalten, solange ein Unterdruck vorhanden ist. In der Zuführungseinrichtung ist eine Vakuumeinrichtung nicht unbedingt erforderlich, da das liegende Transportieren von Tapes auch ohne Vakuum bzw. Unterdruck möglich ist. Durch die Verwendung einer Vakuumeinrichtung bleibt das Tape jedoch bei Beschleunigungen des Tapes bzw. des Transportbandes oder durch in der Umgebung auftretende Luft-Verwirbelungen am Transportelement anhaftend und zudem in einer definierten Lage auf dem Transportelement. Durch die genau definierte Lage der Tapes können höhere Legegenauigkeiten bei der Ablage der Tapes und letztendlich bei den herzustellenden Bauteilen erreicht werden.
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Es sei dabei bemerkt, dass hierin der Begriff des Vakuums nicht im Sinne eines idealen, vollständigen Vakuums verwendet wird, was einer vollständigen Abwesenheit von Luft oder anderen Gasen entsprechen würde. Dies gilt insbesondere für das in der Vakuumeinrichtung erzeugte Vakuum. Vielmehr wird der Begriff des Vakuums hierin im Sinne eines Unterdrucks verwendet, der insbesondere hinreichend ausgeprägt ist, um eine gewünschte und/oder erforderliche Mindesthaltekraft sicher einhalten zu können. Der erzeugte Unterdruck gegenüber der Umgebung kann dabei im Bereich von wenigen 10 mbar, vorzugsweise zwischen 20 und 100 mbar, besonders bevorzugt zwischen 30 und 60 mbar, liegen.
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In einer besondere Ausführungsform bildet die Vakuumeinrichtungen in der Zuführungseinrichtung und in der Legeeinrichtung im Übergabebereich eine Überlappung ausbilden, wobei die Überlappung vorzugsweise weniger als 20% der Länge des Übergabebereiches, bevorzugt weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 5% des Übergabebereiches beträgt, oder wobei die Unterdruckeinrichtungen der Zuführungseinrichtung und der Legeeinrichtung in Transportrichtung angrenzend aneinander angeordnet sind und die Überlappung null beträgt. Eine Überlappung der Vakuumeinrichtungen von Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung ermöglicht ein sicheres Übergeben der Tapes von der Zuführungseinrichtung zu der Legeeinrichtung. Die Überlappung der Vakuumeinrichtungen sollte auf einen Bruchteil des Übergabebereiches beschränkt sein, denn an dem Tape greifen im Bereich der Überlappung der Vakuumeinrichtungen einerseits Kräfte von der Zuführungseinrichtung und andererseits Kräfte von der Legeeinrichtung an.
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In vorteilhafter Weise umfasst die Tapelegevorrichtung weiter eine Materialzufuhreinheit sowie eine Schneideinrichtung umfasst, wobei mittels der Materialzufuhreinheit ein Tape-Bandmaterial der Zuführungseinrichtung zugeführt wird und in der Schneideinrichtung ein Ablängen des Tape-Bandmaterials zu Tapes erfolgt. Das Tape-Bandmaterial kann kontinuierlichl zur Tapelegevorrichtung zugeführt werden und ermöglicht somit einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung. Zudem erfolgt das Schneiden bzw. Ablängen auf das notwendige ohne Materialverlust im Gegensatz zur Verwendung von bereits vorkonfektionierten Tapes.
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Alternativ oder in Kombination kann es vorgesehen sein, dass die Legeeinrichtung zum Ablegen von Tapes auf den Legetisch absenkbar ist und/oder dass der Legetisch in allen Raumrichtungen verfahrbar oder drehbar ist und insbesondere auf die Legeeinrichtung zu bewegbar ist. Zum Ablegen der Tapes kann entweder die Legeeinrichtung oder der Legetisch jeweils einzeln, aber auch zusammen bewegt werden.
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Vorzugsweise ist die Bewegung von Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung gekoppelt oder die Zuführungseinrichtung ist während des Absenkens der Legeeinrichtung aus dem Übergabebereich heraus bewegbar und/oder um einen Winkel von der Legeeinrichtung weg kippbar ist, so dass die Legeeinrichtung die Tapes frei und ohne Beeinträchtigung auf dem Legetisch ablegen kann. Durch die Ausbildung eines Übergabebereiches kann es möglich sein, dass beim Ablegen der Tapes sich die Zuführungseinrichtung und die Legeeinrichtung beeinflussen und die Legeeinrichtung nicht im gewünschten Maße bewegt werden kann. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn entweder die Zuführungseinrichtung und die Legeeinrichtung sich gemeinsam bewegen und somit der Abstand zwischen den beiden Einrichtungen konstant bleibt. Alternativ können die Zuführungseinrichtung und die Legeeinrichtung separat und einzeln ansteuerbar sein, und deren einzelne Bewegungen können über eine Steuereinrichtung geregelt und gesteuert werden.
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Insbesondere sind eine erste Zuführungseinrichtung und eine zweite Zuführungseinrichtung angeordnet sind, wobei die erste Zuführungseinrichtung in Transportrichtung vor der zweiten Zuführungseinrichtung angeordnet ist und wobei die zweite Zuführungsvorrichtung als Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen von Tapes ausgeführt ist. Neben der Ausbildung der zweiten Zuführungseinrichtung als Beschleunigungseinrichtung, kann die erste Zuführungseinrichtung als Schneideinrichtung ausgeführt sein, in welcher die Tapes aus dem Band-Material zugeschnitten werden. Die beiden Zuführungseinrichtungen entkoppeln somit einerseits einen fast kontinuierlichen Schneidprozess, da die Zuführung von Tape-Bandmaterial zum Zweck eines sauberen Schnittes zu Tapes bei jedem Schnitt angehalten werden sollte, und andererseits einen kontinuierlichen Zuführungs- und Legeprozess. Die Beschleunigungseinrichtung kann dazu dienen, dass die Tapes in der definierten Lage und einem definierten Abstand zueinander bereits vor dem Ablegen auf dem Legetisch angeordnet werden.
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Alternativ zeichnet die Tapelegevorrichtung aus, dass der Abstand geringer 5 mm, vorzugsweise geringer 4 mm, bevorzugt geringer 3 mm, besonders bevorzugt geringer 2 mm und höchst bevorzugt geringer 1 mm beträgt. Je geringer der Abstand zwischen Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung ist, desto einfacher lässt sich das Tape von der Legeeinrichtung übernehmen. Insbesondere können durch einen Abstand, der etwas mehr als die Dicke des Tapes beträgt, das Entstehen von Fehlern im Tape selbst wie Knicke des Tapes oder das Reißen der Endlosfasern, im Tape vermieden werden. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der Unterdruck in der Legeeinrichtung größer gegenüber dem Unterdruck der Zuführungseinrichtung ist, so dass bei der Ausbildung einer Überlappung der Vakuumeinrichtungen von Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung das Tape an die Legeeinrichtung angesaugt und übergeben werden kann ohne das Vakuum in der Zuführungseinrichtung zu unterbrechen.
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Vorzugsweise ist die Zuführungseinrichtung mit der Bewegung der Legeeinrichtung gekoppelt. Alternativ kann die Zuführungseinrichtung während des Absenkens der Legeeinrichtung aus dem Übergabebereich heraus bewegt und/oder um einen Winkel von der Legeeinrichtung weg gekippt werden, so dass die Legeeinrichtung die Tapes frei und ohne Beeinträchtigung durch die Zuführungseinrichtung auf dem Legetisch ablegen kann.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit den Zeichnungen hervor. Die Erfindung wird im Folgenden im Detail mit Bezug auf die Figuren beschrieben werden.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Tapelegen;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Tapelegen;
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3A und 3B eine vergrößerte Darstellung eines Übergabebereiches;
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4A bis 4C verschiedene Ausführungsformen zum Ablegen von Tapes.
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In der 1 ist eine Tapelegevorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform in einer schematischen Querschnittsansicht dargestellt. Wie in 1 gezeigt wird in der Tapelegevorrichtung 1 ein Tape-Bandmaterial 3, das beispielsweise auf einer Spule 12 aufgewickelt bereitgestellt wird, mittels einer Materialzufuhreinheit 10 von der Spule 12 abgewickelt und einer der Materialzufuhreinheit 10 nachgeordneten Zuführungseinrichtung 20 zugeführt. Zu diesem Zweck kann die Materialzufuhreinheit 10 ein Paar von Antriebswalzen 11 aufweisen, die einen Walzenantrieb, auch als Mangelantrieb bezeichnet, bilden, der für den Transport des Tape-Bandmaterials 3 sorgt. Die Antriebswalzen 11 werden dabei von einem oder von mehreren Motoren (nicht dargestellt) unter Steuerung einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) angetrieben, so dass das Tape-Bandmaterial 3 mit einer gewünschten Geschwindigkeit und/oder einer gewünschten Länge in die Zuführungseinrichtung 20 „geschoben“ und derart zugeführt wird. Die Spule 12 wird dabei durch ein oder mehrere Motoren (nicht dargestellt) eigenständig angetrieben und wickelt das Tape-Bandmaterial 3 kontinuierlich von der Spule 12 ab. Weiterhin sind in der Materialzufuhreinheit 10 ein oder mehrere Umlenkrollen 13 angeordnet sowie ein Tänzersystem 14, welches als Puffer für das Tape-Bandmaterial dient, beispielsweise wenn eine Spule 12 ausgewechselt werden muss. Das Tänzersystem 14 bewirkt mittels eines Federsystems einen Bandvorrat. Im weiteren Verlauf wird das Tape-Bandmaterial 3 in der Zuführungseinrichtung 20 von einer Schneidvorrichtung 24 zu einzelnen Tapes 2, 2a, 2b, 2c geschnitten. Zum sauberen Schneiden von Tapes 2 ist es erforderlich, dass der Walzenantrieb 11 kurz stoppt und die Zuführung an Tape-Bandmaterial 3 zur Zuführungseinrichtung 20 kurz angehalten wird. Um trotzdem ein kontinuierliches Abwickeln der Spule zu ermöglichen, kann das Tänzersystem 14 dieses kurze Abbremsen oder Abstoppen der Bandbewegung ausgleichen.
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In der Schneideinrichtung 20 der Zuführungseinrichtung 20 wird das Tape-Bandmaterial 3 mittels eines Schneidmittels, das beispielsweise als ein Schneidmesser ausgeführt ist, geschnitten, um von dem Tape-Bandmaterial 3 einzelne Tapes 2, 2a, 2b, 2c einer jeweils gewünschten Länge abzutrennen. Das Schneidmesser ist dabei winkelig verstellbar, so dass nicht nur Schnitte quer zur Bandrichtung oder zur Transportrichtung 60 des Tape-Materialbandes 3 ausgeführt werden können, sondern mittels einer entsprechenden Verstellung des Schneidmessers um einen Winkel von beispielsweise ±45° relativ zur Querrichtung des Tape-Bandmaterials 3, welche sich entlang deren Breite erstreckt, auch Tapes 2, 2a, 2b, 2c abgeschnitten werden können, die in einem entsprechenden, gewünschten Winkel zugeschnitten sind.
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Nachdem die Tapes 2, 2a, 2b, 2c derart in der Schneideinrichtung 24 von dem Tape-Bandmaterial 3 abgetrennt und vereinzelt wurden, werden die Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf einer Legeeinrichtung 40 zuführt und an diese übergeben.
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Die Legeeinrichtung 40 ist über einem Legetisch 50 angeordnet und kann in vertikaler Richtung relativ zum Legetisch 50 bewegt werden, so dass die Legeeinrichtung 40 jeweils ein einzelnes Tape 2, 2a, 2b, 2c auf dem Legetisch 50 platzieren und ablegen kann. Beispielsweise kann eine Linearführung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mittels der die Legeeinrichtung 40 in vertikaler Richtung auf den Legetisch 50 abgesenkt werden kann, um die Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf einer Arbeitsfläche des Legetischs 50, oder einer bereits zuvor auf der Arbeitsfläche des Legetisches 50 ausgebildeten Tapestruktur abzulegen, und gegebenenfalls kurz und leicht anzudrücken. Nach dem Ablegen des Tapes 2, 2a, 2b, 2c wird die Legeeinrichtung 40 wieder angehoben, um ein nächstes Tape 2, 2a, 2b, 2c aufzunehmen. Es sei hierbei bemerkt, dass im Sinne dieses Dokuments sowohl das Platzieren und Ablegen eines Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf der Arbeitsfläche des Legetisches 50, als auch das Ablegen eines Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf bereits zuvor auf dem Legetisch 50 abgelegten Tape 2, 2a, 2b, 2c, insbesondere auf einer zuvor ausgebildeten Tapelage, als ein Platzieren und Ablegen des Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf dem Legetisch 50 verstanden werden soll.
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Um das Absenken der Legeeinrichtung 40 zu ermöglichen, kann bei der Ausführungsform der 1 vorgesehen sein, dass die Zuführungseinrichtung 20 ebenfalls und gemeinsam mit der Legeeinrichtung 40 vertikal abgesenkt und angehoben wird. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, dass die Zuführungseinrichtung 20 und die Legeeinrichtung 40 zu einer als Legekopf bezeichneten Einheit zusammengefasst werden.
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Alternativ ist es auch denkbar, den Legekopf bzw. die Legeeinrichtung 40 feststehend auszubilden, und den Legetisch 50 hebbar auszugestalten, so dass zur Ablage des Tapes 2, 2a, 2b, 2c der Legetisch 50 angehoben wird. Im Übrigen ist es bevorzugt, dass der Legetisch 50 unter Steuerung der Steuereinrichtung (nicht dargestellt) um eine vertikale Drehachse Z gedreht werden kann, und/oder in horizontaler Richtung in x- und/oder y-Richtung bewegt werden kann, um eine gewünschte relative Positionierung des Tapes 2, 2a, 2b, 2c relativ zum Legetisch 50 zu ermöglichen.
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Zur Erhöhung der Legerate ist es insbesondere vorgesehen, dass mehrere Tapes 2, 2a, 2b, 2c simultan, das heißt, insbesondere zeitgleich und mehrspurig gehandhabt werden, wobei durch eine solche Parallelisierung vorteilhaft die Anzahl gelegter Tapes 2, 2a, 2b, 2c pro Abfolge entsprechend multipliziert wird.
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In Bezug auf 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Tapelegevorrichtung 1 dargestellt. Die Materialzufuhreinheit 10 ist dabei identisch wie zuvor beschrieben aufgebaut. Neben einer Zuführungseinheit 20 ist nun eine zweite Zuführungseinheit 20a in der Tapelegevorrichtung 1 angeordnet, wobei die zweite Zuführungseinrichtung 20a in Transportrichtung 60 nach der ersten Zuführungseinrichtung 20 angeordnet ist. Zwischen den beiden Zuführungseinrichtungen 20, 20a besteht nun die Möglichkeit fehlerhafte Tapes 2, 2a, 2b, 2c oder auch Verschnittmaterial nach vor der Legeeinrichtung 40 aus der Tapelegevorrichtung 1 auszuschleusen. Die Anordnung von zwei oder mehr Zuführungseinrichtungen 20, 20a hat auch weitere Vorteile. So kann die erste Zuführungseinrichtung 20 als ein Schneidband mit der Schneideinrichtung 24 ausgebildet sein, auf welcher das Tape-Bandmaterial 3 zu Tapes 2, 2a, 2b, 2c vereinzelt wird. Die zweite Materialzuführungseinheit 20a, kann als Beschleunigungseinrichtung, beispielsweise mit einem Beschleunigungsband 21a ausgebildet sein, so, dass die zuvor geschnittenen Tapes 2, 2a, 2b, 2c einerseits zügig von der ersten Zuführungseinrichtung 20 abgezogen werden können. Andererseits können durch die Ausbildung der zweiten Zuführungseinrichtung 20a als Beschleunigungseinrichtung die Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf einen bestimmten Abstand zueinander gebracht werden und somit vereinzelt werden. Durch die Vereinzelung können die einzelnen Tapes 2, 2a, 2b, 2c schließlich besser und jeweils eigenständig von der Legeeinrichtung 40 übernommen werden.
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Der Prozess der Legens der einzelnen Tapes 2, 2a, 2b, 2c läuft letztendlich wieder in 1 bereits beschrieben ab.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt, sind die Legeeinrichtung 40, die Zuführungseinrichtung 20, 20a bevorzugt mit Transportbändern 21, 21a, 41 als flächiges Transportelement ausgeführt, die um jeweilige Umlenkrollen 22, 22a, 42 endlos umlaufen. In der Zuführungseinrichtung 20, 20a werden dabei die Tapes 2, 2a, 2b, 2c aufliegend, das heißt, auf einer Oberseite der Zuführungseinrichtung 20, 20a auf dem Transportband 21, 21a aufliegend transportiert. Hingegen werden die einzelnen Tapes 2, 2a, 2b, 2c in der Legeeinrichtung 40 jeweils „hängend“ transportiert. Hierzu ist die Legeeinrichtung 40 vorzugsweise mit einer Vakuumeinrichtung 43 versehen, welche so mit dem Transportband 41 der Legeeinrichtung 40 verbunden ist, dass durch das Transportband 41 hindurch Luft angesaugt und so ein Unterdruck aufgebaut werden kann, beispielsweise indem eine Vielzahl von Öffnungen in dem Transportband 41 vorgesehen sind, durch welche die Luft angesaugt werden kann. Durch den so entstehenden Unterdruck kann ein auf dem Transportband 21, 21a der Zuführungseinrichtung 20, 20a aufliegendes, der Legeeinrichtung 40, zugeführtes Tapes 2, 2a, 2b, 2c angesaugt werden, so dass er auf der Unterseite der Legeeinrichtung 40 an dem Transportband 41 anliegend gehalten wird. Die Vakuumeinrichtung 43 kann abgeschaltet werden, nachdem das Tape 2, 2a, 2b, 2c auf dem Legetisch 50 platziert wurde. Neben der Legeeinrichtung 40 kann auch die Zuführungseinrichtung 20, 20a mit einer Vakuumeinrichtung 23, 23a ausgestattet sein, so dass trotz des liegenden Transports von Tapes 2, 2a, 2b, 2c diese in ihrer Lage zueinander sich nicht verschieben können.
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Mit Bezug auf die 3A und 3B wird nun die Übergabe von Tapes 2, 2a, 2b, 2c von der Zuführungseinrichtung 20 zur Legeeinrichtung 40 genauer beschrieben. Wie bereits zu den 1 und 2 erläutert umfasst die Legeeinrichtung 40 ein um Umlenkrollen 42 umlaufendes Transportband 41 sowie eine Vakuumeinrichtung 43. Das Transportband 41 ist dabei soweit mit Öffnungen versehen, dass durch den in der Vakuumeinrichtung 43 erzeugte Unterdruck Tapes 2, 2a, 2b, 2c an die Legeeinrichtung angesaugt werden können und an dem Transport 41 haftend bzw. hängend transportiert werden können. Der Unterdruck liegt dabei im Bereich von wenigen 10 mbar, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 60 mbar. Neben der Legeeinrichtung 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch die Zuführungseinrichtung 20 mit einer Vakuumeinrichtung 23 ausgestattet. Das um die Umlenkrollen 22 geführte Transportband 21 sollte ähnliche oder identische Eigenschaften wie das Transportband 41 aufweisen. Die Ausführung der Zuführungseinrichtung 20 mit einer Vakuumeinrichtung hat den Vorteil, dass die Tapes 2, 2a, 2b, 2c kontrolliert an einer definierten Position auf dem Transportband 21 fixiert bleiben. Äußere Einflüsse wie plötzlich auftretende Luftverwirbelungen oder leichte Erschütterungen verändern die Lage der Tapes 2, 2a, 2b, 2c nicht, wodurch die Legeeinrichtung 40 das oder die Tapes 2, 2a, 2b, 2c an einer definierten Position und Lage aufnehmen kann.
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Die Zuführungseinrichtung 20 und die Legeeinrichtung 40 bilden einen Übergabebereich 61 aus, in welchem die beiden Einrichtungen überlappen. Dabei bilden die Zuführungseinrichtung 20 und die Legeeinrichtung 40 einen Abstand A zueinander aus, der 5 mm, vorzugsweise 4mm, bevorzugt 3 mm, besonders bevorzugt 2mm und höchst bevorzugt 1mm beträgt. Die Legeeinrichtung 40 ist dabei oberhalb der Zuführungseinrichtung 20 angeordnet, so dass der Transport in der Zuführungseinrichtung 20 liegend und in der Legeeinrichtung 40 hängend erfolgt. Generell wäre es auch denkbar, dass die Zuführungseinrichtung und Legeeinrichtung in einem Winkel zur Horizontalen angeordnet sind und die Tapes 2, 2a, 2b, 2c in den beiden Einrichtungen nach unten oder oben gefördert werden. Der Abstand A wird in diesem Falle als der Abstand der Transportbänder 21 und 41 gesehen, wobei der Abstand A auf die Senkrechte auf die Ebene der Transportbänder 21 und 41 gemessen wird.
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Wie in 3A dargestellt, sind die beiden Vakuumeinrichtungen 23 und 43 im Übergabebereich 61 angrenzend oder mit einem geringen Abstand in Transportrichtung 60 gesehen angeordnet. Das Tape 2, 2a, 2b, 2c wird bis zum Ende der Vakuumeinrichtung 23 auf dem Transportband 21 der Zuführungseinrichtung 20 gehalten und kann ohne dass Kräfte der Vakuumeinrichtung 23 auf das Tape 2, 2a, 2b, 2c wirken von der Vakuumeinrichtung 43 der Legeeinrichtung 40 angesaugt werden.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass sich die Legeeinrichtung 40 zur Übernahme von Tapes 2, 2a 2b 2c auf die Zuführungseinrichtung 20 zubewegt oder umgekehrt sich die Zuführungseinrichtung 20 auf die Legeeinrichtung 40 zubewegt.
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Alternativ können die Unterdruckeinrichtungen 23 und 43 der Zuführungseinrichtung 20 und der Legeeinrichtung 40 in Transportrichtung 60 beabstandet angeordnet sein. Die Beabstandung der Wirkbereiche der Vakuumeinrichtung 23 der Zuführungseinrichtung 20 und der Vakuumeinrichtung 43 der Legeeinrichtung 40 kann dabei wenige Zentimeter bis wenige Dezimeter betragen. Die Beabstandung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 50 cm, bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 30 cm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 15 cm.
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In einer weiteren Ausführungsform, welche in 3B dargestellt ist, bilden die beiden Vakuumeinrichtungen 23 und der 43 der Zuführungseinrichtung 20 und Legeeinrichtung 40 im Übergabebereich 61 eine Überlappung 62 aus. Die Überlappung 62 betrifft nur einen kleinen Teil des Übergabebereiches, vorzugsweise weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10% und höchst bevorzugt weniger als 5% der Länge des Übergabebereiches 61. Durch die Ausbildung einer Überlappung 62 kann sichergestellt werden, dass Tapes 2, 2a, 2b, 2c nicht ohne einen Halt in der Zuführungseinrichtung 20 oder der Legeeinrichtung geführt werden. Dies ist insbesondere bei sehr kurzen und kürzesten Tapes 2, 2a, 2b, 2c zum sicheren Übergang der Tapes 2, 2a, 2b, 2c von Zuführungseinrichtung 20 zu Legeeinrichtung 40 von Bedeutung.
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In den 4A bis 4C sind verschiedene Ausführungsformen zum Ablegen von Tapes 2, 2a, 2b, 2c mittels der Legeeinrichtung 40 auf dem Legetisch 50 dargestellt.
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Das Ablegen von Tapes 2, 2a, 2b, 2c erfolgt durch eine Legeeinrichtung 40, welche von Tapes 2, 2a, 2b, 2c von einer Zuführungseinrichtung 20 übernommen hat. Wie in 4A dargestellt ist sind die Zuführungseinrichtung 20 und die Legeeinrichtung 40 über eine Verbindung 70 miteinander gekoppelt, so dass die Zuführungseinrichtung 20 und die Legeeinrichtung 40 stets eine gemeinsame Bewegung zumindest in der Vertikalen, aber auch bevorzugt in der Horizontalen ausführen. Die Verbindung 70 betrifft die Zuführungseinrichtung 20 und Legeeinrichtung für sich selbst, hat jedoch keinen Einfluss auf die Bewegung der Transportbänder 21 und 41, die jeweils unabhängig voneinander, insbesondere mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt werden können. Die Verbindung 70 kann als eine mechanische Verbindung über Stangen, Gelenke oder Zylinder ausgeführt und/oder als eine elektronische Verbindung über eine gemeinsame Steuereinrichtung zum steuern und/oder regeln der gemeinsamen Bewegung. Bewegt sich somit die Legeeinrichtung 40 zum Ablegen von Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf den Legetisch 50 zu, so bewegt sich im gleichen Maße auch die Zuführungseinrichtung 20. Dies bedingt jedoch, dass die Zuführungseinrichtung 20 und der Legetisch 50 baulich nicht überlappen und eine gemeinsame Bewegung von Legeeinrichtung 40 und Zuführungseinrichtung 20 zulassen.
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In der 4B sind die Zuführungseinrichtung 20 und die Legeeinrichtung 40 einzeln bewegbar. Vorzugsweise sind die beiden Einrichtungen über eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) miteinander verbunden um die Bewegungen von Zuführungseinrichtung 20 und Legeeinrichtung 40 zu steuern und/oder zu regeln, wobei im Gegensatz zur Ausführungsform in 4A keine gleiche Bewegungen ausführen. Im dargestellten Falle bewegt sich die Zuführungsrichtung 20 entgegen der Transportrichtung 60 um den Übergabebereich von Zuführungseinrichtung 20 und Legeeinrichtung frei zu geben, so dass sich die Legeeinrichtung frei auf den Legetisch zum Ablegen von Tapes 2, 2a, 2b, 2c absenken kann. Zur Aufnahme eines weiteren Tapes 2, 2a, 2b, 2c von der Zuführungseinrichtung 20 auf die Legeeinrichtung 40 bewegt sich die Zuführungseinrichtung 20 nun wieder in der Transportrichtung 60 auf den Legetisch 50 und bildet mit der Legeeinrichtung 40 einen Übergabebereich 61 aus.
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In 4C ist eine weitere Variante zur Bewegung der Zuführungseinrichtung 20 und der Legeeinrichtung 40 beim Ablegen von Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf einem Legetisch 50 dargestellt. In dieser Variante kann die Zuführungseinrichtung 20 um einen Winkel gegenüber der Horizontalen von der Legeeinrichtung 40 gekippt werden, um so der Legeeinrichtung 40 der benötigten Platz zum Ablegen der Tapes 2, 2a, 2b, 2c auf dem Legetisch 50 frei zu geben. Der Vorteil gegenüber den Varianten der 4A und 4B besteht darin, dass die Zuführungseinrichtung 20 eine geringere Bewegung ausüben muss und somit schneller wieder in einer Übergabeposition bist um die Tapes 2, 2a, 2b, 2c an die Legeeinrichtung 40 zu übergeben. Zum anderen kann der Drehpunkt zum Neigen der Zuführungseinrichtung 20 an der weiteren, nicht dargestellten Umlenkrolle 22 liegen, so dass die Schneideinrichtung 24 oder andere Einrichtungen durch die Bewegung der Zuführungseinrichtung 20 um einen Winkel weitaus geringer beeinflusst werden als gegenüber einer vollständigen translatorischen Bewegung der Zuführungseinrichtung 20 wie in 4B dargestellt und einer kompletten Hubbewegung der Zuführungseinrichtung wie in 4A dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tapelegevorrichtung
- 2, 2a, 2b, 2c
- Tape
- 3
- Bandmaterial
- 10
- Materialzufuhreinheit
- 11
- Antriebswalzen
- 12
- Spule
- 13
- Umlenkrollen
- 14
- Tänzersystem
- 20, 20a
- Zuführungseinrichtung
- 21, 21a
- Transportband
- 22, 22a
- Umlenkrollen
- 23, 23a
- Vakuumeinrichtung
- 24
- Schneideinrichtung
- 40
- Legeeinrichtung
- 41
- Transportband
- 42
- Umlenkrollen
- 43
- Vakuumeinrichtung
- 50
- Legetisch
- 60
- Transportrichtung
- 61
- Übergabebereich
- 62
- Überlappung
- 70
- Verbindung
- A
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/083196 A1 [0014]
- US 8048253 B2 [0015]
- WO 2012/156524 A1 [0018]
- DE 102013208778 A1 [0018]
