DE3226290C2 - Anordnung zum gesteuerten Ablegen von Fasern auf eine Form - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Ablegen von Fasern auf eine Bauteilform, insbesondere zum Herstellen von Teilen aus Faserverbundwerkstoffen, hat einen Ablegekopf, in den ein von einer oder mehreren Vorratsrollen zugeführter Faserstrang bzw. Faserstränge eingeführt werden. In den Ablegekopf wird jeder Faserstrang durch eine berührungslose Fördereinrichtung in Richtung der Form weitergeleitet und ebenfalls berührungslos mit Hilfe von aus mindestens einer Düse austretendem, unter Druck stehendem Gas auf die Form gedrückt. Der Ablegekopf ist entweder an einer über der Form angebrachten hin- und herfahrenden Fahrbühne oder an einem Arm eines in jeder Richtung schwenkbaren Roboters angebracht.

Description

ein externes, zentrales Fasermateriallager (30), Industrieroboter, an deren Auslegearmen (16) der oder die Ablegeköpfe (7) angeordnet sind, einen oder mehrere Führungsschläuche (8) für die Faserstränge (11) zwischen dem Materiallager und dem oder den Ablegeköpfen, eine Einrichtung (28, 29) zum Tränken des Faserstranges (11) im Bereich des Faseraustrittes in dem oder den Ablegeköpfen (7) sowie eine Einrichtung zum berührungslosen Transport, z. B. mittels eines Luftkissens, des Faserstranges

a)
b)

c)

d)

(»λ
e) ein Lasergerät als Schneidvorrichtung (26).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Faseraustritt des Ablegekopfes (7) nach der Schneidvorrichtung (26) zuerst eine Warmluftdüse (24) und dann eine Kaltluftdüse (25) angeordnet sind.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablegekopf (7) Einrichtungen zum gleichzeitigen Transport und Anpressen auf die Form für mehrere Faserstränge (11, Wa) aufweist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum gesteuerten, berührungslosen Ablegen von Fasern für die Herstellung von Strukturteilen über einen allseitig bewegbaren Ablegekopf auf eine Form unter gleichzeitigem Andruck der Fasern mittels eines Gasstromes aus einer Düse.

Eine solche Anordnung ist aus der US-PS 35 74 040 bekanntgeworden. Hier ist der Ablegekopf gleichzeitig Träger des zu verlegenden Bandmaterials, des Vorratsbehälters, der Heizvorrichtung usw. Dies führt nun dazu, daß dieser Ablegekopf ein sehr hohes Gewicht besitzt und zwangsläufig einen großen Aufwand für die Trag- und Verfahreinrichtungen erfordert. Weiterhin ist anzuführen, daß eine Endlosproduktion nicht möglich ist und aufgrund sehr langer Fahr- und Verschwenkzeiten des schweren Ablegekopfes kleine Fertigungsteile nicht herstellbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der vorgenannte Nachteile beseitigt sind und die als eine Art von Zusatzeinrichtung für handelsübliche Industrieroboter verwendbar ist und mit verschiedenem Material gleichzeitig versorgt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Ablagevorrichtung mit einer Fahrbühne; F i g. 2 eine Ablagevorrichtung mit einem Roboter;

Fig.3 einen Ablegekopf mit einer Vibrationsförderung für den Faserstrang;

F i g. 4 den Ablagekopf mit einer Rollenförderung für den Faserstrang;

F i g. 5 den Ablagekopf entsprechend F i g. 3 mit einem Harzzuführungsrohr;

F i g. 6 die Ablagevorrichtung entsprechend F i g. 1 mit mehreren Fasersträngen und

F i g. 7 eine Serienanordnung von Ablagevorrichtungen mit Robotern für verschiedene Werkstücke.

Die nachstehend beschriebene Anordnung gestattet die stets reproduzierbare und kostengünstige Herstellung von Strukturteilen aller Art sowie von Profilen, Platten und Schalen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen. Es können sowohl imprägnierte Faserstränge als auch Prepregs verwendet werden, die ohne mechanische Druckaufbringung durch Preßgas, z. B. Luftdruck, stets gleichmäßig und berührungsfrei abgelegt werden. Dadurch ist eine Anpassung auch an stark gekrümmte Formen möglich. Die Verwendung von an sich bekannten automatischen Steuereinrichtungen für das Führen des Ablegekopfes erhöht die Wirksamkeit und vielseitige Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Weiterhin gestattet die berührungsfreie Ablage eine leichte Ausführung des Ablegekopfes und dadurch bedingt hohe Vorschubgeschwindigkeiten, wodurch die Wirtschaftlichkeit erhöht wird. Durch eine entsprechende Wahl der Vorschubgeschwindigkeit des Faserstranges mit Hilfe der Vibrationsförderung oder dem Rollentransport im Verhältnis zur Bewegungsgeschwindigkeit des Ablegekopfes kann eine exakt gerichtete Ablage des Faserstranges auf der Form erzielt werden. Durch die Anordnung der Düsen werden zwischen denselben die einzelnen Fasern des Faserstranges in sich gespannt und ausgerichtet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet auch, die Faserablage beliebig gesteuert auszuführen und den Faseraufbau und damit die Werkstückdicke optimal den auf das Werkstück einwirkenden Kräften anzupassen. Da der Fasertransport in abgeschlossenen Führungen, z. B. Schläuchen, erfolgen kann und keine manuelle Berührung erfolgt sowie keine systembedingten Manipulationen erforderlich sind, wird der Faserverschnitt und der Aufwand an Hilfsstoffen beträchtlich reduziert.

Die Weiterverarbeitung der hergestellten Teile erfolgt in bekannter Weise durch Aushärten an der Luft oder in einem Autoklaven. Es besteht auch die Möglichkeit, in einer Fertigungsstraße mehrere Vorrichtungen mit Ablegeköpfen hintereinander oder in Serie nebeneinander aufzubauen, wodurch eine Fertigung mit verschiedenem Material durchführbar ist.

Das in der F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine automatisch gesteuerte Ablagevorrichtung 1 mit einem Werkzeugtisch 2, auf dem eine Werkstückform 3 aufliegt. An den Längsseiten des Werkzeugtisches 2 läuft eine Fahrbühne 4, an derem Mittelarm 5 ein Halter 6 höhen- und seitenverstellbar angebracht ist. An dem Halter 6 ist ein Ablegekopf 7 angebracht, dem von außen durch den Halter 6 hindurch ein Führungsschlauch 8 zugeführt ist, der aus einem gekapselten Vorratsbehälter 9 einen auf eine Vorratsrolle 10 gewickelten Faserstrang 11 aufnimmt. Auf der Form 3 sind bereits einige Schleifen des Faserstranges 11 abgelegt. Die Ablagevorrichtung 1 wird durch einen Rechner 12 gesteuert, der von einem Bedienungsplatz 13 bedient wird. In der Fig. 2 ist eine Ablagevorrichtung 15 dargestellt, bei der der Ablegekopf 7 am Auslegearm 16 eines übli-

chen Industrieroboters 17 angebracht ist Die Werkstückform 3 ist dabei mit Füßen 18 versehen. Die Bedienung und Steuerung des Roboters erfolgt wie bei der F i g. 1 beschrieben.

Der schematisch in der Fig.3 dargestellte Ablegekopf 7 besteht aus einem Gehäuse 20, in das der Faserstrang 11 seitlich eingeführt ist In einem Führungsrohr 21 befindet sich für den Transport des Faserstranges U eine Vibrationsfördereinrichtung 22, die hier nur angedeutet JHi und z. B. aus einem durch einen Frequenzge- to nerator betätigten Schwingelement besteht das den Faserstrang 11 in Richtung des Pfeiles 23 auf die Oberfläche der Werkstückform 3 zubewegt Um den Faserstrang 11 berührungsfrei und frei von mechanischer Krafteinwirkung ablegen zu können, sind zwei Düsen — eine Warmluftdüse 24 und eine Kaltluftdüse 25 — vorgesehen, die z. B. über Schläuche 26 mit Druckluft gespeist werden. Aus der Düse 24 strömt warme Druckluft 24a, welche das zwischen Fasern vorhandene Harz etwas geschmeidig macht und dadurch die einwandfreie Ablage des Faserstranges 11 auf der Form 3 erleichtert Aus der Düse 25 strömt vorzugsweise kalte Luft 25a mit etwas höherem Druck, wodurch der Faserstrang ohne Spannung auf die Unterlage gepreßt wird. Die beiden Düsen 24 und 25 sind in einem spitzen Winkel zueinander eingebaut Dadurch wird eine Spannung und Ausrichtung der Einzelfasern im Faserstrang 11 erzielt, die für die Festigkeit des Werkstücks sehr wesentlich ist Vor der Düse 24 ist eine Schneidvorrichtung 26 vorgesehen, die in der gezeigten Ausführungsform als Messer dargestellt ist. Es ist ebenso gut möglich, an Stelle einer mechanischen Schneidvorrichtung 26 eine nichtmechanische, z. B. einen Laserstrahl aus einem Lasergerät oder einen Hochfrequenzstrom, zu verwenden.

In der F i g. 4 ist in das Gehäuse 20 des Ablegekopfes 7 eine Rollenfördereinrichtung für den Transport des Faserstranges 11 eingebaut. Es sind dafür vier Rollen 27 gezeigt, die in nicht dargestellter bekannter Weise angetrieben werden. Während bei den Ausführungsformen entsprechend den Fig.3 und 4 angenommen wurde, daß der Faserstrang 11 vorimprägnierl ist, ist gemäß F i g. 5 in dem Gehäuse 20 des Ablegekopfes 7 ein Rohr 28 eingesetzt, durch das eine Flüssigkeit, vorzugsweise Kunstharz 29, zum Tränken des Faserstranges 11 hindurchgeleitet wird. Der Transport des Faserstranges 11 innerhalb des Ablegekopfes 7 kann im Rahmen der Erfindung auch auf andere Weise vorgenommen werden. Die wesentliche Bedingung dabei ist, daß der Transport berührungsfrei erfolgt. So ist es z. B. möglich, den Faserstrang in einem Luftkissen zur Werkstückform 3 zu transportieren.

Für bestimmte Werkstücke, die z. B. in Sandwichform hergestellt werden, werden unterschiedlicne Fasern benötigt, mit denen der Sandwich die geforderten Eigenschaften optimal enthält. Für diese Aufgaben ist in der F i g. 6 eine Variation der Ausführungsform nach F i g. 1 dargestellt. Dabei ist für die Faserstränge 11 ein Materiallager 30 vorhanden, von dem in der gezeigten Ausführungsform von vier Vorratsrollen 10 die Faserstränge zu dem Halter 6a und dem Ablegekopf 7a zugeführt werden. Zu den einzelnen unterschiedlichen Fasersträngen 11, z.B. auü Glas, Kohle- und Kevlarfasern, kann noch eine Faser" lla aus einem Kleber gleichzeitig mitverwendet werden. Das Ablegen der Mehrfachfasern mit dem Ablegekopf 7a auf der Form 3a kann entweder mit nur einer Fördereinrichtung und einem Düsensystem oder mit mehrfachen, bis zu vier, derartigen Einheiten erfolgen.

Die vorbeschriebenen Ablagevorrichtungen können entsprechend F i g. 7 in Serienanordnung mit einem gemeinsamen Materiallager 30 angeordnet werden. Dabei ist die Ausführung mit Robotern 17 gewählt mit dem verschiedenartige Werkstücke parallel zueinander gefertigt werden können.

So wird z. B. mit dem Roboter 17a ein Profil, mit dem Roboter t7b ein Spant und mit dew Roboter 17c ein flächiges Werkstück hergestellt Es ist aus dieser F i g. 7 auch ersichtlich, daß die Werkstückformen jede beliebige Kontur aufweisen können, weil der Arm des Roboters in allen drei Ebenen beweglich ist Jedem Roboter ist für die Aushärtung des gefertigten Werkstücks ein Autoklav 31 zugeordnet In ähnlicher, nicht dargestellter Weise können auf einer Fertigungsstraße mehrere Fahrbühnen 4 oder Roboter 17 hintereinander angeordnet werden, um im Taktverfahren ein Werkstück in Serie herzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum gesteuerten, berührungslosen Ablegen von Fasern für die Herstellung von Strukturteilen über einen allseitig bewegbaren Ablegekopf auf eine Form unter gleichzeitigem Andruck der Fasern mittels eines Gasstromes aus einer Düse, gekennzeichnet durch