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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von verstärkenden
Vorformlingen für
strukturelle Verbundstoffe, und insbesondere die Verbesserung und
Optimierung des Herstellungsprozesses, einschließlich der Reduktion der Reibung
im Materialbeschickungssystem und der Herstellung von Vorformlingen
mit verschiedenen Dicken.
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Verfahren
und Systeme zur Herstellung von steifen dreidimensionalen verstärkenden
Vorformlingen, die in Harzinjektions (RTM)- oder strukturellen Reaktionsspritzguß (SRIM)-Verfahren
für die
Herstellung von strukturellen Verbundstoffen verwendet werden, sind
wohlbekannt.
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Die
Herstellung und Verwendung von strukturellen Verbundstoffen wird
gegenwärtig
zunehmend wichtiger, vor allem bei Komponenten für die Autoindustrie.
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Strukturelle
Verbundstoffe sind leichtgewichtiger als konventionelle Stahl- oder
Metallkomponenten und können
zu zusätzlichen
Vorteilen führen,
wie z.B. die Möglichkeit von
vollautomatischen, leicht steuerbaren Prozessen, eine bessere Konsistenz von
Teil zu Teil, weniger Abfall oder Ausschuß, und eine äquivalente
oder erhöhte
Leistung der Komponente.
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Allgemein
werden die strukturell verstärkenden
Vorformlinge aus einem gespritzten zerhackten Material wie z.B.
Glas- und Carbonfaser hergestellt, das durch einen Binder zusammengehalten
wird und zu einer bestimmten Form gepreßt wird. Der Vorformling wiederum
wird dann zu Produkten wie z.B. Beispiel Verbundstoffkomponenten
(sowohl tragenden als auch nicht tragenden) geformt und in Kraftfahrzeugen
oder sonstigen Fahrzeugen verwendet.
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Das
Vorformlingsmaterial wird mit Hilfe einer Roboterroutine zerhackt
und zusammen mit einem pulverförmigen
Binder auf ein Vorformlingsgitter in einer Form aufgebracht. Ein
Druckluftstrom durch das Gitter hält das zerhackte Material auf
die Gitterfläche.
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Wenn
der Spritzvorgang abgeschlossen ist, wird die Form geschlossen,
und der Vorformling wird auf die gewünschte Dicke zusammengepreßt. Erst wird
Warmluft durch das Gitter gezogen, um den Binder zu schmelzen. Danach
wird gekühlte
Luft oder Umgebungsluft durch den Vorformling gesaugt, wodurch er
in seiner Endform erstarrt.
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Sobald
der Vorformling fertiggestellt ist, wird er aus der Form entnommen
und an eine Komponentenform übergeben,
wo die strukturelle Komponente geformt wird.
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Wenn
auch bestehende automatisierte Vorformungsprozesse und -systeme
verwendet wurden, um zufriedenstelle strukturelle Verbundstoffprodukte zu
erzeugen, besteht ein Bedarf nach Verbesserung der Prozesse und
Systeme, insbesondere zur Kostensenkung, zur Erhöhung der Leistung und Zuverlässigkeit,
und zur Herstellung von Komponenten mit verschiedenen Konfigurationen
und Dicken.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung verbesserter
Systeme und Prozesse zur Herstellung von steifen dreidimensionalen
verstärkenden
Vorform lingen für
Harzinjektions (RTM)- oder strukturelle Reaktionsspritzguß (SRIM)-Verfahren
für Verbundstoffkomponenten
und -produkte.
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Aus
FR-A-2.639.867 ist gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 die Bereitstellung eines Systems zur Herstellung
von verstärkenden
Vorformlingen zur Formung von strukturellen Verbundstoffen bekannt, wobei
das System eine erste Zelle umfaßt, die ein erstes Form-Element
einschließt,
eine zweite Zelle, die ein zweites Form-Element einschließt, ein
Schienen-Element, das zwischen dem ersten und zweiten Zellen-Element verläuft, ein
Roboter-Element, um dem ersten und zweiten Form-Element Verstärkungsmaterialien
zuzuführen,
wobei das Roboter-Element auf dem Schienen-Element angeordnet und geeignet ist,
sich zwischen dem ersten und zweiten Zellen-Element und einem Materialbeschickungssystem
zur Versorgung des Roboter-Elements mit Verstärkungsmaterialien vor und zurück zu bewegen.
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Erfindungsgemäß wird ein
System zur Herstellung von verstärkenden
Vorformlingen zur Formung von strukturellen Verbundstoffen bereitgestellt, wobei
das System eine erste Zelle umfaßt, die ein erstes Form-Element
einschließt,
eine zweite Zelle, die ein zweites Form-Element einschließt, ein
Schienen-Element, das zwischen dem ersten und zweiten Zellen-Element
verläuft,
ein Roboter-Element, um dem ersten und zweiten Form-Element Verstärkungsmaterialien
zuzuführen,
wobei das Roboter-Element auf dem Schienen-Element angeordnet und
geeignet ist, sich zwischen dem ersten und zweiten Zellen-Element
und einem Materialbeschickungssystem zur Versorgung des Roboter-Elements
mit Verstärkungsmaterialien
vor und zurück
zu bewegen, wobei das Materialbeschickungssystem eine Vielzahl von Ösen-Elementen
umfaßt,
um das fadenförmige
Verstärkungsmaterial
zum Roboter-Element zu führen,
wobei jedes der Ösen-Elemente einen konvergent-divertenten
inneren Durchgang aufweist, der dem fadenförmigen Verstärkungsmaterial
ermöglicht,
mit minimalem Kontakt und minimaler Reibung durchgeleitet zu werden,
und daß eine
Reihe von Rohr-Elementen verwendet werden, um das fadenförmige Verstärkungsmaterial
zwischen den einzelnen Ösen
einzuschließen,
um die Verwendung von Luftdruck zu erlauben, um den Zuführung des
fadenförmigen
Verstärkungsmaterials
durch die Ösen-Elemente
zu unterstützen,
wobei jedes der Rohr-Elemente einen Durchmesser aufweist, der ausreicht,
damit es nicht mit dem fadenförmigen
Verstärkungsmaterial
in Kontakt kommt.
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Bevorzugt
können
zwei getrennte Anordnungen von Ösen-Elementen
vorgesehen sein, um das fadenförmige
Verstärkungsmaterial
durch zwei getrennte gekrümmte
Wegabschnitte zu führen.
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Das
Beschickungssystem kann das fadenförmige Verstärkungsmaterial von einer Spule
zu einer Hackpistole auf dem Roboter-Element zuführen, und ein Gewicht kann
verwendet werden, um auf das fadenförmige Verstärkungsmaterial zwischen der Spule
und der Hackpistole eine geeignete Spannung anzulegen.
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Das
Gewicht kann zwischen den zwei getrennten Anordnungen von Ösen-Elementen
angeordnet sein.
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Das
System kann außerdem
ein erstes Luftversorgungssystem umfassen, um dem ersten Form-Element
Luft zuzuführen,
und ein zweites Luftversorgungssystem, um dem zweiten Form-Element Luft
zuzuführen.
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Das
System kann außerdem
erste und zweite Dichtungselemente im ersten und zweiten Form-Element
umfassen, um einen Luftstrom daran zu hindern, die Verstärkungsmaterialien
in den Form-Elementen zu stören,
wenn die Form-Elemente geschlossen sind.
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Das
System kann außerdem
mindestens ein Netzrandblock-Element umfassen, das zwischen dem
oberen und unteren Abschnitt des ersten und zweiten Form-Elements
angeordnet ist, wobei das erste Dichtungselement zwischen diesem
Netzrandblock-Element
und dem unteren Abschnitt des ersten und zweiten Form-Elements angeordnet
ist.
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Das
System kann außerdem
mindestens ein Netzrandblock-Element umfassen, das zwischen dem
oberen und unteren Abschnitt des ersten und zweiten Form-Elements
angeordnet ist, wobei das zweite Dichtungselement zwischen diesem
Netzrandblock- Element
und dem oberen Abschnitt des ersten und zweiten Form-Elements angeordnet
ist.
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Das
System kann außerdem
ein Proportionalventil zum Regulieren der Zuführung der Verstärkungsmaterialien
vom Roboter-Element umfassen.
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Das
System kann außerdem
ein Mittel zum Programmieren des Roboter-Elements umfassen, um das
Verstärkungsmaterial
im voraus spezifizierten Routinen entsprechend dem ersten und zweiten Form-Element
zuzuführen,
und daß dieses
Programmiermittel, das Software zum Programmieren des Roboter-Elements
einschließt,
vom ersten und zweiten Form-Element unabhängig arbeitet.
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Diese
Software kann bevorzugt ein ROBCAD-System umfassen.
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
perspektivische schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen mehrzelligen Systems
zur Herstellung von verstärkenden
Vorformlingen ist;
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2 ein
schematisches Diagramm eines Systems zur Reduktion der Reibung beim
Zuführen von
fadenförmigen
Verstärkungsmaterialien
an die Applikatorausrüstung
ist;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
einer Öse
ist, die im System zur Übergabe
von Verstärkungsmaterialien
an die Applikatorausrüstung
verwendet wird;
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4 ein
partielles Querschnittsdiagramm ist, das die Form zur Verfestigung
des Vorformlings in einer offenen Position zeigt;
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5 die
Form von 4 zeigt, jedoch in einer geschlossenen
Position;
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6 die
Formung eines Verstärkungsvorformlings
mit verschiedenen Dicken zeigt; und
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7 ein
schematisches Diagramm eines Systems zum Variieren des Luftstroms
zu Luftdüsen ist,
die verwendet werden, um Gegenstände
aus der Form zu entnehmen.
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Ein
System zur Herstellung eines verstärkenden Vorformlings ist in 1 schematisch
dargestellt und durch das Bezugszeichen 10 allgemein angegeben.
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Das
System 10 besteht aus zwei Zellen C1 und C2, wovon jede
zur Herstellung eines getrennten Vorformlings verwendet wird. Die
Zelle C1 umfaßt eine
zweiteilige Form, die einen oberen Formabschnitt 22 und
einen unteren Formabschnitt 24 aufweist.
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Jeder
der Formabschnitte schließt
ein Gitter-Element ein, das in der genauen Form der Ober- oder Unterseite
des Vorformlings vorgesehen ist. Der obere Formabschnitt 22 ist
auf einem beweglichen Rahmen-Element 26 angeordnet, das
entlang eines Schienensatzes 28 beweglich ist.
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Dementsprechend
umfaßt
die Zelle C2 eine zweiteilige Form, die einen oberen Formabschnitt 32 und
einen unteren Formabschnitt 34 aufweist, wovon jeder Gitter-Elemente
aufweist. Der obere Formabschnitt 32 ist in einem beweglichen
Rahmen-Element 36 angeordnet, das entlang eines Schienensatzes 38 beweglich
ist.
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Jede
der Zellen C1 und C2 weist einen separaten Sauglüfter F1 und F2 auf, um den
erforderlichen Luftstrom für
den jeweils Vorformungsprozeß bereitzustellen.
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Das
Luftsystem 40 für
Zelle C1 umfaßt
einen Lüftermechanismus 42 mit
einem geeigneten Motor- und Schaufelsystem (nicht gezeigt) daran,
sowie eine Reihe von Rohrleitungen 44, um die Luft zur
und von der Form umzuwälzen.
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Dementsprechend
umfaßt
das Luftsystem 50 für
Zelle C2 einen Lüftermechanismus 52,
zusammen mit einem geeigneten Lüftermotor
und Schaufeln (nicht gezeigt), sowie ein Rohrleitungssystem 54, um
den Luftstrom in und durch die Form umzuwälzen.
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Die
Verwendung separater Sauglüfter
F1 und F2 für
jede der Zellen C1 und C2 stellt sicher, daß der Prozeß, der in jeder Zelle verwendet
wird, ungeachtet des Stadiums des Vorformungsprozesses der gleiche
ist.
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Die
Verwendung zweier Sauglüfter
gewährleistet
Luftdurchflußmengen
und Luftgeschwindigkeiten durch die Vorformungswerkzeuge, die während der
Herstellung und des Betriebs jederzeit konsistent sind. Dies stellt
sicher, daß die
Arbeitsweise jeder Zelle gleich ist, ungeachtet des Stadiums der
Komponentenfertigung in anderen Zellen des Systems. Indem die Luftgeschwindigkeit
und der Luftdurchflußmenge
für jede
Zelle separat geregelt wird, wird auch die Reproduzierbarkeit von
Teil zu Teil und die Reproduzierbarkeit von Zelle zu Zelle gewährleistet.
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Ein
Roboter R wird verwendet, um der Form zur Herstellung der Vorformlinge
in jeder der Zellen C1 und C2 das Verstärkungsmaterial zuzuführen.
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Der
Roboter R ist ein automatisierter sechsachsiger Roboter mit kartesischen
Koordinaten konventionellen Typs mit einer „Hackpistole" (Chopper Gun) 60 am
Ende eines beweglichen Auslegers oder Arms 62.
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Der
Roboter R ist auf einer Basis 64 angeordnet, die entlang
einer Schiene 66 beweglich ist. Die Schiene 66 ist
angeordnet und vorgesehen, um die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Roboters R
zwischen den beiden Zellen C1 und C2 zu erlauben.
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Auf
diese Weise kann zur Herstellung des Vorformlings in jeder der Formen 20 und 30 des
zweizelligen Systems 10 ein einziger Roboter R verwendet
werden.
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Ein
geeignetes Sicherheitsgitter S eines konventionellen Typs ist typischerweise
um das mehrzellige System 10 herum vorgesehen, um es von
anderen Maschinenanlagen und Systemen in der Anlage abzuschirmen.
Die Abschirmung wird auch verwendet, um den unbefugten oder unbeabsichtigten
Zutritt zum System 10 zu verhindern.
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Eine
Vielzahl von Abnehmern oder Spulen, die fadenförmiges Verstärkungsmaterial
wie z.B. Faserroving halten, wird verwendet, wobei fadenförmige Materialien 72 von
den Spulen durch ein Beschickungssystem 80 der Ausstoßvorrichtung
oder Hackpistole 50 zugeführt werden, wie in 2 gezeigt. Das
fadenförmige
Verstärkungsmaterial 72 wird
erst durch eine Reihe von Ösen 82 geführt, die
auf die in 2 gezeigte Weise angeordnet
sind, um eine 180°-Krümmung des
Materials zu erhalten.
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Jede
der Ösen
umfaßt
einen Aufbau 90, wie in 3 gezeigt,
der einen inneren Durchgang 92 aufweist, der es dem fadenförmigen Material 72 ermöglicht,
mit minimalen Kontakt und minimaler Reibung durchgeführt zu werden.
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Die Ösen 90 sind
mit einem gekrümmten Tragelement 94 verbunden.
Eine Reihe von Rohr-Elementen 96 werden verwendet, um das
fadenförmige
Material zwischen den einzelnen Ösen 82 einzuschließen.
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Ein
Gegen- oder Spanngewicht 100 legt an das fadenförmige Material
zwischen dem Abnehmer oder der Spule 70 und der Hackpistole 60 die
geeignete Spannung an.
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Eine
zweite Reihe von Ösen 102 ist
vorgesehen, um das fadenförmige
Material 72 vom Gegen- oder Spanngewicht 100 zum
Arm 62 des Roboters R zu führen. Die Ösen 102 entsprechen
den oben beschriebenen Ösen 82.
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Geeignete
Dichtungen 83 wie z.B. O-Ringe werden verwendet, um die
Rohr-Elemente 96 an den Ösen 82, 102 in
Position zu halten.
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Die
Rohr-Elemente 96 sind zwischen den Ösen angeordnet und bestehen
bevorzugt aus einem flexiblen Material wie z.B. Polyvinylchlodrid
(PVC). Die Rohr-Elemente halten das Roving innerhalb der Ösen zurück. Die Ösen können aus
verschiedenen Materialien hergestellt sein, einschließlich Keramik, Micarta,
nichtrostendem Stahl, Stahl, Aluminium oder dergleichen.
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Die Ösen werden
als eine Kontaktfläche
bei der Richtungsänderung
des Glasmaterials genutzt, um das Material zu steuern und die Oberfläche und die
Reibung der Kontaktfläche
zu reduzieren.
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Die
Rohr-Elemente sind von ausreichendem Durchmesser, damit sie nicht
mit dem fadenförmigen Verstärkungsmaterial
in Kontakt kommen, wenn es von der Spule oder vom Abnehmer zum Roboter läuft. Die
Rohr-Elemente erlauben auch die Verwendung von Luftdruck, um den
Vorschub des fadenförmigen
Materials durch die Ösen
zu unterstützen. Dies
beseitigt die Notwendigkeit des manuellen Vorschubs des Materials
durch jede einzelne Öse.
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Die
vorliegende Erfindung kann mit vorgeformten Materialien wie z.B.
Glas, Carbon, Glas/Carbon-Hybriden und dergleichen verwendet werden. Die Ösen reduzieren
die Reibung erheblich, während sie
es den fadenförmigen
Bindermaterialien erlauben, in bestehenden Hackpistolen verarbeitet
zu werden, ohne deren Modifizierung.
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Das
Roving von den Abnehmern oder Spulen 70 wird von der Hackpistole 60 in
kleine Materialstücke
in der Größenordnung
von 10–50
mm Länge aufgebrochen
oder „zerhackt", je nach Präzision des verwendeten
Verarbeitungssystems. Die bevorzugte Applikator- oder Hackpistole
wird von Applicator System AB hergestellt und umfaßt zwei
separate Zerkleinerungsmaschinen-Elemente; eine Zerkleinerungsmaschine
für die
Deckschicht und eine Zerkleinerungsmaschine für die Verstärkung. Ein pneumatischer Motor
treibt die Zerkleinerungsmaschine für die Deckschicht mit Vorschub-
und Schneidwalzen an, die mit einem Treibriemen verbunden sind.
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Wenn
eine Deckschicht aus fein zerhacktem Material in der Größenordnung
von 9–10
mm Länge gewünscht wird,
wird ein einfaches Roving benutzt. Dies ermöglicht den Fasern, sich zu
defillibrieren oder zu filamentieren, um eine einheitliche Deckschicht
zu ergeben.
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Die
Zusatz der zerhackten Deckschicht unterstützt die Entnahme des Teils
aus der Form und kann von Vorteil sein, im bei Bedarf die Oberflächengüte des Formteils
zu verbessern.
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Einer
der Vorteile der Applikator-Hackvorrichtung ist, daß es ein
großes
Verarbeitungsfenster und eine große Leistungsfähigkeit
aufweist, die die bevorzugten Fertigungszeiten im Vergleich zu traditionellen
Hackpistolen erheblich verringert. Die Hackpistole verarbeitet auch
bevorzugt Glas-Rovings mit 2200 bis 3500 TEX; wobei bevorzugt Rovings
mit 2400 TEX im Vorformlingsprozeß verwendet werden.
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Die
Hackpistole verwendet elektrische Servomotoren zur Geschwindigkeitssteuerung
sowohl der Vorschub- als auch der Schneidwalzen, was stufenlos variable
Faserabgaben und Faserlängen
während
des Vorformungsprozesses ermöglicht.
Die Faserabgabe und Faserlänge
kann während
des Prozesses geändert
werden, um Faserüberbrückungsprobleme
und -radien zu vermeiden, und um netzförmige Randeigenschaften zu
erhalten.
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Wie
in 7 gezeigt, wird ein variables Luftdrucksystem 110 verwendet.
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Dies
erlaubt die Anpassung des Eingangsdrucks der Luftdüse, wodurch
die Abgabekraft der Hackpistole geändert wird, und erlaubt die
Verarbeitung verschiedener Materialien und den Erhalt verschiedener
Eigenschaften im gesprühten
Vorformling. Ein konventionelles pneumatisches Proportionalventil 112 ist
mit den zwei Luftdüsen 114 und 116 in
der Hackpistole verbunden. Das pneumatische Proportional- oder Solenoidventil 112 wird
von einem Systemcomputer 120 oder vom Roboter R gesteuert. Indem
der stufenlos variable Luftdüsendruck
auf diese Weise gesteuert wird, können verschiedene Materialien,
die zuvor im Vorformlingssystem nicht verarbeitet werden konnten,
oder verschiedene einmalige Materialkombinationen verwendet werden.
Darüber hinaus
können
die Vorformlingseigenschaften verbessert werden, einschließlich der
netzförmigen Randkonfiguration.
Der Eingangsluftdruck und der nachfolgende Ausgangs luftstrom aus
der Luftdüse kann
vom Werker dem verarbeiteten Material und den gewünschten
Vorformlingseigenschaften entsprechend spezifiziert werden.
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Auf
diese Weise kann ein starrer dreidimensionaler Vorformling hergestellt
werden, der an verschiedenen Abschnitten der Vorformlingskomponente
verschiedene Materialdicken aufweist.
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Ein
Vorformling 150, der in dieser Hinsicht repräsentativ
ist, wird in 6 gezeigt. Mit diesem System
kann ein „Tailor
Blanking"-Prozeß verwendet werden,
der die Formung von Komponenten erlaubt, die dort, wo es erwünscht ist,
die gewünschte
Dicke für
die strukturelle Steifigkeit aufweisen, aber dort, wo die Steifigkeit
nicht nötigt
oder erforderlich ist, die Verwendung von dünneren Komponentenabschnitten
erlaubt.
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Jedes
konventionelle Roving kann mit der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, wie z.B. Glasfaserroving, das von Owens-Corning hergestellt wird.
Das Glasroving 15 weist bevorzugt auch eine Aufweitung
auf, was die Verbindungs- und Handhabungseigenschaften verbessert.
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Zur
Formung der Vorformlinge sind Ablagerungsgitter, die der Form des
Vorformlings entsprechend geformt sind, jeweils im unteren Formabschnitt 24 und 34 der
Formen 20 und 30 vorgesehen. Die verstärkenden
Rovingmaterialien wie z.B. fadenförmige Binder werden mit einer
Roboterroutine von der Hackpistole 60 zerhackt und den
vorgeformten Gittern zusammen mit Thermokunststoff oder duroplastischem
pulverförmigen
Binder zugeführt.
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Ein
Druckluftstrom durch die vorgeformten Ablagerungsgitter hält die zerhackten
Materialien während
der ganzen Faserspritzroutine auf die Gitterfläche. Auf Wunsch kann, wie oben
erwähnt,
zuerst eine Deckschicht auf das Gitter aufgetragen werden.
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Eine
Deckschicht verbessert die Oberflächengüte des Formteils und kann auch
benutzt werden, um den Fluß des
Binders durch das Ablagerungsgitter und in das Luftumwälzsystem
zu verhindern.
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Zur
Formung des Vorformlings wird der Roboter R benachbart zur betreffenden
Zelle angeordnet, zum Beispiel C1, und verwendet, um das zerhackte
Glas und den Binder bis zur gewünschten
Dicke auf das vorgeformte Gitter zu spritzen. Wenn der Spritzvorgang
abgeschlossen ist, wird das bewegliche Rahmen-Element 26 mit
den oberen Formabschnitt 22 automatisch über dem
unteren Formabschnitt 24 in Position gebracht, und das Werkzeug
wird geschlossen.
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Der
obere Formabschnitt weist ein entsprechendes Verdichtungsgitter-Element
auf, das geformt ist, um den fertigen Vorformling zu formen. Der Umgebungstemperatur-Luftstrom durch das
Verdichtungsgitter wird abgebrochen, und Warmluft wird durch die
Gitter gesaugt, um den Binder auf den zerhackten Materialien zu
schmelzen und sie zusammenzuhalten. Gleichzeitig wird die Form geschlossen,
um das zerhackte Material auf die gewünschte Größe und Konfiguration zusammenzupressen.
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Wenn
der Binder ausgehärtet
oder geschmolzen worden ist, wird der Warmluftstrom abgebrochen,
und gekühlte
Luft oder Umgebungsluft wird durch den Vorformling gesaugt, wodurch
der Binder gekühlt
oder gefroren wird und die Vorformlinge in ihrer Endform erstarren.
Sobald die Form oder das Werkzeug geöffnet wird, wird der fertige
Vorformling aus der Form entnommen und dann in der Formung einer
Verbundstoffkomponente oder eines Verbundstoffprodukts als Verstärkungselement
verwendet.
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Mit
einem mehrzelligen System 10 können zwei Vorformlinge mit
Hilfe eines einzigen Roboters R hergestellt werden, wie in 1 gezeigt.
Auf diese Weise kann, sobald der Auftrag des zerhackten Glases und
Binders auf das Gitter in Zelle C1 beendet ist und die Schließung der
Form und Verfestigung des Vorformlings begonnen haben, der Roboter
R entlang der Schiene 66 zu seiner Station an Zelle C2
bewegt werden, um einen zweiten Vorformling spritzzuformen.
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Auf
diese Weise kann eine Vielzahl von Vorformlingen nacheinander vom
System 10 hergestellt werden, wobei optimal alle 3–4 Minuten
ein Vorformling geformt wird.
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Dies
ist ein vollautomatischer Vorformungsprozeß, der wenig oder keinen Eingriff
des Werkers erfordert.
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Die
volle Prozeßautomatisierung
wird durch die Robotik und durch Automatisierung der Maschinensteuerung
erreicht. Die Prozeßautomatisierung sorgt
für Reproduzierbarkeit
in der Konsistenz von Teil zu Teil, wie dies für Verbundstoff-Massenanwendungen
für die
Autoindustrie erforderlich ist.
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Wie
angegeben, können
zur Herstellung des Vorformlings entweder Thermokunststoffe oder
duroblastische Bindermaterialien verwendet werden. Die Verwendung
jedes dieser Materialien ist dem Fachmann bekannt und hat ihre eigenen
Vorteile und Nachteile aufzuweisen. Zum Beispiel scheinen duroblastische
Bindemittel die Migration des Binders in die geformten Teile zu
verhindern, erfordern aber höhere
Temperaturen und längere
Haltedauern, um die vollständige
Aushärtung
zur erreichen und die „Klebrigkeit" des Binders im Vorformling
zu beseitigen.
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Sobald
die Vorformlinge fertig sind, werden sie zur Herstellung von Verbundstoffprodukten
verwendet, insbesondere durch Harzinjektions (RTM)- oder strukturelle
Reaktionsspritzguß (SRIM)-Verfahren.
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Für jede spezifische
Größe und Konfiguration
der Vorformlingskomponenten oder -produkte muß der Applikationsprozeß des Roboters
R programmiert werden. Die Bewegung der Hackpistole relativ zur
Vorformlingsgitter muß gesteuert
werden, um die notwendige Menge an zerhacktem Material und Binder
an der notwendigen Stelle auf dem Gitter vorzusehen. Um zu vermeiden,
daß der
Programmiervorgang des Roboters manuell an den Gittern in den Formen
durchgeführt
wird und dadurch Stillstandszeiten in der Zelle entstehen, wird
das Roboterprogramm automatisch offline von einem Robotersoftwareprogramm
wie z.B. ROBCAD erzeugt.
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Auf
diese Weise kann praktisch der gesamte Weg und die Programmierung
des Roboters R zum Herstellen des Vorformlings mit Hilfe eines computergestützten Prozesses
im Labor oder in der Anlage programmiert und dann in der Zelle vor
Ort angepaßt oder
feinabgestimmt werden, um die benötigte Form des Vorformlings
herzustellen.
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Durch
die Robotik und die programmierbaren Hackpistolen können den
Anforderungen des Komponentendesigns entsprechenden Rohlinge mit verschiedenem
Glasgehalt und Dicken hergestellt werden. Die Programme für Roboterapplikatoren werden
der Teilegeometrie, den Ausrüstungsbeschränkungen,
den Materialbeschränkungen
und den gewünschten
Teileeigenschaften entsprechend automatisch erzeugt. Die Programme
werden innerhalb der ROBCAD-Software getestet, um sicherzustellen,
daß alle
Positionen vom Roboter ausführbar und
frei von Objektkollisionen sind.
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Vorherige
Verfahren erforderten, daß der Werker
entweder den Roboter in der Lernform an der Maschine, d.h. in der
Zelle programmierte, oder das Verwenden einer Offline-Programmiersoftware.
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Das
Erzeugen eines Roboterprogramms für die Materialaufbringung ist
bei minimalem Eingriff des Werkers möglich. Dies verkürzt die
Vorlaufzeit für die
Programmierung des Roboters und automatisiert den Roboterprogrammierungsprozeß.
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Die
Software erzeugt die erforderliche Spritzroutine für den beweglichen
Arm 62 und die Hackpistole 60 des Roboters R.
Für die
Deckschicht kann das Glasfasermaterial in feine Stücke mit
z.B. 9–10 mm
Länge zerhackt
oder aufgebrochen werden. Für den
Rest des Vorformlingsmaterials kann die Glasfaser in Stücke von
etwa 25–50
mm Länge
aufgebrochen oder zerhackt werden.
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Das
Material, das zum Formen der strukturellen Verbundstoffkomponenten
verwendet wird, ist typischerweise ein Polyester- oder Polyurethanmaterial
oder ein Epoxyd. In der Form wird das Material durch den Vorformling
und ganz darum herum eingespritzt, um das Endprodukt zu ergeben.
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Es
ist auch möglich,
ein Hybridmaterial zur Formung des Vorformlings vorzusehen. Zum
Beispiel können
Glasfaser- und Carbonfasermaterialien gleichzeitig aufgebrochen
oder zerhackt werden oder zusammen das Faserspritzmaterial ausmachen.
Abnehmer oder Spulen jedes dieser Materialien können zusammen mit einem ober
zwei Hackrädern
oder -messern in der Hackpistole oder im Applikator 60 verwendet
werden.
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Während des
Verdichtungsvorgangs wird der obere Formabschnitt 22 und 32 der
Formen 20 und 30 jeweils auf dem unteren Formwerkzeug
oder -abschnitt 24 und 34 geschlossen. Aufgrund
des konsistenten Luftstroms durch die Ablagerungsgitter in den Formen
werden Luftströme
mit erhöhter
Geschwindigkeit erzeugt, wenn die zwei Formabschnitte zur Verdichtung
des Vorformlings geschlossen sind. Ein Hochgeschwindigkeitsluftstrom
in der Nähe
der Ränder
des Teils kann aber bewirken, daß das Auftragsmaterial von
seiner ursprünglichen
Stelle entfernt wird, wodurch Lücken
in den gespritzten Materialien oder ungleichmäßige Ränder entstehen.
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Um
den Hochgeschwindigkeitsluftstrom daran zu hindern, das Material
an den Rändern
des geformten Vorformlings zu stören,
sind Dichtungen 120 und 130 vorgesehen, wie in 4 und 5 gezeigt.
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Dichtungen 120 sind
zwischen dem Netzrandblock 140 und dem unteren Formabschnitt 24, 34 vorgesehen.
Die zweite Dichtung 130 ist zwischen dem Netzrandblock 140 und
dem oberen Formabschnitt 22, 32 vorgesehen. Die
Netzrandblöcke 140 sind
um den Außenumfang
des Vorformlings 150 angeordnet, um die gespritzten Materialien
einzuschließen
und einen Netzrand herzustellen, der nicht anschließend geschnitten
oder gerahmt werden muß.
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Die
Blöcke 140 sind
in der Form vorgesehen, die erforderlich ist, um den Umfang des
Vorformlings zu formen, und sind mit Schrauben, Bolzen oder anderen
Befestigungsmitteln an den Formen befestigt.
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Die
Dichtungen 120 und 130, die bevorzugt aus einem
Elastomer-Material bestehen, hindern Hochgeschwindigkeitsluft daran,
in das Innere der Form (Formhohlraum) einzudringen, wenn die zwei Formabschnitte
geschlossen sind. Die Dichtung 120 hindert den Hochgeschwindigkeitsluftstrom
daran, in den Formhohlraum einzudringen und den Vorformling zwischen
dem Netzrandblock 140 und dem unteren Formabschnitt zu
stören,
während
die Dichtung 130 vorgesehen ist, um den Hochgeschwindigkeitsluftstrom
daran zu hindern, in den Formhohlraum zwischen dem Netzrandblock
und dem oberen Formabschnitt einzudringen.
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Auch
wenn die Erfindung in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen
beschrieben wurde, versteht es sich, daß die spezifischen Mechanismen
und Techniken, die beschrieben wurden, lediglich beispielhaft für die Prinzipien
der Erfindung sind. Zahlreiche Änderungen
können
an den beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung vorgenommen werden,
ohne daß vom
Umfang der Erfindung abgewichen wird.