EP2225074A1 - Vorrichtung zum zuschneiden und handhaben eines im wesentlichen flächenhaften zuschnittes aus einem cfk-halbzeug und verfahren - Google Patents

Vorrichtung zum zuschneiden und handhaben eines im wesentlichen flächenhaften zuschnittes aus einem cfk-halbzeug und verfahren

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EP2225074A1
EP2225074A1 EP08864940A EP08864940A EP2225074A1 EP 2225074 A1 EP2225074 A1 EP 2225074A1 EP 08864940 A EP08864940 A EP 08864940A EP 08864940 A EP08864940 A EP 08864940A EP 2225074 A1 EP2225074 A1 EP 2225074A1
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EP
European Patent Office
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blank
finished product
cutting
current
semi
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EP08864940A
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English (en)
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EP2225074B1 (de
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Claus Fastert
Hans-Martin Krafft
Matthias Klein-Lassek
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Airbus Operations GmbH
Original Assignee
Airbus Operations GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2225074B1 publication Critical patent/EP2225074B1/de
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    • B26D7/01—Means for holding or positioning work
    • B26D7/018—Holding the work by suction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
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    • B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
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    • B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
    • B26D7/22—Safety devices specially adapted for cutting machines
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    • Y10T83/851—Indicator comprising work or product

Definitions

  • the invention relates to a device for cutting and handling a substantially planar blank from a lying on a cutting table laminar CFRP semi-finished by means of a cutting device, wherein the cut-out blank can be sucked by means of a vacuum and at least liftable.
  • the invention relates to a method for the production of blanks from a sheet-like blank using the device according to the invention, wherein incomplete severing automatically detected and, if necessary, automatically eliminated.
  • the (fiber) preform essentially following a three-dimensional shape of the CFRP component to be produced in this way with carbon fibers is inserted in the course of a production process, for example into a shape which corresponds to the geometrical shape of the CFRP component to be produced, and impregnated with a curable plastic material, such as an epoxy resin.
  • a curable plastic material such as an epoxy resin.
  • the cut-out blanks have to be sucked in, for example by means of a vacuum effector, and stored, for example, in an RTM mold for the layered construction of a preform, so that the impregnation can be carried out in a final process step the curable plastic material can be done.
  • the vacuum effector of the device is generally positioned by means of a handling device, in particular by means of a articulated arm robot with multiple degrees of freedom, fully automatically in space.
  • the publication DE 699 05 752 T2 relates to a fabric application device for producing a composite laminate, wherein the step-by-step application of tissue for the production of laminates and in particular the blank at the molding station is disclosed.
  • the document DE 23 01 736 A describes a device for cutting a flat material, wherein computer-based cutting instructions are transmitted to cutting heads, each of which cutting zones are assigned in Verschubrich- direction of the material web.
  • the document DE 102 52 671 C1 discloses a method for the production of fiber-reinforced, three-dimensional plastic parts, wherein a partial interruption of the yarn layer takes place in areas of greatest deformation in selected areas.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for fully automated cutting of blanks from a sheet-like CFRP semi-finished product as a starting material, in which an incomplete separation of carbon fibers is automatically detected and optionally not completely severed carbon fibers are severed automatically after the actual cutting process ,
  • the device should be able to forward a properly cut out blank automatically to a downstream production level or to pass.
  • At least one blanking electrode can be contacted with the blank and at least one edge electrode can be contacted with an edge section separated from the CFK semi-finished product and the at least two electrodes are connected to a voltage source and a measuring device, wherein the complete separation of the blank by means of the measuring device can be determined from the semi-finished CFRP, a not completely cut out of the CFRP semi-finished or cut blank can be fully automatically detected.
  • the signaling device allows in this case, for example, a simple optical signaling and / or the forwarding of a corresponding error signal to a control and regulating device, can be initiated by the further steps for complete separation of the blank from CFK semifinished product.
  • CFRP semi-finished product defines a substantially planar, initially still “dry” reinforcing fiber assembly.
  • the reinforcing fiber assembly is preferably a carbon fiber scrim, fabric, knit, knit, or the like that is not yet final with a curable Plastic material is impregnated or impregnated to create the finished CFRP component formed.
  • the invention is also applicable to other semifinished fiber products - provided sufficient electrical conductivity of the reinforcing fibers for the severing indication.
  • the invention - assuming a corresponding cutting technique - can also be applied to planar "prepreg" materials, that is to say reinforcing fiber arrangements already pre-impregnated with a curable plastics material but not yet completely cured, in particular carbon fiber reinforcing arrangements.
  • An edge electrode can be contacted electrically with an edge section which is separated or separated from the CFRP semi-finished product, while a blanking electrode can be electrically connected to the cut-out blank.
  • the two preferably planar and not selectively designed electrodes may be formed, for example, with a perforated grid plate or with a fabric or braid made of a conductive material.
  • the perforated grid plate or the metal fabric allows the unimpeded effect of the reduced pressure on the drawn blank.
  • the blank is generally supplied with a sufficiently high force to the blanking electrode pressed so that always a sufficient electrical contact is ensured.
  • a resilient support for fastening the blanking electrode and ensuring a sufficiently high contact pressure for a sufficient electrical contact is therefore - in contrast to the edge electrode - generally not required.
  • the electrodes are connected to a voltage source and a measuring device, in particular in the form of an ammeter or a resistance measuring device.
  • the voltage source is preferably a DC voltage source since any changes in resistance or fluctuations in the current flow can be detected more easily and more precisely by means of direct current. Alternatively, however, the measurement can also be carried out using an AC voltage source.
  • the blank After being placed on the cutting table, the blank is automatically cut out of the sheet-like CFRP semi-finished product with a required circumferential contour by means of a knife that vertically oscillates at a high frequency of up to 18,000 strokes / minute, as a rule with the vacuum effector fully raised.
  • the vacuum effector is then lowered onto the cut-out blank, whereby it is sucked and held.
  • first of all (measuring) current I flows irrespective of whether all carbon fibers in the CFRP semifinished product have been properly cut or not, with a current I flowing in the uncut state in comparison with the (starting or resting) current Substantially unchanged strength further, since the contiguous cutting surfaces between the blank and the CFRP semi-finished product still allow a passage of electricity.
  • the blank is raised by moving the vacuum effector up to a measuring height of a few millimeters. If the current falls
  • the measuring height preferably corresponds to at least one material thickness of the CFRP semi-finished product plus a safety margin of a few millimeters.
  • the output signal or the current I generated by the current meter or the resistance meter as a measuring device can be used for simple notification or information of a user or machine operator about the accident and / or as an electrical error signal for forwarding to a control and regulating device of the entire ( Cutting) device can be used, for example, to cause an automated cut through the not completely cut fibers.
  • a refinement of the device provides that the at least two electrodes, the voltage source, the measuring device and the uncut CFRP semi-finished product form a closed electrical circuit in a lowered state of the vacuumeffector.
  • a further advantageous embodiment of the device provides that the measuring device is in particular an ammeter, wherein a current I with a current strength of significantly more than 0 mA indicates an incomplete severing of the blank in the case of a blank raised by a measuring height. , As a result, measurement errors are avoided because the current I current at not cut to a measurement height of, for example, 5 mm blank due to currents in the contact area between the abutting Cutting surfaces of CFK semi-finished and the blank is always greater than O mA.
  • the apparatus of the current I can surroundzei- be TIG or pulse-like manner raised to a maximum value l Ma ⁇ to whether there are even transit between the blank and the CFRP semi-finished product consisting of carbon fiber bridges or carbon fiber filaments by increased current flow Heat seal and in this Way to complete the complete separation.
  • the cutting device according to the invention can be used in fully automated production lines for the production of CFRP components.
  • the maximum value of the current l Ma ⁇ required for melting residual carbon fiber bridges is up to 100 A (amperes).
  • the blank can be fed by means of the vacuum effector, with a handling device, in particular an articulated arm robot with at least six degrees of freedom, to further production stages, for example a molding tool for a downstream RTM process.
  • Fig. 3 shows the device with a raised to measuring height and properly cut out blank
  • FIG. 1 and 2 show a schematic representation of the device with a resting on the cutting table (CFK) -Halbzeug, wherein the vacuum effector is raised in the Fig. 1 and in Fig. 2 is completely lowered.
  • the actual cutting operation of the CFK semifinished product resting on the cutting table is preferably carried out in the raised position of the vacuumeffector shown in FIG. 1 by means of a suitable cutting device and is completed in FIG.
  • the CFRP semi-finished product or the blank can have a planar or a (slightly) curved surface geometry in at least one spatial direction (spherically curved).
  • the apparatus 1 comprises, inter alia, a cutting table 2 and a vacuum effector 3 with an edge electrode 4 and a blanking electrode 5.
  • a sheet-like CFRP semi-finished product 6 to be cut by means of the device 1 is deposited.
  • the blanking electrode 5 is arranged in a suction region 7 of the vacuumeffector 3 and, when the vacuumeffector 3 is lowered in the direction of the arrow 8, makes electrical contact with the CFRP semi-finished product 6 or with the blank 9 to be separated therefrom.
  • the edge electrode 4 is fixed in the region of an outer edge 10 of the vacuum effector 3 mitteis a holder 11.
  • the edge electrode 4 When lowering the vacuum effector 3, the edge electrode 4 makes an electrical contact with an edge portion 12 of the CFRP semi-finished product 6, which arises in the course of cutting out the blank 9.
  • the holder 11 has a (pressure) spring 13, so that the edge electrode 4 when lowering the vacuum effect 3 parallel to the black double arrow resiliently placed on the CFK semi-finished 6 and the electrical contact even at a slight increase (at least up to a measured height ) of the vacuum effector 3 is maintained against the orientation of the arrow 8.
  • the vertical travel of the holder 11 of the edge electrode 4 may be up to a few millimeters.
  • Both electrodes 4, 5 are formed, for example, with a metallic perforated metal sheet or with a metal braid, in order to create a possibly largest contact surface on the CFK semifinished product 6.
  • the perforated plate or the metal mesh of the electrodes 4, 5 is preferably provided with an electrically highly conductive and corrosion-resistant metal alloy, for example with a metal alloy Copper, a silver alloy, an aluminum alloy, a titanium alloy, or any combination thereof.
  • Both the edge electrode 4 and the Zuschnittelektrode 5 are connected via electrical lines, of which only one electrical line 14 is provided for the others by a reference numeral, with a voltage source 15 and a measuring device 16 to form a closed at least in the lowered state of the vacuum 3 electrical (DC) circuit connected to each other.
  • the measuring device 16 is a (DC) current meter 17 and the voltage source 15 is preferably designed as a DC voltage source 18 with a positive pole and a negative pole.
  • the current I flows, measured by the ammeter 17 and Display is brought.
  • the measured current value of the current meter 17 can be forwarded to a control and regulating device (not shown) for the evaluation and automatic initiation of dependent process steps.
  • the current I approximately has a value of 0 mA, since there is a sufficiently high (air) insulation resistance between the two electrodes 4, 5.
  • the vacuum effector 3 is attached to a handling device, not shown, in particular a articulated robot (standard industrial robot) with at least six degrees of freedom, for arbitrary positioning of the sucked blank 9 in space.
  • the free positioning of the blank 9 in the space by means of the handling device takes place in the fully lifted from the cutting table 2 position of the vacuum effector 3, which is shown in FIG.
  • the vacuum effector 3 has a multiplicity of suction devices which are preferably arranged in the form of a matrix, for example in the form of small suction cups or suction tubes, for sucking and holding the dry blank 9 in the suction region 7, of which for the sake of clarity only one suction device 19 is representative of the The rest is provided with a reference number.
  • the vacuum effector 3 is able, sucked controlled by the control and regulating device, not shown, to suck blanks 9 with almost any geometric shapes and withdraw from the cutting table 2 against the orientation of the arrow 8 and pass to downstream production units.
  • blanks 9 can be automatically inserted into a mold for a downstream RTM production process by means of the vacuum effector 3, positioned therein and stacked in order to enable largely fully automatic production of dimensionally stable CFRP components.
  • the vacuum effector 3 is shown in a lowered position on the already cut CFRP semi-finished product 6.
  • the edge electrode 4 and the Zuußelektrode 5 in electrical contact with the CFRP semi-finished 6.
  • the magnitude of the current I is measured by the ammeter 17 and displayed as a current reading and / or forwarded to the control and regulating device of the entire device 1.
  • the cutting device 20 is preferably at least one knife that oscillates vertically at a high frequency of up to 18,000 strokes per minute, or a cutting edge that is automatically guided along any desired contour of the blank 9.
  • the cutting device 20 is at least in the plane of the CFRP semi-finished product, such as indicated in Fig. 1 with the crossed double arrows, and optionally also freely positionable in the z-direction. In the illustration of FIG.
  • the cutting device 20 is lifted or removed from the cutting table 2, which is indicated by the arrow pointing vertically upwards in the region of the cutting device 20.
  • the spring 13 on the holder 11 By the action of the spring 13 on the holder 11, a secure electrical contact between the edge electrode 4 and the blank 9 is achieved.
  • a current I - although under some circumstances reduced - flows since the cut surfaces of the blank 9 not provided with a reference number abut against corresponding cut surfaces of the CFRP semi-finished product 6 in the intersection region.
  • FIG. 3 illustrates a successfully completed cutting process, while in FIG. 4, by way of example, a single carbon fiber bridge has remained standing after the completion of the cutting process between the blank 9 and the CFK semifinished product 6.
  • the vacuum effector 3 is not shown in the fully raised position (see Fig. 1) but in the so-called measuring position. After Abschiuss the actual cutting operation for separating the blank 9 from the surrounding CFRP semi-finished product 6, the vacuum effector 3 together with the sucked blank 9, as shown in Fig. 3, slightly in the direction of arrow 21 to a measured height 22 in relation to a not provided with a reference numeral top of the CFRP semi-finished 6 raised.
  • the current I current is of the order of 0 mA, so that the ammeter 17 does not break (power cut) and no error signal to the control - And control device is delivered.
  • the lifting of the vacuum effector 3 from the cutting table 2 to the measuring height 22 is important for the reliability of the results, since even in the case of a complete severing with the blank 9 not raised, there is still a current I through the separating zone (cutting area or section) between the CFK -Halbzeug 6 and the cut-out blank 9 flows.
  • the measuring height 22 can be up to 5 mm, but preferably only one measuring height 22 is set, which is slightly larger than a material thickness of the CFK semifinished product 6.
  • the vacuum effector 3 is also in the so-called measuring position, but after the completion of the cutting process between the CFRP semi-finished product 6 and the cut out cut 9, a carbon fiber bridge 23, as indicated by the dashed line high line thickness, have stopped.
  • a current I flows through the lines 14, which has a current strength of significantly more than 0 mA.
  • the current meter 17 fails and a corresponding control signal or error signal is forwarded to the control and regulating device. If the vacuum effector 3 were raised further in the direction of the arrow 21 despite this error, the carbon fiber bridge 23 would break off when a sufficiently large traction force was reached.
  • the blank 9 sucked by the vacuum effector 3 can slip on the suction area 7 as a result of this force action, so that no defined position of the blank 9 is given and, for example, the subsequent automated insertion of the blank 9 into a molding tool for an RTM process is no longer possible easily possible.
  • the control and regulating device receives the error signal in the form of an incomplete transection, the current I briefly (pulsed) up to a maximum value ⁇ Max in the order of up to 100 A. increased to quickly orientalzuschmelzen the carbon fiber bridge 23, burn or cut. Subsequently, the blank 9 can be lifted from the vacuum effector 3 in the usual way in the direction of the arrow 21 completely from the cutting table 2 and forwarded to subsequent production stages.
  • the inventive method with preferred use of the cutting device 1 is as follows.
  • a sheet-like CFRP semi-finished product 6 is placed on the cutting table 2 of the device 1.
  • a (reverse) current I of up to a few A (amperes) usually sets in.
  • a second step - preferably with a fully raised vacuum effector 3 - preferably fully automatic cutting out of the blank 9 from the CFRP semi-finished product 6 takes place, with almost any contouring of the blank 9 is possible.
  • the vacuum effector 3 is lowered onto the CFRP semifinished product 6 and the blank 9 is then sucked in by means of negative pressure.
  • the DC voltage source 18 is connected via the electrical lines 14 with the edge electrode 4 and the Zuschnittelektrode 5 to a closed, electrical (DC) circuit.
  • a current I which is still greater than 0 mA, but is usually considerably smaller than the current I, which flows prior to the cutting process .
  • the blank 9 and the CFK semi-finished product 6 still touch each other along the opposite cut surfaces, so that there is still a sufficiently small contact resistance for the current flow I.
  • a fourth method step the vacuum effector 3 is moved together with the sucked blank 9 in the vertical direction to a measured height 22, that is lifted from the cutting table 2.
  • a measured height 22 is up to 5 mm, but preferably the measuring height 22 corresponds approximately to the material thickness of the ⁇ single-layered) CFK semi-finished product 6.
  • the relevant measurement of a current I takes place by means of the current meter 17, which is between the Edge electrode 4, the Zuintroducingelektrode 5 and the DC voltage source 18 flows when an incomplete cut is made.
  • the current I or the current measuring value has a value of approximately 0 mA.
  • This current I of the order of magnitude of 0 mA, is forwarded by the ammeter 17 as a clear "error-free" signal to the control and regulating device, which causes the forwarding or further transport of the blank 9 to downstream production stages.
  • the control and regulating device which causes the forwarding or further transport of the blank 9 to downstream production stages.
  • the current intensity of the current I when lifting the blank 9 is still significantly greater than 0 mA.
  • the current measurement value of the current measurer 17 forwarded to the open-loop and closed-loop control device constitutes an "error signal."
  • an automatic increase of the current I to a maximum value l max of up to 100 A (amperes) may occur Immediate melting or burnout (burning through) of the carbon fiber bridges 23 and thus the final separation of the blank 9 from the CFRP semi-finished product 6 causes.
  • the blank 9 can be passed on in the usual way and without disturbances in the automatic production flow to a subsequent production station.
  • several blanks 9 are superimposed in a mold for a subsequent RTM process and finally impregnated or impregnated with the application of pressure and temperature with a curable plastic material, in particular an epoxy resin to create the finished CFRP component.
  • suction device vacuum effector

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Zuschneiden von im Wesentlichen flächenhaften Zuschnitten (9) aus einem auf einem Schneidetisch (2) aufliegenden flächenhaften CFK-Halbzeug (6) mittels einer Schneideinrichtung (20). Der Zuschnitt (9) ist mittels eines an einem Handhabungsgerät angeordneten Vakuumeffektors (3) ansaugbar, festhaltbar und anschließend frei im Raum positionierbar. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Zuschnittelektrode (5) beim Absenken des Vakuumeffektors (3) mit dem Zuschnitt (9) kontaktierbar und entsprechend ist mindestens eine Randelektrode (4) mit einem vom CFK-Halbzeug (6) abgetrennten Randabschnitt (12) elektrisch kontaktierbar. Beide Elektroden (4,5) sind über elektrische Leitungen (14) an eine Gleichspannungsquelle (18), eine Messeinrichtung (16), insbesondere einen (Gleich-)strommesser (17), angeschlossen. Nach Anheben des herausgetrennten Zuschnitts (9) mittels des Vakuumeffektors auf eine Messhöhe (22) wird ein Strom I ermittelt. Stellt sich ein Strom I von etwa 0 mA ein, ist eine vollständige Trennung erfolgt. Ergibt sich ein Strom I, der deutlich größer als 0 mA ist, ist mindestens eine nicht vollständig durchtrennte Kohlenstofffaserbrücke (23) vorhanden, die in einem vollautomatischen Produktions- ablauf bevorzugt durch eine impulsartige Erhöhung des Stroms I auf einen Maximalwert lMax durch Aufschmelzen durchtrennt wird. Hierdurch ist eine reibungslose Weiterverarbeitung des Zuschnittes (9) möglich, was insbesondere in hoch automatisierten Fertigungsanlagen von Bedeutung ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Zuschnitten (9) aus CFK-Halbzeugen (6) insbesondere mittels der Vorrichtung (1).

Description

Vorrichtung zum Zuschneiden und Handhaben eines im Wesentlichen flächenhaften Zuschnittes aus einem CFK-Halbzeug und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuschneiden und Handhaben eines im Wesentlichen flächenhaften Zuschnittes aus einem auf einem Schneidetisch aufliegenden flächenhaften CFK-Halbzeug mittels einer Schneideinrichtung, wobei der herausgetrennte Zuschnitt mittels eines Vakuumeffektors ansaugbar und zumindest anhebbar ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Zuschnitten aus einem flächenhaften Zuschnitt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei unvollständige Durchtrennungen selbsttätig erkannt und erforderlichenfalls automatisch beseitigt werden.
Im modernen Flugzeugbau finden zunehmend Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen Verwendung. Zur Herstellung derartiger Bauteile wird eine Vielzahl von flächenhaften Faserhaibzeugen zur Schaffung eines Faservorform lings übereinander geschichtet, bis eine vorgegebene Bauteilform erreicht ist. Die einzelnen Verstärkungsfaserlagen können jeweils unterschiedliche Umfangsge- ometrien aufweisen, um Vorformlinge mit einer nahezu beliebigen Oberflächengeometrie herzustellen. Hierzu ist es erforderlich, aus dem flächenhaften Faserhalbzeug Zuschnitte mit einer entsprechenden Umfangsgeometrie auf geeigneten automatischen Schneideinrichtungen mit hoher Genauigkeit herauszutren- nen. Als Faserhalbzeuge kommen bevorzugt Gewebe, Gelege oder Gestricke mit Kohlenstofffasern zum Einsatz (so genannte "CFK-Halbzeuge"). Der auf diese Weise mit Kohlenstofffasern gebildete, einer dreidimensionalen Gestalt des zu fertigenden CFK-Bauteils im Wesentlichen folgende (Faser- )Vorformling, wird im Zuge eines Fertigungsverfahrens zum Beispiel in eine Form eingelegt, die der geometrischen Gestalt des zu fertigenden CFK-Bauteils entspricht, und mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, wie beispielsweise einem Epoxidharz, imprägniert. Abschließend oder zeitgleich erfolgt unter Anwendung von Druck und/oder Temperatur die Aushärtung zu einem maßhaltigen Bauteil (so genanntes "RTM-Verfahren", "Resin Transfer Molding"). Um eine möglichst vollautomatische Herstellung der Faservorform linge im RTM- Verfahren zu erreichen, müssen die herausgetrennten Zuschnitte beispielsweise mittels eines Vakuumeffektors angesaugt, angehoben und beispielsweise in ein RTM-Formwerkzeug zum schichtweisen Aufbau eines Vorform lings abgelegt werden, damit in einem abschließenden Prozessschritt die Imprägnierung mit dem aushärtbaren Kunststoffmaterial erfolgen kann. Der Vakuumeffektor der Vorrichtung wird im Allgemeinen mittels eines Handhabungsgeräts, insbesondere mittels eines Knickarmroboters mit mehreren Freiheitsgraden, vollautomatisch im Raum positioniert.
Probleme im automatischen Fertigungsablauf treten auf, wenn während des automatischen Zuschneidvorgangs in der Schneidevorrichtung nicht alle Kohlenstofffasern vollständig durchtrennt werden. In diesem Fall kommt es bei dem Versuch, den Zuschnitt mittels des Vakuumeffektors vom Schneidetisch abzu- heben, in aller Regel zu Störungen im Produktionsfluss, da sich die Position des Zuschnittes unter dem Vakuumeffektor verschiebt. Damit ist die genaue räumliche Position des Zuschnittes nicht mehr bekannt und dessen korrekte Positionierung in Bezug auf ein Formwerkzeug nicht mehr gewährleistet. Eine Lagekorrektur ist in diesem Fall, vorausgesetzt der Zuschnitt ist durch das Abreißen vom CFK-Halbzeug nicht in seiner Integrität beschädigt, nur noch durch eine aufwendige manuelle Nachpositionierung möglich.
Die Druckschrift DE 699 05 752 T2 betrifft eine Gewebeauflegevorrichtung zur Herstellung eines Verbundlaminates, wobei das schrittweise Auflegen von Ge- webe für die Herstellung von Laminaten und insbesondere der Zuschnitt an der Formstation offenbart ist.
Die Druckschrift DE 23 01 736 A beschreibt eine Vorrichtung zum Schneiden eines Flachmaterials, wobei computerbasierte Schneidanweisungen an Schneidköpfe übermittelt werden, denen jeweils Schneidzonen in Verschubrich- tung der Materialbahn zugeordnet sind. Die Druckschrift DE 102 52 671 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, dreidimensionalen Kunststoffteilen, wobei eine partielle Unterbrechung des Fadengeleges in Bereichen der stärksten Verformung in ausgewählten Bereichen stattfindet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum voll automatisierten Zuschneiden von Zuschnitten aus einem flächenhaften CFK-Halbzeug als Ausgangsmaterial zu schaffen, bei der eine nicht vollständige Durchtrennung von Kohlenstofffasern selbsttätig erkannt wird und gegebenenfalls nicht vollständig durchtrennte Kohlenstofffasern nach dem eigentlichen Schneidvorgang selbsttätig durchtrennt werden. Darüber hinaus soll die Vorrichtung in der Lage sein, einen ordnungsgemäß herausgetrennten Zuschnitt selbsttätig an eine nachgeschaltete Produktionsstufe weiterzuleiten bzw. zu übergeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass mindestens eine Zuschnittelektrode mit dem Zuschnitt kontak- tierbar ist und mindestens eine Randelektrode mit einem vom CFK-Halbzeug abgetrennten Randabschnitt kontaktierbar ist und die mindestens zwei Elektroden an eine Spannungsquelle sowie eine Messeinrichtung angeschlossen sind, wobei mittels der Messeinrichtung die vollständige Abtrennung des Zuschnittes vom CFK-Halbzeug ermittelbar ist, kann ein nicht vollständig aus dem CFK-Halbzeug herausgeschnittener bzw. abgetrennter Zuschnitt vollautomatisch erkannt werden. Die Signaleinrichtung ermöglicht in diesem Fall beispielsweise eine einfache optische Signalisierung und/oder die Weiterleitung eines entsprechenden Fehlersignals an eine Steuer- und Regeleinrichtung, durch die weitere Schritte zur vollständigen Abtrennung des Zuschnittes vom CFK-Halbzeug eingeleitet werden können. Der Begriff "CFK-Halbzeug" definiert eine im Wesentlichen flächenhafte, anfänglich noch "trockene" Verstärkungsfaseranordnung. Die Verstärkungsfaseranordnung ist bevorzugt mit einem Kohlenstofffasergelege, -gewebe, -gestrick, - gewirk oder dergleichen, das noch nicht abschließend mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial zur Schaffung des fertigen CFK-Bauteils durchtränkt bzw. imprägniert ist, gebildet. Grundsätzlich ist die Erfindung auch auf andere Faserhalbzeuge - eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Verstärkungsfasern zur Durchtrennungsindikation vorausgesetzt - anwendbar. Alternativ kann die Erfindung - eine entsprechende Schneidetechnik vorausgesetzt - auch auf flächenhafte "Prepreg"-Materialien, das heißt auf bereits mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial vorimprägnierte, aber noch nicht oder nicht vollständig ausgehärtete Verstärkungsfaseranordnungen, insbesondere Kohlenstofffaserver- stärkungsanordnungen, angewendet werden. Eine Randelektrode ist mit einem vom CFK-Halbzeug abgetrennten bzw. abzutrennenden Randabschnitt elektrisch kontaktierbar, während eine Zuschnittelektrode mit dem herausgetrennten Zuschnitt elektrisch verbindbar ist. Die beiden bevorzugt flächenhaft und nicht punktuell ausgestalteten Elektroden können zum Beispiel mit einem Lochrasterblech oder mit einem Gewebe bzw. Geflecht aus einem leitfähigen Material gebildet sein. Im Fall der im Ansaugbereich des Vakuumeffektors angeordneten Zuschnittelektrode ermöglicht das Lochrasterblech bzw. das Metallgewebe darüber hinaus die ungehinderte Wirkung des Unterdrucks auf den angesaugten Zuschnitt, in Folge der Wirkung des Unterdrucks wird der Zuschnitt in der Regel mit einer ausreichend hohen Kraft an die Zu- schnittelektrode angepresst, sodass immer ein ausreichender elektrischer Kontakt sichergestellt ist. Eine federnde Halterung zur Befestigung der Zuschnittelektrode und Sicherstellung eines hinreichend hohen Anpressdrucks für einen ausreichenden elektrischen Kontakt ist daher - im Gegensatz zur Randelektrode - im Allgemeinen nicht erforderlich. Die Elektroden sind an eine Spanungsquelle sowie ein Messgerät, insbesondere in der Form eines Strommessers oder eines Widerstandsmessgerätes, angeschlossen. Bei der Spannungsquelle handelt es sich bevorzugt um eine Gleichspannungsquelle, da durch Gleichstrom etwaige Widerstandsveränderungen bzw. Schwankungen im Stromfluss einfacher und präziser erfassbar sind. Alter- nativ kann die Messung jedoch auch unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle erfolgen.
Wenn beispielsweise das ungeschnittene CFK-Halbzeug auf dem Schneidetisch aufliegt und der Vakuum effektor vollständig auf das CFK-Halbzeug abgesenkt ist, fließt zunächst ein (Anfangs- bzw. Ruhe-)Gleichstrom I von deutlich mehr als
0 mA ausgehend vom Pluspol der Gleichspannungsquelle, über den Strommesser und die Randelektrode durch das elektrisch leitfähige CFK-Halbzeug hindurch über die Zuschnittelektrode zurück zum Minuspol der Gleichspannungs- quelle. Eine absolute Höhe dieses Gleichstroms I hängt neben der Leitfähigkeit des CFK-Halbzeugs auch von der geometrischen Gestalt des Zuschnittes, der Flächenausdehnung der Elektroden, deren Anpressdruck sowie der geometrischen Gestalt des CFK-Halbzeugs ab und beträgt bei typischen Zuschnitten bis zu 10 A (Ampere). Bei dem CFK-Halbzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kohlenstofffasergewebe mit Binder, wie beispielsweise Hexcel® G0926 und Hexcel®G1157. Grundsätzlich kann die Vorrichtung für den Zuschnitt beliebiger Verstärkungsfasergewebe, -gelege oder dergleichen eingesetzt werden, solange diese über eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit verfügen, um unvollständige Durch- trennungen von diskreten Verstärkungsfasern sicher zu detektieren,
Nach dem Auflegen auf den Schneidetisch wird der Zuschnitt - in der Regel bei vollständig angehobenem Vakuumeffektor - mit einer geforderten Umfangskon- tur durch ein mit einer hohen Frequenz von bis zu 18.000 Hüben/Minute vertikal oszillierendes Messer aus dem flächenhaften CFK-Halbzeug vollautomatisch herausgeschnitten.
Zur Feststellung der vollständigen Durchtrennung sämtlicher Kohlenstofffasern nach dem Abschluss des Schneidvorgangs wird der Vakuumeffektor dann auf den herausgetrennten Zuschnitt abgesenkt, wodurch dieser angesaugt und festgehalten wird. Hierbei fließt zunächst ein (Mess-)Strom I - unabhängig davon ob alle Kohlenstofffasern im CFK-Halbzeug ordnungsgemäß durchtrennt wurden oder nicht - mit einer im Vergleich zum (Anfangs- bzw. Ruhe-) Strom I, der im nicht geschnittenen Zustand fließt, im Wesentlichen unveränderten Stärke weiter, da die aneinandergrenzenden Schnittflächen zwischen dem Zuschnitt und dem CFK-Halbzeug immer noch einen Stromdurchgang erlauben. Abschließend wird der Zuschnitt durch das Nachobenfahren des Vakuumeffektors bis auf eine Messhöhe von wenigen Millimetern angehoben. Fällt der Strom
1 in diesem geringfügig angehobenen Zustand des Zuschnittes jedoch nicht bis auf einen Wert in der Größenordnung von 0 mA ab, ist dies ein sicheres Anzei- chen dafür, dass der vorangegangene Schneidvorgang unvollständig war, das heißt das zwischen dem Zuschnitt und dem diesen umgebenden Randabschnitt des CFK-Halbzeugs noch Brückenfilamente, Kohlenstofffaserbrücken bzw. diskrete Kohlenstofffasern verblieben sind, durch die der Gleichstrom I, wenn auch in erheblich verminderter Stärke, immer noch weiter fließen kann. In diesem Fall ist es erforderlich, jedes weitere Anheben des Zuschnittes und dessen Weitertransport an nachgeschaltete Produktionsstυfen bzw. Produktionseinheiten unverzüglich zu stoppen, um den gesamten Fertigungsfluss nicht zu beeinträchtigen. Die Messhöhe entspricht bevorzugt mindestens einer Materialstärke des CFK-Halbzeugs zuzüglich eines Sicherheitszuschlages von einigen Millimetern. Das von dem Strommesser bzw. dem Widerstandsmesser als Messeinrichtung generierte Ausgangssignal bzw. der Strom I kann zur einfachen Benachrichtigung bzw. Information eines Benutzers bzw. Maschinenführers über den Störfall und/oder auch als elektrisches Fehlersignal zur Weiterleitung an eine Steuer- und Regeleinrichtung der gesamten (Schneid-)Vorrichtung genutzt werden, um beispielsweise eine automatisierte Durchtrennung der nicht vollständig durchschnittenen Fasern zu veranlassen.
Eine Fortbildung der Vorrichtung sieht vor, dass die mindestens zwei Elektroden, die Spannungsquelle, die Messeinrichtung sowie das ungeschnittene CFK- Halbzeug in einem abgesenkten Zustand des Vakuumeffektors einen geschlossenen elektrischen Stromkreis bilden.
Hierdurch kann die vollständige Durchtrennung des CFK-Halbzeuges auf einfache und vor allem zuverlässige Art und Weise durch das Vorhandensein eines elektrischen Stromflusses I in einem geschlossenen Stromkreis erfasst werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Messeinrichtung insbesondere ein Strommesser ist, wobei ein Strom I mit einer Stromstärke von deutlich mehr als 0 mA bei einem um eine Messhöhe angeho- benen Zuschnitt eine unvollständige Durchtrennung des Zuschnittes anzeigt. . Hierdurch werden Messfehler vermieden, da die Stromstärke des Stroms I bei nicht auf eine Messhöhe von beispielsweise 5 mm angehobenen Zuschnitt aufgrund von Strömen im Kontaktbereich zwischen den aneinanderstoßenden Schnittflächen des CFK-Halbzeugs und des Zuschnittes immer größer als O mA ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Strom I kurzzei- tig bzw. impulsartig auf einen Maximalwert lMaχ angehoben werden, um etwaig noch zwischen dem Zuschnitt und dem CFK-Halbzeug bestehende Kohlenstofffaserbrücken bzw. Kohlenstofffaserfilamente durch erhöhten Stromfluss durch- zuschmelzen und auf diese Weise die vollständige Trennung zu vollziehen. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Zuschneidevorrichtung in voll automati- sierten Produktionslinien zur Herstellung von CFK-Bauteilen eingesetzt werden. Der zum Schmelzen von verbliebenen Kohlenstofffaserbrücken erforderliche Maximalwert des Stroms lMaχ beträgt bis zu 100 A (Ampere). Nach dem vollständigen Aufschmelzen der Kohlenstofffaserbrücken kann der Zuschnitt mittels des Vakuumeffektors, mit einem Handhabungsgerät, insbesondere einem Knickarm- roboter mit mindestens sechs Freiheitsgraden, weiteren Produktionsstufen, beispielsweise einem Formwerkzeug für einen nachgeschalteten RTM-Prozess, zugeführt werden.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 11 mit den folgenden Schritten gelöst:
a) Ablegen eines im Wesentlichen flächenhaften CFK-Halbzeugs auf einen Schneidetisch, b) Herausschneiden eines Zuschnittes mit einer vorgegebenen Um- fangskontur aus dem CFK-Halbzeug mittels einer Schneideinrichtung, c) Absenken eines Vakuumeffektors zum Ansaugen und Ablegen des Zuschnittes, wobei mindestens eine Zuschnittelektrode den Zuschnitt kontaktiert und mindestens eine Randelektrode einen abgetrennten Randabschnitt des CFK-Halbzeugs kontaktiert, d) Anheben des Zuschnittes mittels des Vakuumeffektors zumindest bis auf eine Messhöhe, und a) Messen eines zwischen den mindestens zwei Elektroden fließenden Stroms I mittels einer Messeinrichtung, insbesondere eines Strommessers, wobei ein Strom 1 von mehr als 0 mA eine unvollständige Heraustrennung des Zuschnittes aus dem CFK-Halbzeug anzeigt.
Durch diese Vorgehensweise wird eine sehr zuverlässige Detektion von nach dem Abschluss des Schneidvorgangs noch unvollständig durchtrennt gebliebenen Kohlenstofffaserbrücken ermöglicht. Durch das Anheben des Zuschnittes auf eine Messhöhe werden Fehlerströme, die zu unrichtigen Messergebnissen führen würden, vermieden, denn unmittelbar nach dem Schneidvorgang liegen die Schnittflächen des CFK-Halbzeugs und des Zuschnittes in der Trennzone immer noch unmittelbar aneinander an, wodurch unabhängig von einer vollständigen Durchtrennung immer ein Strom I fließt, der zu Fehlinterpretationen führen kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 Eine Vorrichtung in einer Grundstellung mit einem auf dem Schneidetisch abgelegten CFK-Halbzeug und vollständig abgehobenen Vakuumeffektor,
Fig. 2 die Vorrichtung mit vollständig abgesenktem Vakuumeffektor,
Fig. 3 die Vorrichtung mit einem auf Messhöhe angehobenen und einwandfrei herausgetrennten Zuschnitt, und
Fig. 4 die Vorrichtung mit einem auf die Messhöhe angehobenen, aber un- vollständig herausgetrennten Zuschnitt (Kohlenstofffaserbrücken).
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer auf. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine schematisierte Darstellung der Vorrichtung mit einem auf dem Schneidetisch aufliegenden (CFK)-Halbzeug, wobei der Vakuumeffektor in der Fig. 1 angehoben und in der Fig. 2 vollständig abgesenkt ist. Der eigentliche Zuschnittvorgang des auf dem Schneidetisch aufliegenden CFK- Halbzeugs wird bevorzugt in der in Fig. 1 dargestellten angehobenen Position des Vakuumeffektors mittels einer geeigneten Schneideinrichtung durchgeführt und ist in der Fig. 1 abgeschlossen. Das CFK-Halbzeug bzw. der Zuschnitt kann eine ebene oder eine in mindestens einer Raumrichtung (geringfügig) gekrümm- te Oberflächengeometrie aufweisen (sphärisch gekrümmt).
Die Vorrichtung 1 umfasst unter anderem einen Schneidetisch 2 und einen Vakuumeffektor 3 mit einer Randelektrode 4 und einer Zuschnittelektrode 5. Auf dem Schneidetisch 2 ist ein mittels der Vorrichtung 1 zuzuschneidendes, flä- chenhaftes CFK-Halbzeug 6 abgelegt. Die Zuschnittelektrode 5 ist in einem An- saugbereich 7 des Vakuumeffektors 3 angeordnet und stellt beim Absenken des Vakuumeffektors 3 in Richtung des Pfeils 8 einen elektrischen Kontakt mit dem CFK-Halbzeug 6 bzw. mit dem aus diesem herauszutrennenden Zuschnitt 9 her. Die Randelektrode 4 ist im Bereich einer Außenkante 10 des Vakuumeffektors 3 mitteis einer Halterung 11 befestigt. Beim Absenken des Vakuumeffektors 3 stellt die Randelektrode 4 einen elektrischen Kontakt mit einem Randabschnitt 12 des CFK-Halbzeugs 6 her, der im Zuge des Herausschneidens des Zuschnittes 9 entsteht. Die Halterung 11 weist eine (Druck) Feder 13 auf, so dass die Randelektrode 4 beim Absenken des Vakuumeffektors 3 parallel zum schwarzen Doppelpfeil federnd auf das CFK-Halbzeug 6 aufsetzbar ist und der elektrische Kontakt auch bei einer geringfügigen Anhebung (zumindest bis auf eine Messhöhe) des Vakuumeffektors 3 entgegen der Orientierung des Pfeils 8 erhalten bleibt. Der vertikale Federweg der Halterung 11 der Randelektrode 4 kann bis zu einige Millimeter betragen. Beide Elektroden 4,5 sind beispielsweise mit einem metallischen Lochblech oder mit einem Metallgeflecht gebildet, um eine mög- liehst große Kontaktfläche auf dem CFK-Halbzeug 6 zu schaffen. Das Lochblech bzw. das Metallgeflecht der Elektroden 4,5 ist bevorzugt mit einer elektrisch gut leitfähigen und korrosionsbeständigen Metalllegierung, beispielsweise mit einer Kupfer-, einerSilberlegierung, einer Aluminiumlegierung, einer Titanlegierung oder einer beliebigen Kombination hiervon gebildet.
Sowohl die Randelektrode 4 als auch die Zuschnittelektrode 5 sind über elektrische Leitungen, von denen lediglich eine elektrische Leitung 14 repräsentativ für die Übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist, mit einer Spannungsquelle 15 sowie einer Messeinrichtung 16 zur Bildung eines zumindest im abgesenkten Zustand des Vakuumeffektors 3 geschlossenen elektrischen (Gleich- )stromkreises miteinander verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 ist die Messeinrichtung 16 ein (Gleich-)Strommesser 17 und die Spannungsquelle 15 ist bevorzugt als eine Gleichspannungsquelle 18 mit einem Pluspol und mit einem Minuspol ausgeführt. Zwischen dem Pluspol und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 18 herrscht eine elektrische Gleichspannung U1 in deren Folge in den Leitungen 14 bei einem hinreichend kleinen elektrischen Widerstand zwischen der Randelekt- rode 4 und der Zuschnittelektrode 5 ein Strom I fließt, der vom Strommesser 17 gemessen und zur Anzeige gebracht wird. Darüber hinaus kann der Strommesswert des Strommessers 17 an eine nicht dargestellte Steuer- und Regeleinrichtung zur Auswertung und automatischen Veranlassung hiervon abhängiger Verfahrensschritte weiter geleitet werden. In der Darstellung der Fig. 1 hat der Strom I in etwa einen Wert von 0 mA, da zwischen den beiden Elektroden 4,5 ein hinreichend hoher (Luft-)lsolationswiderstand besteht. Der Vakuumeffektor 3 ist an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät, insbesondere einem Knickarmroboter (Standard-Industrieroboter) mit mindestens sechs Freiheitsgraden, zur beliebigen Positionierung des angesaugten Zuschnit- tes 9 im Raum befestigt. Die freie Positionierung des Zuschnittes 9 im Raum mittels des Handhabungsgerätes erfolgt in der vollständig vom Schneidetisch 2 abgehobenen Position des Vakuumeffektors 3, die in der Fig. 1 gezeigt ist. Der Vakuumeffektor 3 verfügt über eine Vielzahl von bevorzugt matrixförmig angeordneten Saugeinrichtungen, beispielsweise in der Form von kleinen Saugnäp- fen oder Saugröhrchen, zum Ansaugen und Festhalten des trockenen Zuschnittes 9 im Ansaugbereich 7, von denen der besseren Übersicht halber lediglich eine Saugeinrichtung 19 repräsentativ für die Übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist. Hierbei werden vorzugweise nur diejenigen Saugeinrichtungen 19 mit Unterdruck beaufschlagt, die zur Abdeckung des Zuschnittes 9 benötigt werden. Der Vakuumeffektor 3 ist in der Lage, kontrolliert von der nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung, Zuschnitte 9 mit nahezu beliebigen geometrischen Formen anzusaugen und vom Schneidetisch 2 entgegen der Orientierung des Pfeils 8 abzuheben und an nachgeschaltete Produktionseinheiten zu übergeben. Beispielsweise lassen sich mittels des Vakuumeffektors 3 Zuschnitte 9 automatisiert in ein Formwerkzeug für einen nachgeschalteten RTM- Herstellungsprozess einlegen, darin positionieren und stapeln, um eine weitgehend vollautomatische Herstellung von maßhaltigen CFK-Bauteilen zu ermögli- chen.
In der Darstellung der Fig. 2 ist der Vakuumeffektor 3 in einer auf das bereits geschnittene CFK-Halbzeug 6 abgesenkten Position dargestellt. Hierdurch treten die Randelektrode 4 und die Zuschnittelektrode 5 in elektrischen Kontakt mit dem CFK-Halbzeug 6. Infolge der an den Elektroden 4,5 anliegenden Gleichspannung LJ der Gleichspannungsquelle 18 fließt aufgrund der immer vorhandenen elektrischen Leitfähigkeit des CFK-Halbzeugs 6 ein elektrischer Strom I von deutlich mehr als 0 mA durch die elektrischen Leitungen 14. Dieser Strom I ist im Vergleich zu dem im Fall des ungeschnittenen Zuschnittes 9 bei abgesenk- tem Vakuumeffektor 3 fließenden Strom I nur geringfügig reduziert, da die aneinander grenzenden Schnittflächen im Bereich der Trennzone immer noch einen hinreichend kleinen Übergangswiderstand bzw. eine ausreichend große Leitfähigkeit aufweisen. Die Stärke des Stroms I wird vom Strommesser 17 gemessen und als Strommesswert zur Anzeige gebracht und/oder an die Steuer- und Regeleinrichtung der gesamten Vorrichtung 1 weitergeleitet.
Bevorzugt im vollständig abgehobenen Zustand (vgl. Fig. 1) erfolgt mittels einer nur schematisch angedeuteten Schneideinrichtung 20 das Heraustrennen bzw. das Herausschneiden des Zuschnittes 9 aus dem CFK-Halbzeug 6, wobei der Randbereich 12 des CFK-Halbzeugs 6 stehen bleibt. Bei der Schneideinrichtung 20 handelt es sich bevorzugt um mindestens ein mit hoher Frequenz von bis zu 18.000 Hüben pro Minute vertikal oszillierendes Messer bzw. eine Schneide, das automatisch entlang einer beliebigen Sollkontur des Zuschnittes 9 geführt wird. Die Schneideinrichtung 20 ist zumindest in der Ebene des CFK-Halbzeugs, wie in der Fig. 1 mit den gekreuzten Doppelpfeilen angedeutet, und gegebenenfalls auch in der z-Richtung frei positionierbar. In der Darstellung der Fig. 2 ist die Schneideinrichtung 20 vom Schneidetisch 2 abgehoben bzw. entfernt, was durch den vertikal nach oben weisenden Pfeil im Bereich der Schneideinrichtung 20 angedeutet ist. Durch die Wirkung der Feder 13 an der Halterung 11 wird ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen der Randelektrode 4 und dem Zuschnitt 9 erreicht. Nach dem Abschluss des Schneidvorgangs fließt unabhängig von der vollständigen Durchtrennung aller Kohlenstofffasern immer noch ein - wenn auch unter Umständen reduzierter Strom I - da die nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Schnittflächen des Zuschnittes 9 im Schnittbereich auf Stoß an entsprechenden Schnittflächen des CFK-Halbzeugs 6 anliegen.
Die Fig. 3 illustriert einen erfolgreich verlaufenen Schneidvorgang, während in der Fig. 4 exemplarisch eine einzelne Kohlenstofffaserbrücke nach dem Ab- Schluss des Schneidvorgangs zwischen dem Zuschnitt 9 und dem CFK- Halbzeug 6 stehen geblieben ist. In den Fig. 3,4 ist der Vakuumeffektor 3 nicht in der vollständig abgehobenen Position (vgl. Fig. 1) sondern in der sogenannten Messposition dargestellt. Nach dem Abschiuss des eigentlichen Schneidvorgangs zum Heraustrennen des Zuschnitts 9 aus dem umgebenden CFK-Halbzeug 6 wird der Vakuumeffektor 3 zusammen mit dem angesaugten Zuschnitt 9, wie aus Fig. 3 ersichtlich, geringfügig in Richtung des Pfeils 21 auf eine Messhöhe 22 in Relation zu einer nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Oberseite des CFK-Halbzeugs 6 angehoben. Wenn der vorangegangene Schneidvorgang erfolgreich verlaufen ist, fließt kein Strom I mehr durch die elektrischen Leitungen 14, das heißt die Stromstärke des Stroms I liegt in der Größenordnung von 0 mA, so dass der Strommesser 17 nicht ausschlägt (Stromabriss) und kein Fehlersignal an die Steuer- und Regeleinrichtung abgegeben wird. Das Anheben des Vakuumeffektors 3 vom Schneidetisch 2 auf die Messhöhe 22 ist für die Verlässlichkeit der Resultate von Bedeutung, da auch im Fall einer vollständigen Durchtrennung bei nicht angehobenem Zuschnitt 9 stets noch ein Strom I durch die Trennzone (Schnittbereich bzw. Schnitt) zwischen dem CFK-Halbzeug 6 und dem herausgeschnittenen Zuschnitt 9 fließt. Die Messhöhe 22 kann bis zu 5 mm betragen, bevorzugt wird jedoch lediglich eine Messhöhe 22 eingestellt, die geringfügig größer ist als eine Materialstärke des CFK-Halbzeugs 6.
In der Fig. 4 befindet sich der Vakuumeffektor 3 gleichfalls in der sogenannten Messposition, jedoch ist nach dem Abschluss des Schneidvorgangs zwischen dem CFK-Halbzeug 6 sowie dem herausgetrennten Zuschnitt 9 eine Kohlenstofffaserbrücke 23, wie mit dem strichlinierten Kreis hoher Strichstärke angedeutet, stehen geblieben. Infolge dieser unvollständigen Heraustrennung des Zuschnitts 9 aus dem CFK- Halbzeug 6 fließt ein Strom I durch die Leitungen 14, der eine Stromstärke von deutlich mehr als 0 mA aufweist. Hierdurch schlägt der Strommesser 17 aus und ein entsprechendes Steuersignal bzw. Fehlersignal wird zur Steuer- und Regeleinrichtung weitergeleitet. Würde der Vakuumeffektor 3 ungeachtet dieses Fehlers weiter in Richtung des Pfeils 21 angehoben, so würde die Kohlenstofffaserbrücke 23 beim Erreichen einer hinreichend großen Zugkraft zwar abreißen. Jedoch kann der vom Vakuumeffektor 3 angesaugte Zuschnitt 9 infolge dieser Krafteinwirkung auf dem Ansaugbereich 7 verrutschen, so dass keine definierte Position des Zuschnittes 9 mehr gegeben ist und beispielsweise das nachfol- gende automatisierte Einlegen des Zuschnittes 9 in ein Formwerkzeug für einen RTM-Prozess nicht mehr problemlos möglich ist.
Um einen derartigen vollautomatischen Produktionsprozess nicht zu stören, wird für den Fall, dass die Steuer- und Regeleinrichtung das Fehlersignal in Form einer unvollständigen Durchtrennung zugeht, der Strom I kurzzeitig (gepulst) bis auf einen Maximalwert \Max in einer Größenordnung von bis zu 100 A erhöht, um die Kohlenstofffaserbrücke 23 schnell durchzuschmelzen, aufzubrennen bzw. zu durchtrennen. Anschließend kann der Zuschnitt 9 vom Vakuumeffektor 3 in gewohnter Weise in Richtung des Pfeils 21 vollständig vom Schneidetisch 2 abgehoben und an nachfolgende Produktionsstufen weitergeleitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter bevorzugter Verwendung der Schneidvorrichtung 1 gestaltet sich wie folgt. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein flächenhaftes CFK-Halbzeug 6 auf den Schneidetisch 2 der Vorrichtung 1 aufgelegt. Beim Absenken des Vakuu- meffektors 3 auf ein ungeschnittenes CFK-Halbzeug 6 stellt sich in der Regel ein (Rυhe)Strom I von bis zu einigen A (Ampere) ein. In einem zweiten Arbeitsschritt - bei vorzugsweise vollständig angehobenem Vakuumeffektor 3 - erfolgt das bevorzugt vollautomatische Herausschneiden des Zuschnittes 9 aus dem CFK-Halbzeug 6, wobei eine nahezu beliebige Kon- turierung des Zuschnittes 9 möglich ist. In einem dritten Verfahrensschritt wird der Vakuumeffektor 3 auf das CFK- Halbzeug 6 abgesenkt und der Zuschnitt 9 anschließend mittels Unterdruck angesaugt. Hierdurch wird die Gleichspannungsquelle 18 über die elektrischen Leitungen 14 mit der Randelektrode 4 und der Zuschnittelektrode 5 zu einem geschlossenen, elektrischen (Gleich-)Stromkreis verbunden. Auch bei einer vollständigen, das heißt ordnungsgemäßen Heraustrennung des Zuschnittes 9 aus dem Grundmaterial, fließt in diesem Zustand ein Strom I, der immer noch größer als 0 mA ist, aber in der Regel erheblich kleiner ist als der Strom I, der vor dem Schnittvorgang fließt. Denn im Schnittbereich berühren sich nach wie vor der Zuschnitt 9 und das CFK-Halbzeug 6 entlang der gegenüberliegenden Schnittflächen, sodass immer noch ein ausreichend kleiner Übergangswiderstand für den Stromfluss I besteht.
In einem vierten Verfahrensschritt wird der Vakuumeffektor 3 zusammen mit dem angesaugten Zuschnitt 9 in vertikaler Richtung auf eine Messhöhe 22 verfahren, das heißt vom Schneidetisch 2 abgehoben. Durch die Feder 13 an der Halterung 11 ist auch beim Anheben des Vakuumeffektors 3 ein sicherer Kon- takt zwischen der Randelektrode 4 und dem Randabschnitt 12 des CFK- Halbzeugs 6 gewährleistet. Die Messhöhe 22 beträgt bis zu 5 mm, bevorzugt entspricht die Messhöhe 22 jedoch in etwa der Materialstärke des {einlagigen) CFK-Halbzeugs 6. In einem fünften Verfahrensschritt erfolgt schließlich die relevante Messung ei- nes Stroms I mittels des Strommessers 17, der zwischen der Randelektrode 4, der Zuschnittelektrode 5 und der Gleichspannungsquelle 18 fließt, wenn ein unvollständiger Schnitt erfolgt ist. Für den Fall, dass der Schneidvorgang korrekt verlaufen ist, das heißt es sind keinerlei Kohlenstofffaserbrücken 23 bzw. diskrete Kohlenstofffaserfilamente zwischen dem Zuschnitt 9 und dem CFK-Halbzeug 6 verblieben, hat der Strom I bzw. der Strommesswert einen Wert von etwa 0 mA. Dieser Strom I in der Grö- ßenordnung von 0 mA wird vom Strommesser 17 als ein eindeutiges "Fehler- frei"-Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung weitergegeben, die hierdurch die Weiterleitung bzw. den Weitertransport des Zuschnittes 9 an nachgeschaltete Produktionsstufen veranlasst. Sind jedoch Kohlenstofffaserbrücken 23 zurückgeblieben, so ist die Stromstärke des Stroms I beim Anheben des Zuschnittes 9 immer noch deutlich größer als 0 mA. In diesem Fall stellt der an die Steuer- und Regeleinrichtung weiter geleitete Strommesswert des Strommessers 17 ein "Fehlersignal" dar. In diesem Fall kann eine automatische Erhöhung des Stromes I auf einen Maximalwert lMax von bis zu 100 A (Ampere) erfolgen, der das sofortige Aufschmel- zen bzw. Verglühen (Durchbrennen) der Kohlenstofffaserbrücken 23 und damit die endgültige Abtrennung des Zuschnittes 9 vom CFK-Halbzeug 6 bewirkt.
Anschließend kann der Zuschnitt 9 in gewohnter Weise und ohne Störungen im automatischen Produktionsfluss an eine nachfolgende Fertigungsstation weiter- geführt werden. Hierbei werden beispielsweise mehrere Zuschnitte 9 in einer Form für einen nachfolgenden RTM-Prozess übereinander gelegt und abschließend unter Anwendung von Druck und Temperatur mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial, insbesondere einem Epoxidharz zur Schaffung des fertigen CFK-Bauteils durchtränkt bzw. imprägniert.
Bezugszeichen liste
1 Vorrichtung
2 Schneidetisch 3 Vakuumeffektor
4 Randelektrode
5 Zuschnittelektrode
6 CFK-Halbzeug
7 Ansaugbereich {Vakuumeffektor) 8 Pfeil
9 Zuschnitt
10 Außenkante (Vakuumeffektor)
11 Halterung
12 Randabschnitt (CFK-Halbzeug) 13 Feder
14 (elektrische) Leitung
15 Spannungsquelle
16 Messeinrichtung
17 (Gleich-)Strommesser 18 Gleichspannungsquelle
19 Saugeinrichtung (Vakuumeffektor)
20 Schneideinrichtung
21 Pfeil
22 Messhöhe 23 Kohlenstofffaserbrücke

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Zuschneiden und Handhaben eines im Wesentlichen flächenhaften Zuschnittes (9) aus einem auf einem Schneidetisch (2) aufliegenden flächenhaften CFK-Halbzeug (6) mittels einer Schneideinrichtung (20), wobei der herausgetrennte Zuschnitt (9) mittels eines Vakuumeffektors (3) ansaugbar und zumindest anhebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zuschnittelektrode (5) mit dem Zuschnitt (9) kontaktierbar ist und mindestens eine Randelektrode (4) mit einem vom CFK-Halbzeug (6) abgetrennten Randab- schnitt (12) kontaktierbar ist und die mindestens zwei Elektroden (4,5) an eine Spannungsquelle (15) sowie eine Messeinrichtung (16) angeschlossen sind, wobei mittels der Messeinrichtung (16) eine vollständige Abtrennung des Zuschnittes (9) vom CFK-Halbzeug (6) ermittelbar ist.
2. Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden (4,5), die Spannungsquelle (15), die Messeinrichtung (16) sowie das ungeschnittene CFK-Halbzeug (6) zumindest in einem abgesenkten Zustand des Vakuumeffektors (3) einen geschlossenen elektrischen Stromkreis bilden.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (16) insbesondere ein Strommesser (17) ist, wobei ein Strom I von mehr als 0 mA bei einem um eine Messhöhe (22) angehobenen Zuschnitt (9) eine unvollständige Heraustrennung des Zuschnittes (9) aus dem CFK-Halbzeug (6) anzeigt.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom I, der größer als 0 mA ist, kurzzeitig bis auf einen Maximalwert I Max erhöhbar ist, um durch das Aufschmelzen nicht durchschnittener Kohlenstofffaserbrϋcken (23) automatisiert die vollständige Abtrennung des Zuschnittes (9) vom CFK-Halbzeug (6) zu bewirken.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die mindestens eine Randelektrode (4) im Bereich einer Außenkante (10) des Vakuumeffektors (3) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die mindestens eine Randelektrode (4) an einer Halterung (11) mittels einer Feder (13) in vertikaler Richtung federnd angeordnet ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der mindestens einen Randelektrode (4) und dem Randabschnitt (12) des CFK-Halbzeugs (6) bis mindestens zur Messhöhe (22) zu gewährleisten.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zuschnittelektrode (5) in einem Ansaugbereich (7) des Vakuumeffektors (3) angeordnet ist, wobei zwischen der Zuschnittelektrode (5) und dem angesaugten Zuschnitt (9) ein elektrischer Kontakt be- steht.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideinrichtung (20) mindestens eine, mit hoher Geschwindigkeit vertikal oszillierende Schneide und/oder ein Messer aufweist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das CFK-Halbzeug (6) bevorzugt ein einlagiges Fasergewebe, ein Fasergewirk, ein Fasergestrick oder eine beliebige Kombination hiervon ist.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (15) eine Gleichspannungsquelle (18) und der Strommesser (17) ein Gleichstrommesser ist.
11. Verfahren zum Herausschneiden und Anheben eines Zuschnittes (9) aus einem CFK-Halbzeug (6), insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach Maßgabe mindestens eines der Patentansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte: a) Ablegen eines im Wesentlichen flächenhaften CFK-Halbzeugs (6) auf einen Schneidetisch (2), b) Herausschneiden eines Zuschnittes (9) mit einer vorgegebenen Um- fangskontur aus dem CFK-Halbzeug (6) mittels einer Schneideinrich- tung (2O)1 c) Absenken eines Vakuumeffektors (3) zum Ansaugen und Ablegen des Zuschnittes (9), wobei mindestens eine Zuschnittelektrode (5) den Zuschnitt (9) kontaktiert und mindestens eine Randelektrode (4) einen abgetrennten Randabschnitt (12) des CFK-Halbzeugs (6) kontaktiert, d) Anheben des Zuschnittes (9) mittels des Vakuumeffektors (3) zumin- dest bis auf eine Messhöhe (22), und e) Messen eines zwischen den mindestens zwei Elektroden (4,5) fließenden Stroms I mittels einer Messeinrichtung (16), insbesondere eines Strommessers (17), wobei ein Strom I von mehr als 0 mA eine unvollständige Heraustrennung des Zuschnittes (9) aus dem CFK- Halbzeug (6) anzeigt.
12. Verfahren nach Patentanspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der Messhöhe (22) und einem Strom I von mehr als 0 mA, der Strom I kurzzeitig auf einen Maximalwert lMaχ erhöht wird, um durch das Aufschmelzen mindestens einer Kohlenstofffaserbrücke (23) eine vollständige Trennung zwischen dem Zuschnitt (9) und dem CFK-Halbzeug (6) zu bewirken.
13. Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschnitt (9) mittels des Vakuumeffektors (3) über die Messhöhe (22) hinaus angehoben, positioniert und einer nachfolgenden Produktionsstufe, insbesondere einem Formwerkzeug innerhalb eines RTM-Prozesses, zugeführt wird.
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