EP2225074B1

EP2225074B1 - Vorrichtung zum zuschneiden und handhaben eines im wesentlichen flächenhaften zuschnittes aus einem cfk-halbzeug und verfahren

Info

Publication number: EP2225074B1
Application number: EP20080864940
Authority: EP
Inventors: Claus Fastert; Hans-Martin Krafft; Matthias Klein-Lassek
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: US9364967B2; DE102007061427A1; US20160243715A1; CA2708313A1; ATE514536T1; WO2009080490A1; EP2225074A1; CN101903142B; CN101903142A; BRPI0821344A2; DE102007061427B4; JP2011506117A; RU2010122805A; US20100313722A1

Description

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 zum indest 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 Faserhalbzeugen zur Schaffung eines Faservorformlings übereinander geschichtet, bis eine vorgegebene Bauteilform erreicht ist. Die einzelnen Verstärkungsfaserlagen können jeweils unterschiedliche Umfangsgeometrien 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 herauszutrennen. Als Faserhalbzeuge kommen bevorzugt Gewebe, Gelege oder Gestricke mit Kohlenstofffasern zum Einsatz (so genannte "CFK-Halbzeuge").
Der auf diese Weise mit Kohlenstofftasern 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 Faservorformlinge 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 Vorformlings 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 abzuheben, 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 Gewebe 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 Verschubrichtung 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 kontaktierbar 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 Kohlenstofffaserverstärkungsanordnungen, 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 Zuschnittelektrode 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. Alternativ kann die Messung jedoch auch unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle erfolgen.
Wenn beispielsweise das ungeschnittene CFK-Halbzeug auf dem Schneidetisch aufliegt und der Vakuumeffektor 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 Gleichspannungsquelle. 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 (Ampére).
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 Durchtrennungen 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 Umfangskontur 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 I in diesem geringfügig angehobenen Zustand des Zuschnittes jedoch nicht bis auf einen Wert in der Größenordnung von 0 mA ab, ist dies ein sicheres Anzeichen 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 Produktionsstufen 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 angehobenen 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 0 mA ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Strom I kurzzeitig bzw. impulsartig auf einen Maximalwert I_max angehoben werden, um etwaig noch zwischen dem Zuschnitt und dem CFK-Halbzeug bestehende Kohlenstofffaserbrücken bzw. Kohlenstofffaserfilamente durch erhöhten Stromfluss durchzuschmelzen und auf diese Weise die vollständige Trennung zu vollziehen. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Zuschneidevorrichtung in voll automatisierten Produktionslinien zur Herstellung von CFK-Bauteilen eingesetzt werden. Der zum Schmelzen von verbliebenen Kohlenstofffaserbrücken erforderliche Maximalwert des Stroms I_max beträgt bis zu 100 A (Ampére). Nach dem vollständigen Aufschmelzen der Kohlenstofffaserbrücken kann der Zuschnitt mittels des Vakuumeffektors, mit einem Handhabungsgerät, insbesondere einem Knickarmroboter 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 Umfangskontur 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 I 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 Schnei- detisch abgelegten CFK-Halbzeug und vollständig abgehobenen Va- kuumeffektor,
Fig. 2: die Vorrichtung mit vollständig abgesenktem Vakuumeffektor,
Fig. 3: die Vorrichtung mit einem auf Messhöhe angehobenen und einwand- frei 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) gekrümmte 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, flächenhaftes CFK-Halbzeug 6 abgelegt. Die Zuschnittelektrode 5 ist in einem Ansaugbereich 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 mittels 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 möglichst 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-, einer-Silberlegierung, 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 U, in deren Folge in den Leitungen 14 bei einem hinreichend kleinen elektrischen Widerstand zwischen der Randelektrode 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-)Isolationswiderstand besteht.
Der Vakuumeffektor 3 ist an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät, insbesondere einem Knickarmroboter (Standard-Industrieroboter) mit mindestens sechs Freiheitsgraden, zur beliebigen Positionierung des angesaugten Zuschnittes 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 Saugnäpfen 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 ermöglichen.
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 U 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 abgesenktem 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 Abschluss 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 Abschluss 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 nachfolgende 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 I_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 Vakuumeffektors 3 auf ein ungeschnittenes CFK-Halbzeug 6 stellt sich in der Regel ein (Ruhe)Strom I von bis zu einigen A (Ampére) 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 Konturierung 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 Kontakt 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 eines 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 Größenordnung von 0 mA wird vom Strommesser 17 als ein eindeutiges "Fehlerfrei"-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 I_Max von bis zu 100 A (Ampére) erfolgen, der das sofortige Aufschmelzen 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 weitergeführt 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.

Bezugszeichenliste

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

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 die Vorrichtung, zusätzlich zum Schneidetisch und zur Schneideinrichtung, mindestens eine Zuschnittelektrode (5), mindestens eine Randelektrode (4), eine Spannungsquelle (15) sowie eine Messvorrichtung (16) aufweist, wobei die mindestens eine Zuschnittelektrode (5) mit dem Zuschnitt (9) kontaktierbar ist und die mindestens eine Randelektrode (4) mit einem vom CFK-Halbzeug (6) abgetrennten Randabschnitt (12) kontaktierbar ist und die mindestens zwei Elektroden (4,5) an die Spannungsquelle (15) sowie die Messeinrichtung (16) angeschlossen sind, wobei mittels der Messeinrichtung (16) eine vollständige Abtrennung des Zuschnittes (9) vom CFK-Halbzeug (6) ermittelbar ist.
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.
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.
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 Kohlenstofffaserbrücken (23) automatisiert die vollständige Abtrennung des Zuschnittes (9) vom CFK-Halbzeug (6) zu bewirken.
Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Randelektrode (4) im Bereich einer Außenkante (10) des Vakuumeffektors (3) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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.
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 besteht.
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.
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.
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.
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 Umfangskontur aus dem CFK-Halbzeug (6) mittels einer Schneideinrichtung (20),

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) zumindest 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.
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 I_Max erhöht wird, um durch das Aufschmelzen mindestens einer Kohlenstofffaserbrücke (23) eine vollständige Trennung zwischen dem Zuschnitt (9) und dem CFK-Halbzeug (6) zu bewirken.
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.