EP2903803A1 - Vorrichtung zur herstellung von faservorformlingen, die insbesondere eine vorstufe bei der herstellung von faserverstärkten kunststoffbauteilen darstellen - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung von faservorformlingen, die insbesondere eine vorstufe bei der herstellung von faserverstärkten kunststoffbauteilen darstellen

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Publication number
EP2903803A1
EP2903803A1 EP13765982.7A EP13765982A EP2903803A1 EP 2903803 A1 EP2903803 A1 EP 2903803A1 EP 13765982 A EP13765982 A EP 13765982A EP 2903803 A1 EP2903803 A1 EP 2903803A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rovings
positioning element
gripper
grippers
yarns
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13765982.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Göttinger
Sebastian Gierl
Michael Kaiser
Yannis GROHMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Audi AG
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG, Voith Patent GmbH filed Critical Audi AG
Publication of EP2903803A1 publication Critical patent/EP2903803A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B11/00—Making preforms
    • B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
    • B29B11/16—Making preforms characterised by structure or composition comprising fillers or reinforcement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
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    • B29C70/384—Fiber placement heads, e.g. component parts, details or accessories
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    • B29C70/386—Automated tape laying [ATL]
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    • B29K2105/25—Solid
    • B29K2105/253—Preform

Definitions

  • Apparatus for the production of fiber preforms which in particular constitute a precursor in the production of fiber-reinforced plastic components
  • the invention relates to an apparatus for the production of fiber preforms, which in particular constitute a precursor in the production of fiber-reinforced plastic components, the apparatus having a plurality of unwinding stations for providing a plurality of yarns or rovings or ribbons and a plurality of grippers, each one or more yarns or rovings or bands at its beginning, each gripper being reciprocally movable on a path between a maximum position and a pick-up position, and wherein the pick-up position is provided at a yarn transfer point and closer to the unwind station than the maximum position the grippers are each movable individually on substantially parallel paths, so that the yarns or rovings or bands can be clamped in parallel.
  • Fiber-reinforced plastic consists of matrix material and of fibers that are embedded in the matrix material and that provide, among other things, the tensile strength. Fiber-reinforced plastic is used especially for high in astetete components that should still be as light as possible. Since the fibers impart no strength in the transverse direction, the fibers must be aligned so that their longitudinal direction coincides as well as possible with the respective loading direction. To achieve this, the fibers often have to be laid in different directions. The better and more accurately the fiber layer is adapted to the load and the more uniformly the fibers are arranged, the better the component will be. For components made of fiber-reinforced plastic, there are numerous manufacturing processes.
  • Both for the production of the fiber preforms and for the impregnation and / or hardening or consolidation of the components molding tools can be used according to the desired component shape, or placed and pressed into the fiber preform or the component.
  • the fiber preforms have sufficient dimensional stability for further processing, they are provided with small amounts of adhesive or binder and fixed after the three-dimensional draping, for example by drying or by heating and cooling.
  • the fiber preforms are usually created by superimposing and fixing of prefabricated and pre-bonded flat semi-finished products.
  • Such semi-finished products are for example tapes or fabrics, scrims or nonwovens in which a multiplicity of individual yarns or rovings are already woven, sewn or glued into a flat structure.
  • a yarn is referred to when using so-called continuous fibers, ie when the fibers are unwound from a coil or a ball.
  • Many yarns untwisted simultaneously from a spool or from a ball are called yarn bundles or rovings.
  • the rovings can consist of up to several ten thousand single yarns, which are also called filaments.
  • a high proportion of manual activities is necessary.
  • More complex shapes can not yet be produced by machine and in large numbers.
  • Another possibility for producing fiber preforms for more complex components is automated fiber laying. In this case, narrow bundles of yarns or bundles of yarn bundles are guided back and forth by a fiber laying head over the molding tool, and deposited, pressed and fixed next to and above one another.
  • the still unpublished application DE 10 2011 007018 of the applicant describes a device for the automatable production of fiber preforms with a plurality of parallel movable grippers for clamping and depositing fibers in a layer on a molding tool.
  • the grippers are in this case on a guide device, e.g. attached to a pole, so that they can be freely cantilevered.
  • a large travel is necessary for the production of larger components. This leads either to a certain inaccuracy due to deflection and vibrations of the guide device or the guide device must be made correspondingly solid, which limits the traversing speed and thus the operating speed due to the weight or because of the inertia.
  • the object of the invention is to develop a corresponding device so that a higher accuracy in the manufacture of the fiber preforms is achieved and at the same time a great flexibility and high operating speed is possible.
  • the object is achieved by a device with the features of claim 1.
  • a first positioning element is fastened to each gripper and at least one corresponding second positioning element is provided for each first positioning element, wherein the position of the gripper can be fixed by interengaging the first and the second positioning element at a location along the path.
  • the grippers are moved along the path by the guide device, which may be designed, for example, as a rod or carrier.
  • the grippers are precisely positioned at one position, so that the position of the gripper can be precisely predetermined without the need for complex control or programming or a highly precise and very rigid guide device.
  • the positioning elements can each have a stop surface.
  • the stop surface can serve both as a stop in the direction of the path, as well as in one or both spatial directions perpendicular to the path.
  • the stop surface may for this purpose have a plurality of, for example stepped or angled or also conical abutment surfaces.
  • the second positioning element can also be designed to be displaceable along the path of the gripper in order to be able to set different stop positions. By more precise fine adjustment, it may be sufficient if the grippers are positioned only slightly inaccurate by the guide device.
  • the guide device can therefore be made lighter and easier.
  • the guide device is connected to a drive in order to be able to move the gripper along its path. If necessary, stronger and therefore heavier grippers can be used without tolerance problems. Overall, the leadership of the gripper can be performed with more tolerance, which saves costs.
  • the exact positioning of the yarns or rovings or ribbons in the gripper can be made more accurate.
  • the arrangement of the spanned yarns or rovings or bands or their location when depositing can be done more accurately. This makes it possible, very quickly and with little fiber material to produce high-strength and very load-adapted shaped fiber preforms.
  • a further advantage results if, for each first positioning element, a further, third positioning element is present, wherein the position of the gripper can be fixed by interengaging the first and the third positioning element at a further point along the path.
  • the position of the grippers can be set more precisely at least at two points, for example when picking up the yarns or rovings or ribbons at the yarn transfer point and at a forming tool for depositing the yarns or rovings or ribbons.
  • the position can be determined particularly accurately if the position of the respective gripper in a spatial direction perpendicular to the path, preferably in both directions perpendicular to the path, can be determined in each case by the intermeshing of the first and the second or third positioning element.
  • the gripper and thus the spanned yarn is positioned more precisely not only along the path but also transversely thereto.
  • each first positioning element has at least one elevation, in particular a conical or centering elevation, and that every second and / or third positioning element has a recess which fits in accordance with the elevation.
  • the positioning elements engage with each other so that when moving together a centering on the desired position.
  • each second and / or third positioning element has at least one elevation, in particular a conical or centering elevation, and that each first positioning element has at least one recess corresponding to the elevation.
  • Positioning elements which each have a plurality of elevations or a plurality of depressions are also suitable for the embodiment according to the invention.
  • both the first positioning element and the second and / or third positioning element can each have an elevation and a depression, which mutually engage one another when moving together.
  • Angular or cylindrical pins preferably with chamfering at the top, and matching holes or guide rails with corresponding counterparts.
  • the respective depression can also have a chamfer in order to ensure secure engagement, even if the gripper is not quite exactly approached.
  • each one spatial direction and one for the other spatial direction can also be present for the positioning with respect to the two spatial directions transverse to the path two separate elevations and depressions on the respective positioning elements.
  • One for one spatial direction and one for the other spatial direction For example, each one wedge-shaped rib and a matching notch each transverse to the corresponding spatial direction.
  • the yarn transfer point is preferably located at the maximum position, as at the maximum extended guide device, it is particularly advantageous if the respective second or third positioning element are provided at the yarn transfer point. This increases the accuracy of clamping the yarns or rovings or ribbons in the pick-up position of the gripper.
  • the invention can also be used for the devices described below.
  • the spun yarns or rovings or ribbons may be laid down on a table or via a forming tool placed under the stretched yarns or rovings or ribbons. On the table or over the mold creates a position.
  • one or more separators are provided which can separate the yarns or rovings or ribbons in the area of the yarn transfer points. After separation, another layer can be placed, for example, at a different angle.
  • the yarns or rovings or ribbons are preferably made of carbon, glass or aramid fibers.
  • the yarns or rovings can be splayed on the way between the unwinding station and the yarn transfer point, so that they are neatly clamped next to each other. This can be done for example by multiple deflection around rollers or rods.
  • the fibers or rovings or ribbons may already contain binder material or binder material may be applied between the unwinding station and the yarn transfer point or near the pick-up position.
  • the binder material can also be applied only to the unfolded or deposited layer. For example by spraying.
  • the matrix material may also already be applied, which is then consolidated or cured after forming.
  • the fiber preform already contains matrix material in not yet cured or not yet fully consolidated form.
  • the several unwinding stations can be designed, for example, as a so-called creel.
  • the yarns or rovings can be drawn from bobbins or bobbins.
  • Each yarn transfer point receives yarn or rovings from one or more unwind stations.
  • a device for Control or adjustment and / or means for measuring the yarn tension may be present.
  • the clamping width of the grippers is preferably 10 to 500 mm, particularly preferably 30 to 100 mm.
  • the grippers may also have different widths to map corresponding contours without undue effort.
  • at least 5 grippers, preferably at least 10 grippers, more preferably at least 20 to a maximum of 40 grippers are present.
  • more complex contours can be displayed well. With more than 40 grippers, however, the expenditure on equipment becomes too great.
  • the device according to the invention may preferably have a table, which is rotatable about an axis substantially perpendicular to the paths and which can be raised and lowered substantially perpendicular to the paths.
  • a table which is rotatable about an axis substantially perpendicular to the paths and which can be raised and lowered substantially perpendicular to the paths.
  • By lifting the table can be brought, for example, in the plane of the spanned yarns so that they can be better placed on it.
  • Turning the table allows you to place several layers at different fiber angles for a load-oriented production of the fiber preform, for example below +/- 30 ", +/- 45 °, +/- 60", +/- 90 " preferably rotatable by +/- 30 "to +/- 90".
  • a first molding tool can be provided, which can be brought between the pick-up position and the maximum position of at least some grippers, in particular so that the spanned yarns or rovings or ribbons are thereby draped over the first molding tool .
  • the first mold may for example be mounted on the table and raised above this and lowered and rotated.
  • each gripper different length of yarn can be pulled out with constant yarn tension.
  • the invention offers great advantages without excessive effort, especially since no complicated regulation is necessary.
  • the constant yarn tension can reduce warping of the structure of the fiber preform.
  • the first forming tool there may be one or more further forming tools which can be moved together with the first forming tool so as to reshape the spanned yarns or rovings or ribbons in a 3-dimensional manner.
  • the further mold may be formed as a hood, which forms a counter-mold to the first mold and presses the fiber layer to this.
  • the further shaping tools can also be designed as a plurality of punches or partial hoods, which press the fiber layer only at specific locations on the first molding tool, for example in concave areas or at edge transitions of the mold.
  • the other molds can also be made to be movable in different directions and inclined relative to the vertical in order to be able to press the fiber layers of the desired shape correspondingly to the first mold.
  • the invention can be used particularly advantageous.
  • the first and / or one or more further molding tools can be heated.
  • the first and / or one or more further molding tools can also be cooled in order to re-solidify already preheated binder material during shaping.
  • a heating device in particular an IR radiator device or a heated plate, may be provided, which are the fibers or rovings or bands during or after clamping heated.
  • binder material can be activated or the clamped layer can be made more deformable.
  • each gripper can be assigned at least one yarn storage device which is provided between unwinding station and yarn transfer point.
  • the yarn storage device has at least two fixedly mounted deflection elements and at least one translational, in particular substantially vertically displaceably mounted tensioning roller between a first and a second end position, wherein the deflecting elements and the tensioning roller are looped by the yarns or rovings or belts so that the tensioning roller is arranged in the yarn path between the deflecting elements.
  • translationally freely displaceable it is understood that the tensioning roller is displaceable in a substantially rectilinear manner. For example, in a rail or a guide and without that a drive is provided. A damping or a certain friction or a certain holding force may nevertheless be present.
  • translational should also be understood even a slight curvature of the displacement.
  • the tension roller has a first and a second end position, between which it is displaceable.
  • the first end position is closer to the two deflecting elements than the second end position.
  • the displacement is triggered by a short-term small change in the yarn tension, which acts against the weight of the tension roller or against a holding force, for example by a spring. Due to the displacement from the first end position in the direction of the second end position, the Garnlaufweg is extended between the two deflecting elements, so that run length is cached.
  • the speed of the yarns or rovings or ribbons during this displacement at the outlet is smaller than at the inlet to the yarn storage device. In a shift from the second towards the first end position of the Garnlaufweg between the two deflection elements is shortened, the stored run length is reduced. During this shift, the speed at the outlet is greater than at the inlet.
  • the decoupling of the speed can be used so that withdrawn by the gripper during clamping to beyond the mold addition pulled yarn and thus the yarn tension is kept constant, while the gripper is moved back towards the first mold until the first positioning with the on Mold or table-mounted positioning is engaged.
  • the yarn storage device reacts without extra regulation on the externally given speeds or yarn tensions and thus compensates for temporary differences.
  • the fixedly mounted deflection elements are, for example, rotatably mounted rollers or deflection rods.
  • FIG.1 - 4 preferred embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 6 shows a section of a device during clamping (top view)
  • FIG. 7 shows a detail of a device when approaching the gripper to the first mold (top view).
  • the figures are described in more detail below.
  • the devices according to the invention shown in the figures are described for the processing of rovings. But they can be used in the same way for yarns or ribbons.
  • the devices are suitable for carrying out the following method steps successively or partly parallel to each other:
  • the fiber material for the yarns or rovings fibers such as carbon (carbon), glass, or aramid or other fibers may be used.
  • thermoplastic or thermosetting plastic comes into question.
  • the binder material may be thermoplastic, thermoset or adhesive. It can either already be present as hybrid yarn or hybrid roving, ie individual fibers or yarns are made of binder material, or it can be spanned together with the rovings from the gripper or it is applied or sprayed onto the draped rovings.
  • FIGS. 1-4 show a preferred device according to the invention.
  • Fig. 1 and 2 the picking up of the rovings using the gripper is shown. Once in side view and once in plan view.
  • the basic structure of the device is also recognizable.
  • the provision of the yarns or rovings takes place via a multiplicity of unwinding stations 1, 2, 3, 4, in which the fiber material is provided in the form of bobbins or bundles of yarn (so-called bobbins) and which are arranged next to one another, behind one another or one above the other in several rows 1, 2 are arranged.
  • the beginnings of the yarns or rovings 20 are shown schematically only in the respectively used area for the unwinding stations 3,4 used.
  • the grippers 6 are shown in their maximum positions 12.
  • the clamping width of a gripper is preferably slightly wider than the actual width of the rovings clamped by a gripper. Even if only equal width gripper are shown, of course, grippers with different widths are possible.
  • the grippers do not necessarily have to have their maximum and pickup positions in line.
  • the grippers are each coupled to a guide device 10.
  • the guide device may be, for example, a rod or a carrier.
  • the guide devices are connected to a drive system. In the apparatus shown are the Grippers parallel to each other, moved on linear, horizontal paths. They can also be moved individually to different positions.
  • the grippers 8 are in pick-up position and pick up the rovings at the yarn transfer point assigned to them by gripping their beginnings 20.
  • a first positioning element on the gripper 8 and a second positioning element on the yarn transfer point 14 are present, which are in the pick-up position in the engagement 26.
  • a gripper 8 can grab several rovings together. In any case, at least as many unwinding stations 3, 4 as gripper 8 should be provided.
  • Each gripper 8 is assigned a yarn transfer point 14.
  • there may be a binder material supply which may for example be arranged between the rows of unwinding stations. The binder material can also be applied between the unwinding station and the yarn transfer point or on the mounted rovings.
  • a yarn storage device 13 is arranged between Abwickelstation 3,4 and yarn transfer point 14.
  • a separate yarn storage device 13 is provided, which can react depending on the respective take-off speed.
  • the rovings are guided over two deflecting elements 9 and a tensioning roller 5 mounted between them and mounted in a translationally freely displaceable manner.
  • the tension roller 5 is substantially vertically displaceable between a first end position 5a and a second end position 5b. This shortens or lengthens the Garnlaufweg.
  • the displacement can be realized, for example, in rails or other guides. If, during clamping, more roving length at the yarn transfer point 14 is temporarily removed from the gripper 8 than is subsequently required during forming, then the tension roller 5 is raised. The memory empties. Is the clamping completed and will later the gripper to the mold moved up, so the tension roller 5 moves down. The rovings are withdrawn. The memory is refilled.
  • the withdrawal speed at the yarn transfer point 14 can be decoupled from the conveying speed at the inlet briefly, which not only allows rewinding but also high clock rates with rapid changes in the take-off speed, without the conveying speed at the unwinding 3.4 must be changed , As a result, for example, a high distribution quality in width is still guaran teed.
  • a yarn preparation unit (not shown here), such as a spreader or a binder application unit, between the unwinding station 3, 4 and the yarn storage device 13. Both the spreading and the binder application require the most uniform possible yarn speed.
  • a first mold 18 is shown on a lift table 17, wherein the mold 18 can be rotated on or with the lift table 17.
  • Another mold 16 which is designed as a hood is shown in the down position so outside the paths of the gripper.
  • the further mold 16 is not shown in plan view. And a corresponding movement or lowering device for the further mold 16 is not shown separately.
  • the further mold can also be constructed in several parts, for example, of several stamps.
  • On the first mold 18, an already deposited layer 23 of rovings is shown.
  • FIG. 3 shows the device in plan view when mounting the rovings 21st
  • the grippers are in an intermediate position 15, wherein the first positioning elements on the grippers 15 are now in engagement with the third positioning elements on the first forming tool 27.
  • the grippers can also be moved to different intermediate positions, so that a close-contour clamping with little waste of expensive fiber material is possible.
  • the grippers 15 span a layer of rovings simultaneously. By the Positioning elements, the position of the rovings is precisely determined so that a precise alignment and thus a high quality is achieved in the fiber preform.
  • a heating device e.g. one or more IR emitters, be provided to heat any applied binder material or existing matrix material and thus to activate.
  • the lifting table 17 has moved upwards, so that the rovings 22 are draped over the first forming tool 18.
  • the further forming tool 16 has moved together with the first forming tool 18, so that the rovings 22 are correspondingly shaped.
  • the grippers 15 are held exactly in the desired position without complex control or sensors on the engagement 27 of the positioning.
  • the device according to the invention allows rapid closing and forming.
  • the first mold 18 and / or the further mold 16 may be heated to heat binder material or already existing matrix material.
  • the first mold 18 and / or the further mold 16 may also be cooled in order to cool already heated binder material and thus to fix the mold.
  • FIG 5 an exemplary embodiment for the positioning elements is shown in side view.
  • the first positioning element 24 is connected to the respective gripper 15 '. About a guide device 10 ', the gripper can be moved along its path.
  • a second or third positioning element 25 is present on the first mold 18 '.
  • the first positioning element 24 has an elevation 28 which fits into the corresponding recess 29 on the second or third positioning element 25, whereby Approaching the gripper 15 'to the first mold 18' an exact mechanical fine adjustment of the position of the gripper 15 'relative to the first mold 18' takes place.
  • the elevation 28 is designed, for example, as a wedge strip and the depression 29 as a notch, an exact positioning in the direction of the path and perpendicular thereto in the vertical position is provided.
  • the gripper 15 is aligned even in the second spatial direction transverse to the path, ie in the transverse direction (into the plane of the page).
  • the survey may also be designed as a pin, centering pin, guide rail or guide piece.
  • the recess must be designed appropriately. Both elevation and indentation may have chamfers to facilitate the procedure of approaching. 6 and 7 show a detail of another device according to the invention. The spanned yarns or rovings or ribbons are not shown for clarity.
  • the grippers 7 are moved over the guide devices 10 'to span the gripped rovings over the first forming tool 18 ", and when the first forming tool 18" is then brought up between grippers 7 and yarn transfer points, the grippers will engage Meanwhile, the yarn storage devices provide for rewinding of the rovings and for constant yarn tension On the mold, the grippers 15 "are accurately aligned in position by the engagement 27 'of the positioning elements. By changing the mold can be quickly converted to the production of a fiber preform for another component. The new position of the grippers is determined mechanically by the positioning elements on the molding tool, without having to change over any control or regulation. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen (1,2,3,4) für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Bänder und mehrere Greifer (6,7,8,15,15',15''), die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Bänder an ihrem Anfang (20) greifen können, aufweist, wobei jeder Greifer (6,8,15) auf einem Pfad zwischen einer Maximalposition (12) und einer Abholposition (11) hin und her bewegbar ist, und wobei die Abholposition (11) an einer Garnübergabestelle (14) vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation (1,2,3,4) ist als die Maximalposition (12), wobei die Greifer (6,7,8,15,15',15'') jeweils einzeln auf zueinander im Wesentlichen parallelen Pfaden bewegbar sind, wobei die Garne oder Rovings oder Bänder parallel aufgespannt werden können und an jedem Greifer (6,7,8,15,15',15'') ein erstes Positionierelement (24) befestigt ist und zu jedem ersten Positionierelement mindestens ein entsprechendes zweites Positionierelement (25) vorhanden ist, und wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des zweiten Positionierelementes an einer Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers (6,7,8,15,15',15'') festlegbar ist.

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen darstellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff- Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Bänder und mehrere Greifer, die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Bänder an ihrem Anfang greifen können, aufweist, wobei jeder Greifer auf einem Pfad zwischen einer Maxi mal position und einer Abholposition hin und her bewegbar ist, und wobei die Abholposition an einer Garnübergabestelle vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation ist als die Maximalposition, wobei die Greifer jeweils einzeln auf zueinander im Wesentlichen parallelen Pfaden bewegbar sind, so dass die Garne oder Rovings oder Bänder parallel aufgespannt werden können.
Faserverstärkter Kunststoff besteht aus Matrixmaterial und aus Fasern, die in das Matrixmaterial eingebettet sind und die u.a. die Zugfestigkeit liefern. Faserverstärkter Kunststoff wird besonders für hoch bei astetete Bauteile verwendet, die trotzdem noch möglichst leicht sein sollen. Da die Fasern in Querrichtung keine Festigkeit vermitteln, müssen die Fasern so ausgerichtet sein, dass ihre Längsrichtung mit der jeweiligen Belastungsrichtung möglichst gut übereinstimmt. Um das zu erreichen, müssen die Fasern oft in verschiedene Richtungen gelegt werden. Je besser und genauer die Faserlage an die Belastung angepasst ist und je gleichmäßiger die Fasern angeordnet sind, umso besser wird das Bauteil sein. Für Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff gibt es zahlreiche Herstellverfahren. Für die Produktion von großen Stückzahlen gut anwendbare Verfahren gibt es derzeit allerdings nur bei rotationssymmetrischen oder platten- bzw. strangförmigen Bauteilen durch Wickeln oder Platten- bzw. Strangpressen. Komplexere hochwertige 3-D-Strukturen lassen sich dagegen nur sehr aufwändig herstellen, da das Herstellen der benötigten Faservorformlinge schwierig, langsam und teuer ist. Hochwertige Strukturen werden meist mit Endlosfasern hergestellt. Bei vielen Verfahren werden zunächst Faservorformlinge entsprechend der gewünschten dreidimensionalen Bauteilform, sogenannte Preforms hergestellt, die überwiegend aus Fasern bestehen, welche oft in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind, um die notwendigen Faserrichtungen zu erzielen. Anschließend werden die Faservorformlinge dann mit dem Matrixmaterial getränkt oder bestrichen, gepresst und ausgehärtet oder gepresst und konsolidiert. Sowohl für das Herstellen der Faservorformlinge als auch für das Tränken und/oder Aushärten bzw. Konsolidieren der Bauteile können Formwerkzeuge entsprechend der gewünschten Bauteilform benutzt werden, auf oder in die der Faservorformling oder das Bauteil gelegt und gepresst wird. Damit die Faservorformlinge eine ausreichende Formstabilität für die Weiterverarbeitung aufweisen, werden sie mit kleinen Mengen Kleber oder Binder versehen und nach dem dreidimensionalen Drapieren fixiert, z.B. durch Trocknung oder durch Erhitzen und Abkühlen. Die Faservorformlinge werden meist durch Übereinanderlegen und Fixieren von vorgefertigten und vorverbundenen flächigen Halbzeugen erstellt. Solche Halbzeuge sind etwa Tapes oder Gewebe, Gelege oder Vliese, bei denen eine Vielzahl von einzelnen Garnen oder Rovings bereits zu einem flächigen Gebilde verwebt, vernäht oder verklebt sind. Von einem Garn spricht man bei Verwendung sogenannter Endlosfasern, d.h. wenn die Fasern von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden. Zahlreiche Garne, die unverdreht gleichzeitig von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden, nennt man Garnbündel oder Roving. Dabei können die Rovings aus bis zu mehreren Zehntausend Einzelgarnen, die auch Filamente genannt werden, bestehen. Häufig ist dabei ein hoher Anteil manueller Tätigkeiten notwendig. Komplexere Formen sind maschinell und mit hoher Stückzahl noch nicht herstellbar. Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Faservorformlingen für komplexere Bauteile ist das automatisierte Faserlegen. Dabei werden schmale Garnbündel oder Bänder aus Garnbündeln von einem Faserlegekopf über dem Formwerkzeug hin und her geführt, und dabei nebeneinander und übereinander darauf abgelegt, angepresst und fixiert. Für komplexere Bauteile ist eine aufwändige roboterartige Steuerung des Faserlegekopfes notwendig. Auch bei Einsatz von zwei, drei oder sogar vier Faserlegeköpfen parallel ist die Fertigungsgeschwindigkeit noch relativ langsam, da die Köpfe oft lange Wege zurücklegen müssen und da sukzessive mit schmalen Faserbündeln gearbeitet wird. Des Weiteren haben sie eine sehr lange und komplizierte Garnnachführung vom Spulengatter zum mehrachsig bewegten Legekopf. Eine solche Garnnachführung in Schläuchen mit speziellen Führungsklingen, um ein Verdrehen der Rovings zu verhindern, ist beispielsweise in US 2008/0202691 A1 dargestellt.
Die noch unveröffentlichte Anmeldung DE 10 2011 007018 der Anmelderin beschreibt eine Vorrichtung zum automatisierbaren Herstellen von Faservorformlingen mit mehreren parallel bewegbaren Greifern zum Aufspannen und Ablegen von Fasern in einer Lage auf einem Formwerkzeug. Die Greifer sind hierbei an einer Führungsvorrichtung, z.B. einer Stange befestigt, damit sie frei auskragend verfahren werden können. Für die Herstellung größerer Bauteile ist allerdings ein großer Verfahrweg nötig. Das führt entweder aufgrund von Durchbiegung und Schwingungen der Führungsvorrichtung zu einer gewissen Ungenauigkeit oder die Führungsvorrichtung muss entsprechend massiv ausgeführt werden, was die Verfahrgeschwindigkeit und damit die Arbeitsgeschwindigkeit wegen des Gewichts bzw. wegen der Trägheit begrenzt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Vorrichtung so weiterzuentwickeln, dass eine höhere Genauigkeit beim Herstellen der Faservorformlinge erzielt wird und gleichzeitig eine große Flexibilität und hohe Arbeitsgeschwindigkeit möglich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. An jedem Greifer ist ein erstes Positionierelement befestigt ist und zu jedem ersten Positionierelement ist mindestens ein entsprechendes zweites Positionierelement vorhanden ist, wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des zweiten Positionierelementes an einer Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers festlegbar ist. Die Greifer werden durch die Führungsvorrichtung, die beispielsweise als Stange oder Träger ausgeführt sein kann, entlang ihres Pfades verfahren. Mit Hilfe des ersten und zweiten Positionierelementes werden die Greifer an einer Position genau positioniert, so dass die Lage des Greifers exakt vorbestimmt werden kann, ohne dass aufwändige Regelung oder Programmierung bzw. eine hochgenaue und sehr steife Führungsvorrichtung notwendig sind. Die Positionierelemente könne hierzu jeweils eine Anschlagfläche aufweisen. Die Anschlagfläche kann sowohl in Richtung des Pfades als Anschlag dienen, als auch in eine oder beide Raumrichtungen senkrecht zum Pfad. Die Anschlagfläche kann dazu mehrere, zum Beispiel abgestufte oder gewinkelt angeordnete oder auch kegelförmige Anschlagflächen aufweisen. Das zweite Positionierelement kann auch verschiebbar entlang des Pfades des Greifers ausgeführt sein, um verschiedene Anschlagpositionen einstellen zu können. Durch die genauere Feinjustierung reicht es unter Umständen aus, wenn die Greifer durch die Führungsvorrichtung nur etwas ungenauer positioniert werden. Die Führungsvorrichtung kann daher leichter und einfacher ausgeführt sein. Die Führungsvorrichtung ist mit einem Antrieb verbunden, um den Greifer entlang seines Pfades verfahren zu können. Es können gegebenenfalls auch kräftigere und damit schwerere Greifer eingesetzt werden, ohne dass Toleranzprobleme auftreten. Insgesamt kann die Führung der Greifer mit mehr Toleranz ausgeführt werden, was Kosten erspart.
Da weniger komplexer Steuerungsaufwand notwendig ist, können nicht nur mehr Teile pro Zeiteinheit gefertigt werden, sondern auch die Umstellung von einer Bauteilform auf eine andere ist viel schneller und flexibler möglich. Zusätzlich ist durch die mechanische Positionierung eine deutlich höhere Ausfallsicherheit gegeben als sie mit regelungstechnischen oder über Sensoren gesteuerten Lösungen unter vertretbarem Aufwand erreicht wird.
Durch die genaue Positionierung kann auch die Aufnahme der Garne oder Rovings oder Bänder in den Greifer exakter erfolgen. Ebenso kann die Anordnung der aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder bzw. ihre Lage beim Ablegen genauer erfolgen. Dadurch wird es möglich, sehr schnell und mit wenig Fasermaterial, hochfeste und sehr belastungsgerecht gestaltete Faservorformlinge herzustellen.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zu jedem ersten Positionierelement noch ein weiteres, drittes Positionierelement vorhanden ist, wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des dritten Positionierelementes an einer weiteren Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers festlegbar ist. Dadurch kann zumindest an zwei Stellen zum Beispiel beim Abholen der Garne oder Rovings oder Bänder an der Garnübergabestelle und an einem Formwerkzeug zur Ablage der Garne oder Rovings oder Bänder die Lage der Greifer genauer festgelegt werden.
Besonders genau kann die Position festgelegt werden, wenn jeweils durch das Ineinandergreifen des ersten und des zweiten oder dritten Positionierelementes die Position des jeweiligen Greifers in einer Raumrichtung senkrecht zum Pfad, bevorzugt in beiden Raumrichtungen senkrecht zum Pfad festlegbar ist. Dadurch ist der Greifer und damit das aufgespannte Garn nicht nur entlang des Pfades, sondern auch quer dazu genauer positioniert.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht derart aus, dass jedes erste Positionierelement zumindest eine Erhebung, insbesondere eine kegelartige oder zentrierende Erhebung, aufweist und dass jedes zweite und/oder dritte Positionierelement eine entsprechend zur Erhebung passende Vertiefung aufweist. Dadurch greifen die Positionierelemente so ineinander, dass beim Zusammenfahren eine Zentrierung auf die gewünschte Position erfolgt. Eine alternative Ausführung sieht vor, dass jedes zweite und/oder dritte Positionierelement zumindest eine Erhebung, insbesondere eine kegelartige oder zentrierende Erhebung, aufweist und dass jedes erste Positionierelement zumindest eine entsprechend zur Erhebung passende Vertiefung aufweist.
Für die erfindungsgemäße Ausführung sind ebenso Positionierelemente geeignet, die jeweils mehrere Erhebungen oder mehrere Vertiefungen aufweisen. Darüber hinaus kann auch sowohl das erste Positionierelement als auch das zweite und/oder dritte Positionierelement jeweils eine Erhebung und eine Vertiefung aufweisen, die beim Zusammenfahren wechselseitig ineinander eingreifen. Als Erhebung und dazu passende Vertiefung kommen auch in Betracht: Eckige oder zylindrische Zapfen, bevorzugt mit Anfasung an der Spitze, und dazu passende Löcher oder Führungsschienen mit entsprechenden Gegenstücken. Zusätzlich oder alternativ zur Anfasung der Erhebung, kann auch die jeweilige Vertiefung eine Anfasung aufweisen, um sicher Eingriff zu gewährleisten auch bei nicht ganz exakter Annäherung des Greifers.
Es können auch für die Positionierung bezüglich der beiden Raumrichtungen quer zum Pfad zwei separate Erhebungen und Vertiefungen an den jeweiligen Positionierelementen vorhanden sein. Eine für die eine Raumrichtung und eine für die andere Raumrichtung. Zum Beispiel jeweils eine keilförmige Rippe und eine dazu passende Kerbe jeweils quer zur entsprechenden Raumrichtung .
Da sich die Garnübergabestelle bevorzugt an der Maximalposition befindet, als bei maximal ausgefahrener Führungsvorrichtung ist es von besonders vorteilhaft, wenn das jeweilige zweite oder dritte Positionierelement an den Garnübergabestelle vorgesehen sind. Dadurch wird die Genauigkeit beim Klemmen der Garne oder Rovings oder Bänder in der Abholposition des Greifers erhöht.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung auch eingesetzt werden für die nachfolgend beschrieben Vorrichtungen. Die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder können auf einem Tisch oder über ein Formwerkzeug, welche unter den aufgespannten Garnen oder Rovings oder Bändern angeordnet sind, abgelegt werden. Auf dem Tisch oder über dem Formwerkzeug entsteht eine Lage. Zum Abschneiden sind eine oder mehrere Trenneinrichtungen vorgesehen, die die Garne oder Rovings oder Bänder im Bereich der Garnübergabestellen trennen können. Nach dem Trennen kann eine weitere Lage beispielweise unter einem anderen Winkel aufgelegt werden.
Die Garne oder Rovings oder Bänder sind bevorzugt aus Carbon-, Glas- oder Aramidfasern. Die Garne oder Rovings können auf dem Weg zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle gespreizt werden, so dass sie sauber nebeneinander liegend geklemmt werden. Das kann zum Beispiel durch mehrfaches Umlenken um Walzen oder Stangen erfolgen.
Als Fasermaterial können auch Gewebe- oder Gelegebänder geklemmt werden. Um eine gewisse Formstabilität für den Faservorformling zu erreichen, können die Fasern oder Rovings oder Bänder bereits Bindermaterial enthalten oder es kann zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle oder nahe der Abholposition Bindermaterial aufgetragen werden. Das Bindermaterial kann auch erst auf die aufgespannte oder abgelegte Lage aufgebracht werden. Zum Beispiel durch Sprühen.
Auf den Garnen oder Rovings oder Bändern kann auch bereits das Matrixmaterial aufgebracht sein, welches nach der Umformung dann konsolidiert bzw. ausgehärtet wird. In diesem Fall enthält der Faservorformling bereits Matrixmaterial in noch nicht ausgehärteter bzw. noch nicht voll konsolidierter Form.
Die mehreren Abwickelstationen können beispielweise als sogenanntes Spulengatter ausgeführt sein. Dabei können die Garne oder Rovings von Spulen oder aus Garnknäuels (Bobbins) gezogen werden. Jede Garnübergabestelle bekommt Garne oder Rovings von einer oder von mehreren Abwickelstationen. An der Spule oder an der Garnübergabestelle oder dazwischen kann eine Einrichtung zur Regelung oder Einstellung und/oder eine Einrichtung zur Messung der Garnspannung vorhanden sein.
Bevorzugt ist die Klemmbreite der Greifer jeweils 10 bis 500 mm, besonders bevorzugt 30 bis 100 mm. Dadurch lassen sich ausreichend fein die jeweiligen Bauteilkonturen abbilden. Gegebenenfalls können die Greifer auch verschiedene Breiten aufweisen, um entsprechende Konturen ohne unnötigen Aufwand abbilden zu können. Um eine sinnvolle Fläche für die Herstellung von Faservorformlingen erzeugen zu können bei gleichzeitig guter Flexibilität der Vorrichtung, ist es vorteilhaft, wenn mindestens 5 Greifer, bevorzugt mindestens 10 Greifer, besonders bevorzugt mindestens 20 bis maximal 40 Greifer vorhanden sind. Dadurch können komplexere Konturen gut abgebildet werden. Bei mehr als 40 Greifern wird allerdings der apparative Aufwand zu groß.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt einen Tisch aufweisen, der um eine Achse im Wesentlichen senkrecht zu den Pfaden drehbar ist und der im Wesentlichen senkrecht zu den Pfaden angehoben und abgesenkt werden kann. Durch das Anheben kann der Tisch beispielsweise in die Ebene der aufgespannten Garne gebracht werden, so dass diese besser auf ihm abgelegt werden können. Das Drehen des Tisches ermöglicht das Ablegen mehrerer Lagen unter verschiedenen Faserwinkeln für eine belastungsgerechte Herstellung des Faservorformlings, beispielsweise unter +/-30", +/-45°, +/-60", +/-90". Der drehbare Tisch ist daher bevorzugt um +/-30" bis +/-90" drehbar.
Um 3-dimensional verformte Faservorformlinge zu erzeugen, kann ein erstes Formwerkzeug vorhanden sein, das zwischen die Abholposition und die Maxi mal position zumindest einiger Greifer gebracht werden kann, insbesondere so, dass dadurch die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder über das erste Formwerkzeug drapiert werden. Das erste Formwerkzeug kann beispielsweise auf dem Tisch befestigt sein und über diesen angehoben und abgesenkt, sowie gedreht werden. Besonders beim 3-dimensionalen Umformen mit gegebenenfalls hohem Umformgrad ist es wichtig, dass je Greifer unterschiedlich viel Garnlänge mit konstanter Garnspannung ausgezogen werden kann. Hier bietet die Erfindung große Vorteile ohne übermäßigen Aufwand, insbesondere da keine komplizierte Regelung notwendig ist. Durch die konstante Garnspannung kann ein Verziehen der Struktur des Faservorformlings reduziert werden.
Zusätzlich zum ersten Formwerkzeug können eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge vorhanden sein, die so mit dem ersten Formwerkzeug zusammengefahren werden können, dass sie die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder 3-dimensional umformen. Dadurch sind stärkere Umformungen und auch eine genauere Formgebung möglich. Das weitere Formwerkzeug kann als eine Haube ausgebildet sein, die eine Gegenform zum ersten Formwerkzeug bildet und die Faserlage an dieses andrückt. Die weiteren Formwerkzeuge können auch als mehrere Stempel oder Teilhauben ausgebildet sein, die die Faserlage nur an bestimmten Stellen an das erste Formwerkzeug andrücken, zum Beispiel in konkaven Bereichen oder an Kanten Übergängen der Form. Die weiteren Formwerkzeuge können auch in verschiedenen Richtungen und gegenüber der Vertikalen geneigt verfahrbar ausgeführt werden, um die Faserlagen der gewünschten Form entsprechend an das erste Formwerkzeug andrücken zu können. Auch hier lässt sich die Erfindung besonders vorteilhaft einsetzen. Um das Bindermaterial zu aktivieren oder um die Lagen formbar zu machen, kann das erste und/oder eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge beheizt sein. Ebenso kann das erste und/oder eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge aber auch gekühlt sein, um bereits vorgewärmtes Bindermaterial bei der Formgebung wieder zu verfestigen. Weiterhin kann eine Heizeinrichtung, insbesondere eine IR-Strahlereinrichtung oder eine beheizte Platte, vorgesehen sein, die die Fasern oder Rovings oder Bänder beim oder nach dem Aufspannen erwärmt. Dadurch kann Bindermaterial aktiviert oder die aufgespannte Lage verformbarer gemacht werden.
Um die Ablagegenauigkeit zu Erhöhen und damit um bessere Faservorformlinge herstellen zu können, ist es von Vorteil das jeweilige zweite oder dritte Positionierelement an dem Tisch oder an dem ersten Formwerkzeug vorzusehen. Die ersten Positionierelemente können entweder so angeordnet sein, dass sie bei einer Bewegung des Greifers auf das zwischen Greifer und Garnübergabestelle befindliche erste Formwerkzeug in Eingriff mit dem zweiten oder dritten Positionierelement kommen. Oder die ersten Formwerkzeuge sind so angebracht, dass sie bei einer Bewegung des ersten Formwerkzeuges zwischen die Greifer und die Garnübergabestellen mit den zweiten oder dritten Positionierelementen in Eingriff kommen und so die genaue Positionierung der Greifer bewirken. Um die Garnspannung konstant halten zu können oder um überschüssig aufgespannte Garnlänge zurückziehen zu können, kann jedem Greifer zumindest eine Garnspeichereinrichtung zugeordnet sein, die zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle vorgesehen ist.. Die Garnspeichereinrichtung weist zumindest zwei ortsfest gelagerte Umlenkelemente und zumindest eine translatorisch, insbesondere im Wesentlichen vertikal zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition frei verschiebbar gelagerte Spannrolle auf, wobei die Umlenkelemente und die Spannrolle von den Garnen oder Rovings oder Bändern so umschlungen sind, dass die Spannrolle im Garnverlauf zwischen den Umlenkelementen angeordnet ist. Unter translatorisch frei verschiebbar gelagert wird verstanden, dass die Spannrolle in einer im Wesentlichen geradlinigen Weise verschiebbar ist. Beispielsweise in einer Schiene oder einer Führung und ohne dass dafür ein Antrieb vorgesehen ist. Eine Dämpfung oder eine gewisse Reibung oder eine gewisse Haltekraft können trotzdem vorhanden sein. Unter translatorisch soll gleichwohl auch noch eine geringe Krümmung des Verschiebeweges verstanden werden. Dabei besitzt die Spannrolle eine erste und eine zweite Endposition, zwischen denen sie verschiebbar ist. Die erste Endposition ist näher an den beiden Umlenkelementen als die zweite Endposition. Die Verschiebung wird durch eine kurzzeitige kleine Änderung in der Garnspannung ausgelöst, welche gegen die Gewichtskraft der Spannrolle oder gegen eine Haltekraft zum Beispiel von einer Feder wirkt. Durch die Verschiebung von der ersten Endposition in Richtung zur zweiten Endposition wird der Garnlaufweg zwischen den beiden Umlenkelementen verlängert, so dass Lauflänge zwischengespeichert wird. Die Geschwindigkeit der Garne oder Rovings oder Bänder ist während dieser Verschiebung am Auslauf kleiner als am Einlauf in die Garnspeichereinrichtung. Bei einer Verschiebung von der zweiten in Richtung zur ersten Endposition wird der Garnlaufweg zwischen den beiden Umlenkelementen verkürzt, die gespeicherte Lauflänge wird verringert. Während dieser Verschiebung ist die Geschwindigkeit am Auslauf größer als am Einlauf.
Somit ist eine kurzzeitige Entkoppelung oder Umkehrung der Geschwindigkeiten beim Abwickeln und beim Aufspannen durch die Greifer oder beim Umformen möglich. Die Entkoppelung der Geschwindigkeit kann dafür genutzt werden, dass durch den Greifer beim Aufspannen bis über das Formwerkzeug hinaus ausgezogenes Garn zurückgezogen und somit die Garnspannung konstant gehalten wird, während der Greifer wieder in Richtung zum ersten Formwerkzeug verfahren wird, bis das erste Positionierelement mit dem am Formwerkzeug oder am Tisch befestigten Positionierelement im Eingriff ist. Die Garnspeichereinrichtung reagiert ohne extra Regelung auf die von außen vorgegebenen Geschwindigkeiten oder Garnspannungen und kompensiert somit vorübergehend auftretende Unterschiede. Die ortsfest gelagerten Umlenkelemente sind beispielsweise drehbar gelagerte Walzen oder Umlenkstangen.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden.
Fig.1 - 4 bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig.1 beim Abholen der Rovings (Seitenansicht) Fig.2 beim Abholen der Rovings (Draufsicht)
Fig.3 beim Aufspannen der Rovings (Draufsicht)
Fig.4 beim Umformen der Rovings (Seitenansicht)
Fig.5 Detail-Darstellung für eine Ausführung der Positionierelemente
Fig.6 Darstellung eines Ausschnittes einer Vorrichtung beim Aufspannen (Draufsicht)
Fig.7 Darstellung eines Ausschnittes einer Vorrichtung beim Anfahren der Greifer an erstes Formwerkzeug (Draufsicht) Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Die in den Figuren dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden für das Verarbeiten von Rovings beschrieben. Sie lassen sich aber analog genauso für Garne oder Bänder einsetzen. Die Vorrichtungen sind geeignet dazu, die folgenden Verfahrensschritte nacheinander oder teilweise parallel zueinander auszuführen:
- Bereitstellen der Rovings und eventuell des Bindermaterials
- Greifen der benötigten Rovings und eventuell des Bindermaterials, dabei Positionieren der Greifer durch die Positionierelemente
- Aufspannen der benötigten Rovings durch entsprechendes Positionieren der Greifer
- Drapieren oder Ablegen über ein erstes Formwerkzeug und dabei Heranfahren der Greifer an das erste Formwerkzeug mit Positionierung der Greifer durch Positionierelemente
- Umformen mit einem weiteren Formwerkzeug
- Fixieren der Lage aus Rovings
- Abtrennen der Rovings im Bereich der Garnübergabestellen
- Öffnen der Formwerkzeuge
- Drehen und/oder Weitergeben eines Formwerkzeuges mit der aufgebrachten Lage
Wiederholung des Ablaufes für das Aufbringen weiterer Lagen in derselben Vor- richtung oder in einer oder mehreren weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Als Fasermaterial für die Garne oder Rovings können Fasern z.B. aus Kohlenstoff (Carbon), Glas, oder Aramid oder andere Fasern verwendet werden. Und als Mat- rixmaterial für den faserverstärkten Kunststoff kommt z.B. thermoplastischer oder duromerer Kunststoff in Frage. Als Bindermaterial kann thermoplastischer Kunststoff, Duromer oder Klebstoff verwendet werden. Es kann entweder bereits als Hybridgarn oder Hybrid-Roving vorliegen, d.h. einzelne Fasern oder Garne sind aus Bindermaterial, oder es kann zusammen mit den Rovings vom Greifer mit aufgespannt werden oder es wird auf die drapierten Rovings aufgebracht oder aufgesprüht.
Die Fig. 1 - 4 zeigen eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung. In Fig. 1 und 2 ist das Abholen der Rovings mithilfe der Greifer dargestellt. Einmal in Seitenansicht und einmal in Draufsicht. Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung ist ebenfalls erkennbar. Die Bereitstellung der Garne oder Rovings erfolgt über eine Vielzahl von Abwickelstationen 1 ,2,3,4 , in denen das Fasermaterial in Form von Spulen oder Garnknäuel (sogenannte Bobbins) bereitgestellt wird, und die in mehreren Reihen 1 ,2 nebeneinander, hintereinander oder übereinander angeordnet sind. Die Anfänge der Garne oder Rovings 20 sind nur im jeweils benutzten Bereich für die benutzten Abwickelstationen 3,4 schematisch dargestellt. Auch alle anderen Anfänge werden zu den entsprechenden Garnübergabestellen 14 eingefädelt, so dass sie von den zugehörigen Greifern in Abholposition 8 erfasst werden können. Die Lage der Abholpositionen ist mit 1 1 gekennzeichnet. So etwas wird zusammen auch als Spulengatter bezeichnet. Auf der anderen Seite der Vorrichtung sind die Greifer 6 in ihren Maximalpositionen 12 dargestellt. Die Klemmbreite eines Greifers ist bevorzugt etwas breiter als die wirkliche Breite der von einem Greifer geklemmten Rovings. Auch wenn nur gleichbreite Greifer dargestellt sind, so sind selbstverständlich auch Greifer mit unterschiedlichen Breiten möglich. Die Greifer müssen nicht unbedingt ihre Maximal- und Abholpositionen in einer Linie haben. Die Greifer sind jeweils an eine Führungsvorrichtung 10 gekoppelt. Die Führungsvorrichtung kann beispielsweise eine Stange oder ein Träger sein. Die Führungsvorrichtungen sind mit einem Antriebssystem verbunden. In der gezeigten Vorrichtung werden die Greifer parallel zueinander, auf linearen, waagrechten Pfaden verfahren. Sie können einzeln auch auf verschiedene Positionen verfahren werden.
Die Greifer 8 befinden sich in Abholposition und holen jeweils an der ihnen zugeordneten Garnübergabestelle die Rovings ab, indem sie deren Anfänge 20 greifen. Um den Greifer 8 bei voll ausgefahrener Führungsvorrichtung 10 möglichst einfach aber genau positionieren zu können, sind ein erstes Positionierelement am Greifer 8 und ein zweites Positionierelement an der Garnübergabestelle 14 vorhanden, die sich in der Abholposition im Eingriff 26 befinden.
Es können mehrere Abwickelstationen 3,4, zu einer Gruppe zusammengefasst und einem Greifer 8 zugeordnet werden. Ein Greifer 8 kann mehrere Rovings zusammen greifen. Auf jeden Fall sollten mindestens so viele Abwickelstationen 3,4 wie Greifer 8 vorgesehen sein. Jedem Greifer 8 ist eine Garnübergabestelle 14 zugeordnet. Weiterhin kann es einen Bindermaterialvorrat geben, der beispielsweise zwischen den Reihen der Abwickelstationen angeordnet sein kann. Das Bindermaterial kann aber auch zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle oder auf die aufgespannten Rovings aufgetragen werden. Zwischen Abwickelstation 3,4 und Garnübergabestelle 14 ist eine Garnspeichereinrichtung 13 angeordnet. Für jeden Greifer 8 ist eine eigene Garnspeichereinrichtung 13 vorgesehen, die je nach der jeweiligen Abzugsgeschwindigkeit reagieren können. Die Rovings werden über zwei Umlenkelemente 9 und eine dazwischen befindliche, translatorisch frei verschiebbar gelagerte Spannrolle 5 geführt. Die Spannrolle 5 ist zwischen einer ersten Endposition 5a und einer zweiten Endposition 5b im Wesentlichen vertikal verschiebbar. Dadurch verkürzt oder verlängert sich der Garnlaufweg. Die Verschiebung kann zum Beispiel in Schienen oder anderen Führungen realisiert werden. Wird beim Aufspannen kurzzeitig mehr Rovinglänge an der Garnübergabestelle 14 vom Greifer 8 abgezogen, als nachher beim Umformen benötigt wird, so wird die Spannrolle 5 angehoben. Der Speicher entleert sich. Ist das Aufspannen beendet und wird später der Greifer an das Formwerkzeug herangefahren, so bewegt sich die Spannrolle 5 nach unten. Die Rovings werden zurückgezogen. Der Speicher wird wieder gefüllt.
Durch die Garnspeichereinrichtung 13 kann die Abzugsgeschwindigkeit an der Garnübergabestelle 14 von der Fördergeschwindigkeit am Einlauf kurzzeitig entkoppelt werden, was nicht nur ein Rückspulen sondern auch hohe Taktraten mit schnellen Wechseln in der Abzugsgeschwindigkeit erlaubt, ohne dass die Fördergeschwindigkeit an den Abwickelstationen 3,4 verändert werden muss. Dadurch ist beispielsweise eine hohe Verteilungsqualiät in der Breite trotzdem gewährleitstet. Das ist insbesondere von Vorteil wenn zwischen Abwickelstation 3,4, und Garnspeichereinrichtung 13 eine hier nicht dargestellte Garnaufbereitung, wie zum Beispiel eine Spreizeinrichtung oder eine Binderauftragseinheit vorhanden sind. Sowohl das Spreizen als auch der Binderauftrag erfordern eine möglichst gleichmäßige Garngeschwindigkeit.
Zusätzlich ist ein erstes Formwerkzeug 18 auf einem Hubtisch 17 dargestellt, wobei das Formwerkzeug 18 auf oder mit dem Hubtisch 17 gedreht werden kann. Ein weiteres Formwerkzeug 16, das als Haube ausgeführt ist, ist in Abfahrposition also außerhalb der Pfade der Greifer dargestellt. Das weitere Formwerkzeug 16 ist in der Draufsicht nicht dargestellt. Und eine entsprechende Bewegungs- oder Absenkeinrichtung für das weitere Formwerkzeug 16 ist auch nicht extra dargestellt. Das weitere Formwerkzeug kann auch mehrteilig zum Beispiel aus mehreren Stempeln aufgebaut sein. Auf dem ersten Formwerkzeug 18 ist eine bereits abgelegte Lage 23 aus Rovings dargestellt.
Fig.3 zeigt die Vorrichtung in Draufsicht beim Aufspannen der Rovings 21 . Die Greifer sind in einer Zwischenposition 15, wobei sich nun die ersten Positionierelemente an den Greifern 15 mit den dritten Positionierelementen am ersten Formwerkzeug im Eingriff 27 befinden. Je nach Form können die Greifer auch auf verschiedene Zwischenpositionen gefahren werden, so dass ein konturnahes Aufspannen mit wenig Verschnitt an teurem Fasermaterial möglich wird. Die Greifer 15 spannen eine Lage aus Rovings gleichzeitig auf. Durch die Positionierelemente wird die Lage der Rovings exakt festgelegt, so dass eine genaue Ausrichtung und damit eine hohe Qualität im Faservorformling erreicht wird.
Über den aufgespannten Rovings 21 kann eine Heizeinrichtung, z.B. einer oder mehrere IR-Strahler, vorgesehen sein, um eventuell aufgebrachtes Bindermaterial oder bereits vorhandenes Matrixmaterial zu erwärmen und somit zu aktivieren.
Fig.4 stellt die Vorrichtung beim Umformen der aufgespannten Faserlage dar. Der Hubtisch 17 ist nach oben gefahren, so dass die Rovings 22 über das erste Formwerkzeug 18 drapiert werden. Das weitere Formwerkzeug 16 ist mit dem ersten Formwerkzeug 18 zusammengefahren, so dass die Rovings 22 entsprechend umgeformt werden. Die Greifer 15 sind ohne aufwändige Regelung oder Sensoren über den Eingriff 27 der Positionierelemente exakt in der gewünschten Lage gehalten.
Während des Umformens wird besonders bei komplizierteren 3-dimensionalen Bauteilen relativ viel zusätzliche Garnlänge in kurzer Zeit benötigt, um die Garnspannung konstant halten und damit ein Verschieben vermeiden zu können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt ein schnelles Schließen und Umformen. Das erste Formwerkzeug 18 und/oder das weitere Formwerkzeug 16 können beheizt sein, um Bindermaterial oder bereits vorhandenes Matrixmaterial zu erwärmen. Alternativ können das erste Formwerkzeug 18 und/oder das weitere Formwerkzeug 16 auch gekühlt sein, um bereits erwärmtes Bindermaterial abzukühlen und die Form somit zu fixieren.
In Fig.5 ist eine beispielhafte Ausführung für die Positionierelemente in Seitenansicht dargestellt. Das erste Positionierelement 24 ist mit dem jeweiligen Greifer 15' verbunden. Über eine Führungsvorrichtung 10' kann der Greifer entlang seines Pfades verfahren werden. Am ersten Formwerkzeug 18' ist ein zweites oder drittes Positionierelement 25 vorhanden. Das erste Positionierelement 24 weist eine Erhebung 28 auf, die in die entsprechende Vertiefung 29 am zweiten oder dritten Positionierelement 25 passt, wodurch beim Heranfahren des Greifers 15' an das erste Formwerkzeug 18' eine exakte mechanische Feinjustierung der Lage des Greifers 15' relativ zum ersten Formwerkzeug 18' erfolgt. Ist die Erhebung 28 beispielsweise als Keilleiste und die Vertiefung 29 als Kerbe ausgeführt, so ist eine exakte Positionierung in Richtung des Pfades und senkrecht dazu in der Höhenlage gegeben. Ist die Erhebung 28 als Kegel und die Vertiefung 29 entsprechend passend ausgeführt, so wird der Greifer 15' auch noch in die zweite Raumrichtung quer zum Pfad, also in Querrichtung (in die Blattebene hinein) exakt ausgerichtet. Alternativ kann die Erhebung auch als Zapfen, Zentrierstift, Führungsschiene oder Führungsstück ausgebildet sein. Die Vertiefung muss entsprechend passend ausgeführt sein. Sowohl Erhebung als auch Vertiefung können Anfasungen haben, um den Eingriff beim Annähern zu erleichtern. Fig. 6 und 7 zeigen einen Ausschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. In Fig.6 sind die Greifer 7 über die Führungsvorrichtungen 10' so verfahren, dass sie die gegriffenen Rovings über dem ersten Formwerkzeug 18" aufspannen. Wenn das erste Formwerkzeug 18" dann durch Anheben zwischen Greifer 7 und Garnübergabestellen gebracht ist, werden die Greifer an das erste Formwerkzeug 18" herangefahren. Die Garnspeichereinrichtungen sorgen währenddessen für ein Rückspulen der Rovings und für konstante Garnspannung. Am Formwerkzeug werden die Greifer 15" in ihrer Position exakt ausgerichtet durch den Eingriff 27' der Positionierelemente. Durch einen Wechsel des Formwerkzeuges kann schnell auf die Herstellung eines Faservorformlings für ein anderes Bauteil umgestellt werden. Die neue Lage der Greifer wird mechanisch durch die Positionierelemente am Formwerkzeug festgelegt, ohne dass eine Regelung oder Steuerung umgestellt werden muss. Bezugszeichenliste
1 , 2 Reihen von Abwickelstationen
3, 4 Abwickelstationen in Benutzung
5 Spannrolle
5a erste Endposition
5b zweite Endposition
6 Reihe von Greifern
7 Reihe von Greifern in Aufspannposition
8 Greifer in Abholposition
9 Umlenkelemente
10,10', 10" Führungsvorrichtung
1 1 Lage der Abholpositionen
12 Lage der Maximalpositionen
13 Reihe von Garnspeichereinrichtungen
14 Reihe von Garnübergabestellen
15,15', 15" Greifer in Zwischenposition am ersten Formwerkzeug
16 weiteres Formwerkzeug
17 Hubtisch
18, 18', 18" erstes Formwerkzeug
19 weitere Garnspeichereinrichtung
20 Anfänge der Rovings
21 aufgespannte Rovings
22 drapierte Rovings
23 bereits abgelegte Lage aus Rovings
24 erstes Positionierelement
25 zweites oder drittes Positionierelement
26 Eingriff von erstem in zweites Positionierelement 27,27' Eingriff von erstem in drittes Positionierelement 28 Erhebung
29 Vertiefung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Herstellung von Faservorformlingen, die insbesondere eine Vorstufe bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen darstellen, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen (1 ,2,3,4) für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Bänder und mehrere Greifer (6,7,8,15,15', 15"), die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Bänder an ihrem Anfang (20) greifen können, aufweist, wobei jeder Greifer (6,8,15) auf einem Pfad zwischen einer Maxi mal position (12) und einer Abholposition (1 1 ) hin und her bewegbar ist, und wobei die Abholposition (1 1 ) an einer Garnübergabestelle (14) vorgesehen ist und näher an der Abwickelstation (1 ,2,3,4) ist als die Maximalposition (12), wobei die Greifer (6,7,8,15,15', 15") jeweils einzeln auf zueinander im Wesentlichen parallelen Pfaden bewegbar sind, so dass die Garne oder Rovings oder Bänder parallel aufgespannt werden können dadurch gekennzeichnet,
dass an jedem Greifer (6,7,8, 15, 15', 15") ein erstes Positionierelement (24) befestigt ist und dass zu jedem ersten Positionierelement mindestens ein entsprechendes zweites Positionierelement (25) vorhanden ist, wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des zweiten Positionierelementes an einer Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers (6,7,8,15,15', 15") festlegbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass zu jedem ersten Positionierelement (24) noch ein weiteres, drittes Positionierelement (25) vorhanden ist, wobei durch Ineinandergreifen des ersten und des dritten Positionierelementes an einer weiteren Stelle entlang des Pfades die Position des Greifers (6,7,8,15,15', 15") festlegbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils durch das Ineinandergreifen des ersten (24) und des zweiten oder dritten (25) Positionierelementes die Position des jeweiligen Greifers (6,7,8,15,15', 15") in einer Raumrichtung senkrecht zum Pfad, bevorzugt in beiden Raumrichtungen senkrecht zum Pfad festlegbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes erste Positionierelement (24) zumindest eine Erhebung (28), insbesondere eine kegelartige oder zentrierende Erhebung, aufweist und dass jedes zweite und/oder dritte Positionierelement (25) eine entsprechend zur Erhebung passende Vertiefung (29) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet,
dass jedes zweite und/oder dritte Positionierelement (25) zumindest eine Erhebung (28), insbesondere eine kegelartige oder zentrierende Erhebung, aufweist und dass jedes erste Positionierelement (24) zumindest eine entsprechend zur Erhebung passende Vertiefung (29) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweilige zweite oder dritte Positionierelemente (25) an den Garnübergabestelle (14) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass sie einen Tisch (17) aufweist, der um eine Achse im Wesentlichen senkrecht zu den Pfaden drehbar ist und der im Wesentlichen senkrecht zu den Pfaden angehoben und abgesenkt werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass ein erstes Formwerkzeug (18,18', 18") vorhanden ist, das zwischen die Abholposition (1 1 ) und die Maximalposition (12) zumindest einiger Greifer (6,7,8,15,15', 15") gebracht werden kann, insbesondere so, dass dadurch die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder (21 ) über das erste Formwerkzeug (18,18', 18") drapiert werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet,
dass eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge (16) vorhanden sind, die so mit dem ersten Formwerkzeug (18,18', 18") zusammengefahren werden können, dass sie die aufgespannten Garne oder Rovings oder Bänder (21 ) 3-dimensional umformen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8
dadurch gekennzeichnet,
dass jeweilige zweite oder dritte Positionierelemente (25) an dem Tisch (17) oder an dem ersten Formwerkzeug (18,18', 18") vorgesehen sind.
1 1 . Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens 5 Greifer (6,7,8,15,15', 15"), bevorzugt mindestens 10 Greifer, besonders bevorzugt mindestens 20 Greifer und nicht mehr als 40 Greifer vorhanden sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Greifer (6,7,8, 15, 15', 15") zumindest eine Garnspeichereinrichtung (13) zugeordnet ist, welche zumindest zwei ortsfest gelagerte Umlenkelemente (9) und zumindest eine translatorisch, insbesondere im Wesentlichen vertikal zwischen einer ersten (5a) und einer zweiten Endposition (5b) frei verschiebbar gelagerte Spannrolle (5) aufweist, wobei die Umlenkelemente (9) und die Spannrolle (5) von den Garnen oder Rovings oder Bändern so umschlungen sind, dass die Spannrolle (5) im Garnverlauf zwischen den Umlenkelementen (9) angeordnet ist, und wobei die Garnspeichereinnchtung (13) zwischen Abwickelstation (1 ,2,3,4) und Garnübergabestelle (14) vorgesehen ist.
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