EP4412821A1 - Tapelegemaschine und verfahren zur tapeablage an einem substrat - Google Patents

Tapelegemaschine und verfahren zur tapeablage an einem substrat

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Publication number
EP4412821A1
EP4412821A1 EP22797060.5A EP22797060A EP4412821A1 EP 4412821 A1 EP4412821 A1 EP 4412821A1 EP 22797060 A EP22797060 A EP 22797060A EP 4412821 A1 EP4412821 A1 EP 4412821A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tape
roller
depositing
deposited
area
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.)
Pending
Application number
EP22797060.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julia Kolb
Lukas Raps
Ines Schiel
Manuel Simone
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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 Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4412821A1 publication Critical patent/EP4412821A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • 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
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386—Automated tape laying [ATL]
    • B29C70/388—Tape placement heads, e.g. component parts, details or accessories
    • 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
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • 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
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns

Definitions

  • the invention relates to a tape laying machine, comprising at least one laying roller for laying tapes on a substrate.
  • the invention relates to a method for laying down tape on a substrate, in which the tape to be laid down is laid down on the substrate via a laying roller.
  • DE 10 2009 017 217 A1 discloses a device for depositing a strip-shaped semi-finished fiber product, which has a conveyor belt for transporting the semi-finished fiber product, a measuring device for measuring a predetermined length of the semi-finished fiber product, a cutting device for cutting the semi-finished fiber product to the predetermined length, a heating device and a depositing device for depositing and/or pressing the cut semi-finished fiber product onto a base.
  • US 2004/0021247 A1 discloses a method for producing sleeve-shaped plastic parts from fiber-reinforced duroplastic material.
  • the invention is based on the object of providing a tape laying machine of the type mentioned at the outset, which enables defined tape placement on a substrate.
  • this object is achieved according to the invention in that the at least one lay-off roller is assigned a vacuum application device which, during operation, generates a negative pressure area in front of the at least one lay-down roller and by means of which vacuum is applied to the tape to be laid down.
  • the at least one depositing roller is a consolidation roller, through which tape is pressed onto the substrate.
  • a defined tape guide results from the negative pressure application device.
  • the tape to be deposited is, as it were, pulled against the at least one depositing roller and placed against it by the negative pressure application device. A defined tape guidance can thereby be achieved.
  • a space between a heating source and a tape to be deposited can be kept free of, for example, a blowing device which would otherwise press the tape to be deposited against the depositing roller by blowing it.
  • a blowing device which would otherwise press the tape to be deposited against the depositing roller by blowing it.
  • the negative pressure application device also allows effective cooling of the at least one depositing roller, for example by a achieve exhaust air jet. This effectively prevents the deflector roller from overheating. In particular, no air flow has to be generated in an area between the heating device and the tape to be laid down. The corresponding air flow, which acts on the depositing roller for cooling purposes, can be guided in such a way that it does not cool the tape to be deposited to a large extent, but essentially acts on the at least one depositing roller.
  • the tape to be deposited has a first side, which faces the at least one depositing roller, and has an opposite second side, which faces the substrate, with at least one of the following: the first side of the tape to be deposited lies on the vacuum area; the at least one depositing roller is seated on a holder and the vacuum area lies between the holder and the at least one depositing roller and is in particular between the first side of the tape to be deposited, the holder and the at least one depositing roller; a heating device is assigned to the at least one depositing roller, the heating device acting on the second side of the tape to be deposited; a camera and/or an optical sensor device is assigned to the at least one depositing roller, which is aligned with the second side of the tape to be deposited; the negative pressure area is in front of a nip point of a tape to be deposited on the substrate.
  • the features mentioned, individually or in combination, result in an optimized use of space.
  • the tape can be pulled up to a certain extent on the depositing roller in order to achieve a reproducible, defined depositing of the tape on the substrate.
  • thermoplastics do not have any inherent stickiness.
  • the first side does not have to be heated above the melting temperature, since the application of negative pressure can result in contact with the at least one depositing roller.
  • An optimized use of the installation space results when the vacuum area is between the holder and the at least one depositing roller and preferably between the first side of the tape to be deposited, the holder and the at least one depositing roller. As a result, no means for pressing the tape to be deposited onto the at least one depositing roller need be provided adjacent to the second side, on which in particular heating above the melting temperature takes place. This then results in an optimized use of space and, for example, strongly concave tools or substrates can also be used.
  • the at least one depositing roller is assigned a heating device (heating source) which acts on the second side of the tape.
  • a heating device heating source
  • the second side of the tape which is the laying side, can be heated above the melting point.
  • the tape to be deposited can then be pressed onto the substrate via the at least one depositing roller (consolidation roller) and consolidation can then take place.
  • a camera such as a thermal imaging camera
  • an optical sensor device is provided, by means of which the area of the second side and in particular a deposition area can be optically detected.
  • a nip point is formed by means of the at least one depositing roller, at which point the at least one depositing roller presses the tape to be deposited onto the substrate. If the negative pressure area is located in front of this run-on point, then the result is an optimized and reproducible depositing capability.
  • the tape to be deposited is applied to the at least one depositing roller in front of the run-on point in order to also enable geometrically defined depositing.
  • the negative pressure application device comprises at least one tube on which at least one orifice opening is arranged, which opens into the negative pressure region.
  • the at least one tube can be used to generate the corresponding negative pressure for the tape to be deposited to rest on the at least one depositing roller.
  • a suction flow or a blowing flow can be guided in the tube.
  • An optimized use of space results when the at least one tube is guided between a holder for the at least one depositing roller and the at least one depositing roller.
  • the at least one depositing roller is held on the holder via one or more webs. If the tube is then guided between the holder and the at least one depositing roller, the corresponding space can be used in an optimized manner.
  • a suction flow is guided in the at least one tube and, in particular, the vacuum application device comprises a suction fan device.
  • the vacuum application device comprises a suction fan device.
  • the negative pressure area in front of the muzzle Create opening of at least one tube.
  • the suction flow in the at least one tube can be generated by a suction fan device. It is also possible, for example, for a suction flow nozzle (Venturi nozzle) to be used in order to generate a suction flow via a blowing flow.
  • a blowing stream to be guided in the at least one tube during operation of the tape laying machine and for the at least one tube to be arranged and designed such that the vacuum area is formed in front of the at least one laying roller due to the Bernoulli effect.
  • the at least one tube is then arranged in such a way that there is a constriction at the corresponding orifice opening, which constriction produces the negative pressure region due to the Bernoulli effect (the hydrodynamic paradox).
  • the tube opens into a fillet area or gusset between the tape to be deposited and the at least one depositing roll.
  • the negative pressure application device is arranged and designed in such a way that it provides an air flow and in particular a blown air flow, which acts on the at least one depositing roller for cooling the at least one depositing roller.
  • This results in optimum coolability of the at least one depositing roller, which is fundamentally thermally stressed.
  • an additional cooling effect can be brought about in addition to roller cooling.
  • continuous process temperatures can be guaranteed and overheating of the at least one depositing roller is prevented.
  • this makes it possible in a simple manner to achieve cooling and, for example, additional cooling of the at least one depositing roller at a distance from a heating device.
  • the blown air stream for cooling can be directed in such a way that it essentially only acts on the at least one laying-off roller and does not, for example, act on the tape to be laid down.
  • the gap has a first is particularly advantageous Has area and a second area and the first area and the second area are separated by tape to be deposited, that the depositing roller is arranged at the first area, and that the blast air flow for cooling the at least one depositing roller is generated at the first area.
  • Generation means that the blown air flow emerges from a corresponding orifice. It is thereby possible that the blown air stream for cooling the at least one depositing roller is used completely or at least for the most part for cooling the at least one depositing roller. It can be directed in such a way that it only slightly impacts the tape to be deposited or not at all. It is thus possible to achieve “low-loss” and therefore effective cooling of the at least one depositing roller.
  • the at least one depositing roller is assigned a guide device for tape to be deposited.
  • the guide device is coupled to the application of negative pressure.
  • the tape to be deposited is guided along the guide device. This results in a defined and reproducible tape storage. In this way, in particular, the contact of the tape to be deposited on the at least one depositing roller can also be improved by means of the application of negative pressure.
  • the guide device is arranged upstream of the at least one depositing roller in relation to a run-up point (nip point) of tape to be deposited on the depositing roller;
  • the guide device comprises at least one guide element in the form of a guide plate on which tape to be deposited is guided;
  • the guide device comprises opposing guide elements, between which tape to be deposited is passed;
  • the guide device is seated on a holder on which the at least one depositing roller is seated.
  • the corresponding guide device results in an optimized mechanical tape guide in front of the depositing roller.
  • the guide device comprises at least one guide element on which at least one orifice of the negative pressure application device is arranged.
  • the negative pressure application device is connected to the corresponding guide element.
  • one or more tubes of the vacuum application device are firmly connected to the at least one guide element and are connected in a fluid-tight manner.
  • the negative pressure application device comprises at least one Venturi nozzle, in particular with at least one of the following: at least one removal tube is provided for applying negative pressure to a tape to be laid down; the Venturi nozzle provides an air flow (blown air flow) which impinges on the at least one depositing roller for cooling.
  • the Venturi nozzle has a constriction area through which a suction flow can be generated.
  • the negative pressure area can be generated by this suction flow in the at least one removal tube.
  • the Venturi nozzle is a suction flow nozzle that works on the principle of the Bernoulli effect. Simultaneously with the generation of the suction flow, the Venturi nozzle can also be used to provide an air flow (blown air flow), which can be used to cool the at least one depositing roller.
  • the Venturi nozzle can be integrated in particular into a pneumatic device of the tape laying machine that is present anyway, in order to generate the negative pressure area accordingly and also to generate a cooling air flow.
  • the tape laying machine according to the invention can be used in an advantageous manner if the tape comprises a thermoplastic matrix in which fibers and preferably C fibers in particular are embedded.
  • Thermoplastic materials generally do not have any inherent tack. Warming is necessary.
  • it can be achieved in a simple manner that heating above the melting temperature is only necessary on one side (a second side) of the tape.
  • the application of the tape to an opposite first side on the at least one depositing roller, which then presses the tape onto a substrate via the second side, takes place via the negative pressure application device.
  • a movable robot arm which includes a holder on which the at least one depositing roller is seated; a pneumatic device which provides an air flow for the negative pressure application device, wherein in particular the pneumatic device is at least partially arranged on the robot arm; a heating source, which is arranged in particular on the robot arm; a camera and/or an optical sensor device, which is arranged in particular on the robot arm; a substrate pickup tool; the robot arm and the tool are movable relative to each other.
  • An automatic tape depositing process can be implemented via the movable robot arm.
  • the coupling of the negative pressure application device to the pneumatic device results in a structurally simple structure.
  • a method of the type mentioned at the outset in which the tape to be deposited is applied to the depositing roller by applying vacuum in a vacuum area in front of the depositing roller.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the tape laying machine according to the invention.
  • the method according to the invention can be carried out on the tape laying machine according to the invention or the tape laying machine according to the invention can be operated with the method according to the invention.
  • tape to be deposited is applied to the depositing roller in front of a nip point of tape to be deposited; negative pressure is applied to a first side of the tape, and the tape is heated on a second side, the first side being opposite the second side and the second side being a laying side on the substrate.
  • the application of negative pressure in front of the nip point results in an optimized positionability of the tape to be deposited and accordingly the tape to be deposited can be optimally pressed onto the substrate by the deposition roller.
  • the application of negative pressure to the tape on a first side, which is opposite the second side results in an enlarged space in the area in which the tape is heated. This can be used, for example, so that more complex component structures such as larger curvatures can also be produced.
  • the negative pressure is applied via a suction flow, which is provided in particular by a suction fan device and/or a Venturi nozzle.
  • the Venturi nozzle suction flow nozzle
  • suction flow nozzle can also be used to provide a blown air flow as a cooling air flow, in particular with a direct impact on the lay-off roller.
  • a blown air stream which is used in particular for applying negative pressure, is directed at least with a partial stream in such a way that it acts on the depositing roller for cooling the depositing roller.
  • the blown air flow can be a blown air flow, which is directed towards the tape to be laid down, a negative pressure area then being generated via the Bernoulli effect by forming a constriction.
  • the blown air stream can also be fed to a Venturi nozzle, for example, which then generates a suction stream, which in turn is then used to apply negative pressure.
  • the blown air flow is then directed at least in part in such a way that it acts on the lay-off roller for cooling.
  • a suction flow is generated via a venturi nozzle
  • a discharge blowing air flow of the venturi nozzle is directed in such a way that it acts on the laying roller for cooling.
  • the tape to be deployed has a thermoplastic matrix. A corresponding workpiece can thus be produced in particular in an automated depositing process.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective illustration of an exemplary embodiment of a tape laying machine
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an enlarged area of the tape laying machine according to FIG. 1 in the area of tape placement on a substrate;
  • FIG. 3 shows a view similar to FIG. 2 in a variant of an embodiment.
  • An exemplary embodiment of a tape laying machine which is shown schematically in FIG. 1 and is denoted by 10, comprises a machine base 12.
  • a carriage guide 14 is arranged on the machine base 12.
  • a carriage 16 is seated on the carriage guide 14.
  • the carriage 16 is displaceably guided on the carriage guide 14 in one direction/opposite direction 18.
  • This depositing robot 20 can be moved in the direction/opposite direction 18 on the machine base 12 via the carriage 16 .
  • the placement robot 20 has a head 22 which can be moved in three dimensions (due to the appropriate design of the placement robot 20).
  • a table 24 is seated on the machine base 12. This table 24 is spaced apart from the machine base 12 in a vertical direction transverse to the direction/opposite direction 18.
  • the table 24 is fixed to the machine base 12. In principle, it can also be movable.
  • the table 24 has a mount 26 for a tool 28 .
  • the tool 28 (also compare FIGS. 2 and 3) is a shaping tool for a component which is to be produced by means of tape laying.
  • the component produced is in particular a fiber-reinforced composite component with a plastic matrix.
  • the plastic matrix is in particular made of a thermoplastic material.
  • the tool 28 is shaped according to the shape of the component to be produced.
  • a curvature is indicated in FIGS. 2 and 3 in order to correspondingly produce a curved component.
  • the tool 28 receives a substrate.
  • the substrate changes in that it "grows" through laid down tapes.
  • the first tape it is possible for the first tape to be deposited to be placed directly on the tool 28, or for a “base substrate” to be used for the first tape deposit.
  • the base substrate can also be just a release film, for example, or it can already be part of the workpiece.
  • the placement robot 20 has a robot arm 30 on which the head 22 is seated.
  • the head 22 can be positioned with respect to the tool 28 on the table 24 in a controlled manner via the carriage guide 14 and the placement robot 20 itself, and in particular can be positioned with respect to any point on the tool 28 . Furthermore, due to the mobility of the placement robot 20 itself and its slide guide 14, the head 22 can be moved to the tool 28. Through this a controlled, defined tape deposit can take place on a substrate on the tool 28 .
  • At least one material spool 32 is seated on the head 22 and provides tape material for placement on the substrate.
  • the head 22 is or forms a holder 34 on which (at least) one depositing roller 36 is seated.
  • the placement roller 36 is a consolidation roller, which ensures a defined placement when the tape is placed on the corresponding substrate.
  • the depositing roller 36 is rotatably mounted on a web 37 about an axis of rotation 35 , the web 37 being seated on the holder 34 .
  • the axis of rotation 35 is oriented perpendicularly to the plane of the drawing.
  • the depositing roller 36 comprises a metal core 39 on which a jacket 41 made in particular of a silicone material is seated.
  • a heating device 38 and in particular a laser heating device 38 is arranged on the head 22 and in particular in the holder 34 .
  • the heating device 38 acts on the tape to be laid down.
  • a laser beam is directed onto the tape to be laid down, which ensures appropriate heating. This is defined in more detail below.
  • a camera 40 and/or an optical sensor device is provided, which is also seated on the head 22 and is aligned with the tape to be laid down.
  • an additive manufacturing method in the form of Automated Fiber Placement is carried out via the tape laying machine 10 .
  • unidirectional semi-finished products are used as the tape.
  • the tapes have in particular a thermoplastic matrix and over the Heating device 38 is a melting. (Thermoplastic tapes do not have inherent tack; melting by heater 38 creates tack.)
  • the head 22 is, for example, an AFPT head (from AFPT GmbH, 56281 Dörth, Germany).
  • the storage robot 20 has, for example, as a robot arm 30 a robot arm with six degrees of freedom of movement.
  • thermoplastic tapes due to the lack of inherent tack, there is basically no adhesion to the laying-off roller 36 .
  • tape 42 to be laid down is provided by one or more of the material spools 32 .
  • the substrate 44 is the tool 28 at the beginning of the process, for example with a separating film or a basic component, which then grows on with tapes that have already been laid down.
  • Such deposited tapes are indicated very schematically in FIG. 2 with reference number 48 . Due to the consolidation, the deposited tapes 48 are no longer tapes in the narrower sense but are an inseparable part of the component.
  • the depositing roller 36 is positioned in the intermediate space 46 . Furthermore, the heating device 38 is positioned and, if necessary, the camera 40.
  • Tape 42 to be laid down is guided in such a way that it can be laid down on substrate 44 .
  • a distance to the substrate 44 shown, although of course there is no such distance when filing.
  • a guide device 50 is provided, which is assigned to the depositing roller 36 .
  • the guide device 50 is held in particular on the holder 34 .
  • the guiding device 50 serves to guide tape 42 to be deposited in a defined manner with respect to the depositing roller 36 . Tape 42 to be deposited is guided along the guide device 50 .
  • the guide device 50 In relation to a feed direction 52 of tape from a material spool 32 to the substrate 44 , the guide device 50 is positioned in front of the laying-off roller 36 .
  • the guide device 50 comprises a first guide element 54 and an opposite second guide element 56.
  • the first guide element 54 and the second guide element 56 are spaced apart from one another and tape 42 to be laid down is guided through between them.
  • the first guide element 54 and the second guide element 56 are positioned in the gap 46 between the holder 34 and the substrate 44 .
  • the guide elements 54, 56 are designed in particular as guide plates and are made in particular from a metallic material such as high-grade steel.
  • the tape laying machine 10 includes a vacuum application device 58.
  • the vacuum application device 58 generates a vacuum area 60, which is used for the defined contact of the tape 42 to be deposited on the depositing roller 36.
  • the tape 42 to be deposited has a first side 62 which faces the depositing roller 36 . It has a second side 64 opposite the first side 62 and facing the substrate 44 .
  • the second side 64 is a laying side, via which the laying on the substrate 44 takes place.
  • the heating device 38 acts with its laser beam on the second side 64 in order to cause heating above the consolidation temperature of the thermoplastic matrix of the tape material on the second side 64 of the tape 42 to be laid down.
  • the vacuum area 60 borders on the first side 62.
  • the vacuum area 60 is formed between the first side 62 of the tape 42 to be deposited, the depositing roller 36 and the holder 34.
  • the intermediate space 46 is divided into a first area 66 and a second area 68 by the tape 42 to be laid down.
  • the first side of the tape 42 to be deposited delimits the first area 66 and is adjacent to it.
  • the second side 64 of the tape 42 to be deposited adjoins the second area 68 and delimits it.
  • the negative pressure area 60 of the negative pressure application device 58 is located in the first area 66.
  • the laser is applied to the tape 42 to be laid down via the second area 68.
  • a run-up point 70 (nip point).
  • the run-on point 70 is the point at which the tape 42 to be deposited touches the substrate 44 via the second side 64 and a corresponding deposition with consolidation by the deposition roller 36 takes place.
  • the heater on the second side 64 of the to be filed Tape 42 takes place in a region 72 of the tape 42 to be deposited, which is in front of the nip point 70 .
  • tape 42 to be deposited is applied (and particularly pressed) to substrate 44 at nip point 70, it is heated above the consolidation temperature to provide adequate tack, but may then cool below the consolidation temperature.
  • the vacuum application device 58 applies vacuum to the tape 42 to be deposited in the vacuum region 60 , which is in front of the nip point 70 .
  • the device 58 for applying negative pressure and the negative pressure region 60 enable the tape 42 to be placed to be placed on the substrate 44 to be placed with high precision. For example, semi-finished products tend to deviate from a "geometrically" intended position due to internal stresses. Such deviations can be corrected by the vacuum area 60 . This results in a defined tape guide and placement on the substrate 44. An undefined faulty tape placement is thereby prevented and a desired component quality can be ensured in a reproducible manner.
  • the vacuum application device 58 comprises at least one tube 74.
  • This tube 74 has an orifice 76.
  • This at least one tube 74 is connected in a fluid-tight manner to the first guide element 54, in particular, and the orifice opening 76 is located on the first guide element 54.
  • the tube 74 is guided between the holder 34 and the depositing roller 36 and is thereby connected to the first guide element 54 .
  • a suction flow (indicated by reference number 78 in FIG. 2) is guided in the tube 74 of the vacuum application device in order to correspondingly generate the vacuum region 60 during operation of the tape laying machine 10 .
  • the at least one pipe 74 is connected to an aspirator device which correspondingly generates the suction flow (not shown in the drawings).
  • the vacuum application device 58 is coupled to a pneumatic device 80 of the tape laying machine 10, which is present in any case. At least a partial area of this pneumatic device 80 is positioned on the head 22 or the holder 34 and can be moved with it.
  • a Venturi nozzle 82 is seated on the pneumatic device 80.
  • the Venturi nozzle 82 is designed, for example, in the form of a Laval nozzle.
  • the venturi nozzle has at least one take-off tube 84 which is the tube 74 or is in fluid communication with the tube 74 .
  • a corresponding negative pressure is present at the extraction pipe 84, i.e. the suction flow 78 acts and generates the negative pressure region 60.
  • the Venturi nozzle 82 also has an output area 88 at which a blown air stream 90 is provided.
  • the output area 88 is arranged and positioned in such a way that the blowing stream 90 is directed towards the depositing roller 36 in order to cool it.
  • Both the suction flow 78 for generating the negative pressure region 60 and the blown air flow 90, which is used to cool the depositing roller 36 during operation of the tape laying machine 10, can then be generated via the Venturi nozzle 82.
  • the Venturi nozzle 82 can be easily integrated into a pneumatic device 80 that is present anyway.
  • one dispensing tube can be provided as the dispensing area 88 or a plurality of dispensing tubes can be provided (see FIG. 2).
  • the Venturi nozzle 82 is a vacuum suction nozzle which provides a suction flow 78 and a blast air flow 90 .
  • a flow rate of pressurized air at venturi 82 ranges between 2 L/min and 20 L/min.
  • the suit pressure in the vacuum area 60 is in the range between 1 bar and 10 bar.
  • Venturi nozzle 82 used in the form of a Laval nozzle is the nozzle VN-05-H-T2-PQ1-VQ1-RQ1 from Festo SE & Co. KG, Ruiter Strasse 82, 73734 Esslingen-Berkheim.
  • the tape laying machine 10 works as follows:
  • Tapes 42 are placed on the substrate 44 . These are provided by one or more material spools 32 . In principle, for example, several tapes can be stored in parallel. In the representation according to FIG. 2, a plurality of tapes are then provided perpendicular to the plane of the drawing.
  • the second side 64 of tape 42 to be deposited is heated by the heating device 38 via the second region 68 .
  • the tape 42 to be deposited is guided via the guide device 50.
  • the tape 42 to be laid down is unrolled from the corresponding material spool 32 with the feed device 52.
  • the laying-down robot 20 is moved relative to the tool 28 in a direction 92 such that the tape is laid down successively on the substrate 44.
  • the vacuum area 60 is generated by the vacuum application device 58 . This ensures a defined tape guidance with contact with the depositing roller 36.
  • the second area 68 of the intermediate space 46 is free of any device for contacting the tape 42 to be deposited with the depositing roller 36.
  • a laser beam of the heating device 38 is not impeded.
  • strongly concave tools 28 can also be used, steps can be present, etc. It is therefore also possible to realize very complex component shapes.
  • the blown air flow 90 ensures cooling of the laying roller 36, which is subject to high thermal loads.
  • the tape 42 to be deposited is suctioned under vacuum at the deposition roller 36.
  • the Venturi nozzle 82 with the dispensing area 88 is arranged facing away from the heating device 38 (relative to the tape 42 to be laid down). This results in effective cooling of the depositing roller 36, since a maximum distance from the heating device 38 is reached, so to speak.
  • the corresponding cooling device for cooling the depositing roller 36 is positioned in the first area 66 .
  • the blown air flow 90 which is an exhaust air flow from the Venturi nozzle 82, is generated in the first area 66 and it flows in the first area 66.
  • a typical range for the melting temperature of a thermoplastic is between 100°C and 400°C. (For example, the melting temperature of PEEK is 343°C.)
  • a process temperature is on the order of 300°C to 500°C.
  • the heating device 38 must ensure that the thermoplastic on the second side 64 is heated above this melting temperature.
  • the laying roller 36 (consolidation roller) presses the tape 42 to be laid down onto the substrate 44, with the second side 64 of the tape 42 to be laid down on the Substrate 44 is placed.
  • the thermoplastic is consolidated in the area of the nip point 70.
  • the vacuum application device 58 is connected to the guide device 50 via the tube or tubes 74 .
  • one or more openings 76 of the tube 74 may be at a distance from the guide device 50, or for no guide device 50 to be present.
  • the vacuum region 60 is then also on the guide device 50 and enables a defined, reproducible contact of the tape 42 to be deposited on the depositing roller 36 and thus in turn a defined deposit on the substrate 44
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment is shown schematically in FIG. 3, the same reference numbers being used for the same elements as in the exemplary embodiment according to FIG.
  • Another tool 28' with a greater curvature than the tool 28 is indicated. In operation only one tool 28 or 28' is used.
  • a vacuum application device 94 is provided, which is connected to the pneumatic device 80 of the tape laying machine 10 .
  • the negative pressure application device 94 has (at least) one tube 96 which has an orifice 98 .
  • a negative pressure region 100 can form in front of the orifice opening 98 .
  • the tube 96 is guided between the depositing roller 36, the holder 34 and the tape 42 to be deposited.
  • the mouth opening 98 is in the first area 66.
  • a blowing jet is coupled into the tube 96 by means of the coupling to the pneumatic device 80 . This blast occurs at the orifice 98 (provided with the reference number 102 in FIG. 3).
  • the tube 96 with its outlet opening 98 is arranged and designed in such a way that the negative pressure region 100 is formed in front of the outlet opening 98 and ensures that the tape 42 to be deposited rests against the depositing roller 36 .
  • a narrowing of the cross section occurs in front of the mouth opening 98 (in one embodiment in cooperation with the tape 42 to be deposited) compared to the tube 96, which causes the negative pressure region 100 due to the Bernoulli effect.
  • the mouth opening 98 is in a groove area 99 (hollow wedge area, gusset) in front of the depositing roller 36, this groove area 99 being formed between the tape 42 to be deposited and the depositing roller 36.
  • the tube 96 with its mouth opening 98 is arranged and designed such that due to the hydrodynamic paradox, the blown air flow in the tube 96 when exiting the mouth opening 98 in front of the depositing roller 36 generates the negative pressure region 100 .
  • one or more flow elements for guiding the flow and for forming a constriction can be arranged in the first region 66 (not shown in the drawing).
  • a guide device 104 is provided, which includes guide elements 106 (guide plates) for tape 42 to be laid down.
  • the guide elements 106 are at a distance from the mouth opening 98.
  • the vacuum application device 94 has the same effect as the vacuum application device 58, namely a controlled, defined contact of the tape 42 to be deposited on the depositing roller 36 by generating a vacuum area 100 in front of the depositing roller 36 and in particular in front of the run-on point 70

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Abstract

Es wird eine Tapelegemaschine bereitgestellt, umfassend mindestens eine Ablegerolle (36) zum Ablegen von Tapes (42) auf einem Substrat (44), wobei der mindestens einen Ablegerolle (36) eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58) zugeordnet ist, welche im Betrieb einen Unterdruckbereich (60) vor der mindestens einen Ablegerolle (36) erzeugt und mittels welcher abzulegendes Tape (42) zur Anlage an die mindestens eine Ablegerolle (36) gebracht ist.

Description

Tapelegemaschine und Verfahren zur Tapeablage an einem Substrat
Die Erfindung betrifft eine Tapelegemaschine, umfassend mindestens eine Ablegerolle zum Ablegen von Tapes auf einem Substrat.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Tapeablage an einem Substrat, bei dem abzulegendes Tape über eine Ablegerolle auf dem Substrat abgelegt wird.
Die DE 10 2009 017 217 Al offenbart eine Vorrichtung zum Ablegen eines bandförmigen Faserhalbzeugs, die ein Transportband zum Transportieren des Faserhalbzeugs, eine Messvorrichtung zum Abmessen einer vorgegebenen Länge des Faserhalbzeugs, eine Schneidvorrichtung zum Schneiden des Faserhalbzeugs auf die vorgegebene Länge, eine Heizvorrichtung und eine Ablegevorrichtung zum Ablegen und/oder Andrücken des abgeschnittenen Faserhalbzeugs auf eine Unterlage umfasst.
Die US 2004/0021247 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung von hülsenförmigen Kunststoffteilen aus faserverstärktem Duroplastmaterial.
Die DE 20 2016 106 067 Ul offenbart eine Tapelegevorrichtung.
Die DE 10 2012 102 407 Al offenbart ein Verfahren zum thermoplastischen Tapelegen.
In dem Artikel "An investigation of in-situ AFP process parameters using CF/LM-PAEK" von Ines Schiel, Lukas Raps, Ashley R. Chadwick, Isabelle Schmidt, Manuel Simone, Sebastian Nowotny, Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, Volume 6, 2020 - Issue 4, Seiten 191-197, Online-Veröffentlichung: 08 Oct 2020 ist ein automatisierter Faserpositionierungsprozess beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tapelegemaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine definierte Tapeablage auf einem Substrat ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Tapelegemaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens einen Ablegerolle eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung zugeordnet ist, welche im Betrieb einen Unterdruckbereich vor der mindestens einen Ablegerolle erzeugt und mittels welchem abzulegendes Tape Unterdruck-beaufschlagt ist.
Die mindestens eine Ablegerolle ist eine Konsolidierungsrolle, durch welche Tape auf das Substrat gedrückt wird. Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung ergibt sich eine definierte Tapeführung. Dadurch lässt sich gesteuert eine definierte reproduzierbare Tapeablage an dem Substrat erreichen und es lässt sich eine hohe Bauteilqualität erzielen.
Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung wird abzulegendes Tape gewissermaßen gegen die mindestens eine Ablegerolle gezogen und an diese angelegt. Es lässt sich dadurch eine definierte Tapeführung erreichen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann ein Raum zwischen einer Heizquelle und einem abzulegenden Tape freigehalten werden von beispielsweise einer Anblasvorrichtung, welche das abzulegende Tape durch Anblasen gegen die Ablegerolle sonst drücken würde. Dadurch ergibt sich eine effektive Platznutzung. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, stark gekrümmte konkave Werkzeugformen einzusetzen oder komplexere Bauteile mit Stufen usw. herzustellen.
Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung lässt sich weiterhin eine effektive Kühlung der mindestens einen Ablegerolle beispielsweise durch einen Abluft-Blasstrahl erreichen. Dadurch lässt sich eine Überhitzung der Ablegerolle effektiv verhindern. Insbesondere muss kein Luftstrom in einem Bereich zwischen der Heizeinrichtung und dem abzulegenden Tape erzeugt werden. Der entsprechende Luftstrom, welcher zu Kühlzwecken die Ablegerolle beaufschlagt, kann so geführt werden, dass er nicht in großen Rahmen das abzulegende Tape kühlt, sondern im Wesentlichen auf die mindestens eine Ablegerolle wirkt.
Günstig ist es, wenn abzulegendes Tape eine erste Seite aufweist, welche der mindestens einen Ablegerolle zugewandt ist, und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, welche dem Substrat zugewandt ist, mit mindestens einem der Folgenden: die erste Seite des abzulegenden Tapes liegt an dem Unterdruckbereich; die mindestens eine Ablegerolle sitzt an einem Halter und der Unterdruckbereich liegt zwischen dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle und liegt insbesondere zwischen der ersten Seite des abzulegenden Tapes, dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle; der mindestens einen Ablegerolle ist eine Heizeinrichtung zugeordnet, wobei die Heizeinrichtung auf die zweite Seite des abzulegenden Tapes wirkt; der mindestens einen Ablegerolle ist eine Kamera und/oder eine optische Sensoreinrichtung zugeordnet, welche auf die zweite Seite des abzulegenden Tapes ausgerichtet ist; der Unterdruckbereich ist einer Auflaufstelle (nip point) eines abzulegenden Tapes an dem Substrat vorgelagert.
Es ergibt sich durch die genannten Merkmale einzeln oder in Kombination eine optimierte Platznutzung. Durch den Unterdruckbereich, welcher an der ersten Seite des abzulegenden Tapes liegt, lässt sich das Tape gewissermaßen an die Ablegerolle heranziehen, um eine reproduzierbare, definierte Ablage des Tapes an dem Substrat zu erreichen.
Dies ist insbesondere günstig, wenn das Tape eine thermoplastische Matrix aufweist. Grundsätzlich weisen Thermoplaste keine Eigenklebrigkeit auf. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die zweite Seite des Tapes aufzuheizen und insbesondere über die Schmelztemperatur aufzuheizen, um eine entsprechende Klebrigkeit bereitzustellen. An der ersten Seite muss keine Aufheizung über die Schmelztemperatur erfolgen, da durch die Unterdruckbeaufschlagung eine Anlage an der mindestens einen Ablegerolle erfolgen kann.
Es ergibt sich eine optimierte Nutzung des Bauraums, wenn der Unterdruckbereich zwischen dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle und vorzugsweise zwischen der ersten Seite des abzulegenden Tapes, dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle ist. Dadurch müssen benachbart zu der zweiten Seite, an welcher insbesondere eine Aufheizung über die Schmelztemperatur erfolgt, keine Mittel zum Drücken des abzulegenden Tapes an die mindestens eine Ablegerolle vorgesehen werden. Es ergibt sich dann eine optimierte Platznutzbarkeit und es lassen sich beispielsweise auch stark konkave Werkzeuge bzw. Substrate einsetzen.
Günstig ist es, wenn der mindestens einen Ablegerolle eine Heizeinrichtung (Heizquelle) zugeordnet ist, welche auf die zweite Seite des Tapes wirkt. Dadurch lässt sich die zweite Seite des Tapes, welche eine Ablegeseite ist, über die Schmelztemperatur erhitzen. Über die mindestens eine Ablegerolle (Konsolidierungsrolle) lässt sich dann das abzulegende Tape auf das Substrat aufdrücken und es kann dann eine Konsolidierung erfolgen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kamera (wie eine Wärmebildkamera) und/oder eine optische Sensoreinrichtung vorgesehen, mittels welcher sich der Bereich der zweiten Seite und insbesondere ein Ablegebereich optisch delektieren lässt.
Mittels der mindestens einen Ablegerolle ist eine Auflaufstelle (nip point) gebildet, an welcher die mindestens eine Ablegerolle das abzulegende Tape auf das Substrat aufdrückt. Wenn der Unterdruckbereich entsprechend dieser Auflaufstelle vorgelagert ist, dann ergibt sich eine optimierte und reproduzierbare Ablegbarkeit. Das abzulegende Tape wird vor der Auflaufstelle an die mindestens eine Ablegerolle angelegt, um eine auch geometrisch definierte Ablage zu ermöglichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung mindestens ein Rohr umfasst, an welchem mindestens eine Mündungsöffnung angeordnet ist, welche in den Unterdruckbereich mündet. Über das mindestens eine Rohr lässt sich der entsprechende Unterdrück zur Anlage des abzulegenden Tapes an der mindestens eine Ablegerolle erzeugen. Grundsätzlich kann dabei in dem Rohr ein Saugstrom oder ein Blasstrom geführt sein.
Es ergibt sich eine optimierte Platznutzung, wenn das mindestens eine Rohr zwischen einem Halter für die mindestens eine Ablegerolle und der mindestens einen Ablegerolle geführt ist. Beispielsweise ist die mindestens eine Ablegerolle über einen oder mehrere Stege an dem Halter gehalten. Wenn das Rohr dann zwischen dem Halter und der mindestens einen Ablegerolle geführt ist, lässt sich der entsprechende Platz optimiert nutzen.
Bei einer Ausführungsform ist im Betrieb der Tapelegemaschine in dem mindestens einen Rohr ein Saugstrom geführt und insbesondere umfasst die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung eine Sauggebläseeinrichtung. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise der Unterdruckbereich vor der Mündungs- Öffnung des mindestens einen Rohrs erzeugen. Der Saugstrom in dem mindestens einen Rohr kann durch eine Sauggebläseeinrichtung erzeugt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, dass eine Saugstromdüse (Venturi-Düse) verwendet wird, um über einen Blasstrom einen Saugstrom zu erzeugen.
Es ist auch möglich, dass in dem mindestens einen Rohr im Betrieb der Tapelegemaschine ein Blasstrom geführt ist und das mindestens eine Rohr so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich aufgrund des Bernoulli- Effekts vor der mindestens einen Ablegerolle der Unterdruckbereich ausbildet. Es ist dann das mindestens eine Rohr so angeordnet, dass an der entsprechenden Mündungsöffnung eine Verengung liegt, welche aufgrund des Bernoulli-Effekts (des hydrodynamischen Paradoxons) den Unterdruckbereich erzeugt. Beispielsweise mündet das Rohr in einen Hohlkehlbereich bzw. Zwickel zwischen dem abzulegenden Tape und der mindestens einen Ablegerolle.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung so angeordnet und ausgebildet, dass sie einen Luftstrom und insbesondere einen Blasluftstrom bereitstellt, welcher die mindestens eine Ablegerolle zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle beaufschlagt. Es ergibt sich dadurch eine optimale Kühlbarkeit der grundsätzlich thermisch belasteten mindestens einen Ablegerolle. Es kann so insbesondere eine zusätzliche Kühlwirkung zu einer Rollenkühlung bewirkt werden. Es können dadurch kontinuierliche Prozesstemperaturen gewährleistet werden und es wird eine Überhitzung der mindestens einen Ablegerolle verhindert. Ferner ist es dadurch auf einfache Weise möglich, eine Kühlung und beispielsweise Zusatzkühlung der mindestens einen Ablegerolle beabstandet zu einer Heizeinrichtung zu erreichen. Insbesondere lässt sich der Blasluftstrom zur Kühlung so richten, dass er im Wesentlichen nur die mindestens eine Ablegerolle beaufschlagt und beispielsweise nicht das abzulegende Tape beaufschlagt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Substrat und einem Halter für die mindestens eine Ablegerolle ein Zwischenraum gebildet ist, in dem abzulegendes Tape positioniert ist, dass der Zwischenraum einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist und der erste Bereich und der zweite Bereich durch abzulegendes Tape getrennt sind, dass die Ablegerolle an dem ersten Bereich angeordnet ist, und dass der Blasluftstrom zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle an dem ersten Bereich erzeugt wird. Mit Erzeugung ist damit gemeint, dass der Blasluftstrom aus einer entsprechenden Mündungsöffnung austritt. Es ist dadurch möglich, dass der Blasluftstrom zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle vollständig oder zumindest größtenteils zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle genutzt wird. Er kann so gerichtet werden, dass er das abzulegende Tape nur gering oder gar nicht beaufschlagt. Es lässt sich so eine "verlustarme" und damit effektive Kühlung der mindestens einen Ablegerolle erreichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens einen Ablegerolle eine Führungseinrichtung für abzulegendes Tape zugeordnet ist. Insbesondere ist die Führungseinrichtung mit der Unterdruckbeaufschlagung gekoppelt. Durch die Führungseinrichtung wird entlang dieser abzulegendes Tape geführt. Dadurch ergibt sich eine definierte und reproduzierbare Tapeablage. Insbesondere lässt sich dadurch auch die Anlage des abzulegenden Tapes an der mindestens einen Ablegerolle mittels der Unterdruckbeaufschlagung verbessern.
Günstig ist es, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist: die Führungseinrichtung ist bezogen auf eine Auflaufstelle (nip point) von abzulegendem Tape an der Ablegerolle der mindestens einen Ablegerolle vorgeschaltet; die Führungseinrichtung umfasst mindestens ein Führungselement in Form einer Führungsplatte, an welcher abzulegendes Tape geführt ist; die Führungseinrichtung umfasst gegenüberliegende Führungselemente, zwischen welchen abzulegendes Tape durchgeführt ist; die Führungseinrichtung sitzt an einem Halter, an welchem die mindestens eine Ablegerolle sitzt.
Durch die entsprechende Führungseinrichtung ergibt sich eine optimierte mechanische Tapeführung vor der Ablegerolle.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Führungseinrichtung mindestens ein Führungselement, an welchem mindestens eine Mündungsöffnung der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung angeordnet ist. Die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung ist an das entsprechende Führungselement angeschlossen. Insbesondere sind ein oder mehrere Rohre der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung fest mit dem mindestens einen Führungselement verbunden und dabei fluiddicht verbunden. Dadurch lässt sich der Unterdruckbereich an der Führungseinrichtung erzeugen. Es lässt sich eine optimierte Führung von abzulegendem Tape bezüglich der Ablegerolle erreichen.
Bei einem fertigungstechnisch günstigen Ausführungsbeispiel umfasst die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung mindestens eine Venturi-Düse, insbesondere mit mindestens einem der Folgenden : es ist mindestens ein Abnahmerohr zur Unterdruckbeaufschlagung eines abzulegenden Tapes vorgesehen; die Venturi-Düse stellt einen Luftstrom (Blasluftstrom) bereit, welcher die mindestens eine Ablegerolle zur Kühlung beaufschlägt.
Die Venturi-Düse weist einen Engstellenbereich auf, über welchen sich ein Saugstrom erzeugen lässt. Durch diesen Saugstrom in dem mindestens einen Abnahmerohr kann der Unterdruckbereich erzeugt werden. Die Venturi-Düse ist eine Saugstromdüse, welche auf dem Prinzip des Bernoulli-Effekts funktioniert. Die Venturi-Düse kann gleichzeitig mit der Erzeugung des Saugstroms auch genutzt werden, um einen Luftstrom (Blasluftstrom) bereitzustellen, welcher zur Kühlung der mindestens eine Ablegerolle genutzt werden kann. Die Venturi-Düse lässt sich insbesondere in eine sowieso vorhandene Pneumatikeinrichtung der Tapelegemaschine integrieren, um entsprechend den Unterdruckbereich zu erzeugen und auch um einen Kühlluftstrom zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße Tapelegemaschine lässt sich auf vorteilhafte Weise verwenden, wenn das Tape eine thermoplastische Matrix umfasst, in der insbesondere Fasern und vorzugsweise C-Fasern eingebettet sind. Thermoplastische Materialien weisen in der Regel keine Eigenklebrigkeit auf. Es ist eine Erwärmung notwendig. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich es auf einfache Weise erreichen, dass eine Erwärmung über die Schmelztemperatur nur an einer Seite (einer zweiten Seite) des Tapes notwendig ist. Die Anlage des Tapes an einer gegenüberliegenden ersten Seite an der mindestens einen Ablegerolle, welche dann das Tape über die zweite Seite auf ein Substrat drückt, erfolgt über die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung.
Insbesondere ist es günstig, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist: ein beweglicher Roboterarm, welcher einen Halter umfasst, an welchem die mindestens eine Ablegerolle sitzt; eine Pneumatikeinrichtung, welche einen Luftstrom für die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung bereitstellt, wobei insbesondere die Pneumatikeinrichtung mindestens teilweise an dem Roboterarm angeordnet ist; eine Heizquelle, welche insbesondere an dem Roboterarm angeordnet ist; eine Kamera und/oder eine optische Sensoreinrichtung, welche insbesondere an dem Roboterarm angeordnet ist; ein Werkzeug zur Substrataufnahme; der Roboterarm und das Werkzeug sind relativ zueinander beweglich.
Über den beweglichen Roboterarm lässt sich ein automatischer Tapeablegevorgang realisieren. Durch die Kopplung der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung an die Pneumatikeinrichtung ergibt sich ein konstruktiv einfacher Aufbau.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei dem abzulegendes Tape durch Unterdruckbeaufschlagung in einem Unterdruckbereich vor der Ablegerolle an die Ablegerolle angelegt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäße Tapelegemaschine erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Tapelegemaschine erläutert.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf der erfindungsgemäßen Tapelegemaschine durchführen bzw. die erfindungsgemäße Tapelegemaschine lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
Günstig ist es, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist: abzulegendes Tape wird durch die Unterdruckbeaufschlagung vor einer Auflaufstelle (nip point) von abzulegendem Tape an der Ablegerolle angelegt; es erfolgt eine Unterdruckbeaufschlagung an einer ersten Seite des Tapes, und eine Beheizung des Tapes an einer zweiten Seite, wobei die erste Seite der zweiten Seite gegenüberliegt und die zweite Seite eine Ablegeseite an dem Substrat ist. Durch die Unterdruckbeaufschlagung vor der Auflaufstelle (nip point) ergibt sich eine optimierte Positionierbarkeit von abzulegendem Tape und entsprechend lässt sich abzulegendes Tape durch die Ablegerolle optimiert an das Substrat andrücken. Durch die Unterdruckbeaufschlagung des Tapes an einer ersten Seite, welche der zweiten Seite gegenüberliegt, ergibt sich ein vergrößerter Raum in dem Bereich, in dem die Beheizung des Tapes erfolgt. Dieser lässt sich beispielsweise dazu nutzen, dass auch komplexere Bauteilstrukturen wie größere Krümmungen herstellbar sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Unterdruckbeaufschlagung über einen Saugstrom, welcher insbesondere durch eine Sauggebläseeinrichtung und/oder eine Venturi-Düse bereitgestellt wird. Die Venturi-Düse (Saugstromdüse) lässt sich auch dazu verwenden, einen Blasluftstrom als Kühlluftstrom insbesondere mit direkter Beaufschlagung der Ablegerolle bereitzustellen.
Entsprechend ist es günstig, wenn ein Blasluftstrom, welcher insbesondere zur Unterdruckbeaufschlagung verwendet wird, mindestens mit einem Teilstrom so gerichtet wird, dass er die Ablegerolle zur Kühlung der Ablegerolle be- aufschlägt. Der Blasluftstrom kann dabei ein Blasluftstrom sein, welcher zu dem abzulegenden Tape hin geführt wird, wobei dann über den Bernoulli- Effekt durch Ausbildung einer Engstelle ein Unterdruckbereich erzeugt wird. Der Blasluftstrom kann auch beispielsweise einer Venturi-Düse zugeführt werden, welche dann einen Saugstrom erzeugt, welcher dann wiederum zur Unterdruckbeaufschlagung verwendet wird. Im Falle, dass an dem Tape der Blasluftstrom über den Bernoulli-Effekt zur Erzeugung des Unterdruckbereichs verwendet wird, ist dann insbesondere der Blasluftstrom mindestens in einem Teilstrom so gerichtet, dass er auf die Ablegerolle zur Kühlung wirkt. Im Falle, dass über eine Venturi-Düse ein Saugstrom erzeugt wird, wird ein Abgabeblasluftstrom der Venturi-Düse so gerichtet, dass er die Ablegerolle zur Kühlung beaufschlägt. Bei einem Ausführungsbeispiel hat das abzulegende Tape eine thermoplastische Matrix. Es lässt sich so insbesondere in einem automatisierten Ablageprozess ein entsprechendes Werkstück herstellen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Tapelegemaschine;
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines vergrößerten Bereichs der Tapelegemaschine gemäß Figur 1 im Bereich der Tapeablage an einem Substrat;
Figur 3 eine ähnliche Ansicht wie Figur 2 bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels.
Ein Ausführungsbeispiel einer Tapelegemaschine, welches in Figur 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Maschinenbasis 12. An der Maschinebasis 12 ist eine Schlittenführung 14 angeordnet. An der Schlittenführung 14 sitzt ein Schlitten 16. Der Schlitten 16 ist an der Schlittenführung 14 in einer Richtung/Gegenrichtung 18 verschieblich geführt.
An dem Schlitten 16 sitzt ein als Ganzes mit 20 bezeichneter Ablegeroboter. Dieser Ablegeroboter 20 ist über den Schlitten 16 in der Richtung/Gegenrichtung 18 an der Maschinenbasis 12 verfahrbar.
Der Ablegeroboter 20 weist einen Kopf 22 auf, welcher dreidimensional beweglich ist (durch entsprechende Ausbildung des Ablegeroboters 20). An der Maschinenbasis 12 sitzt ein Tisch 24. Dieser Tisch 24 ist in einer Höhenrichtung quer zu der Richtung/Gegenrichtung 18 zu der Maschinenbasis 12 beabstandet.
Bei einem Ausführungsbeispiel sitzt der Tisch 24 fest an der Maschinenbasis 12. Er kann grundsätzlich auch beweglich sein.
Der Tisch 24 weist eine Aufnahme 26 für ein Werkzeug 28 auf. Das Werkzeug 28 (vergleiche auch die Figuren 2 und 3) ist ein Formungswerkzeug für ein Bauteil, welches mittels Tapeablage hergestellt werden soll. Das hergestellte Bauteil ist insbesondere ein faserverstärktes Composit-Bauteil mit einer Kunststoffmatrix. Die Kunststoff matrix ist insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff.
Das Werkzeug 28 ist entsprechend der Form des herzustellenden Bauteils geformt. In den Figuren 2 und 3 ist eine Krümmung angedeutet, um entsprechend ein gekrümmtes Bauteil zu erzeugen.
Bei der Herstellung des entsprechenden Bauteils nimmt das Werkzeug 28 ein Substrat auf. Während des Tapeablegevorgangs verändert sich das Substrat in der Hinsicht, dass es durch abgelegte Tapes "anwächst". Grundsätzlich ist es möglich, dass das erste abzulegende Tape direkt auf dem Werkzeug 28 abgelegt wird, oder dass ein "Basissubstrat" zu der ersten Tapeablage verwendet wird. Das Basissubstrat kann beispielsweise auch nur eine Trennfolie sein, oder bereits Teil des Werkstücks sein.
Der Ablegeroboter 20 weist einen Roboterarm 30 auf, an welchem der Kopf 22 sitzt. Der Kopf 22 ist bezüglich des Werkzeugs 28 an dem Tisch 24 über die Schlittenführung 14 und den Ablegeroboter 20 selber gesteuert positionierbar und insbesondere bezüglich jeder Stelle des Werkzeugs 28 positionierbar. Ferner ist aufgrund der Beweglichkeit des Ablegeroboters 20 selber und seiner Schlittenführung 14 der Kopf 22 zu dem Werkzeug 28 beweglich. Dadurch kann eine gesteuerte, definierte Tapeablage an einem Substrat am Werkzeug 28 erfolgen.
An dem Kopf 22 sitzt mindestens eine Materialspule 32, welche Tapematerial zur Ablage an dem Substrat bereitstellt.
Der Kopf 22 ist oder bildet einen Halter 34, an welchem (mindestens) eine Ablegerolle 36 sitzt. Die Ablegerolle 36 ist eine Konsolidierungsrolle, welche bei der Ablage von Tape an dem entsprechenden Substrat für eine definierte Ablage sorgt.
Die Ablegerolle 36 ist um eine Drehachse 35 drehbar an einem Steg 37 gelagert, wobei der Steg 37 an dem Halter 34 sitzt. Die Drehachse 35 ist in der Darstellung gemäß Figur 2 senkrecht zur Zeichenebene orientiert.
Die Ablegerolle 36 umfasst einen metallischen Kern 39, an welchem ein Mantel 41 insbesondere aus einem Silikonmaterial sitzt.
An dem Kopf 22 und insbesondere im Halter 34 ist eine Heizeinrichtung 38 und insbesondere Laser-Heizeinrichtung 38 angeordnet. Im Betrieb der Tapelegemaschine 10 wirkt die Heizeinrichtung 38 auf abzulegendes Tape. Insbesondere ist im Betrieb ein Laserstrahl auf abzulegendes Tape gerichtet, welcher für eine entsprechende Erhitzung sorgt. Dies wird untenstehend noch näher definiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Kamera 40 und/oder eine optische Sensoreinrichtung vorgesehen, welche ebenfalls an dem Kopf 22 sitzt und auf abzulegendes Tape ausgerichtet ist.
Über die Tapelegemaschine 10 wird insbesondere ein additives Fertigungsverfahren in Form des Automated Fiber Placement (AFP) durchgeführt. Als Tape werden insbesondere unidirektionale Halbzeuge (UD-Tapes) verwendet. Die Tapes weisen insbesondere eine thermoplastische Matrix auf und über die Heizeinrichtung 38 erfolgt ein Aufschmelzen. (Thermoplastische Tapes weisen keine Eigenklebrigkeit auf; das Aufschmelzen durch die Heizeinrichtung 38 erzeugt die Klebrigkeit.)
Beim AFP-Verfahren ist der Kopf 22 beispielsweise ein AFPT-Kopf (der AFPT GmbH, 56281 Dörth, Deutschland).
Der Ablageroboter 20 weist beispielsweise als Roboterarm 30 einen Roboterarm mit sechs Bewegungs-Freiheitsgraden auf.
Bei thermoplastischen Tapes liegt aufgrund der fehlenden Eigenklebrigkeit grundsätzlich keine Anhaftung an der Ablegerolle 36 vor.
Bei einem Ausführungsbeispiel, wie in Figur 2 schematisch gezeigt, wird abzulegendes Tape 42 von einer oder mehreren der Materialspulen 32 bereitgestellt.
Zwischen dem Werkzeug 28 mit dem Substrat 44 und dem Halter 34, welcher die Ablegerolle 36 hält, liegt ein Zwischenraum 46.
Das Substrat 44 ist, wie oben erwähnt, am Anfang des Prozesses das Werkzeug 28 gegebenenfalls beispielsweise mit einer Trennfolie, oder einem Grundbauteil, welches dann anwächst mit bereits abgelegten Tapes. Solche abgelegten Tapes sind sehr schematisch in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 48 angedeutet. Die abgelegten Tapes 48 sind aufgrund der Konsolidierung nicht mehr Tapes im engeren Sinne sondern untrennbarer Bestandteil des Bauteils.
In dem Zwischenraum 46 ist die Ablegerolle 36 positioniert. Ferner ist die Heizeinrichtung 38 positioniert und gegebenenfalls die Kamera 40.
Abzulegendes Tape 42 ist so geführt, dass es auf dem Substrat 44 ablegbar ist. (In Figur 2 ist aus darstellerischen Gründen ein Abstand zum Substrat 44 gezeigt, wobei natürlich bei der Ablage ein solcher Abstand nicht vorhanden ist.)
Abzulegendes Tape 42 verläuft durch den Zwischenraum 46.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Führungseinrichtung 50 vorgesehen, welche der Ablegerolle 36 zugeordnet ist. Die Führungseinrichtung 50 ist insbesondere an dem Halter 34 gehalten.
Die Führungseinrichtung 50 dient dazu, abzulegendes Tape 42 definiert bezüglich der Ablegerolle 36 zu führen. Abzulegendes Tape 42 wird an der Führungseinrichtung 50 entlanggeführt.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Führungseinrichtung 50 austauschbar an dem Halter 34 und damit an dem Kopf 22 sitzt.
Bezogen auf eine Zuführungsrichtung 52 von Tape von einer Materialspule 32 zu dem Substrat 44 ist die Führungseinrichtung 50 der Ablegerolle 36 vorgelagert.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Führungseinrichtung 50 ein erstes Führungselement 54 und ein gegenüberliegendes zweites Führungselement 56. Das erste Führungselement 54 und das zweite Führungselement 56 sind beabstandet zueinander und zwischen diesen ist abzulegendes Tape 42 hindurchgeführt.
Das erste Führungselement 54 und das zweite Führungselement 56 sind in dem Zwischenraum 46 zwischen dem Halter 34 und dem Substrat 44 positioniert.
Die Führungselemente 54, 56 sind insbesondere als Führungsbleche ausgebildet und insbesondere aus einem metallischen Material wie Edelstahl hergestellt. Die Tapelegemaschine 10 umfasst eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58. Die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 erzeugt einen Unterdruckbereich 60, welcher zur definierten Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36 dient.
Das abzulegende Tape 42 hat eine erste Seite 62, welche der Ablegerolle 36 zugewandt ist. Es hat eine der ersten Seite 62 gegenüberliegende zweite Seite 64, welche dem Substrat 44 zugewandt ist. Die zweite Seite 64 ist eine Ablegeseite, über welche die Ablage an dem Substrat 44 erfolgt.
Die Heizeinrichtung 38 wirkt mit ihrem Laserstrahl auf die zweite Seite 64, um eine Erwärmung über die Konsolidierungstemperatur der thermoplastischen Matrix des Tapematerials an der zweiten Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 zu bewirken.
Der Unterdruckbereich 60 grenzt an die erste Seite 62. Der Unterdruckbereich 60 ist zwischen der ersten Seite 62 des abzulegenden Tapes 42, der Ablegerolle 36 und dem Halter 34 gebildet.
Der Zwischenraum 46 wird durch das abzulegende Tape 42 in einen ersten Bereich 66 und einen zweiten Bereich 68 unterteilt. Die erste Seite des abzulegenden Tapes 42 begrenzt den ersten Bereich 66 und grenzt an diesen an. Die zweite Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 grenzt an den zweiten Bereich 68 an und begrenzt diesen. Der Unterdruckbereich 60 der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 liegt in dem ersten Bereich 66. Die Laserbeaufschlagung des abzulegenden Tapes 42 erfolgt über den zweiten Bereich 68.
An der Ablegerolle 36 ist eine Auflaufstelle 70 (nip point). Die Auflaufstelle 70 ist die Stelle, an der abzulegendes Tape 42 über die zweite Seite 64 das Substrat 44 berührt und eine entsprechende Ablage mit Konsolidierung durch die Ablegerolle 36 erfolgt. Die Heizung an der zweiten Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 erfolgt in einem Bereich 72 des abzulegenden Tapes 42, welcher vor dem nip point 70 liegt. Wenn abzulegendes Tape 42 an dem nip point 70 auf das Substrat 44 aufgetragen wird (und insbesondere aufgedrückt wird), dann ist es dort über die Konsolidierungstemperatur erhitzt, um eine entsprechende Klebrigkeit bereitzustellen, es kann aber dann eine Abkühlung unter die Konsolidierungstemperatur erfolgen.
Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 erfolgt eine Unterdruckbeaufschlagung des abzulegenden Tapes 42 in dem Unterdruckbereich 60, welcher vor dem nip point 70 liegt. Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 und den Unterdruckbereich 60 lässt sich eine hohe Ablegegenauigkeit für abzulegendes Tape 42 an dem Substrat 44 erreichen. Beispielsweise neigen Halbzeuge aufgrund von Eigenspannungen dazu, von einer "geometrisch" vorgesehenen Position abzuweichen. Durch den Unterdruckbereich 60 können solche Abweichungen korrigiert werden. Es ergibt sich dadurch eine definierte Tapeführung und Ablage an dem Substrat 44. Eine Undefinierte fehlerhafte Tapeablage wird dadurch verhindert und eine gewünschte Bauteilqualität kann reproduzierbar sichergestellt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel (Figur 2) umfasst die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 mindestens ein Rohr 74. Dieses Rohr 74 weist eine Mündungsöffnung 76 auf. Dieses mindestens eine Rohr 74 ist insbesondere mit dem ersten Führungselement 54 fluiddicht verbunden und die Mündungsöffnung 76 liegt an dem ersten Führungselement 54.
Das Rohr 74 ist zwischen dem Halter 34 und der Ablegerolle 36 geführt und dabei mit dem ersten Führungselement 54 verbunden.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass in dem Rohr 74 der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung ein Saugstrom (in Figur 2 durch das Bezugszeichen 78 angedeutet) geführt ist, um entsprechend den Unterdruckbereich 60 im Betrieb der Tapelegemaschine 10 zu erzeugen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Rohr 74 mit einer Sauggebläseeinrichtung verbunden, welche entsprechend den Saugstrom erzeugt (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Bei einem Ausführungsbeispiel (Figur 2) ist die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 an eine Pneumatikeinrichtung 80 der Tapelegemaschine 10 gekoppelt, welche sowieso vorhanden ist. Diese Pneumatikeinrichtung 80 ist zumindest mit einem Teilbereich an dem Kopf 22 bzw. dem Halter 34 positioniert und mit diesem beweglich.
An der Pneumatikeinrichtung 80 sitzt eine Venturi-Düse 82. Die Venturi-Düse 82 ist beispielsweise in Form einer Laval-Düse ausgebildet.
Die Venturi-Düse weist mindestens ein Abnahmerohr 84 auf, welches das Rohr 74 ist oder mit dem Rohr 74 fluidwirksam verbunden ist. An dem Abnahmerohr 84 steht bei einer Luftstrombeaufschlagung 86 der Venturi-Düse 82 ein entsprechender Unterdrück an, das heißt es wirkt der Saugstrom 78 und erzeugt den Unterdruckbereich 60.
Die Venturi-Düse 82 weist ferner einen Ausgabebereich 88 auf, an welchem ein Blasluftstrom 90 bereitgestellt ist.
Der Ausgabebereich 88 ist dabei so angeordnet und positioniert, dass der Blassstrom 90 auf die Ablegerolle 36 zu deren Kühlung ausgerichtet ist.
Über die Venturi-Düse 82 lässt sich dann sowohl der Saugstrom 78 zur Erzeugung des Unterdruckbereichs 60 erzeugen, als auch der Blasluftstrom 90, welcher zur Abkühlung der Ablegerolle 36 im Betrieb der Tapelegemaschine 10 dient.
Die Venturi-Düse 82 lässt sich auf einfache Weise in eine sowieso vorhandene Pneumatikeinrichtung 80 integrieren. Grundsätzlich kann ein Ausgaberohr als Ausgabebereich 88 oder es können eine Mehrzahl von Ausgaberohren vorgesehen sein (siehe Figur 2).
Die Venturi-Düse 82 ist eine Vakuumsaugdüse, welche einen Saugstrom 78 und einen Blasluftstrom 90 bereitstellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel liegt eine Durchflussrate von Druckluft an der Venturi-Düse 82 im Bereich zwischen 2 l/min und 20 l/min. Der Anzugdruck am Unterdruckbereich 60 liegt im Bereich zwischen 1 bar und 10 bar.
Ein Beispiel für eine verwendete Venturi-Düse 82 in Form einer Laval-Düse ist die Düse VN-05-H-T2-PQ1-VQ1-RQ1 der Festo SE & Co. KG, Ruiter Strasse 82, 73734 Esslingen - Berkheim.
Die Tapelegemaschine 10 funktioniert wie folgt:
Auf dem Substrat 44 werden Tapes 42 abgelegt. Diese werden dabei durch eine oder mehrere Materialspulen 32 bereitgestellt. Grundsätzlich kann beispielsweise parallel eine Ablage von mehreren Tapes erfolgen. Bei der Darstellung gemäß Figur 2 sind dann senkrecht zur Zeichenebene eine Mehrzahl von Tapes bereitgestellt.
Die zweite Seite 64 von abzulegendem Tape 42 wird über den zweiten Bereich 68 durch die Heizeinrichtung 38 aufgeheizt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 erfolgt eine Führung von abzulegendem Tape 42 über die Führungseinrichtung 50.
Es wird dabei abzulegendes Tape 42 von der entsprechenden Materialspule 32 abgerollt mit der Zuführungseinrichtung 52. Der Ablegeroboter 20 wird relativ zu dem Werkzeug 28 derart in einer Richtung 92 verfahren, dass eine sukzessive Tapeablage auf dem Substrat 44 erfolgt. Durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 wird der Unterdruckbereich 60 erzeugt. Dieser sorgt für eine definierte Tapeführung mit Anlage an der Ablegerolle 36. Der zweite Bereich 68 des Zwischenraums 46 ist dabei frei von jeglicher Einrichtung zur Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36. Dadurch wird beispielsweise ein Laserstrahl der Heizeinrichtung 38 nicht behindert. Weiterhin können dadurch beispielsweise auch stark konkave Werkzeuge 28 verwendet werden, es können Stufen vorhanden sein usw. Es lassen sich also auch sehr komplexe Bauteilformen realisieren.
Der Blasluftstrom 90 sorgt für eine Kühlung der thermisch stark belasteten Ablegerolle 36.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Unterdruckansaugung von abzulegendem Tape 42 an der Ablegerolle 36.
Die Venturi-Düse 82 mit dem Ausgabebereich 88 ist dabei abgewandt (bezogen auf das abzulegende Tape 42) zu der Heizeinrichtung 38 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine effektive Kühlung der Ablegerolle 36, da gewissermaßen ein maximaler Abstand zu der Heizeinrichtung 38 erreicht ist. Die entsprechende Kühleinrichtung zur Kühlung der Ablegerolle 36 ist in dem ersten Bereich 66 positioniert.
Der Blasluftstrom 90, welcher ein Abluftstrom der Venturi-Düse 82 ist, wird in dem ersten Bereich 66 erzeugt und er strömt in dem ersten Bereich 66.
Eine typische Größenordnung für die Schmelztemperatur eines Thermoplasten liegt zwischen 100°C und 400°C. (Beispielsweise liegt die Schmelztemperatur PEEK bei 343°C.) Eine Prozesstemperatur liegt in der Größenordnung von 300°C bis 500°C. Die Heizeinrichtung 38 muss für eine Erhitzung des Thermoplasten an der zweiten Seite 64 über diese Schmelztemperatur sorgen. Die Ablegerolle 36 (Konsolidierungsrolle) drückt abzulegendes Tape 42 auf das Substrat 44, wobei die zweite Seite 64 des abzulegenden Tapes 42 auf das Substrat 44 aufgelegt wird. Es erfolgt eine Konsolidierung des Thermoplasten im Bereich des nip points 70.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 über das oder die Rohre 74 an die Führungseinrichtung 50 angeschlossen. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass eine oder mehrere Mündungsöffnungen 76 des Rohrs 74 beabstandet zu der Führungseinrichtung 50 sind, oder dass keine Führungseinrichtung 50 vorhanden ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58 an die Führungseinrichtung 50 angeschlossen ist, liegt der Unterdruckbereich 60 dann auch an der Führungseinrichtung 50 und ermöglicht eine definierte, reproduzierbare Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36 und damit wiederum eine definierte Ablage auf dem Substrat 44.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist schematisch in Figur 3 dargestellt, wobei für gleiche Elemente wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Es ist ein weiteres Werkzeug 28' mit stärkerer Krümmung als das Werkzeug 28 angedeutet. Im Betrieb ist nur ein Werkzeug 28 oder 28' verwendet.
Es ist eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 94 vorgesehen, welche mit der Pneumatikeinrichtung 80 der Tapelegemaschine 10 verbunden ist.
Die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 94 weist (mindestens) ein Rohr 96 auf, welches eine Mündungsöffnung 98 hat. Vor der Mündungsöffnung 98 kann sich ein Unterdruckbereich 100 ausbilden. Das Rohr 96 ist zwischen der Ablegerolle 36, dem Halter 34 und dem abzulegenden Tape 42 geführt. Die Mündungsöffnung 98 liegt in dem ersten Bereich 66.
In das Rohr 96 wird mittels der Ankopplung an die Pneumatikeinrichtung 80 ein Blasstrahl eingekoppelt. Dieser Blasstrahl tritt an der Mündungsöffnung 98 auf (in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 102 versehen).
Es kann vorgesehen sein, dass ein abgezweigter Blasluftstrom die Ablegerolle 36 zu Kühlzwecken beaufschlagt und insbesondere an dieser entlanggeführt wird.
Das Rohr 96 mit seiner Mündungsöffnung 98 ist so angeordnet und ausgebildet, dass sich vor der Mündungsöffnung 98 der Unterdruckbereich 100 ausbildet, welcher für eine Anlage des abzulegenden Tapes 42 an der Ablegerolle 36 sorgt.
Vor der Mündungsöffnung 98 tritt (bei einem Ausführungsbeispiel in Zusammenwirkung mit dem abzulegenden Tape 42) im Vergleich zu dem Rohr 96 eine Querschnittsverengung auf, welche aufgrund des Bernoulli-Effekts den Unterdruckbereich 100 bewirkt.
Die Mündungsöffnung 98 liegt in einem Hohlkehlbereich 99 (Hohlkeilbereich, Zwickel) vor der Ablegerolle 36, wobei dieser Hohlkehlbereich 99 zwischen dem abzulegenden Tape 42 und der Ablegerolle 36 gebildet ist.
Das Rohr 96 mit seiner Mündungsöffnung 98 ist so angeordnet und ausgebildet, dass aufgrund des hydrodynamischen Paradoxon der Blasluftstrom in dem Rohr 96 beim Austritt an der Mündungsöffnung 98 vor der Ablegerolle 36 den Unterdruckbereich 100 erzeugt. Gegebenenfalls können in dem ersten Bereich 66 ein oder mehrere Strömungselemente zur Strömungsführung und zur Ausbildung einer Engstelle angeordnet sein (in der Zeichnung nicht gezeigt). Es ist insbesondere eine Führungseinrichtung 104 vorgesehen, welche Führungselemente 106 (Führungsbleche) für abzulegendes Tape 42 umfasst. Vorzugsweise sind die Führungselemente 106 beabstandet zu der Mündungsöffnung 98. Ansonsten bewirkt die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 94 das gleiche wie die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 58, nämlich eine gesteuerte definierte Anlage des abzulegenden Tapes 42 an die Ablegerolle 36 durch Erzeugung eines Unterdruckbereichs 100 vor der Ablegerolle 36 und insbesondere vor der Auflaufstelle 70.
Bezugszeichenliste
Tapelegemaschine
Maschinenbasis
Schlittenführung
Schlitten
Richtung/Gegenrichtung
Ablegeroboter
Kopf
Tisch
Aufnahme , 28' Werkzeug
Roboterarm
Materialspule
Halter
Drehachse
Ablegerolle
Steg
Heizeinrichtung
Metallischer Kern
Kamera
Mantel
Abzulegendes Tape
Substrat
Zwischenraum
Abgelegtes Tape
Führungseinrichtung
Zuführungseinrichtung
Erstes Führungselement
Zweites Führungselement
Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung
Unterdruckbereich Erste Seite
Zweite Seite
Erster Bereich
Zweiter Bereich
Auflaufstelle (nip point)
Bereich
Rohr
Mündungsöffnung
Saugstrom
Pneumatikeinrichtung
Venturi-Düse
Abnahmerohr
Luftstrombeaufschlagung
Ausgabe be reich
Blasluftstrom
Richtung
Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung
Rohr
Mündungsöffnung
Hohlkehlbereich
Unterdruckbereich
Blasluftstrom
Führungseinrichtung
Führungselement

Claims

- 27 -
Patentansprüche Tapelegemaschine, umfassend mindestens eine Ablegerolle (36) zum Ablegen von Tapes (42) auf einem Substrat (44), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Ablegerolle (36) eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58; 94) zugeordnet ist, welche im Betrieb einen Unterdruckbereich (60; 100) vor der mindestens einen Ablegerolle (36) erzeugt und mittels welcher abzulegendes Tape (42) zur Anlage an die mindestens eine Ablegerolle (36) gebracht ist. Tapelegemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abzulegendes Tape (42) eine erste Seite (62) aufweist, welche der mindestens einen Ablegerolle (36) zugewandt ist, und eine gegenüberliegende zweite Seite (64) aufweist, welche dem Substrat (44) zugewandt ist, mit mindestens einem der Folgenden: die erste Seite (62) des abzulegenden Tapes (42) liegt an dem Unterdruckbereich (60; 100); die mindestens eine Ablegerolle (36) sitzt an einem Halter (34) und der Unterdruckbereich (60; 100) liegt zwischen dem Halter (34) und der mindestens einen Ablegerolle (36) und liegt insbesondere zwischen der ersten Seite (62) des abzulegenden Tapes (42), dem Halter (34) und der mindestens einen Ablegerolle (36); der mindestens einen Ablegerolle (36) ist eine Heizeinrichtung (38) zugeordnet, wobei die Heizeinrichtung (38) auf die zweite Seite (64) des abzulegenden Tapes (42) wirkt; der mindestens einen Ablegerolle (36) ist eine Kamera (40) und/oder eine optische Sensoreinrichtung zugeordnet, welche auf die zweite Seite (64) des abzulegenden Tapes (42) ausgerichtet ist; der Unterdruckbereich (60; 100) ist einer Auflaufstelle (70) eines abzulegenden Tapes (42) an dem Substrat (44) vorgelagert. Tapelegemaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58; 94) mindestens ein Rohr (74; 96) umfasst, an welchem mindestens eine Mündungsöffnung (76; 98) angeordnet ist, welche in den Unterdruckbereich (60; 100) mündet. Tapelegemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rohr (74; 96) zwischen einem Halter (34) für die mindestens eine Ablegerolle (36) und der mindestens einen Ablegerolle (36) geführt ist. Tapelegemaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Tapelegemaschine in dem mindestens einen Rohr (74) ein Saugstrom geführt ist und insbesondere die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58) eine Sauggebläseeinrichtung und/oder Venturi-Düse (82) umfasst. Tapelegemaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Rohr (96) im Betrieb der Tapelegemaschine ein Blasstrom geführt ist und das mindestens eine Rohr (96) so angeordnet und ausgebildet ist, dass sich aufgrund des Bernoulli- Effekts vor der mindestens einen Ablegerolle (36) der Unterdruckbereich (100) ausbildet. Tapelegemaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58; 94) so angeordnet und ausgebildet ist, dass sie einen Luftstrom und insbesondere einen Blasluftstrom bereitstellt, welcher die mindestens eine Ablegerolle (36) zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle (36) beaufschlagt. Tapelegemaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (44) und einem Halter (34) für die mindestens eine Ablegerolle (36) ein Zwischenraum (46) gebildet ist, in dem abzulegendes Tape (42) so positioniert ist, dass der Zwischenraum (46) einen ersten Bereich (66) und einen zweiten Bereich (68) aufweist und der erste Bereich (66) und der zweite Bereich (68) durch abzulegendes Tape (42) getrennt sind, dass die mindestens eine Ablegerolle (36) in dem ersten Bereich (66) angeordnet ist, und dass der Luftstrom zur Kühlung der mindestens einen Ablegerolle (36) an dem ersten Bereich (66) erzeugt wird. Tapelegemaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Ablegerolle (36) eine Führungseinrichtung (50) für abzulegendes Tape (42) zugeordnet ist. Tapelegemaschine nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens eines der Folgenden: die Führungseinrichtung (50) ist bezogen auf eine Auflaufstelle (70) von abzulegendem Tape (42) an der mindestens einen Ablegerolle (36) der mindestens einen Ablegerolle (36) vorgeschaltet; die Führungseinrichtung (50) umfasst mindestens ein Führungselement (54; 56) in Form einer Führungsplatte, an welcher abzulegendes Tape (42) geführt ist; die Führungseinrichtung (50) umfasst gegenüberliegende Führungselemente (54, 56), zwischen welchen abzulegendes Tape (42) durchgeführt ist; die Führungseinrichtung (50) sitzt an einem Halter (34), an welchem die mindestens eine Ablegerolle (36) sitzt. Tapelegemaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (50) mindestens ein Führungselement (54) umfasst, an welchem mindestens eine Mündungsöffnung (76) der Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58) angeordnet ist. Tapelegemaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58) mindestens eine Venturi-Düse (82) umfasst, insbesondere mit mindestens einem der Folgenden: es ist mindestens ein Abnahmerohr (84) zur Unterdruckbeaufschlagung eines abzulegenden Tapes (42) vorgesehen; die Venturi-Düse (82) stellt einen Luftstrom bereit, welcher die mindestens eine Ablegerolle (36) zur Kühlung beaufschlagt. Tapelegemaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tape eine thermoplastische Matrix umfasst, in der insbesondere Fasern und vorzugsweise C-Fasern eingebettet sind. Tapelegemaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eines der Folgenden : einen beweglichen Roboterarm (30), weicher einen Halter (34) umfasst, an welchem die mindestens eine Ablegerolle (36) sitzt; - 31 - eine Pneumatikeinrichtung (80), welche einen Luftstrom für die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung (58; 94) bereitstellt, wobei insbesondere die Pneumatikeinrichtung mindestens teilweise an dem Roboterarm (30) angeordnet ist; eine Heizeinrichtung (38), welche insbesondere an dem Roboterarm (30) angeordnet ist; eine Kamera (40) und/oder eine optische Sensoreinrichtung, welche insbesondere an dem Roboterarm (30) angeordnet ist; ein Werkzeug (28) zur Substrataufnahme; der Roboterarm (30) und das Werkzeug (28) sind relativ zueinander beweglich. Verfahren zur Tapeablage an einem Substrat (44), bei dem das abzulegende Tape (42) über eine Ablegerolle (36) auf das Substrat (44) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass abzulegendes Tape (42) durch Unterdruckbeaufschlagung in einem Unterdruckbereich (60; 100) vor der Ablegerolle (36) an die Ablegerolle (36) angelegt wird. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch mindestens eines der Folgenden: abzulegendes Tape (42) wird durch die Unterdruckbeaufschlagung vor einer Auflaufstelle (70) von abzulegendem Tape (42) an der Ablegerolle (36) angelegt; - 32 - es erfolgt eine Unterdruckbeaufschlagung an einer ersten Seite (62) des Tapes (42), und eine Beheizung des Tapes (42) an einer zweiten Seite (64), wobei die erste Seite (62) der zweiten Seite (64) gegenüberliegt und die zweite Seite (64) eine Ablegeseite an dem Substrat (44) ist. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbeaufschlagung über einen Saugstrom erfolgt, welcher insbesondere durch eine Sauggebläseeinrichtung und/oder eine Venturi- Düse bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbeaufschlagung durch einen Blasstrom erfolgt, welcher in einen Bereich zwischen dem Tape (42) und der Ablegerolle (36) eingeblasen wird, wobei die Einblasung derart erfolgt, dass über den Bernoulli- Effekt die Unterdruckbeaufschlagung des abzulegenden Tapes (42) erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blasluftstrom, welcher insbesondere zur Unterdruckbeaufschlagung verwendet wird, mindestens mit einem Teilstrom so gerichtet wird, dass er die Ablegerolle (36) zur Kühlung der Ablegerolle (36) beaufschlagt. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das abzulegende Tape (42) eine thermoplastische Matrix aufweist.
* * *
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