EP4620643A2 - Vorrichtung zum verfestigen eines fasergebildes - Google Patents

Vorrichtung zum verfestigen eines fasergebildes

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Publication number
EP4620643A2
EP4620643A2 EP25189426.7A EP25189426A EP4620643A2 EP 4620643 A2 EP4620643 A2 EP 4620643A2 EP 25189426 A EP25189426 A EP 25189426A EP 4620643 A2 EP4620643 A2 EP 4620643A2
Authority
EP
European Patent Office
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fiber
fiber structure
jet head
fluid jet
manipulator
Prior art date
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Pending
Application number
EP25189426.7A
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English (en)
French (fr)
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EP4620643A3 (de
Inventor
Marc Jolly
André Lang
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Norafin Technologies GmbH
Original Assignee
Norafin Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Norafin Technologies GmbH filed Critical Norafin Technologies GmbH
Publication of EP4620643A2 publication Critical patent/EP4620643A2/de
Publication of EP4620643A3 publication Critical patent/EP4620643A3/de
Pending legal-status Critical Current

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    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/44—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling
    • D04H1/46—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling by needling or like operations to cause entanglement of fibres
    • D04H1/492—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties the fleeces or layers being consolidated by mechanical means, e.g. by rolling by needling or like operations to cause entanglement of fibres by fluid jet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H18/00—Needling machines
    • D04H18/04—Needling machines with water jets

Definitions

  • the present invention relates to a device for solidifying a fiber structure by means of a fluid.
  • Hydroentanglement systems are known from the prior art, in which a nap as web material is passed under a water jet beam.
  • This beam has a plurality of nozzles arranged side by side perpendicular to the machine direction in which the web material is moved.
  • the water jets act on the web material from above, and a collecting basin for the process water is provided below.
  • the fibers, which are still more or less loosely connected in the nap, are swirled and entangled by the water jets, thus bonding them, for example, into a nonwoven fabric.
  • the present invention is based on the technical problem of providing an advantageous device for solidifying a fiber structure.
  • This device comprises a fiber receptacle for arranging the fiber structure and a fluid jet head with a nozzle for dispensing the fluid.
  • the fluid jet head is mounted on a manipulator and can be moved relative to the fiber receptacle in at least two spatial directions.
  • the entire fiber structure is not necessarily solidified, but can be achieved only in defined areas by appropriately positioning the fluid jet head.
  • such locally limited solidification can, for example, achieve a higher degree of solidification in certain areas (the fibers are more intertwined locally).
  • This can, for example, open up optical design possibilities, such as the inscription of a line, etc. (patterns, lettering, etc.).
  • the fiber structure can also be multi-layered, whereby the locally limited consolidation makes it possible, for example, to connect the layers similar to quilting, with high flexibility.
  • the object is not limited to a two-dimensional flat or web material.
  • the fluid jet head can also be moved with the manipulator relative to a three-dimensionally shaped fiber structure, which, for example, in addition to the extension in the two surface directions, also has an extension in the thickness direction, in particular a varying extension, i.e. a contour.
  • a fiber structure can, for example, be designed as an insert for a housing, for example for insulation or soundproofing; applications in body construction, etc. are also possible, see below in detail.
  • a three-dimensional fiber structure can, for example, be created by stacking fiber modules and/or fiber layers on top of one another, and the fluid jet head can then be guided into connection areas, for example, using the manipulator.
  • the fiber structure can also be solidified as a whole, for example with different exposure times and/or varying fluid pressure in certain areas.
  • the combination of manipulator and fluid jet head opens up a variety of application possibilities, offering, for example, a high degree of flexibility.
  • selective solidification in which only the areas actually required for the finished product are solidified and edge areas remain unsolidified, for example, as a pile, can also be advantageous in terms of material economy.
  • the edge areas that are not or only slightly solidified can then be reused with less effort, thus being re-incorporated into production.
  • the nozzle of the fluid jet head can, for example, have an opening width of at least 50 ⁇ m, further and particularly preferably at least 70 ⁇ m or 80 ⁇ m. Possible upper limits can be, for example, a maximum of 1 mm, further and particularly preferably a maximum of 0.3 mm or 0.2 mm. A circular opening can be preferred, so the width specifications refer to the opening diameter. In detail, the width can also depend on the type of fluid; although the subject matter of the invention is preferably generally not limited to hydroentanglement, air or generally a gaseous fluid can also be provided as an alternative.
  • the fluid jet head can have exactly one or more nozzles; see below for details.
  • the fiber structure can be composed of continuous and/or staple fibers.
  • the fibers in the fiber structure can be arranged essentially unconsolidated in its initial state, i.e., it can be an unconsolidated pile.
  • the fibers are connected due to fiber-fiber entanglement.
  • a certain degree of entanglement can also already be present in the initial state, with the degree of entanglement being less than in the fully consolidated fiber structure.
  • the fibers can also be additionally held together with a binder; however, in the fully consolidated fiber structure, they are preferably held together binder-free (without binder), preferably solely due to fiber entanglement.
  • the latter can be advantageous, for example, for ecological and economic reasons and can be made possible by targeted consolidation with a manipulator and fluid jet head.
  • the fiber holder can, for example, be a support onto which the fiber structure is placed. In a simple case, this can be a flat surface, but contours are also possible, see details below. In general, the fiber holder can, for example, also be a cage in which the fiber structure is held and is accessible from different sides, e.g. from above and below.
  • the manipulator has one or more axes that are provided on a base, preferably a stationary foundation.
  • the axes can, for example, be equipped with drive units (motors, etc.) and mechanically coupled via connecting elements. With two axes, for example, the relative mobility in at least two spatial directions as required can be realized.
  • the manipulator is designed such that the fluid jet head arranged therein is movable in three spatial directions.
  • the "spatial directions" refer to a stationary coordinate system.
  • relative positioning in the x- and y-directions is possible; preferably, relative positioning in the z-direction is also possible (the x-, y-, and z-directions are perpendicular to each other, for example).
  • the x- and y-directions can, for example, coincide with its surface directions, and the z-direction with the thickness direction.
  • the manipulator can be designed as a gantry robot, i.e., with linear guides (on two or three mutually perpendicular axes).
  • the manipulator is preferably designed as an articulated-arm robot, e.g., as a 5-, 6-, or 7-axis articulated-arm robot, a dual-arm robot, a palletizing robot, or a SCARA robot.
  • An articulated-arm robot for example, can allow for particularly flexible guidance of the fluid jet head, which can thus be adapted to different fiber structure geometries.
  • the manipulator is preferably controlled with or by a programmable control unit, which can be implemented as an integrated device or connected as an external computer via an interface. If specific process sequences are described herein, this should therefore also be interpreted as a disclosure that the control unit is configured to cause the manipulator to perform corresponding steps.
  • the manipulator is designed such that the fluid jet head can be not only offset relative to the fiber holder, but also tilted. Tilting allows the angle of incidence, which the main discharge direction of the nozzle encloses with the fiber holder, to be changed. This allows the angle of incidence at which the fluid hits the surface of the fiber structure to be adjusted during operation; for example, a different angle of incidence can be selected in different areas. In the case of a fiber structure with a contoured surface, however, the angle of incidence can also be kept constant across the fiber structure by tilting, for example.
  • a surface of the fiber receptacle, against which the fiber structure rests during operation is curved at least in some areas.
  • This curvature can be concave or convex as viewed from the fiber structure, i.e., from the cavity intended to receive the fiber structure; a combination of partially concave and partially convex configurations is also possible.
  • the curvature can be used to predetermine a corresponding shape for the fiber structure.
  • the fiber structure itself can be introduced into the fiber receptacle as an originally flat material or can also be pre-contoured.
  • a surface of the fiber receptacle, against which the fiber structure rests is provided with a plurality of openings.
  • the surface can be formed, for example, by a grid, with the rods or wires of the grid defining the openings.
  • the openings can be provided, for example, as holes in a surface, e.g., as perforations. of a sheet material (e.g., a sheet metal) or as the openings of through-channels in a sheet or volume material.
  • the fluid discharged via the fluid jet head can be discharged through these openings during operation, i.e., after impacting the fiber structure.
  • the holes can, for example, be arranged in a grid pattern across the surface, regardless of whether the surface is (partially) curved or flat.
  • the surface of the fiber holder does not have to be a single, continuous area; it can also be formed by several separate partial surface areas.
  • several fiber holder elements can be arranged next to one another, each of which forms a partial surface area.
  • the fiber holder elements can, for example, be rods arranged next to one another in a bundle, with the end face of each rod forming the respective partial surface area of the surface.
  • the fiber holder elements arranged next to one another can also be designed to be offset relative to one another, so that different contours, i.e. different surface profiles, can be created as required.
  • rods these can, for example, be mounted so that they can be offset along their longitudinal axis, so that the end partial surface areas can be brought into different relative positions by relative displacement of the rods, thus allowing different surface contours to be created.
  • At least one surface part of the fiber holder, to whose surface the fiber structure is applied, is a generatively manufactured part.
  • the fiber holder can be a coherent generatively manufactured part as a whole, but it can also be constructed in several parts. In this case, it can be composed of several generatively manufactured surface parts and/or also comprise one or more conventionally manufactured surface parts. The latter can, for example, define a basic shape that, depending on the The desired product is/are supplemented with one or more generatively manufactured and thus individually tailored surface parts.
  • the fiber holder When we speak of a "surface part" of the fiber holder in this context, we mean a part with a surface for the fiber structure to adhere to, i.e., to which the fibers adhere during operation.
  • the fiber holder can of course include mounting and fastening elements that hold the surface parts together, for example, in the case of a multi-part structure.
  • a "generatively manufactured part” is a part constructed from a previously formless or shape-neutral material based on a computer model (e.g., a CAD model). This construction occurs, for example, layer by layer, with an area corresponding to the shape specified in the computer model being applied or solidified for each layer.
  • the generatively manufactured part can, in particular, be a 3D-printed part, i.e., one that was built up in layers using a print head that dispenses the material.
  • the material can be plastic, for example, but a metallic surface part is also possible (manufactured, for example, by laser sintering or in a powder bed process).
  • Also intended to be disclosed is a method for producing a device for solidifying a fiber structure as discussed here, wherein at least a surface portion of the fiber receptacle is produced generatively, in particular using one of the methods just mentioned.
  • the device comprises a further manipulator on which the fiber holder is arranged as an effector.
  • the fiber holder is movable within a fixed coordinate system, for example, in at least two or preferably three spatial directions.
  • this can be constructed, for example, as a gantry robot or an articulated-arm robot, etc.
  • the fiber holder can be designed, for example, as a cage, which can prevent the fiber structure from falling out, regardless of its orientation in the fixed coordinate system.
  • the cage can, for example, be hinged, so that the fiber structure can be easily inserted and removed again after solidification.
  • a method is also to be disclosed in which the fiber structure is solidified sequentially from different sides with the fluid jet emitted by the fluid jet head, in particular from opposite directions (viewed in the coordinate system of the fiber structure).
  • the device has a fiber dispensing unit with which fibers can be applied to the fiber receptacle and/or the fiber structure already arranged there during operation.
  • the fibers can simply fall out; preferably, they are accelerated with a fluid jet, in particular a gaseous fluid, preferably air, in the direction of the fiber receptacle or the fiber structure.
  • the fluid jet entrains the fibers, which attach themselves to the fiber receptacle or the fiber structure.
  • the fiber receptacle and the fiber dispensing unit are movable relative to one another; particularly preferably, the fiber dispensing unit can be mounted so as to be movable within a fixed coordinate system, for example, arranged on a gantry robot.
  • the fiber dispensing unit can preferably be moved over the fiber receptacle, whereby in a preferred application, fibers are then dispensed in certain areas and no fibers are dispensed in certain areas, or at least a smaller number of fibers are dispensed.
  • This allows, for example, a fiber structure to be constructed with different properties in certain areas (see above). Different fibers can also be applied sequentially, and/or more fibers can be dispensed in certain areas.
  • the fiber structure can, for example, be constructed successively in several layers, whereby, for example, fibers can only be applied in certain areas, so that a three-dimensional fiber structure can be built up, comparable to a height profile.
  • the fluid jet head has a total of no more than 500 nozzles for dispensing the fluid, with increasing preference, in the order mentioned, to no more than 400, 300, 200, 100, 80, 60, 50, 40, 30, 20, or 10 nozzles.
  • the fluid jet head can also have exactly one nozzle, but possible lower limits can also be at least 2, 3, 4, or 5 nozzles, whereby the lower and upper limits can also be of interest independently of one another and should be disclosed.
  • the provision of more than one nozzle can be advantageous, for example, with regard to the possible energy input and thus the process duration, whereby an upper limit can be advantageous, for example, with regard to accuracy.
  • the fluid jet head can, for example, also be valve-controlled in such a way that the number of nozzles used to dispense the fluid can be varied during operation.
  • the fluid can be dispensed from all nozzles of the fluid jet head, for example, to act on a large area of the fiber structure.
  • the fluid can be dispensed from only some or even just one of the nozzles to act on a smaller area and thus create a finer structure.
  • the area of the fluid jet head occupied by the nozzle(s) can be limited, i.e., in other words, a distribution of the nozzles that is not too large can be preferred. This can, for example, offer advantages in terms of accuracy and thus also flexibility (accessibility of fine structures).
  • the area occupied by the nozzle(s), i.e., all nozzles of the fluid jet head can, for example, amount to a maximum of 5 cm 2 , 4 cm 2 , 3 cm 2 , 2 cm 2 or 1 cm 2 (increasingly preferred in the order mentioned).
  • a lower limit can be in the case of a fluid jet head with a single nozzle as its Diameter (see above); in the case of several nozzles, further lower limits can be, for example, 0.1 cm 2 , 0.25 cm 2 or 0.5 cm 2 .
  • the area is determined using an envelope placed around them, i.e. as the area enclosed by them.
  • Essentially parallel means, for example, tilted by no more than 10° relative to each other, with increasing preference given to no more than 8°, 6°, or 4°, respectively. Within the limits of technical feasibility, an exactly parallel alignment (0°) may also be preferred.
  • the invention also relates to a method for solidifying a fiber structure, in which a fluid jet head with a nozzle and a fiber structure are moved relative to one another by means of a manipulator in at least two, preferably three spatial directions.
  • the fiber structure can be arranged in a fiber holder as described above, wherein, for example, viewed in a stationary coordinate system, the fiber holder remains stationary and the fluid jet head is moved by the manipulator.
  • the fiber holder can generally also be moved in the stationary coordinate system and thus the fiber structure can be moved by the manipulator, e.g., a cage-shaped fiber holder. Combinations are also possible, i.e., a movement of both the fiber holder and the fluid jet head (each viewed in the stationary coordinate system).
  • the fiber holder can be arranged on a manipulator, such as an articulated-arm robot (see above), and the fluid jet head can also be arranged on a manipulator, such as another articulated-arm robot. This allows different relative arrangements to be realized with particular flexibility.
  • the fiber structure has different properties in certain regions, namely in the fully consolidated state, for example, when it is removed from the fiber holder.
  • the "different properties" can, for example, be a different fiber density (volume fraction of the Fibers per unit volume) and/or a different mass density (weight per unit volume) and/or a different pore structure; alternatively or additionally, the fibers can also differ from region to region, for example, a difference in fiber material and/or fiber length or thickness is possible. Fibers of different colors, for example, open up design and labeling possibilities; the fiber structure can therefore be colored differently in different regions.
  • the property or properties in question can change abruptly from region to region or along a gradient.
  • the fiber structure already has a three-dimensional shape before solidification, i.e. it has an extension not only in two mutually perpendicular surface directions, but also in a thickness direction perpendicular to these (see above).
  • This extension in the thickness direction can vary across the fiber structure, in particular; the fiber structure can therefore, for example, have a contour.
  • the combination with the fluid jet head can be advantageous, for example, in that different points or sides and surfaces of the three-dimensional fiber structure are easily accessible due to or with the relative movement by the manipulator.
  • the fluid jet head can be placed in different relative positions and/or different angles relative to the fiber structure, so that it is solidified in a targeted manner (in certain areas).
  • a "three-dimensional fiber structure” can, for example, have a dimension of at least 0.5 cm, 1 cm, 2 cm, 3 cm, 5 cm, 10 cm, or 15 cm in each of three mutually perpendicular spatial directions (xyz direction). Significantly larger dimensions are also possible in at least two directions (the "flat with contour” variant). Although structures of any size are generally conceivable, possible upper limits could be, for example, 3 m, 2 m, or 1 m.
  • the fiber structure is composed of several pile elements, for example, several pile layers, prior to consolidation. These can each have a different structure, comparable to a height profile, and thus, when stacked on top of each other, create a three-dimensional shape.
  • the pile elements can also be building blocks that are stacked on top of each other to create the desired three-dimensional fiber structure.
  • the fibers can also be formed into the desired shape in an appropriately shaped cavity, i.e., a mold; they can, for example, be blown into the mold.
  • the fluid jet head is not only used for bonding, but in another operating mode, a portion of the fiber structure is opened up or preferably severed with the fluid jet.
  • the fluid jet head is therefore also used for fluid jet cutting, e.g., water jet cutting.
  • fluid jet cutting e.g., water jet cutting.
  • This allows, for example, unnecessary edge areas in the fully bonded fiber structure to be separated and/or one or more holes or openings can be introduced into the fiber structure. Depending on its later use, such a hole can be used for assembly, for example, for attachment to a body or housing part.
  • the fluid can be dispensed at higher pressure and/or from a smaller number of nozzles, and a longer exposure time per unit area is also possible compared to the "bonding" operating mode.
  • the integration of the additional operating mode can further increase flexibility, requiring no additional equipment, for example, compared to a production line with a separate fluid jet cutting unit.
  • the invention also relates to a method for producing a molded part for a body part, a housing part, a piece of clothing, a seat or back cushion, a packaging cushion or an insulating or damping component, wherein the molded part is a process disclosed herein by solidifying a fiber structure.
  • Figure 1 shows a device 1 for consolidating a fiber structure 2 using a fluid 3.
  • the device 1 has a manipulator 4, which is designed here as a multi-axis robot. This has several articulated arms 5, which are connected to one another via rotary joints 6. The articulated arms 5 are also mounted horizontally rotatably on the base 7, so that any point within an xyz coordinate system spanned by the spatial directions 10.1, 10.2, 10.3 can be approached within the range.
  • a fluid jet head 9 is provided as the effector 8, which is also connected via a rotary joint 6.
  • the fluid jet head has several nozzles 20, through which the fluid 3 is discharged during operation, see also the detailed illustration according to Figure 2 .
  • the fluid jet head 9 can be moved relative to a fiber holder 25, on which, in the present example, the fiber structure 2 rests without any lateral enclosure, etc.
  • a fiber structure can have a support structure inside, for example, a wire frame.
  • a three-dimensional structure can also be predetermined by a three-dimensionally shaped surface of the fiber holder 25, see below for details.
  • the fiber holder 25 has holes (not shown here) through which the fluid, in this case the water, is drained downwards after acting on the fiber structure 2.
  • a tray 26 is arranged below the fiber holder 25, in which the residual water 27 is collected and can, for example, be recirculated and fed back to the fluid jet head 9 (not shown).
  • the relative movement between the fiber holder 25 and the fluid jet head 9 adjusts its position relative to the fiber structure 2.
  • Different locations of the three-dimensionally shaped fiber structure 2 can be targeted in order to solidify the fibers in certain areas or to solidify them even more strongly compared to the rest of the fiber structure 2.
  • the fluid jet head 9 can be tilted relative to the fiber structure 2, thus a respective water jet 21 can be directed at an angle onto the fiber structure 2 in a targeted manner and/or, in the case of a contoured surface, the angle of incidence can also be kept constant with the tilting.
  • Figure 3 illustrates an alternative fiber receptacle 25, which is somewhat bowl-shaped. Accordingly, a surface 35, against which the fiber structure (not shown here) rests, has a concave curvature. This preformed surface 35 can be used to predetermine the shape of the fiber structure. In this case, a shell-shaped, curved molded part can be created. This can be used, for example, as an insert for a piece of clothing, such as a bra.
  • the fiber holder 25 can be customized, for example, using a 3D printing process.
  • a multitude of holes 36 can be seen in the surface 35, which serve to drain the fluid, as described above.
  • Figure 4 shows a device 1 which, with regard to the manipulator 4 and the fluid jet head 9, is comparable to that according to Figure 1
  • the fiber holder 25 is not stationary, but is arranged on a further manipulator 40.
  • the fiber holder 25 thus forms its effector 41.
  • This allows the fiber holder 25 and the fluid jet head to be brought into a variety of different relative positions, meaning that the fiber structure (not shown here) can be consolidated from above and below or from the side.
  • the fiber holder is provided in the form of a cage 45, which can be opened to insert and remove the fiber structure.
  • the further manipulator 40 is constructed analogously to the manipulator 4 as a multi-axis robot with several articulated arms 42, which are connected to one another via pivot joints 43 and arranged on a common base 44.
  • Figure 5 shows a device 1 which in principle corresponds to that according to Figure 1 is comparable, whereby the manipulator 4 with the fluid jet head 8 is not shown for the sake of clarity.
  • the device 1 is additionally equipped with a fiber dispensing unit 50, from which fibers 51 can be dispensed and applied to the fiber holder 25 or the fiber structure 2.
  • the fibers 51 can, for example, be sprayed on, i.e., accelerated by compressed air in the direction of the fiber holder 25.
  • the fiber dispensing unit 50 is movably mounted on two linear axes 55, 56, in this case suspended from a gantry robot. It can thus be moved flatly over the fiber holder 25, whereby By switching the fiber output on and off, fibers 51 can be selectively applied in predefined areas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Verfestigen eines Fasergebildes (2) mittels eines Fluids (3), mit einem Fluidstrahlkopf (9), der eine Düse (20) zum Ausgeben des Fluids (3) aufweist, einem Manipulator (4), und einer Faseraufnahme (25) zum Anordnen des Fasergebildes (2), wobei der Fluidstrahlkopf (9) als Effektor (8) an dem Manipulator (4) angeordnet ist, und wobei der Manipulator (4) solchermaßen vorgesehen ist, dass damit der daran angeordnete Fluidstrahlkopf (9) in mindestens zwei Raumrichtungen (10.1, 10.2, 10.3) relativ zu der Faseraufnahme (25) bewegbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verfestigen eines Fasergebildes mittels eines Fluids.
  • Aus dem Stand der Technik sind Anlagen zur Wasserstrahlverfestigung bekannt, bei denen ein Flor als Bahnmaterial unter einem Wasserstrahlbalken hindurchgeführt wird. Dieser weist eine Vielzahl Düsen auf, die senkrecht zur Maschinenrichtung, in welcher das Bahnmaterial bewegt wird, nebeneinander angeordnet sind. Die Wasserstrahlen wirken von oben auf das Bahnmaterial ein, und unterhalb davon ist ein Auffangbecken für das Prozesswasser vorgesehen. Die Fasern, die in dem Flor noch mehr oder weniger lose zusammenhängen, werden durch die Wasserstrahlen verwirbelt und miteinander verschlungen, also bspw. zu einem Vliesstoff verfestigt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Verfestigen eines Fasergebildes anzugeben.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Diese weist eine Faseraufnahme zum Anordnen des Fasergebildes und einen Fluidstrahlkopf mit einer Düse zum Ausgeben des Fluids aus. Der Fluidstrahlkopf ist dabei an einem Manipulator angeordnet und kann mit diesem in mindestens zwei Raumrichtungen relativ zu der Faseraufnahme bewegt werden.
  • Im Unterschied zu dem eingangs genannten Stand der Technik wird bzw. muss also nicht zwingend das gesamte Fasergebilde verfestigt werden, sondern kann dies durch entsprechendes Positionieren des Fluidstrahlkopfes auch nur in definierten Bereichen erfolgen. Im Falle eines Bahn- oder Flächenmaterials kann durch eine solche lokal begrenzte Verfestigung z. B. ein bereichsweise erhöhter Verfestigungsgrad erreicht werden (die Fasern sind lokal stärker miteinander verschlungen). Dies kann bspw. optische Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen, etwa das Einschreiben einer Linie etc. (Muster, Schriftzüge usw.). Das Fasergebilde kann auch mehrlagig sein, wobei mit der lokal begrenzten Verfestigung z. B. ein Verbinden der Lagen ähnlich einem Versteppen möglich wird, und zwar mit hoher Flexibilität.
  • Generell ist der Gegenstand nicht auf ein zweidimensionales Flächen- bzw. Bahnmaterial begrenzt. Der Fluidstrahlkopf kann mit dem Manipulator auch relativ zu einem dreidimensional geformten Fasergebilde bewegt werden, das bspw. zusätzlich zu der Ausdehnung in den beiden Flächenrichtungen auch eine Erstreckung in Dickenrichtung hat, insbesondere eine variierende Ausdehnung, also eine Kontur. Ein solches Fasergebilde kann bspw. als Einsatz für ein Gehäuse ausgelegt sein, etwa zur Dämmung bzw. Schallisolierung, ebenso sind Anwendungen im Karosseriebau etc. möglich, siehe unten im Detail. Ein dreidimensionales Fasergebilde kann bspw. durch Aufeinandersetzen von Faserbausteinen und/oder Faserlagen erzeugt werden, und mit dem Manipulator kann der Fluidstrahlkopf dann bspw. gezielt in Verbindungsbereiche geführt werden. Das Fasergebilde kann aber auch insgesamt damit verfestigt werden, etwa mit bereichsweise unterschiedlicher Einwirkdauer und/oder variierendem Druck des Fluids.
  • Zusammengefasst eröffnet die Kombination aus Manipulator und Fluidstrahlkopf verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, bietet sie also z. B. eine hohe Flexibilität. Verglichen mit dem eingangs genannten Wasserstrahlbalken kann ein selektives Verfestigen, bei dem tatsächlich nur die für das fertige Produkt benötigten Bereiche verfestigt werden und bspw. Randbereiche unverfestigt bleiben, also z. B. als Flor belassen werden, auch materialökonomisch von Vorteil sein. Die nicht oder nur gering verfestigten Randbereiche lassen sich dann nämlich mit geringerem Aufwand erneut nutzen, also erneut in die Produktion einphasen.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und deren Anwendung betreffenden Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine für eine bestimmte Anwendung geeignete Vorrichtung beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung eines entsprechenden Verfahrens bzw. der Verwendung zu lesen, und umgekehrt.
  • Die Düse des Fluidstrahlkopfes kann bspw. eine Öffnungsweite von mindestens 50 µm aufweisen, weiter und besonders bevorzugt mindestens 70 µm bzw. 80 µm. Mögliche Obergrenzen können bspw. bei höchstens 1 mm liegen, weiter und besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm bzw. 0,2 mm. Bevorzugt kann eine kreisrunde Öffnung sein, sind die Weitenangaben also auf Öffnungsdurchmesser zu lesen. Im Einzelnen kann die Weite auch von der Art des Fluids abhängen; wenngleich bevorzugt ist der Erfindungsgegenstand im Allgemeinen nicht auf eine Wasserstrahlverfestigung beschränkt, kann also alternativ bspw. auch Luft oder generell ein gasförmiges Fluid vorgesehen sein. Der Fluidstrahlkopf kann genau eine oder auch mehrere Düsen aufweisen, siehe unten im Detail.
  • Das Fasergebilde kann aus Endlos- und/oder Stapelfasern aufgebaut sein. Die Fasern können in dem Fasergebilde in seinem Ausgangszustand noch im Wesentlichen unverfestigt beieinander angeordnet sein, es kann sich also bspw. um ein unverfestigtes Flor handeln. Jedenfalls nach der Verfestigung des Fasergebildes mit der vorliegend offenbarten Verfestigungsvorrichtung, also im verfestigten Fasergebilde, hängen die Fasern aufgrund der Faser-Faser-Verschlingung zusammen. Es kann aber auch bereits im Ausgangszustand eine gewisse Verschlingung gegeben sein, wobei der Verschlingungsgrad geringer als im fertig verfestigten Fasergebilde ist. Im Allgemeinen können die Fasern zusätzlich auch mit einem Binder zusammengehalten werden, bevorzugt sind sie im fertig verfestigten Fasergebilde jedoch binderfrei (ohne Binder) zusammengehalten, vorzugsweise allein aufgrund der Faserverschlingung. Letzteres kann bspw. aus ökologischen und auch ökonomischen Gründen von Vorteil sein und durch die gezielte Verfestigung mit Manipulator und Fluidstrahlkopf möglich werden.
  • Die Faseraufnahme kann bspw. eine Auflage sein, auf welche das Fasergebilde aufgelegt wird. In einem einfachen Fall kann sich um eine plane Fläche handeln, ebenso sind aber Konturen möglich, siehe unten im Detail. Im Allgemeinen kann es sich bei der Faseraufnahme bspw. auch am einen Käfig handeln, in dem das Fasergebilde gehalten wird und von unterschiedlichen Seiten zugänglich ist, z. B. von oben und auch von unten. Der Manipulator weist eine bzw. mehrere Achsen auf, die an einer Basis vorgesehen sind, bevorzugt einem ortsfesten Fundament. Die Achsen können bspw. mit Antriebseinheiten (Motoren etc.) ausgestattet und über Verbindungselemente mechanisch gekoppelt sein. Mit zwei Achsen lässt sich z. B. bereits die hauptanspruchsgemäße Relativbewegbarkeit in mindestens zwei Raumrichtungen realisieren.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist der Manipulator derart ausgestaltet, dass der darin angeordnete Fluidstrahlkopf in drei Raumrichtungen bewegbar ist. Generell beziehen sich die "Raumrichtungen" auf ein ortsfestes Koordinatensystem. Hauptanspruchsgemäß ist bspw. eine Relativpositionierung in x- und y-Richtung möglich, bevorzugt ist dann zusätzlich eine Relativpositionierung in z-Richtung möglich (x-, y- und z-Richtung liegen bspw. senkrecht zueinander). Im Falle eines vorstehend erwähnten dreidimensionalen Fasergebildes können x- und y-Richtung bspw. mit dessen Flächenrichtungen zusammenfallen und die z-Richtung mit der Dickenrichtung.
  • Unabhängig von der Anzahl der Raumrichtungen kann die Relativbeweglichkeit mechanisch unterschiedlich realisiert werden, gibt es also mehrere Möglichkeiten der Relativanordnung und -lagerung der Achsen des Manipulators. Dieser kann bspw. als Portalroboter aufgebaut sein, also mit Linearführungen (auf zwei oder auch drei zueinander senkrechten Achsen). Bevorzugt ist der Manipulator als Gelenkarmroboter vorgesehen, z. B. als 5-, 6- oder 7-Achs-Knickarmroboter, als Dualarm-Roboter, Palletierroboter oder SCARA-Roboter. Ein Gelenkarmroboter kann bspw. eine besonders flexible und damit an unterschiedliche Fasergebildegeometrien anpassbare Führung des Fluidstrahlkopfes erlauben.
  • Generell wird der Manipulator bevorzugt mit bzw. von einem programmierbaren Steuergerät gesteuert, das integriert ausgeführt oder auch als externer Rechner über eine Schnittstelle angebunden sein kann. Sofern vorliegend bestimmte Verfahrensabläufe beschrieben werden, ist dies somit auch als Offenbarung dahingehend zu lesen, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, den Manipulator zu entsprechenden Schritten zu veranlassen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist der Manipulator derart vorgesehen, dass der Fluidstrahlkopf damit relativ zur Faseraufnahme nicht nur versetzt, sondern auch verkippt werden kann. Mit dem Verkippen lässt sich der Einfallswinkel verändern, den die Haupt-Ausgaberichtung der Düse mit der Faseraufnahme einschließt. Damit kann im Betrieb der Einfallswinkel, unter dem das Fluid auf die Oberfläche des Fasergebildes trifft, eingestellt werden, kann also z. B. in unterschiedlichen Bereichen ein unterschiedlicher Einfallswinkel gewählt werden. Im Falle eines Fasergebildes mit konturierter Oberfläche kann der Einfallswinkel mit dem Verkippen aber bspw. auch über das Fasergebilde hinweg konstant gehalten werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Oberfläche der Faseraufnahme, an welcher im Betrieb das Fasergebilde anliegt, zumindest bereichsweise gewölbt. Diese Wölbung kann vom Fasergebilde aus gesehen, also von der zur Aufnahme des Fasergebildes vorgesehenen Kavität aus betrachtet, konkav oder konvex sein; auch eine Kombination aus bereichsweise konkaver und bereichsweise konvexer Ausgestaltung ist möglich. Mit der Wölbung kann dem Fasergebilde eine entsprechende Form vorgegeben werden. Dabei kann das Fasergebilde selbst als originär flächiges Material in die Faseraufnahme eingebracht werden oder auch seinerseits vorkonturiert sein.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Oberfläche der Faseraufnahme, an welcher das Fasergebilde anliegt, mit einer Vielzahl Öffnungen versehen. Die Oberfläche kann bspw. von einem Gitter gebildet werden, wobei z. B. die Stäbe bzw. Drähte des Gitters miteinander die Öffnungen begrenzen. Ebenso können die Öffnungen z. B. als Löcher in einer Oberfläche vorgesehen sein, z. B. als Durchlochungen eines Flächenmaterials (z. B. eines Blechs) bzw. als Mündungsöffnungen von Durchgangskanälen in einem Flächen- bzw. Volumenmaterial. Durch die Öffnungen kann im Betrieb das über den Fluidstrahlkopf abgegebene Fluid abgeführt werden, also nach der Einwirkung auf das Fasergebilde. Dies kann bildlich gesprochen einem "Rückstau" des Fluids und damit einer undefinierten Ablenkung bzw. Verzögerung des Fluidstrahls vorbeugen. Die Löcher können bspw. gitterförmig verteilt in der Oberfläche angeordnet sein, egal ob diese (bereichsweise) gewölbt oder plan ist.
  • Die Oberfläche der Faseraufnahme muss keine insgesamt zusammenhängende Fläche sein, sie kann auch von mehreren separaten Teilflächenbereichen gebildet werden. Es können bspw. mehrere Faseraufnahmeelemente nebeneinander angeordnet sein, wovon jedes einen Teilflächenbereich bildet. Die Faseraufnahmeelemente können bspw. Stäbe sein, die in einem Bündel nebeneinander angeordnet sind, wobei jeweils die endseitige Stirnfläche des jeweiligen Stabes den jeweiligen Teilflächenbereich der Oberfläche bildet. Generell können die nebeneinander angeordneten Faseraufnahmeelemente auch zueinander versetzbar vorgesehen sein, sodass sich bedarfsweise unterschiedliche Konturen einstellen lassen, also unterschiedliche Oberflächenverläufe. Im Falle der Stäbe können diese also bspw. jeweils entlang ihrer Längsachse versetzbar gelagert sein, sodass die endseitigen Teilflächenbereiche durch Relativversetzen der Stäbe in unterschiedliche Relativpositionen gebracht werden und damit unterschiedliche Oberflächenkonturen eingestellt werden können.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist zumindest ein Oberflächenteil der Faseraufnahme, an dessen Oberfläche sich das Fasergebilde anlegt, ein generativ gefertigtes Teil. Die Faseraufnahme kann im Gesamten ein zusammenhängendes generativ gefertigtes Teil sein, sie kann aber auch mehrteilig aufgebaut sein. Dabei kann sie aus mehreren jeweils generativ gefertigten Oberflächenteilen zusammengesetzt und/oder auch eines oder mehrere konventionell gefertigte Oberflächenteile umfassen. Letztere können bspw. eine Grundform festlegen, die in Abhängigkeit vom gewünschten Produkt mit einem oder mehreren generativ gefertigten und damit individuell maßgeschneiderten Oberflächenteilen ergänzt wird bzw. werden.
  • Sofern in diesem Zusammenhang von einem "Oberflächenteil" der Faseraufnahme die Rede ist, betrifft dies ein Teil mit einer Oberfläche zur Anlage des Fasergebildes, an welches sich also im Betrieb die Fasern anlegen. Darüber hinaus kann die Faseraufnahme selbstverständlich Montage und Befestigungselemente umfassen, die bspw. im Falle eines mehrteiligen Aufbaus die Oberflächenteile zusammenhalten.
  • Ein "generativ gefertigtes Teil" ist ein aus einem zuvor formlosen bzw. formneutralen Stoff anhand eines Computermodells (z. B. CAD-Modell) aufgebautes Teil, wobei dieser Aufbau z. B. schichtweise erfolgt und je Schicht ein der Formvorgabe aus dem Computermodell entsprechender Bereich aufgebracht oder verfestigt wird. Bei dem generativ gefertigten Teil kann es sich insbesondere um ein 3D-Druckteil handeln, das also mit einem das Material ausgebenden Druckkopf in Schichten aufgebaut wurde. Das Material kann z. B. Kunststoff sein, aber auch ein metallisches Oberflächenteil ist möglich (Herstellung z. B. durch Lasersintern bzw. in einem Pulverbettverfahren). Offenbart sein soll auch ein Verfahren zum Herstellen einer vorliegend diskutierten Vorrichtung zum Verfestigen eines Fasergebildes, wobei zumindest ein Oberflächenteil der Faseraufnahme generativ hergestellt wird, insbesondere in einem der eben genannten Verfahren.
  • In bevorzugter Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen weiteren Manipulator auf, an dem die Faseraufnahme als Effektor angeordnet ist. Mit dem weiteren Manipulator ist die Faseraufnahme in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet bewegbar, bspw. in mindestens zwei oder bevorzugt drei Raumrichtungen. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen des weiteren Manipulators wird auf die vorstehende Offenbarung verwiesen, dieser kann bspw. als Portalroboter oder als Gelenkarmroboter etc. aufgebaut sein. Indem sowohl der Fluidstrahlkopf als auch die Faseraufnahme an jeweils einen Manipulator angeordnet sind, lassen sie sich besonders flexibel in unterschiedliche Relativpositionen bringen. Von Aufhängungspunkten etc. abgesehen kann die Faseraufnahme damit im Prinzip aus sämtlichen Richtungen zugänglich sein. Wie vorstehend erwähnt, kann die Faseraufnahme dazu bspw. als Käfig aufgebaut sein, womit unabhängig von der Orientierung im ortsfesten Koordinatensystem einem Herausfallen des Fasergebildes vorgebeugt werden kann. Der Käfig kann bspw. aufklappbar sein, sodass das das Fasergebilde einfach eingesetzt und nach der Verfestigung wieder herausgenommen werden kann. Offenbart sein soll auch ein Verfahren, bei welchem das Fasergebilde mit dem vom Fluidstrahlkopf ausgegebenen Fluidstrahl sequenziell von unterschiedlichen Seiten verfestigt wird, insbesondere aus einander entgegengesetzten Richtungen (im Koordinatensystem des Fasergebildes betrachtet).
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Faser-Ausgabeeinheit auf, mit der im Betrieb Fasern auf die Faseraufnahme und/oder das dort bereits angeordnete Fasergebilde aufgebracht werden können. Im einfachsten Fall können die Fasern einfach herausfallen, bevorzugt werden sie mit einem Fluidstrahl, insbesondere einem gasförmigen Fluid, bevorzugt Luft, in Richtung der Faseraufnahme bzw. des Fasergebildes beschleunigt. Der Fluidstrahl nimmt die Fasern mit, diese lagern sich an die Faseraufnahme bzw. das Fasergebilde an. Bevorzugt sind die Faseraufnahme und die Faser-Ausgabeeinheit relativ zueinander bewegbar, besonders bevorzugt kann die Faser-Ausgabeeinheit in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet bewegbar gelagert sein, bspw. an einem Portalroboter angeordnet sein.
  • Unabhängig von der technischen Umsetzung im Einzelnen kann die Faser-Ausgabeeinheit bevorzugt über die Faseraufnahme bewegt werden, wobei in einer bevorzugten Anwendung dann bereichsweise Fasern ausgegeben werden und bereichsweise keine Fasern ausgegeben werden oder jedenfalls eine geringere Zahl an Fasern ausgegeben wird. So lässt sich bspw. ein Fasergebilde mit bereichsweise unterschiedlichen Eigenschaften aufbauen (siehe vorne), es können bspw. auch sequenziell unterschiedliche Fasern aufgebracht und/oder bereichsweise mehr Fasern ausgegeben werden. Der Aufbau des Fasergebildes kann bspw. sukzessive in mehreren Lagen erfolgen, wobei in einer jeweiligen Lage z. B. nur bereichsweise Fasern aufgebracht werden können, sodass einem Höhenprofil vergleichbar ein dreidimensionales Fasergebilde aufgebaut werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Fluidstrahlkopf insgesamt höchstens 500 Düsen zum Ausgeben des Fluids auf, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt höchstens 400, 300, 200, 100, 80, 60, 50, 40, 30, 20 bzw. 10 Düsen. Der Fluidstrahlkopf kann auch genau eine Düse aufweisen, es können aber auch mögliche Untergrenzen bei mindestens 2, 3, 4 bzw. 5 Düsen liegen, wobei die Unter- und die Obergrenzen auch unabhängig voneinander von Interesse sein können und offenbart sein sollen. Das Vorsehen von mehr als einer Düse kann bspw. hinsichtlich des möglichen Energieeintrags und damit der Prozessdauer von Vorteil sein, wobei eine Obergrenze bspw. mit Blick auf die Genauigkeit von Vorteil sein kann.
  • Der Fluidstrahlkopf kann bspw. auch derart ventilgesteuert sein, dass im Betrieb die Anzahl der zum Ausgeben des Fluids genutzten Düsen verändert werden kann. In einem Betriebsmodus kann das Fluid bspw. an sämtlichen Düsen des Fluidstrahlkopfes ausgegeben werden, um auf einen großflächigen Bereich des Fasergebildes einzuwirken, wohingegen in einem anderen Betriebsmodus das Fluid bspw. nur an einigen oder auch nur einer einzigen der Düsen ausgegeben werden kann, um auf einen kleineren Bereich einzuwirken und damit feiner zu strukturieren.
  • Auch unabhängig von solchen Steuerfunktionen kann in einer bevorzugten Ausgestaltung die mit der Düse bzw. den Düsen besetzte Fläche des Fluidstrahlkopfes begrenzt sein, kann also in anderen Worten eine nicht zu großflächige Verteilung der Düsen bevorzugt sein. Dies kann bspw. wiederum hinsichtlich der Genauigkeit und damit auch Flexibilität (Zugänglichkeit feiner Strukturen) Vorteile bieten. Die mit der Düse bzw. den Düsen, also sämtlichen Düsen des Fluidstrahlkopfes, besetzte Fläche kann bspw. höchstens 5 cm2, 4 cm2, 3 cm2, 2 cm2 bzw. 1 cm2 ausmachen (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Eine Untergrenze kann sich im Falle eines Fluidstrahlkopfes mit einer einzigen Düse als deren Durchmesser ergeben (siehe vorne), im Falle mehrerer Düsen können weitere Untergrenzen bspw. bei 0,1 cm2, 0,25 cm2 bzw. 0,5 cm2 liegen. Im Einzelnen wird die Fläche im Falle mehrerer Düsen anhand einer um diese gelegten Einhüllenden ermittelt, also als davon eingeschlossener Flächeninhalt.
  • Sofern der Fluidstrahlkopf mehrere Düsen aufweist, kann eine Ausrichtung derart bevorzugt sein, dass deren Haupt-Ausgaberichtungen im Wesentlichen parallel zueinander liegen. "Im Wesentlichen parallel" meint bspw. um nicht mehr als 10° zueinander verkippt, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt nicht mehr als 8°, 6° bzw. 4°. Im Rahmen des technisch Möglichen kann auch eine exakt parallele Ausrichtung (0°) bevorzugt sein.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verfestigen eines Fasergebildes, bei welchem ein Fluidstrahlkopf mit Düse und ein Fasergebilde mittels eines Manipulators in mindestens zwei, vorzugsweise drei Raumrichtungen relativ zueinander bewegt werden. Das Fasergebilde kann in einer vorstehend geschilderten Faseraufnahme angeordnet sein, wobei z. B. in einem ortsfesten Koordinatensystem betrachtet die Faseraufnahme ruht und der Fluidstrahlkopf mit dem Manipulator bewegt wird. Alternativ kann im Allgemeinen aber auch die Faseraufnahme im ortsfesten Koordinatensystem und damit das Fasergebilde mit dem Manipulator bewegt werden, bspw. eine käfigförmige Faseraufnahme. Auch Kombinationen sind möglich, also sowohl eine Bewegung der Faseraufnahme als auch des Fluidstrahlkopfes (jeweils im ortsfesten Koordinatensystem betrachtet). Es kann also bspw. die Faseraufnahme an einem Manipulator angeordnet sein, etwa einem Gelenkarmroboter (siehe vorne), und kann auch der Fluidstrahlkopf an einem Manipulator angeordnet sein, etwa einem weiteren Gelenkarmroboter. Damit können besonders flexibel unterschiedliche Relativanordnungen realisiert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Fasergebilde bereichsweise unterschiedliche Eigenschaften, und zwar im fertig verfestigten Zustand, also bspw. wenn es aus der Faseraufnahme entnommen wird. Die "unterschiedlichen Eigenschaften" können z. B. eine unterschiedliche Faserdichte (Volumenanteil der Fasern pro Einheitsvolumen) und/oder eine unterschiedliche Massendichte (Gewicht pro Volumeneinheit) und/oder eine unterschiedliche Porenstruktur sein; alternativ oder zusätzlich können sich auch die Fasern bereichsweise unterscheiden, ist also z. B. ein Unterschied im Fasermaterial und/oder der Faserlänge bzw. auch -dicke möglich. Mit Fasern unterschiedlicher Farbe eröffnen sich bspw. Gestaltungs- und Kennzeichnungsmöglichkeiten, das Fasergebilde kann also in verschiedenen Bereichen unterschiedlich gefärbt sein. Die fragliche Eigenschaft bzw. Eigenschaften können sich von Bereich zu Bereich sprunghaft ändern oder entlang eines Gradienten.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Fasergebilde bereits vor dem Verfestigen eine dreidimensionale Form, hat es also bspw. nicht nur in zwei zueinander senkrechten Flächenrichtungen, sondern auch in einer dazu senkrechten Dickenrichtung eine Ausdehnung (siehe vorne). Diese Ausdehnung in der Dickenrichtung kann über das Fasergebilde hinweg insbesondere variieren das Fasergebilde kann also bspw. eine Kontur haben. Die Kombination mit dem Fluidstrahlkopf kann bspw. dahingehend von Vorteil sein, dass aufgrund bzw. mit der Relativbewegung durch den Manipulator verschiedene Stellen bzw. Seiten und Flächen des dreidimensionalen Fasergebildes gut zugänglich sind. Der Fluidstrahlkopf kann in unterschiedlichen Relativpositionen und/oder unterschiedlichen Winkeln relativ zum Fasergebilde platziert werden, sodass dieses gezielt (bereichsweise) verfestigt wird.
  • Generell kann ein "dreidimensionales Fasergebilde" bspw. in jeder von drei zueinander senkrechten Raumrichtungen (xyz-Richtung) jeweils eine Ausdehnung von mindestens 0,5 cm, 1 cm, 2 cm, 3 cm, 5 cm, 10 cm bzw. 15 cm haben. Dabei sind in zumindest zwei Richtungen auch noch deutlich größere Ausdehnungen möglich (Variante "flächig mit Kontur"). Wenngleich im Allgemeinen beliebig große Strukturen denkbar sind, können mögliche Obergrenzen bspw. bei 3 m, 2 m bzw. 1 m liegen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fasergebilde vor dem Verfestigen aus mehreren Florelementen zusammengesetzt, bspw. aus mehreren Florlagen. Diese können z. B. vergleichbar einem Höhenprofil jeweils unterschiedlich strukturiert sein und damit aufeinandergesetzt eine dreidimensionale Form ergeben. Ferner kann es sich bei den Florelementen auch um Bausteine handeln, die derart aufeinandergesetzt werden, dass sie das gewünschte dreidimensionale Fasergebilde ergeben. Alternativ zu einem solchen Zusammensetzen des Florgebildes können die Fasern bspw. auch in einer entsprechend geformten Kavität, also einem Formwerkzeug, in die gewünschte Form gebracht werden, in das Formwerkzeug können sie bspw. eingeblasen werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Fluidstrahlkopf nicht nur zum Verfestigen genutzt, sondern wird in einem anderen Betriebsmodus mit dem Fluidstrahl ein Teil des Fasergebildes auf- oder bevorzugt abgetrennt. Der Fluidstrahlkopf wird also auch zum Fluidstrahlschneiden, bspw. Wasserstrahlschneiden genutzt. Damit können bspw. im fertig verfestigten Fasergebilde nicht benötigte Randbereiche abgetrennt und/oder kann eines oder können mehrere Löcher bzw. allgemein Öffnungen in das Fasergebilde eingebracht werden. In Abhängigkeit von dessen späterer Verwendung kann ein solches Loch bspw. der Montage dienen, etwa der Befestigung an einem Karosserie- oder Gehäuseteil. In einem Betriebsmodus "Schneiden" kann das Fluid bspw. mit höherem Druck und/oder aus einer geringeren Anzahl Düsen ausgegeben werden, ebenso ist ein im Vergleich zum Betriebsmodus "Verfestigen" längeres Einwirken je Flächeneinheit möglich. Unabhängig von diesen Details kann die Integration des zusätzlichen Betriebsmodus die Flexibilität weiter erhöhen, wobei z. B. im Vergleich zu einer Fertigungsstraße mit einer gesonderten Fluidstrahlschneideinheit keine zusätzliche Gerätschaft erforderlich ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils für ein Karosserieteil, ein Gehäuseteil, ein Kleidungsstück, ein Sitz- oder Rückenpolster, ein Verpackungspolster oder ein Isolier- bzw. Dämmbauteil, wobei das Formteil in einem vorliegend offenbarten Verfahren durch Verfestigen eines Fasergebildes hergestellt wird.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
    • Im Einzelnen zeigt
    • Figur 1
    eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Faseraufnahme, einem Manipulator und einem Fluidstrahlkopf;
    Figur 2
    einen Fluidstrahlkopf in einer Detaildarstellung;
    Figur 3
    eine Faseraufnahme in einer Detaildarstellung.
    Figur 4
    eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung mit Manipulator und Fluidstrahlkopf, wobei auch die Faseraufnahme an einem Manipulator angeordnet ist;
    Figur 5
    eine Faseraufnahme mit einer Faser-Ausgabeeinheit zum bereichsweise selektiven Aufbringen von Fasern.
  • Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Verfestigen eines Fasergebildes 2 mittels eines Fluids 3. Die Vorrichtung 1 weist einen Manipulator 4 auf, der vorliegend als Mehrachs-Roboter ausgeführt ist. Dieser weist mehrere Gelenkarme 5 auf, die über Drehgelenke 6 miteinander verbunden sind. Die Gelenkarme 5 sind ferner horizontal drehbar an der Basis 7 gelagert, sodass innerhalb der Reichweite ein beliebiger Punkt innerhalb eines von den Raumrichtungen 10.1, 10.2, 10.3 aufgespannten xyz-Koordinatensystems angefahren werden kann. Als Effektor 8 ist ein Fluidstrahlkopf 9 vorgesehen, der ebenfalls über ein Drehgelenk 6 angebunden ist. Der Fluidstrahlkopf weist mehrere Düsen 20 auf, durch die im Betrieb das Fluid 3 abgegeben wird, vgl. ergänzend auch die Detaildarstellung gemäß Figur 2.
  • Mit dem Manipulator 4 kann der Fluidstrahlkopf 9 relativ zu einer Faseraufnahme 25 bewegt werden, auf welcher im vorliegenden Beispiel das Fasergebilde 2 ohne seitliche Einfassung etc. aufliegt. Damit dieses eine schematisch gezeigte dreidimensionale Struktur erhält, kann es im Inneren bspw. eine Stützstruktur aufweisen, z. B. ein Drahtgestell. Alternativ oder zusätzlich kann eine dreidimensionale Struktur auch von einer dreidimensional geformten Oberfläche der Faseraufnahme 25 vorgegeben werden, s. u. im Detail. Die Faseraufnahme 25 weist hier nicht dargestellte Löcher auf, durch die das Fluid, vorliegend also das Wasser, nach dem Einwirken auf das Fasergebilde 2 nach unten abgeführt wird. Unterhalb der Faseraufnahme 25 ist eine Wanne 26 angeordnet, in dieser wird das Restwasser 27 gesammelt, und es kann bspw. rezirkuliert und wieder dem Fluidstrahlkopf 9 zugeführt werden (nicht dargestellt).
  • Mit der Relativbewegung zwischen Faseraufnahme 25 und Fluidstrahlkopf 9 wird dessen Position relativ zum Fasergebilde 2 angepasst. Es können gezielt unterschiedliche Stellen des dreidimensional geformten Fasergebildes 2 angefahren werden, um die Fasern bereichsweise zu verfestigen bzw. im Vergleich zum übrigen Fasergebilde 2 noch stärker zu verfestigen.
  • Wie im Einzelnen auch in Figur 2 gezeigt kann nicht nur die Position des Schwerpunkts 28 des Fluidstrahlkopfes 9 relativ zum Fasergebilde 2 verändert werden, sondern auch ein Einfallswinkel 30. Diesen schließt eine Haupt-Ausgaberichtung 31 der Düse 20 mit der Faseraufnahme 25 bzw. dem Fasergebilde 2 ein. In anderen Worten kann der Fluidstrahlkopf 9 relativ zum Fasergebilde 2 verkippt werden, kann also ein jeweiliger Wasserstrahl 21 gezielt schräg auf das Fasergebilde 2 geführt werden und/oder kann im Falle einer konturierten Oberfläche der Einfall mit dem Verkippen auch konstant gehalten werden.
  • Figur 3 illustriert eine alternative Faseraufnahme 25, die gewissermaßen schüsselförmig ausgebildet ist. Dementsprechend hat eine Oberfläche 35, an welche sich das hier nicht dargestellte Fasergebilde anlegt, eine konkave Krümmung. Mit dieser vorgeformten Oberfläche 35 kann dem Fasergebilde eine Form vorgegeben werden, kann also vorliegend ein schalenförmig gekrümmtes Formteil erstellt werden. Dieses kann z. B. als Einsatz für ein Kleidungsstück genutzt werden, etwa für einen Büstenhalter.
  • Für eine Kleinserien- oder Prototypenherstellung kann die Faseraufnahme 25 bspw. individuell angepasst in einem 3D-Druckverfahren hergestellt werden. In der Oberfläche 35 sind eine Vielzahl Löcher 36 zu erkennen, die wie vorstehend geschildert dem Abführen des Fluids dienen.
  • Figur 4 zeigt eine Vorrichtung 1, die hinsichtlich des Manipulators 4 und des Fluidstrahlkopfes 9 vergleichbar zu jener gemäß Figur 1 aufgebaut ist. Im Unterschied dazu ist die Faseraufnahme 25 jedoch nicht ortsfest vorgesehen, sondern ist sie an einem weiteren Manipulator 40 angeordnet. Die Faseraufnahme 25 bildet also dessen Effektor 41. Damit können die Faseraufnahme 25 und der Fluidstrahlkopf in eine Vielzahl unterschiedliche Relativpositionen gebracht werden, kann das (hier nicht dargestellte) Fasergebilde also von "oben" und "unten" bzw. seitlich verfestigt werden. Um ein Herausfallen zu verhindern, ist die Faseraufnahme in Form eines Käfigs 45 vorgesehen, der zum Einlegen und Entnehmen des Fasergebildes aufklappbar ist. Der weitere Manipulator 40 ist analog dem Manipulator 4 als Mehrachs-Roboter mit mehreren Gelenkarmen 42 aufgebaut, die über Drehgelenke 43 miteinander verbunden und an einer gemeinsamen Basis 44 angeordnet sind.
  • Figur 5 zeigt eine Vorrichtung 1, die im Prinzip jener gemäß Figur 1 vergleichbar ist, wobei der Manipulator 4 mit dem Fluidstrahlkopf 8 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Die Vorrichtung 1 ist zusätzlich mit einer Faser-Ausgabeeinheit 50 ausgestattet, an der Fasern 51 ausgegeben und auf die Faseraufnahme 25 bzw. das Fasergebilde 2 aufgebracht werden können. Die Fasern 51 können bspw. aufgesprüht, also durch Druckluft in Richtung der Faseraufnahme 25 beschleunigt werden. Die Faser-Ausgabeeinheit 50 ist auf zwei linearen Achsen 55,56 bewegbar gelagert, vorliegend an einem Portalroboter aufgehängt. Sie kann damit flächig über die Faseraufnahme 25 bewegt werden, wobei sich durch gezieltes Ein- und Ausschalten der Faserausgabe selektiv in vordefinierten Bereichen Fasern 51 aufbringen lassen.

Claims (17)

  1. Vorrichtung (1) zum Verfestigen eines Fasergebildes (2) mittels eines Fluids (3), mit
    einem Fluidstrahlkopf (9), der eine Düse (20) zum Ausgeben des Fluids (3) aufweist,
    einem Manipulator (4), und
    einer Faseraufnahme (25) zum Anordnen des Fasergebildes (2),
    wobei der Fluidstrahlkopf (9) als Effektor (8) an dem Manipulator (4) angeordnet ist,
    und wobei der Manipulator (4) solchermaßen vorgesehen ist, dass damit der daran angeordnete Fluidstrahlkopf (9) in mindestens zwei Raumrichtungen (10.1, 10.2, 10.3) relativ zu der Faseraufnahme (25) bewegbar ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Manipulator (4) solchermaßen vorgesehen ist, dass damit der daran angeordnete Fluidstrahlkopf (9) in drei Raumrichtungen relativ zu der Faseraufnahme (25) bewegbar ist.
  3. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Manipulator (4) solchermaßen vorgesehen ist, dass in einer jeweiligen Relativposition des Fluidstrahlkopfes (9) zur Faseraufnahme (25) ein Einfallswinkel (30), den eine Haupt-Ausgaberichtung (31) der Düse (20) mit der Faseraufnahme (25) einschließt, veränderbar ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher eine Oberfläche (35) der Faseraufnahme (25), die zur Anlage an das Fasergebilde (2) vorgesehen ist, zumindest bereichsweise gewölbt ist.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher eine Oberfläche (35) der Faseraufnahme (25), die zur Anlage an das Fasergebilde (2) vorgesehen ist, eine Vielzahl Öffnungen (36) zum Abführen des aus der Düse (20) ausgegebenen Fluids (3) nach der Einwirkung auf das Fasergebilde aufweist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher zumindest ein Oberflächenteil der Faseraufnahme (25), welches eine zur Anlage an das Fasergebilde (2) vorgesehene Oberfläche (35) bildet, ein generativ gefertigtes Bauteil ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen weiteren Manipulator (40) aufweist, wobei die Faseraufnahme (25) als Effektor (41) an dem weiteren Manipulator (40) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Faser-Ausgabeeinheit (50) aufweist, mit der Fasern (51) auf die Faseraufnahme (25) bzw. das Fasergebilde (2) aufgebracht werden können.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Fluidstrahlkopf (9) höchstens 500 Düsen zum Ausgeben des Fluids (3) aufweist, vorzugsweise höchstens 10 Düsen.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Düse (20) oder Düsen (20) auf dem Fluidstrahlkopf (9) insgesamt eine Fläche von höchstens 5 cm2 einnehmen.
  11. Verfahren zum Verfestigen eines Fasergebildes (2), insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    bei welchem Verfahren ein Fluidstrahlkopf (9), der eine Düse (20) aufweist, und eine Faseraufnahme (25), in der ein Fasergebilde (2) angeordnet ist, mittels eines Manipulators (4) in mindestens zwei Raumrichtungen relativ zueinander bewegt werden,
    wobei bei dieser Relativbewegung zumindest zeitweilig zum Verfestigen des Fasergebildes (2) aus der Düse (20) des Fluidstrahlkopfes (9) ein Fluid (3) ausgeben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das fertig verfestigte Fasergebilde (2) bereichsweise unterschiedliche Eigenschaften hat.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die bereichsweise unterschiedlichen Eigenschaften des Fasergebildes (2) zumindest auch durch Fasern bedingt sind, die sich in den unterschiedlichen Bereichen des Fasergebildes (2) in zumindest einem von ihrer Länge, ihrer Dicke, ihrem Material und ihrer Farbe unterscheiden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welchem das Fasergebilde (2) bereits vor dem Verfestigen eine dreidimensionale Form hat.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Fasergebilde (2) vor dem Verfestigen aus mehreren dreidimensionalen Florbausteinen zusammengesetzt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei welchem in einem anderen Betriebsmodus mit dem aus der Düse (20) des Fluidstrahlkopfes (9) ausgegebenen Fluid (3) ein Teil des Fasergebildes (2) auf- oder abgetrennt wird.
  17. Verfahren zum Herstellen eines Formteils für ein Karosserieteil, ein Gehäuseteil, ein Kleidungsstück, ein Sitz- oder Rückenlehnenpolster, ein Verpackungspolster oder ein Isolier- bzw. Dämmbauteil durch Verfestigen eines Fasergebildes (2) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13.
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