JP2014509270A - 予備成形品を製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

熱可塑性マトリックスを有する繊維強化予備成形品を製造するための方法において、まず、個々の予備切断品（１１，２５）が繊維強化半完成製品、例えばフィルム、パネル、ウェブまたはリボンから作り出され、前記予備切断品は、自動輸送手段（１３，２７）により保管範囲へ運ばれ、且つその後、予備成形品を形成するためにスポット溶接により結合される。

Description

本発明は、請求項１のおいて書き部による熱可塑性マトリックスを有する繊維強化予備成形品を製造するための方法及び繊維強化予備成形品を自動製造するための装置に関する。

熱可塑性マトリックスを有する繊維複合ワークピースのいわゆる予備成形品を製造すること自体は公知である。まず、正確な構造及び繊維配向を有する個々の予備切断品が、半完成製品、例えば繊維強化されたフィルム、リボンまたはパネルなどから切断され、これら予備切断品は、その後、対応するツール上に手動で正確に位置決めされ、最終的に小さな溶接スポットにより結合される。

予備成形品を製造するためのこれら公知の且つ手動で実行される方法は、極めて時間がかかり、且つ連続製造に対して条件を満たさない。予備成形ツール上の異なる位置への、繊維強化予備切断品の幾何学的な位置決めを高い精度で再現できることも重要である。

従って、本発明の目的は、説明した方法の実施を促進させることである。

従って、請求項１の表現による予備成形品を製造するための方法が提案される。

まず、個々の予備切断品が繊維強化半完成製品、例えばフィルム、リボンまたはパネルなどから作り出されることと、これら予備切断品が、自動輸送手段により保管範囲、例えば予備成形ツールに運ばれ、その後、予備成形品を形成するためにスポット溶接により互いに結合されることと、が提案される。

一実施形態によれば、予備切断品が、繊維強化半完成製品、例えばフィルム、パネル、ウェブ、リボンなどから所定の形状及び繊維方向に作り出され、これら予備切断品は、少なくとも１つの自動輸送手段により予備成形ツール上に互いに近似的に正確に設置され且つ位置し、且つ積まれる予備切断品は、スポット溶接により互いに結合されることが提案される。予備切断品の製造は、いわゆるカッター、プレス加工、切断ブレードなどにより達成され、一実施形態によれば、自動輸送手段は、それぞれの再び置かれた作り出された予備切断品をピックアップするための少なくとも１つの把持部材を有した１つまたはいくつかのロボットであることが提案される。

さらなる実施形態によれば、予備切断品を一時的に保管するために、少なくとも１つの中間保管部を設けることができる。中間保管部は、例えば垂直自動回転式コンベヤーであり、該垂直自動回転式コンベヤーにおいて予備切断品は、予備成形品を製造するために設けられた引き出し状の複数の支持プレート内に、しかも類似の予備切断品の支持プレート上、又は全ての予備切断品のための同一の支持プレート上の何れかに、保管される。

自動輸送手段は、例えば１つ以上の関節アームを有したロボットであり、ロボットの関節アームは、調節可能な吸着カップ及び場合により１つまたはいくつかの超音波溶接ユニットを有した把持部材を有している。

本発明の方法のさらなる実施形態は、従属請求項に特徴付けられている。

説明される本発明の方法は、回転対称または近似的に回転対称な予備成形品、例えば：
− 卵型、矩形、六角形管形状、円錐管形状（開放または閉鎖されている）
− 壁の厚さが変わる管形状
− 壁の強度を必要とするボルト取付具
− 分岐した管形状
− 湾曲した管形状
− 二次元要素、例えばドアユニット、交差部材など
を製造することに特に適している。

この点に関し、ホイールリムの製造が例として与えられる。さらに、装置は、請求項７の表現による繊維強化予備成形品の自動製造のために提案される。

装置は、繊維強化半完成製品、例えばフィルム、リボン、パネルなどから予備切断品を作り出すための少なくとも１つの二次元切断デバイスと、ピックアップ及び適用できる場合に予備成形ツール上に予備切断品を置くための少なくとも１つの自動輸送手段と、予備切断品が積まれ且つ予備成形の開始後に動くことができるように構成された予備成形ツールと、を有している。

本発明の装置のさらなる実施形態は、従属請求項に特徴付けられている。

本発明は、例として且つ添付の図面を参照してより詳細にこれから説明される。

３つの段階：繊維強化予備切断品の切断段階、一時的な保管段階及び移動段階における、本発明の方法の考えられる実施形態を図式的に示している。 繊維強化予備切断品のいくつかの実施形態を示している。 半完成材料のロールから予備切断品を切断する段階を図１から部分的に示している。 予備切断品を中間保管部へ運び、その後、ロボットにより予備切断品を移すことを図１から部分的に且つ図式的に示している。 予備切断品を中間保管部から予備成形ツールへ運び、且つスポット溶接により予備成形品を作り出すことを図式的に且つ図１から部分的に示している。 いわゆるリボルバー式回転システムによる予備成形ツールの考えられる実施形態を側面図で示している。 いわゆるリボルバー式回転システムによる予備成形ツールの考えられる実施形態を断面図で示している。 自動車用のホイールリム予備成形品を作り出すための予備成形ツールを断面図で図式的に示している。 中間保管部を使用していない本発明の方法のさらなる実施形態を図式的に示している。 二次元的予備成形品を平行に作り出すための本発明の方法のさらなる実施形態をさらに図式的に示している。

図１は、３つの段階、すなわち、半完成材料のロールの切断段階と、繊維強化予備切断品の保管段階と、そして輸送及び予備成形品の溶接段階と、における方法の考えられる実施形態を図式的に示している。

段階１では、特に図３にも表されるように、工程は、例えば炭素繊維強化予備切断品（ＣＦＲＰ）１１が１つまたはいくつかの炭素繊維バンド（半完成材料のロール）７から切り取られる例えば二次元切断機（カッター）９で始まる。工程を促進させるために、カッター９上に付加的切断ツールユニットを取り付けることができる。切断されたＣＦＲＰは、それらの形状によりロボット１３で分類されて中間保管部２３内に設置される（段階２）。ロボット１３の選択は、切断機９と中間保管部２３との間の移動要件に基づいてなされ、例えば二次元直線運動及びＺ方向の移動が挙げられる。従って、選択の幅は、例えば異なる２つのロボットモデル、例えばＳＣＡＲＡロボットまたはポータルロボットまで狭められる。例えばＳＣＡＲＡモデルが選択されると、ＳＣＡＲＡモデルは、横に設置されたトラック軸１７を有する走行デバイス上に取り付けられ、可動性及び範囲を増大させる。

切断機９におけるそれぞれのカッターにより半完成材料のロール７から切り取られた考えられる予備切断品１１ａから１１ｅのいくつかの例は、図２に表されている。これは、単なる選択例であり、予備切断品の考えられる形状を限定しない。当然ながら、異なる厚さを有する半完成材料のロールを使用することによって、対応する異なる厚さを有する予備成形品を作り出すことも可能である。半完成材料のロールの代わりに、異なる厚さを有するリボンまたはパネルを使用することも可能である。

上述したように、ＣＦＲＰは、半完成材料のロールまたはパネルなどからカッター９で切断され、その後、ロボット１３が把持部材１５でそれらをつかむまでコンベヤーベルトでカッターからさらに動かされる。それぞれをピックアップするピックアップ座標は、切断機からロボットコントローラへ直接送られる。

図４による第２段階では、ロボットコントローラは、中間保管部が所望の場所でＣＦＲＰ２１を保管できるように、保管コントローラから中間保管部内の保管場所１９の位置の伝達を受ける。中間保管部は、（例えばパターノスターシステムを有する）例えば垂直自動回転式コンベヤー(carousel)である。この解決法は、個室内に十分なスペースの利用を提供し、そこに例えば引き出し１９を重ねることができる。矩形外形を有する予備切断ブリスターの形態にさまざまな形状のＣＦＲＰ２１を使用することができる。この場合、ＣＦＲＰの保管及びピックアップは、同じピックアップ位置に起因して極めて容易になされる。中間保管部２３には、引き出しの回転運動及びＣＦＲＰの位置などを制御するためにコントローラが設けられている。カッターからＣＦＲＰをピックアップするために、把持部材１５がロボットに設けられており、把持部材は、例えば調節可能な吸着カップを備えている。

特に図４において図式的に表されているように、第１ロボット１３は、中間保管部２３内に、例えば位置１９にＣＦＲＰ２１を保管する。中間保管部２３の反対側では、ＣＦＲＰは、追加的ロボット２７により回収される。図式的に表される回収可能なＣＦＲＰは、反対位置２５にある。

図５に図式的に表されるように、第３段階は、中間保管部から個々のＣＦＲＰ２５を予備成形ツール３９へ導いてＣＦＲＰ２５をツールそれぞれの下層に溶接することによって正確に整列させて留める１つまたはいくつかの関節アームロボット２７で始まる。ロボットコントローラは、保管コントローラから中間保管部２３内のそれぞれのＣＦＲＰ２５の位置を記憶する。ＣＦＲＰの位置決めは、好ましくは、三次元で行われ、且つ同時に行われる運動は、好ましくは、直線軸３１上に留められた例えば６軸ロボットによって実行される。この場合にも、調節可能な吸着カップ及び１つまたはいくつかの超音波溶接ユニットを備えた把持部材２９が、ＣＦＲＰをピックアップするための関節アームロボット双方に設けられている。２つのロボット２７は、ともにまたは独立して動作する。図５に図式的に表されるように、第１ロボットが予備切断品を予備成形ツール上に導き、且つ第２ロボットがそれら予備切断品をともに溶接するか、またはロボット双方が同じ工程を個々に実行することが考えられる。ここでも、ロボットは、それらの可動性を向上させるために走行レール３１に取り付けられてもよい。例えば、図５に且つ図６も参照して表される予備成形ツール３９は、回転軸４７に留められており、これにより、ツールの所定角度での位置決めが可能となり、このため、ＣＦＲＰの留まる位置がツールの上面に毎回配置される。この軸４７は、ロボットの第８軸の運動として制御される。別の変形例では、予備成形ツールを追加的関節アームロボットに取り付ける。

例えば、図５及び図６を参照して示され且ついわゆるリボルバー式回転システムを有した予備成形ツール装置３７は、２つ：直列に取り付けることができる１つまたはいくつかの単一の予備成形ツール３９からなる両（同一の）部分に分けられる。位置Ａとして図５及び図６に表されるように、一方の側が加工されるとともに、他方（位置Ｂ）が、予備成形品をツールから取り除いてその後再び装填するために、取り外されてもよい。２つの予備成形ツール装置の回転は、軸４５回りに回転することができ且つそれ自体がスタンド部材４１によって保持されている接続部材４３により生じる。使用される単一の予備成形ツールの数は、切断手順に依存する：ＣＦＲＰがいくつかのツールのために、例えばホイールリムの製造のために同時に切断される場合、いくつかの個々の予備成形ツールがともに連続的に取り付けられる。従って、図５は、５つのツールをそれぞれ有した予備成形ツール装置の例を示している。図６では、この装置それぞれのリボルバー式回転システムは、図ａに側面図で且つ図ｂに断面図で表されている。２つの予備成形ツール装置を回動させることは、リボルバー式回転システム３７により達成される。工程全体は、制御ソフトウェアにより完全に制御されている。切断外形は、それぞれのＣＦＲＰに対してあらかじめ算出されており、切断機コントローラに送られる。バンド上の切断位置も算出されており、最大の材料利用のために最適化アルゴリズムにより決定されている。

図７は、自動車用ホイールリムツール３９の例に基づいて、ツールが予備成形品を取り外すために予備成形ツールをどのように開くことができるかを示している。ツール３９は、２つに分けられ、且つ点線５１に沿って分離される。予備成形品の形成のために、予備成形ツール３９は、点線５１に沿って分離され、従って、両部分５３及び５５は、予備成形品（図示せず）から横にそれぞれ取り除かれる。

図８は、２段階のみを示す本発明の方法のさらなる実施形態を図式的に示している。図１に表されたものと対照的に、中間保管部は使用されていない。従って、例えば付加的切断ツールは、カッターに全く必要とされない。半完成材料の１つのロール７のみを使用することも可能である。関節アームロボット１３は、吸着カップ及び超音波溶接ヘッドが設けられた把持部材１５により、予備切断品１１をコンベヤーベルトからつかんで溶接工程のために予備成形ツール３９に直接導いている。回転軸４７上に留められた予備成形ツール３９は、ＣＦＲＰの取り付け位置がツールの上面となるように、所定角度で位置している。この軸４７は、ロボットの第７軸の運動として制御されている。

最後に、図９は、異なる性質の予備成形品を製造するための本発明の方法のさらなる実施形態を再び示している。図９に表される設備では、２つの異なる予備成形品が互いに隣り合って平行に製造されており、左側のトラックでは、いわゆる一方向リボン４がリボルバー式保管部上のロール２から裁断機６へ送られる。右側では、ガラスマット強化熱可塑性（ＧＭＴ）パネル７が半完成製品として使用され、これは、打ち抜き機８で切断される。さらなる搬送が双方のコンベヤーベルト１２で起こり、予備切断品１１は、上述した方法と類似した方法で、例えば直線軸１７上に配置されたＳＣＡＲＡロボット１３により、第２段階（３）において垂直自動回転式コンベヤー２３に導かれる。送り区間では、予備切断品２１は、保管され、反対側の予備切断品２５は、最終的な予備成形品を製造するために支持プレートに運ばれる準備ができている。図９による描写では、予備切断品は、例えば矩形または台形のどちらかである。当然ながら、これらは、湾曲していてもよい。パネルの厚さまたはリボンの厚さに応じて、予備切断品の厚さは、異なっている。例えば、ＵＤテープが厚いほど必要な予備切断品は少なくなり、従って敷設時間が短くなる。

また、２．５％の損失が、異なるサイズのＧＭＴパネルに対して見込まれている。

中間保管部に保管された予備切断品は、予備成形テーブル６２であって、それぞれが溶接プロッタ６３を有した、予備成形テーブル６２にそれぞれ隣り合って設置された２つの平行ロボット６１により最終的に保管されており、溶接は、それぞれの溶接ヘッド６５により最終的に行われる。予備成形テーブルは、予備成形ツールを表し、プロッタとして実行され、且つ予備切断品をともに保持し且つ（例えば超音波溶接によって）溶接する機能を引き受ける。

図１から図９に表される動作の順序及び構成は、本発明をより好ましく説明することに適した単なる例である。当然ながら、半完成材料の１つまたはいくつかのロール、パネル、リボンなどから予備切断品を切断する１つまたはいくつかのロボットを設けること、カッターなどにいくつかの切断部材を設けることが可能である。中間保管範囲が設けられる場合、中間保管範囲を異なるように構成し、異なる機構を使用して一時的に保管される予備切断品を保管することも可能である。

また、異なる構成の１つまたはいくつかのロボットが、１つまたはいくつかの予備成形ツール上に最終的に予備切断品を配置するために設けられてもよく、１つまたはいくつかのツールなどが設けられてもよい。本発明の方法は、炭素繊維強化材料に全く限定されるものではなく、他の強化材料、例えばガラス繊維、アラミド繊維、ＰＥ繊維、バサルト繊維などが使用されてもよい。

半完成材料における繊維の比率は、要件により自由に選択されてもよい。例えば、比率は、体積百分率で３０−６０で構成してもよい。繊維配列は、一方向であっても、織布または不織布として存在するものであっても、繊維マットなどとして実現されてもよい。

また、例えば選択される熱可塑性ポリマーといったマトリックスシステムの選択は、予備成形品それぞれの構成要素に対してあてられる要件に基づく。例としては、ポリプロピレン、ＨＤポリエチレン、ポリアミド６，１１または１２、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＯＭ、ＰＰＳなどである。

説明したロボットは、例であり、あるいは例えば６軸の関節アームロボットであり、当然ながら、異なって構成されたロボットを使用することも可能である。同じことが、例えば溶接ユニットが配置された把持部材に対して異なる箇所で同時に溶接する可能性を与える。

再び、予備成形ツールの用語、図５及び図６を参照して説明した予備成形ツールは、単なる例を表している。最後に、装置全体の制御は、個々の器具が互いにつながるように、できる限り自動化されるべきである。

７ 半完成製品、９ 切断デバイス、１１ 予備切断品、１３ ロボット、１９ 支持プレート、２３ 中間保管部、２７ ロボット、２９ 把持部材、３７ リボルバー式回転システム、３９ 予備成形ツール

Claims (14)

1. 熱可塑性マトリックスを有する繊維強化予備成形品を製造するための方法において、
   まず、個々の予備切断品が繊維強化半完成製品、例えばフィルム、パネル、ウェブまたはリボンから作り出され、
   前記予備切断品は、自動輸送手段により保管範囲へ運ばれ、且つその後、予備成形品を形成するためにスポット溶接により結合されることを特徴とする方法。
2. − 前記繊維強化半完成製品、例えばフィルム、シート、ストリップ、パネルなどから、予備切断品が所定の形状及び繊維配向に作り出され、
   − 前記予備切断品は、少なくとも１つの自動輸送手段により予備成形ツール上に位置し、
   − 保管された個々の予備切断品は、小さな溶接スポットによりともに結合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記予備切断品は、前記繊維強化半完成製品から、いわゆるカッター、打ち抜き、ブレード、切断ツール、レーザ切断、ウォータジェット切断などにより作り出されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記予備切断品は、まず、中間保管部へ運ばれて該中間保管部で一時的に保管され、
   一時的に保管された前記予備切断品は、その後、前記予備成形ツール上へ運ばれることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記予備切断品を、適用可能な前記切断デバイスから少なくとも１つの中間保管部を通じて前記予備成形ツールへ運ぶことは、少なくとも１つのロボットであって、前記予備切断品をピックアップし且つ最終的に前記予備切断品を前記予備成形ツール上に積むための少なくとも１つの把持部材を有した、少なくとも１つのロボットにより行われることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記中間保管部は垂直自動回転式コンベヤーであり、該垂直自動回転式コンベヤーにおいて前記予備切断品は、予備成形品を製造するために設けられた引き出し状の複数の支持プレート内に、しかも類似の予備切断品の支持プレート上、又は全ての予備切断品のための同一の支持プレート上の何れかに、保管されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. いわゆる繊維強化予備成形品を自動的に製造するための装置において、
   − 予備切断品を作り出すための少なくとも１つの二次元切断デバイスまたは打ち抜きデバイスと、
   − 前記予備切断品を受けて予備成形ツール上に積むことを適用できる少なくとも１つの自動輸送手段と、
   − 前記予備切断品が積まれる予備成形ツールであって、予備成形が開始された後に該ツールが形成される、予備成形ツールと、
   を特徴とする装置。
8. 少なくとも１つの中間保管部と、切断デバイスまたは打ち抜きデバイスと中間保管部との間の少なくとも１つのロボットのような輸送手段と、中間保管部と予備成形ツールとの間の少なくとも１つのロボットのような輸送手段と、が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 少なくとも１つの前記輸送手段は、平行であり、ＳＣＡＲＡロボットであるかまたはロボットコントローラによって制御可能なポータルロボットであることを特徴とする請求項７または８に記載の装置。
10. 少なくとも１つの前記自動輸送手段は、調節可能な吸着パッド、アイスグリッパ、ニードルグリッパを有し且つ１つまたはいくつかの超音波溶接ユニットを適用できる少なくとも１つの把持部材を有したロボットであることを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも１つの前記自動輸送手段は、直線軸に取り付けられ且つ少なくとも６軸ロボットであるいわゆる関節アームロボットであることを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記中間保管部は、いわゆる回転式コンベヤーであることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記予備成形品それぞれの予備成形ツールは、いわゆるリボルバー式回転システム上に設置されており、前記リボルバー式回転システムは、予備成形ツールを備えた２つの位置であって、一方の位置が、前記予備成形品を形成するために前記予備切断品を移動させ且つ溶接させるために設けられ、他方の位置が、完成した予備成形品を取り外すために設けられている、２つの位置を有していることを特徴とする請求項７から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 自動車用ホイールリムを製造するための請求項７から１３のいずれか一項に記載の装置における請求項１から６のいずれか一項に記載の方法の使用。