WO2022101134A1 - Vorrichtung zum verfestigen eines fasergebildes - Google Patents

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WO2022101134A1
WO2022101134A1 PCT/EP2021/080933 EP2021080933W WO2022101134A1 WO 2022101134 A1 WO2022101134 A1 WO 2022101134A1 EP 2021080933 W EP2021080933 W EP 2021080933W WO 2022101134 A1 WO2022101134 A1 WO 2022101134A1
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fiber
fiber structure
jet head
fluid jet
manipulator
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PCT/EP2021/080933
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Marc Jolly
André Lang
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Norafin Industries (Germany) Gmbh
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    • 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
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    • 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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    • D04H18/00—Needling machines
    • D04H18/04—Needling machines with water jets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a device for consolidating a fibrous structure by means of a fluid.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying an advantageous device for consolidating a fibrous structure.
  • this is achieved with the device according to claim 1 .
  • This has 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 arranged on a manipulator and can be moved with it in at least two spatial directions relative to the fiber holder.
  • the entire fiber structure does not or does not necessarily have to be solidified, but this can also be done only in defined areas by appropriate positioning of the fluid jet head.
  • a locally limited solidification z. B an increased degree of solidification in some areas can be achieved (the fibers are locally more intertwined). This can, for example, open up optical design options, e.g inscribing a line, etc. (patterns, lettering, etc.).
  • the fiber structure can also be multi-layered, with the locally limited solidification z. B. connecting the layers similar to a quilting is possible, with high flexibility.
  • the article is not limited to a two-dimensional sheet or sheet material.
  • the fluid jet head can also be moved with the manipulator relative to a three-dimensionally shaped fiber structure which, for example, extends in the direction of thickness in addition to the extension in the two surface directions, 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 damping or soundproofing, applications in body construction etc. are also possible, see below in detail.
  • a three-dimensional fiber structure can be produced, for example, by stacking fiber building blocks and/or fiber layers, and the fluid jet head can then be guided, for example, in a targeted manner into connection areas with the manipulator.
  • the fiber structure can also be solidified overall, for example with a different exposure time and/or varying pressure of the fluid in some areas.
  • the combination of manipulator and fluid jet head opens up various possible applications, e.g. B. a high flexibility.
  • selective hardening in which only the areas required for the finished product are actually hardened and, for example, edge areas remain unhardened, e.g. B. be left 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 used again with less effort, i.e. phased into production again.
  • the nozzle of the fluid jet head can, for example, have an opening width of at least 50 ⁇ m, more preferably at least 70 ⁇ m or 80 ⁇ m. Possible upper limits can be, for example, at most 1 mm, further and particularly preferably at most 0.3 mm or 0.2 mm. A circular opening can be preferred, so the width information should be read on the opening diameter. In detail, the width can also depend on the type of fluid; Although the subject matter of the invention is preferably not limited to hydroentanglement in general, air or, in general, a gaseous fluid can also be provided as an alternative.
  • the fluid jet head can have exactly one or more nozzles, see below in detail.
  • the fiber structure can be made up of continuous and/or staple fibers.
  • the fibers can be arranged next to one another in an essentially unconsolidated state in its initial state, so it can be an unconsolidated web, for example.
  • the fibers are connected due to the fiber-fiber entanglement.
  • the fibers can also be held together with a binder, but they are preferably held together in the fully consolidated fiber structure without a binder (without a binder), preferably solely because of the fiber entanglement.
  • the latter can be advantageous for ecological and economic reasons, for example, and can be made possible by targeted solidification with a manipulator and fluid jet head.
  • the fiber holder can, for example, be a support on which the fiber structure is placed. In a simple case, it can be a flat surface, but contours are also possible, see below in detail.
  • the fiber holder can also be, for example, a cage in which the fiber structure is held and is accessible from different sides, e.g. B. from above and also from 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 z. B. already realize the relative mobility according to the main claim in at least two spatial directions.
  • the manipulator is designed in such a way that the fluid jet head arranged therein can be moved in three spatial directions.
  • the "spatial directions" refer to a stationary coordinate system.
  • relative positioning in the x and y directions is possible, and relative positioning in the z direction is then preferably also possible (x, y and z directions are, for example, perpendicular to one another).
  • the x and y directions can, for example, coincide with its surface directions and the z direction with the thickness direction.
  • the relative mobility can be realized differently mechanically, so there are several possibilities for the relative arrangement and storage of the axes of the manipulator.
  • This can be constructed, for example, as a portal robot, i.e. with linear guides (on two or three mutually perpendicular axes).
  • the manipulator is preferably provided as an articulated arm robot, e.g. B. as a 5-, 6- or 7-axis articulated arm robot, as a dual-arm robot, palletizing robot or SCARA robot.
  • An articulated arm robot can, for example, allow the fluid jet head to be guided in a particularly flexible manner, which can therefore be adapted to different fiber structure geometries.
  • the manipulator is preferably controlled with or by a programmable control unit, which can be integrated or connected as an external computer via an interface. Insofar as certain method sequences are described here, this is therefore also to be read as a disclosure to the effect that the control unit is set up to cause the manipulator to take corresponding steps.
  • the manipulator is provided in such a way that the fluid jet head can not only be displaced relative to the fiber holder, but can also be tilted.
  • the angle of incidence can be changed by tilting, which includes the main output direction of the nozzle with the fiber holder. This can be adjusted during operation of the angle of incidence at which the fluid hits the surface of the fiber structure.
  • a different angle of incidence can be selected in different areas. In the case of a fibrous structure with a contoured surface, the angle of incidence can be kept constant with the tilting, for example, also across the fibrous structure.
  • a surface of the fiber receptacle, against which the fiber structure rests during operation is curved at least in regions. Seen from the fiber structure, ie viewed from the cavity provided for receiving the fiber structure, this curvature can be concave or convex; a combination of partially concave and partially convex design is also possible. With the curvature, the fiber structure can be given a corresponding shape. The fiber structure itself can be introduced into the fiber holder as an originally flat material or it can also be pre-contoured.
  • a surface of the fiber holder on which the fiber structure rests is provided with a large number of openings.
  • the surface can, for example, be formed by a grid, where z. B. the bars or wires of the grid together limit the openings.
  • the openings z. B. be provided as holes in a surface, z. B. as perforations of a flat material (e.g. a sheet metal) or as openings of through-channels in a flat or volume material.
  • a flat material e.g. a sheet metal
  • the fluid discharged via the fluid jet head can be discharged through the openings, ie after it has acted on the fiber structure.
  • the holes can, for example, be distributed in the form of a grid in the surface, regardless of whether it is curved (in some areas) or flat.
  • the surface of the fiber holder does not have to be a continuous area, it can also be formed by several separate subareas.
  • several fiber receiving elements can be arranged next to one another, each of which forms a partial surface area.
  • the fiber receiving elements can be rods, for example, which are arranged next to one another in a bundle, with the end face of the respective rod forming the respective partial surface area of the surface.
  • the fiber receiving elements arranged next to one another can also be provided so as to be displaceable relative to one another, so that different contours can be set as required, ie different surface profiles.
  • the rods these can be mounted displaceably along their longitudinal axis, so that the partial surface areas at the ends can be brought into different relative positions by relative displacement of the rods and different surface contours can thus be set.
  • the fiber holder can be a coherent, generatively manufactured part, but it can also have a multi-part structure. In this case, it can be composed of a plurality of surface parts that are each generatively manufactured and/or can also include one or more conventionally manufactured surface parts. The latter can, for example, set a basic form that depends on the desired product is or will be supplemented with one or more generatively manufactured and thus individually tailor-made surface parts.
  • the fiber holder Insofar as a “surface part” of the fiber holder is mentioned in this context, this relates to a part with a surface for the fiber structure to rest on, which the fibers therefore rest on during operation.
  • the fiber holder can of course include assembly 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 shapeless or shape-neutral material using a computer model (e.g. CAD model). B. takes place in layers and one of the shape specifications from the computer model corresponding area is applied or solidified for each layer.
  • the generatively manufactured part can in particular be a 3D printed part, which is therefore built up in layers with a print head dispensing the material.
  • the material can e.g. B. be plastic, but also a metallic surface part is possible (production z. B. by laser sintering or in a powder bed process).
  • a method for producing a device for strengthening a fiber structure, as discussed in the present case, is also to be disclosed, wherein at least one surface part of the fiber receptacle is produced generatively, in particular in one of the methods just mentioned.
  • the device has a further manipulator on which the fiber holder is arranged as an effector.
  • the fiber holder can be moved, viewed in a stationary coordinate system, for example in at least two or preferably three spatial directions.
  • the additional manipulator reference is made to the above disclosure; Since both the fluid jet head and the fiber holder are each arranged on a manipulator, they can be brought into different relative positions in a particularly flexible manner. From suspension apart from points etc., the fiber holder can in principle be accessible from all directions.
  • the fiber holder can be designed as a cage, for example, which can prevent the fiber structure from falling out, regardless of its orientation in the stationary coordinate system.
  • the cage can, for example, be hinged so that the fibrous structure can be easily inserted and removed again after it has solidified.
  • a method is also to be disclosed in which the fibrous 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 fibrous structure).
  • the device has a fiber output unit, with which fibers can be applied to the fiber holder and/or the fiber structure already arranged there during operation.
  • the fibers can simply fall out; they are preferably 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 takes the fibers with it, these attach themselves to the fiber holder or the fiber structure.
  • the fiber holder and the fiber dispensing unit are movable relative to one another; particularly preferably, the fiber dispensing unit can be movably mounted, viewed in a stationary coordinate system, for example, it can be arranged on a portal robot.
  • the fiber dispensing unit can preferably be moved over the fiber receptacle, with fibers then being dispensed in certain areas in a preferred application and no fibers being dispensed in certain areas, or at least a smaller number of fibers being dispensed.
  • a fiber structure can be built up with different properties in some areas (see above), for example different fibers can also be applied sequentially and/or more fibers can be output in some areas.
  • the structure of the fiber structure can, for example, successively in several layers.
  • B. 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 at most 500 nozzles for dispensing the fluid, in the order of naming increasing preferably at most 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, with the lower and upper limits also being 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, with an upper limit being 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 for dispensing the fluid can be changed during operation.
  • the fluid can, for example, be discharged at all nozzles of the fluid jet head in order to act on a large area of the fiber structure, whereas in another operating mode the fluid can be discharged, for example, only at some or just one of the nozzles in order to to affect a smaller area and thus to structure it more finely.
  • the area of the fluid jet head occupied by the nozzle or nozzles can also be limited, in other words a not too large-area distribution of the nozzles can be preferred. This can, for example, in turn offer advantages with regard to accuracy and thus also flexibility (accessibility of fine structures).
  • the area occupied by the nozzle or nozzles, i.e. all nozzles of the fluid jet head, can 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 in which they are named ).
  • a lower limit can be Ren diameter result (see above), in the case of several nozzles, further lower limits can be, for example, at 0.1 cm 2 , 0.25 cm 2 or 0.5 cm 2 . In the case of a plurality of nozzles, the area is determined on the basis of an envelope placed around them, ie as the surface area enclosed by it.
  • the fluid jet head has a plurality of nozzles, it may be preferred to align them in such a way that their main discharge directions are essentially parallel to one another.
  • Essentially parallel means, for example, tilted by no more than 10° to one another, increasingly preferably no more than 8°, 6° or 4° in the order in which they are named. Within the scope of what is technically possible, an exactly parallel orientation (0°) can also be preferred.
  • the invention also relates to a method for solidifying a fibrous structure, in which a fluid jet head with a nozzle and a fibrous structure are moved relative to one another in at least two, preferably three spatial directions by means of a manipulator.
  • the fiber structure can be arranged in a fiber receptacle described above, where z. B. viewed in a stationary coordinate system, the fiber holder rests and the fluid jet head is moved with the manipulator.
  • the fiber holder can generally also be moved in the stationary coordinate system and thus the fiber structure can be moved with the manipulator, for example a cage-shaped fiber holder. Combinations are also possible, ie both a movement of the fiber holder and of the fluid jet head (in each case considered in the stationary coordinate system).
  • the fiber holder can be arranged on a manipulator, for example an articulated arm robot (see above), and the fluid jet head can also be arranged on a manipulator, for example another articulated arm robot.
  • a manipulator for example an articulated arm robot (see above)
  • the fluid jet head can also be arranged on a manipulator, for example another articulated arm robot.
  • the fiber structure has different properties in some areas, specifically in the fully solidified state, ie, for example, when it is removed from the fiber receptacle.
  • the “different properties” can e.g. B. a different fiber density (volume fraction of the fibers per unit volume) and/or different bulk density (weight per unit volume) and/or different pore structure; alternatively or additionally, the fibers can also differ in some areas, e.g. B. a difference in the fiber material and / or the fiber length or thickness possible.
  • Differently colored fibers open up design and labeling options, for example, so the fiber structure can be colored differently in different areas. The property or properties in question can change suddenly from area to area or along a gradient.
  • the fibrous structure already has a three-dimensional shape before solidification, ie it extends not only in two surface directions perpendicular to one another, but also in a thickness direction perpendicular thereto (see above).
  • This expansion in the direction of thickness can in particular vary across the fibrous structure.
  • the fibrous structure can therefore have a contour, for example.
  • the combination with the fluid jet head can be advantageous, for example, in that various 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 fibrous structure, so that this is specifically (regionally) solidified.
  • a “three-dimensional fiber structure” can have an extension 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 expansions are also possible in at least two directions (“flat with contour” variant). Although structures of any size are generally conceivable, possible upper limits can be, for example, 3 m, 2 m or 1 m. According to a preferred embodiment, the fibrous structure is composed of several pile elements, for example several pile layers, before it is solidified. These can e.g. B. comparable to a height profile each structured differently and thus stacked together result in a three-dimensional shape.
  • the pile elements can also be building blocks that are placed one on top of the other in such a way that they result in the desired three-dimensional fiber structure.
  • the fibers can also be brought into the desired shape, for example, in a correspondingly shaped cavity, ie a mold; they can, for example, be blown into the mold.
  • the fluid jet head is not only used for solidification, but in another operating mode a part of the fiber structure is opened up or preferably separated with the fluid jet.
  • the fluid jet head is therefore also used for fluid jet cutting, for example water jet cutting.
  • edge regions that are not required in the fully consolidated fiber structure can be separated and/or one or more holes or generally openings can be made in the fiber structure.
  • such a hole can be used, for example, for assembly, for example for attachment to a body part or housing part.
  • the fluid can be dispensed, for example, with higher pressure and/or from a smaller number of nozzles, and a longer action per unit area is also possible compared to the “solidifying” operating mode.
  • the integration of the additional operating mode can further increase flexibility, e.g. B. no additional equipment is required 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 pad or an insulating or damping component, the molded part in a presently disclosed method is produced by consolidating a fibrous structure.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention with a fiber holder, a manipulator and a fluid jet head;
  • FIG. 2 shows a fluid jet head in a detailed representation
  • FIG. 3 shows a detailed representation of a fiber holder.
  • FIG. 4 shows a further device according to the invention with a manipulator and fluid jet head, the fiber holder also being arranged on a manipulator;
  • FIG. 5 shows a fiber holder with a fiber delivery unit for the selective application of fibers in certain areas.
  • FIG. 1 shows a device 1 for solidifying a fiber structure 2 by means of 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 on the base 7 so that they can rotate horizontally, so that any point within an xyz coordinate system spanned by the spatial directions 10.1, 10.2, 10.3 can be approached within range.
  • a fluid jet head 9 is provided as the effector 8 and is also connected via a rotary joint 6 .
  • the fluid jet head has a plurality of nozzles 20 through which the fluid 3 is discharged during operation, cf. also the detailed representation according to FIG.
  • the fluid jet head 9 can be moved relative to a fiber holder 25, on which the fiber structure 2 rests in the present example without a lateral border, etc.
  • a three-dimensional structure shown schematically it can have a support structure, for example, on the inside, e.g. B. a wire frame.
  • a three-dimensional structure can also be specified by a three-dimensionally shaped surface of the fiber receptacle 25, see below for details.
  • the fiber receptacle 25 has holes, not shown here, through which the fluid, in this case the water, is discharged downwards after it has acted on the fiber structure 2 .
  • a trough 26 is arranged below the fiber receptacle 25, in which the residual water 27 is collected and it can be recirculated, for example, and fed back to the fluid jet head 9 (not shown).
  • the fluid jet head 9 can be tilted relative to the fibrous structure 2, i.e. a respective water jet 21 can be directed obliquely in a targeted manner onto the fibrous structure 2 and/or, in the case of a contoured surface, the incidence with the tilting can also be kept constant.
  • FIG. 3 illustrates an alternative fiber receptacle 25 which is designed in a bowl-shaped manner. Accordingly, a surface 35 against which the fibrous structure (not shown here) rests has a concave curvature. With this preformed surface 35, the fiber structure can be given a shape are, so present a shell-shaped curved molded part can be created. This can e.g. B. be used as an insert for a garment, such as a brassiere.
  • the fiber holder 25 can, for example, be individually adapted using a 3D printing process.
  • a large number of holes 36 can be seen in the surface 35, which, as described above, are used to drain off the fluid.
  • FIG. 4 shows a device 1 which is constructed in a manner comparable to that according to FIG. 1 with regard to the manipulator 4 and the fluid jet head 9 .
  • the fiber holder 25 is not provided in a stationary manner, but is arranged on a further manipulator 40 .
  • the fiber holder 25 thus forms its effector 41.
  • the fiber holder 25 and the fluid jet head can thus be brought into a large number of different relative positions, the fiber structure (not shown here) can thus be strengthened from “above” and “below” or laterally.
  • 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 a plurality of articulated arms 42 which are connected to one another via rotary joints 43 and are arranged on a common base 44 .
  • FIG. 5 shows a device 1 which, in principle, is comparable to that according to FIG. 1, the manipulator 4 with the fluid jet head 8 not being shown for the sake of clarity.
  • the device 1 is additionally equipped with a fiber output unit 50 at which the fibers 51 can be output and applied to the fiber holder 25 or the fiber structure 2 .
  • the fibers 51 can, for example, be sprayed on, ie accelerated in the direction of the fiber holder 25 by means of compressed air.
  • the fiber output unit 50 is movably mounted on two linear axes 55, 56, in this case suspended from a portal robot. It can thus be moved flat over the fiber receptacle 25, which fibers 51 can be applied selectively in predefined areas by switching the fiber output on and off in a targeted manner.

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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

Vorrichtung zum Verfestigen eines Fasergebildes
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 pm aufweisen, weiter und besonders bevorzugt mindestens 70 pm bzw. 80 pm. 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 Aufhängungs- punkten 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 de- ren 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. Ge- staltungs- 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 Florge- bildes 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

Ansprüche
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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, 19 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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