DE102019109788A1

DE102019109788A1 - Faserlegekopf, Faserlegeanlage sowie Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial

Info

Publication number: DE102019109788A1
Application number: DE102019109788.6A
Authority: DE
Inventors: Fabian Zacharias
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, mit- einer Materialzuführung,- einer Ablegeeinheit, und- einer Temperiereinrichtung, die zum Temperieren der dem Faserlegekopf parallel zugeführten und abzulegenden Faserhalbzeuge ausgebildet ist, wobei- die Temperiereinrichtung mindestens zwei elektrische Elektroden aufweist, die zwischen der Materialzuführung und der Ablegeeinheit des Faserlegekopfes angeordnet sind,- wobei die erste Elektrode zum elektrischen Kontaktieren des ersten, dem Faserlegekopf zugeführten Faserhalbzeuges und die wenigstens zweite Elektrode zum elektrischen Kontaktieren des wenigstens zweiten, dem Faserlegekopf zugeführten Faserhalbzeuges ausgebildet ist, und- die Temperiereinrichtung eine Steuereinheit hat, die zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden eingerichtet ist, so dass ein Stromfluss von der ersten Elektrode durch das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug zu der wenigstens zweiten Elektrode derart bewirkt wird, dass die Faserhalbzeuge in einem durch den bewirkten Stromfluss definierten Bestromungsabschnitt temperiert werden, wenn das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserlegekopf zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft ebenso eine Faserlegeanlage mit einem derartigen Faserlegekopf. Ebenso von der Erfindung umfasst ist ein Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Faserverbundwerkstoffe zur Herstellung von Faserverbundbauteile sind heutzutage kaum mehr wegzudenken. Sie finden nicht nur Verwendung in der Luft- und Raumfahrt, sondern mittlerweile auch im Automobilbereich. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile exakter an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
Faserverbundwerkstoffe weisen in der Regel zwei wesentliche Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Durch Aushärten des das Fasermaterial einbettenden Matrixmaterials wird eine integrale Einheit geschaffen zwischen Fasermaterial und Matrixmaterial, wobei durch das ausgehärtete Matrixmaterial die Verstärkungsfasern des Fasermaterials in ihre vorgegebene Richtung gezwungen werden und ermöglichen so die spezifische Lastabtragung in Faserrichtung.
Im Fertigungsprozess kommen neben Faserhalbzeugen wie Gelege oder Gewebe oftmals auch Faserhalbzeuge mit sogenannten Endlosfasern vor, die in der Regel automatisiert mithilfe entsprechender Anlagen auf einem Formwerkzeug zur Herstellung eines Fasergeleges abgelegt werden. Solche Faserhalbzeuge mit Endlosfasern können beispielsweise Rovings, Tapes oder Towes sein. Diese Faserhalbzeuge können trockene Faserhalbzeuge sein, vorbebinderte Faserhalbzeuge oder vorimprägnierte Faserhalbzeuge (sogenannte Prepregs) sein. Bei der Verwendung von trockenen oder vorbebinderten Faserhalbzeugen muss nach der Herstellung des Fasergeleges in dem Formwerkzeug das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial infundiert werden, damit das Matrixmaterial das Fasermaterial einbettet.
Damit die spätere Bauteilform aus den Faserhalbzeugen entstehen kann, werden die Faserhalbzeuge generell in oder auf ein Formwerkzeug abgelegt bzw. drapiert, wobei die Werkzeugoberfläche eine der späteren Bauteilform entsprechende Geometrie oder eine Vorstufe davon aufweist. Insbesondere im automatisierten Herstellungsprozess wird dieser Ablegeprozess (auch häufig Preforming genannt) mithilfe von Faserlegeanlage (beispielsweise Portalanlagen, Roboteranlagen) durchgeführt, bei denen die Endeffektoren Faserlegeköpfe sind. Derartigen Faserlegeköpfen werden Faserhalbzeuge, insbesondere solche mit Endlosfasern, zugeführt, sodass sie in oder auf das Formwerkzeug abgelegt werden können.
Gerade bei großen Bauteilen, wie beispielsweise Flügelschalen oder Rotorblättern von Windkraftanlagen, werden die als Meterware bereitgestellten Faserhalbzeuge großflächig auf die Werkzeugform abgelegt. Insbesondere bei einem mehrlagigen Aufbau des Fasergeleges ergibt sich hierbei dann die Notwendigkeit, die einzelnen Lagen gegeneinander zu fixieren, um ein verrutschen oder verschieben der hochgenaue abgelegten Faserhalbzeuge zu vermeiden. Diese Problematik wird dann noch verschärft, wenn die Faserhalbzeuge auf ein vertikal aufgestelltes Formwerkzeug abgelegt werden sollen.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 B4 eine Faser-Legevorrichtung bekannt, bei der ein Schienensystem um ein in der Mitte vertikal angeordnetes Formwerkzeug verläuft, auf dem Industrieroboter mit Faserlegeköpfen als Endeffektoren verfahrbar vorgesehen sind. Mithilfe der Roboter kann dann Fasermaterial auf dem in der Mitte vertikal angeordneten Formwerkzeug abgelegt werden, um so Fasergelege für die Herstellung großskaliger Faserverbundbauteile herstellen zu können.
Zur Fixierung der Faserhalbzeuge auf den Formwerkzeugen eignen sich z.B. Bindermaterialien, die in Pulverform oder Vliesform in das Faserhalbzeug eingebracht wurden. Durch das Temperieren der Faserhalbzeuge können diese Bindermaterialien dann thermisch aktiviert werden, sodass ein Anheften der einzelnen Faserhalbzeuge bewirkt wird. Bei dem sogenannten Prepregs kann darüber hinaus durch ein erwärmen der Faserhalbzeuge und des bereits vorimprägnierten Matrixmaterials die Klebrigkeit und somit die Adhäsion der Faserhalbzeuge erhöht werden, um ein Anheften der Faserhalbzeuge an dem Formwerkzeug oder vorherigen Faserlagen zu erreichen. Im anschließenden Herstellungsprozess können dann die Faserhalbzeuge zusammen mit dem das Fasermaterial einbettende Matrixmaterial vollständig ausgehärtet werden. Ein weiterer Vorteil von Wärmeenergie bei Prepregs ist die Tatsache, dass erwärmte Prepregs wesentliche bessere Verarbeitungseigenschaften aufweisen, was den automatisierten Prozessschritt deutlich qualitätssicherer gestaltet.
Aus der DE 10 2013 107 103 A1 ist ein Faserlegekopf zum Ablegen von Faserhalbzeugen auf ein Formwerkzeug bekannt, der wenigstens eine elektrische Elektrode aufweist, die mit den dem Faserlegekopf zugeführten Faserhalbzeugen elektrisch kontaktiert ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrode kann dabei ein Stromfluss in den Faserhalbzeugen bewirkt werden, um so in Art einer Widerstandsheizung dass elektrisch leitfähige Fasermaterial der Faserhalbzeuge zu temperieren. Die für den Stromfluss notwendige Gegenelektrode, mit der die Elektrode des Faserlegekopfes zusammenwirkt, um den Stromfluss zu bewirken, kann dabei entweder in dem Faserlegekopf selber angeordnet sein oder wird durch einer elektrisch leitfähige Oberfläche des Formwerkzeuges gebildet. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch aus der DE 10 2011 102 950 A1 bekannt, bei der die Elektroden zum bewirken des Stromflusses in Form von Umlenkrollen in dem Faserlegekopf vorgesehen sind.
Gerade bei Anlagen, bei denen die Elektroden innerhalb des Faserlegekopfes angeordnet sind, muss das abzulegende Fasermaterial immer etwas überhitzt werden, damit es im Moment der Ablage mit der Anpressrolle die richtige Temperatur besitzt.
Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Anpressrolle flexibel sein muss bzw. eine flexible Oberfläche aufweist und daher nicht die Elektrode darstellen kann. Da in diesem Fall die letzte Elektrode in Förderrichtung immer vor der Anpressrolle angeordnet ist, verbleibt ein nicht-temperierter Faserabschnitt, der eine Auskühlung der Faserhalbzeuge bei der Faserablage bewirkt, wodurch eine Unsicherheit bei der Einstellung der optimalen Prozesstemperatur entsteht.
Aus der DE 10 2011 076 463 A1 ist ein Reparaturverfahren für ein Formteil aus einem Kunststoffmaterial bekannt, bei dem ein passives Heizelement in dem Reparaturbereich vorgesehen ist, das berührungslos von außen mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.
Aus der DE 103 530 70 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Binderaktivierung von Faserhalbzeugen bekannt, bei dem in dem Formwerkzeug zwei Elektroden vorgesehen sind, die mit den insbesondere äußeren Randbereichen der Preform in Berührung stehen. Wird nun eine Spannung an die Elektroden angelegt, so erfolgt ein Stromfluss durch die Preform, was zu einer Erwärmung und somit zu einer Binderaktivierung führt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die gesamte Preform erwärmt werden soll, was insbesondere bei einer Preform mit großem Lagenaufbau zu hohen Stromflüssen führt. Denn durch die Anordnung der Elektroden im Formwerkzeug erfolgt in der Regel der Stromfluss durch die unteren Faserhalbzeuglagen, so dass ein Binderaktivierung in höheren Faserhalbzeuglagen nur durch eine hohe Wärmeabstrahlung der unteren Lagen und somit durch einen hohen Stromfluss erreicht werden kann.
Aus der DE 10 2011 108 157 A1 ist ein Formwerkzeug zur Herstellung von Faserverbundbauteilen bekannt, bei dem in dem Formwerkzeug eine Mehrzahl von Induktionsvorrichtungen vorgesehen sind, um so in das Formwerkzeug eingebrachte Faserverbundbauteile mittels Induktion zu erwärmen.
Eine ähnliche Vorrichtung ist auch aus der DE 10 2006 040 049 A1 bekannt, bei dem unter einem Vakuumsack die Faserhalbzeuglagen auf dem Formwerkzeug angeordnet sind. Durch eine Druckdifferenz werden die Kohlenstofffasern aneinander angedrückt, wobei mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes elektrische Ströme in den Kohlenstofffasern zur Binderaktivierung erzeugt werden.
Aus der DE 10 2008 020 564 A1 ist eine Tapelegevorrichtung bekannt, bei der die Anpressrolle so ausgebildet ist, dass mit Hilfe von Infrarotstrahlung oder Induktion die abgelegten Fasertapes mit Wärmeenergie beaufschlagt werden können.
Des Weiteren ist es aus der Praxis bekannt, mittels Laser oder mittels Infrarotstrahlern die Faserhalbzeuge zu erwärmen, um die gewünschten Effekte zu erzielen. Bei Infrarotstrahlern hat es sich als nachteilig erweisen, dass der Energieeintrag in die Faserhalbzeuge nicht zielgerichtet gesteuert werden kann und oft zu gering ist. Laser sind hingegen oft teuer in der Anschaffung und Unterhaltung.
Ein weiterer Nachteil beim Einbringen von Wärmeenergie mittels Ultraschall besteht darüber hinaus darin, dass derartige Anlagen zum einen sehr komplex und aufwendig sind, und zum anderen aufgrund der Ultraschallanregung meist starke Faserondulationen entstehen, die Fehlstellen im Bauteil hervorrufen können und für viele Anwendungen nicht zulässig sind. Induktionsverfahren sind in der Anschaffung sehr teuer und können nicht immer reproduzierbar angewendet werden. Darüber hinaus stellt die erforderliche Abschirmung bei der Verwendung von Mikrowellen ein großes Hemmnis für diese Technologie dar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf sowie ein verbessertes Verfahren zum Legen von Faserhalbzeugen anzugeben, mit denen sichergestellt werden kann, dass die Faserhalbzeuge beim Ablegen auf das Formwerkzeug die gewünschte Prozesstemperatur aufweisen. Es ist im Übrigen auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Faserlegekopf sowie ein verbessertes Verfahren zum Legen von Faserhalbzeugen anzugeben, mit denen der thermische Energieeintrag in das Faserhalbzeug vereinfacht und dennoch prozesssicher durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Faserlegekopf gemäß Anspruch 1, der Faserlegeanlage gemäß Anspruch 7 sowie dem Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Faserlegekopf zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, wobei der Faserlegekopf eine Materialzuführung, eine Ablegeeinheit sowie eine Temperiereinrichtung hat. Mittels der Materialzuführung werden dem Faserlegekopf dabei parallel mindestens zwei Faserhalbzeuge zugeführt, die dann innerhalb des Faserlegekopfes mittels einer Führungseinrichtung, beispielsweise mittels Umlenkrollen, an die Ablegeeinheit geführt werden. Die Ablegeeinheit ist dabei so eingerichtet, dass sie die dem Faserlegekopf parallel zugeführten Faserhalbzeuge parallel auf der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeuges ablegen kann, sodass einem bestimmten Zeitpunkt immer zwei oder mehr Faserhalbzeuge gleichzeitig abgelegt werden können. Der Begriff „parallel“ meint hierbei insbesondere eine zeitliche Parallelität im Sinne von gleichzeitig und kann darüber hinaus auch räumlich verstanden werden.
Eine solche Ablegeeinheit eines Faserlegekopfes kann dabei beispielsweise eine Anpressrolle oder ein Anpressschuh sein. Die Anpressrolle bzw. der Anpressschuh können dabei beispielsweise eine flexible Oberfläche aufweisen, um so Unebenheiten bei der Faserablage ausgleichen zu können. Denkbar ist aber auch, dass die Anpressrolle segmentierte ist, wobei dann vorzugsweise jedem Segment genau ein Faserhalbzeug zugeordnet ist. Der Ablegeeinheit eines gattungsgemäßen Faserlegekopfes wird dabei das Fasermaterial so zugeführt, dass es durch die Ablegeeinheit des Faserlegekopfes auf die formgebende Oberfläche des Formwerkzeuges aufgedrückt und abgelegt werden kann. Hierfür wird das Fasermaterial zwischen Ablegeeinheit und formgebender Oberfläche des Formwerkzeuges geführt, sodass die Ablegeeinheit das Fasermaterial auf die Oberfläche drücken kann.
Des Weiteren weist der gattungsgemäße Faserlegekopfes eine Temperiereinrichtung auf, die zum Temperieren der dem Faserlegekopf parallel bzw. zeitgleich zugeführten und abzulegenden Faserhalbzeuge ausgebildet ist. Die Temperiereinrichtung des erfindungsgemäßen Faserlegekopfes arbeitet dabei in Art einer elektrischen Widerstandsheizung, indem die dem Faserlegekopf zugeführten Faserhalbzeuge bestromt werden.
Erfindungsgemäß wird hierfür vorgeschlagen, dass die Temperiereinrichtung mindestens zwei elektrische Elektroden aufweist, die zwischen der Materialzuführung und der Ablegeeinheit des Faserlegekopfes angeordnet sind, wobei die erste Elektrode zum elektrischen Kontaktieren des ersten Faserhalbzeuges und die wenigstens zweite Elektrode zum elektrischen Kontaktieren des wenigstens zweiten Faserhalbzeuges ausgebildet ist. Die Temperiereinrichtung weist erfindungsgemäß weiterhin eine Steuereinheit auf, die zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden eingerichtet ist, sodass ein Stromfluss von der ersten Elektrode durch das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug zu der wenigstens zweiten Elektrode derart bewirkt wird, dass die Faserhalbzeuge in einem durch den bewirkten stromflussdefinierten Bestromungsabschnitt temperiert werden, wenn das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden sind.
Demnach wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei einem Faserlegekopf, dem parallel mindestens zwei Faserhalbzeuge zugeführt werden, jedes dieser beiden Faserhalbzeuge mit jeweils einer Elektrode elektrisch kontaktiert werden, wobei ein die erste Elektrode, die mit dem ersten Faserhalbzeug elektrisch kontaktiert ist, beispielsweise eine positive elektrische Spannung angelegt wird, während an die zweite Elektrode, die mit dem zweiten Faserhalbzeug elektrisch kontaktiert ist, eine negative elektrische Spannung angelegt wird. Sind beide Faserhalbzeuge in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden, beispielsweise im unmittelbaren Bereich der Anpressrolle oder durch die Anpressrolle selber, wenn diese mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist, so kann ein Stromkreis hergestellt werden, bei dem ein Stromfluss von der ersten Elektrode mit dem Pluspol durch das erste Faserhalbzeug bis zum Brückenbereich und dann von dort durch das zweite Faserhalbzeug bis zu der zweiten Elektrode mit dem Minuspol erzeugt werden kann.
Demnach werden die beiden Faserhalbzeuge jeweils mit nur einer Elektrode elektrisch kontaktiert, wobei diese beiden Elektroden eine voneinander verschiedene Polung aufweisen. Dadurch wird immer in mindestens zwei verschiedenen Faserhalbzeugen ein Stromfluss erzeugt.
Hierdurch kann erreicht werden, dass bis zu dem Brückenbereich ein Stromfluss in beiden Faserhalbzeugen bewirkt wird, sodass bei einer elektrischen Überbrückung im Bereich der Ablegeeinheit die Faserhalbzeuge definiert bis zu der Ablegeeinheit temperiert werden. Hierdurch kann prozesssicher eine Temperierung der Faserhalbzeuge mit der vorgegebenen Prozesstemperatur sichergestellt werden.
Des Weiteren wird die gesamte Temperiereinrichtung eines derartigen Faserlegekopfes gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht, da nunmehr auf die entsprechende Gegenelektrode verzichtet werden kann. Dadurch wird die Anzahl der Elektroden reduziert und somit die kinematischen Masse des Faserlegekopfes. Handelt es sich bei der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeuges um eine elektrisch leitende Oberfläche, so wird der Brückenbereich durch das Formwerkzeug gebildet. Eine zusätzliche Einrichtung für eine elektrische Kontaktierung im Brückenbereich, beispielsweise in Form von elektrischen Niederhaltern, zur elektrischen Verbindung der Faserhalbzeuge kann dann entfallen. Werden die Faserhalbzeuge auf bereits abgelegten Faserhalbzeuge in einer zweiten oder weiteren Faserlage abgelegt, so kann die zuletzt abgelegte Faserlage den Brückenbereich bilden, da die abgelegten Faserhalbzeuge elektrisch leitfähig sind.
Unter Faserhalbzeugen im Sinne der vorliegenden Erfindung werden dabei insbesondere bandförmige, strangförmige und/oder kabelförmige Faserhalbzeuge verstanden. Die Faserhalbzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung enthalten insbesondere Endlosfasern. Derartige Faserhalbzeuge können beispielsweise Rovings, Tapes und/oder Towes sein. Die Faserhalbzeuge weisen dabei elektrisch leitfähige Fasern bzw. Endlosfasern auf, sodass zumindest in Faserrichtung ein Stromfluss bewirkt werden kann, wenn die Faserhalbzeuge elektrisch kontaktiert sind.
Der Brückenbereich kann dabei durch ein elektrisch leitfähiges Formwerkzeug, durch ein bereits abgelegtes und ebenfalls elektrisch leitfähiges Fasermaterial (z.B. Kohlenstofffasern) oder durch einen elektrisch leitfähigen Abschnitt, der in der Ablegeeinheit integriert ist bzw. durch eine elektrisch leitfähige Ablegeeinheit.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Materialzuführung zum parallelen Zuführen von mehr als zwei Faserhalbzeugen eingerichtet ist. Die Temperiereinrichtung hat dabei für jedes über die Materialzuführung zugeführte Faserhalbzeug wenigstens eine elektrische Elektrode, mit der das jeweilige Faserhalbzeug elektrisch kontaktiert wird. Die Steuereinheit ist nun so eingerichtet, dass nacheinander an verschiedenen Kombinationen zweier Elektroden eine elektrische Spannung an den Elektroden angelegt werden kann, dass nacheinander ein Stromfluss in verschiedenen Faserhalbzeugen bewirkt werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei vier zugeführten Faserhalbzeugen zunächst in dem ersten und dem zweiten Faserhalbzeug ein Stromfluss bewirkt wird, während anschließend in dem dritten und vierten Faserhalbzeug ein Stromfluss bewirkt wird. Dabei bilden das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug jeweils eine entsprechende Kombination, während das dritte und das vierte Faserhalbzeug ebenfalls eine Kombination darstellt. Je nach Anwendungsfall können aber auch das erste und das vierte Faserhalbzeug bestromt werden, während anschließend das zweite und dritte Faserhalbzeug bestromt wird.
Durch das Durchschalten der verschiedenen Kombinationen kann erreicht werden, dass über einen gewissen Zeitraum hinweg jedes Faserhalbzeug, das dem Faserlegekopf zugeführten wurde, mindestens einmal bestromt wurde, um es entsprechend zu temperieren. Da alle Faserhalbzeuge einen gemeinsamen Brückenbereich haben, innerhalb dessen die Faserhalbzeuge elektrisch miteinander verbunden sind (beispielsweise über ein elektrisch leitendes Formwerkzeug oder elektrisch leitende Faserlagen), kann eine elektrische Spannung immer nur an zwei Elektroden zur gleichen Zeit angelegt werden. Aus diesem Grund müssen zeitlich nacheinander an jeweils unterschiedlichen Elektroden eine elektrische Spannung angelegt werden, um so jedes Faserhalbzeug mindestens einmal zu bestromt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Temperiereinrichtung mindestens eine elektrische Kontaktbrücke auf, die zum elektrischen Verbinden mindestens zweier Faserhalbzeuge eingerichtet ist. Eine solche elektrische Kontaktbrücke kann beispielsweise ein elektrischer Niederhalter sein, der jedes der Faserhalbzeuge elektrisch kontaktiert und so miteinander elektrisch verbindet.
Eine solche elektrische Kontaktbrücke kann dabei an dem Faserlegekopf derart angeordnet sein, dass die elektrische Kontaktbrücke in Förderrichtung der Faserhalbzeuge vor der Ablegeeinheit die Faserhalbzeuge elektrisch miteinander verbindet oder in Förderrichtung der Faserhalbzeuge nach der Ablegeeinheit die bereits abgelegten Faserhalbzeuge elektrisch miteinander verbindet. Dieses insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Formwerkzeug keine elektrisch leitende Oberfläche hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit zum Messen eines elektrischen Widerstandes eines Bestromungsabschnittes zweier Faserhalbzeuge eingerichtet ist. In Abhängigkeit von dem gemessenen elektrischen Widerstand kann nun die Temperatur der Faserhalbzeuge in dem Bestromungsabschnitt ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Parameter der an den Elektroden anzulegenden elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur so einzustellen, dass eine vorgegebene Temperatur angenähert wird. Hierdurch kann eine Temperaturregelung erreicht werden, mit der die Faserhalbzeuge bis zum Ablegen im Bereich der vorgegebenen Soll-Temperatur gehalten werden.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Faserlegeanlage zum Herstellen eines Fasergeleges aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes für die Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Faserlegeanlage weist dabei gattungsgemäß ein Formwerkzeug auf sowie mindestens einem Bewegungsautomaten, an dem als Endeffektor ein Faserlegekopf zum Ablegen von Faserhalbzeugen wie vorstehend beschrieben vorgesehen ist.
Die Faserlegeanlage kann dabei für jeden Bewegungsautomaten ein gegenüber dem Endeffektor feststehendes Fasernmagazin aufweisen, in dem die Faserhalbzeuge bevorratet werden. Mittels einer Faserführungseinrichtung werden dann die in dem Fasernmagazin enthaltenen Faserhalbzeuge entlang der kinematischen Kette des Bewegungsautomaten zu dem Faserlegekopf geführt, wo sie dem Faserlegekopf zugeführt werden und dann mittels der Ablegeeinheit abgelegt werden. Der Faserlegekopf kann aufgrund der Bewegung des Bewegungsautomaten dabei eine Relativbewegung gegenüber dem Fasernmagazin ausführen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Formwerkzeug eine zumindest teilweise elektrisch leitende, formgebende Oberfläche zur Bildung des elektrischen Brückenbereiches hat. Dadurch kann die erste Faserlage direkt auf das Formwerkzeug abgelegt werden, ohne dass an dem Faserlegekopf eine elektrische Kontaktbrücke zum elektrischen Verbinden der Faserhalbzeuge vorgesehen sein muss.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß Anspruch 9 gelöst. Gemäß dem Verfahren werden mindestens zwei Faserhalbzeuge dem Faserlegekopf parallel zugeführt und anschließend mittels einer Ablegeeinheit des Faserlegekopfes auf der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeuges abgelegt, wobei die Faserhalbzeuge mittels einer Temperiereinrichtung temperiert werden. Hierfür werden die Faserhalbzeuge mit elektrischen Elektroden kontaktiert, wobei mittels einer Steuereinheit eine elektrische Spannung an den Elektroden angelegt wird, sodass ein Stromfluss von der ersten Elektrode durch das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug zu der wenigstens zweiten Elektrode derart bewirkt wird, so dass die Faserhalbzeuge in einem durch den bewirkten stromflussdefinierten Bestromungsabschnitt temperiert werden, wenn das erste Faserhalbzeug und das zweite Faserhalbzeug in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines Faserlegekopfes in einer Seitenansicht;
2 schematische Darstellung des Faserlegekopfes in einer Vorderansicht.

1 zeigt schematisch den Faserlegekopf 10, der zwei Faserhalbzeuge 1 und 2 auf ein Formwerkzeug 100 mit einer formgebenden Werkzeugoberfläche 110 ablegen kann. Hierzu wird dem Faserlegekopf 10 mittels einer Materialzuführung 11 die abzulegenden Faserhalbzeuge 1 und 2 zugeführt, wobei die Faserhalbzeuge 1 und 2 innerhalb des Faserlegekopfes 10 mittels einer Faserführung 12 zu einer Ablegeeinheit 13 in Form einer Anpressrolle geführt wird. Die Faserhalbzeuge 1 und 2 werden dabei so an die Anpressrolle 13 geführt, dass sie zwischen die Anpressrolle 13 und dem Formwerkzeug 100 geführt werden und so mittels des Faserlegekopfes 10 auf die formgebende Werkzeugoberfläche 110 des Formwerkzeuges 100 aufgedrückt und abgelegt werden können.
Der Faserlegekopf 10 weist des Weiteren eine Temperiereinrichtung 20 auf, die eine Steuereinheit 21 sowie mindestens zweier Elektroden 22 und 23 hat. Aufgrund der Seitenansicht in 1 werden die mindestens zwei Elektroden 22 und 23 ebenso wie die Faserhalbzeuge 1 und 2 nur einseitig dargestellt.
Die beiden Elektroden 22 und 23 sind dabei Bestandteil der Faserführung 12 des Faserlegekopfes 10 und sind in Form einer Umlenkrolle ausgebildet. Die Umlenkrollen weisen dabei eine elektrisch leitende Oberfläche auf, die mit der Steuereinheit 21 elektrischen Verbindung steht, um so die Elektroden 22 und 23 bilden zu können.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den beiden Elektroden 22 und 23 kann dabei ein Stromfluss in den zugeführten Faserhalbzeugen 1 und 2 bewirkt werden, wenn die beiden Faserhalbzeuge 1 und 2 in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden sind. Denn die erste Elektrode 22 kontaktiert dabei das erste Faserhalbzeug 1, während die zweite Elektrode 22 das zweite Faserhalbzeug 2 kontaktiert. Der Brückenbereich zum elektrischen Verbinden der beiden Faserhalbzeuge kann dabei durch eine elektrisch leitende formgebende Werkzeugoberfläche 110 gebildet werden.
2 zeigt in einer Vorderansicht in einem Freischnitt den erfindungsgemäßen Faserlegekopf 10, dem insgesamt sechs Faserhalbzeuge 1 bis 6 zugeführt werden. Jedem Faserhalbzeug ist dabei eine elektrische Elektrode 22 bis 27 zugeordnet, die jeweils mit der Steuereinheit 21 elektrischen Verbindung stehen. Durch eine elektrisch leitende Werkzeugoberfläche 110 des Formwerkzeuges 100 wird ein gemeinsamer Brückenbereich gebildet, durch den die Faserhalbzeuge 1 bis 6 elektrisch miteinander verbunden werden.
Erfindungsgemäß wird zunächst eine elektrische Spannung an den Elektroden 22 und 23 angelegt, wobei an der elektrischen Elektrode 22 ein Pluspol generiert wird, während an der elektrischen Elektrode 23 ein Minuspol generiert wird. Die Elektrode 22 kontaktiert dabei das Faserhalbzeug 1, während die Elektrode 23 das Faserhalbzeug 2 kontaktiert. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung an den beiden Elektroden 22 und 23 wird nun ein elektrischer Stromfluss in technischer Hinsicht von dem Pluspol der Elektrode 22 zu der formgebenden Werkzeugoberfläche 110 und dann von der formgebenden Werkzeugoberfläche 110 zurück zu der zweiten Elektrode 23 mit dem Minuspol erzeugt, sodass durch das elektrischen kontaktieren der beiden Faserhalbzeuge 1 und 2 mit jeweils einer Elektrode 22 und 23 ein Stromfluss in beiden Faserhalbzeugen 1 und 2 bewirkt werden kann.
Durch das Bestromen der Faserhalbzeuge 1 und 2 wird ein Bestromungsabschnitt 30 definiert, der von der Kontaktstelle der ersten Elektrode 22 mit dem ersten Faserhalbzeug 1 bis zur Kontaktstelle der zweiten Elektrode 23 mit dem zweiten Faserhalbzeug 2 reicht.
Während des Bestromens der Faserhalbzeuge 1 und 2 wird durch die Steuereinheit 21 an den übrigen Elektroden 24 bis 27 keine elektrische Spannung angelegt. Nachdem nun ein Stromfluss in den Faserhalbzeugen 1 und 2 bewirkt wurde, wird die elektrische Spannung an den Elektroden 22 und 23 abgestellt und dann eine elektrische Spannung an den Elektroden 24 und 25 angelegt, sodass die Faserhalbzeuge 3 und 4 bestromt werden können. Die Elektrode 24 kontaktiert dabei das dritte Faserhalbzeug 3, während die Elektrode 25 das vierte Faserhalbzeug 4 kontaktiert.
Anschließend wird eine elektrische Spannung an die Elektroden 26 und 27 angelegt, sodass das fünfte Faserhalbzeug 5 und das sechster Faserhalbzeug 6 entsprechend wie vorstehend beschrieben bestromt werden können.
Bezugszeichenliste

1 - 6: Faserhalbzeuge
10: Faserlegekopf
11: Materialzuführung
12: Faserführung
13: Ablegeeinheit/Anpressrolle
20: Temperiereinrichtung
21: Steuereinheit
22- 27: elektrische Elektroden
30: Bestromungsabschnitt
100: Formwerkzeug
110: elektrisch leitende, formgebende Oberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010015027 B4 [0007]
DE 102013107103 A1 [0009]
DE 102011102950 A1 [0009]
DE 102011076463 A1 [0012]
DE 10353070 A1 [0013]
DE 102011108157 A1 [0014]
DE 102006040049 A1 [0015]
DE 102008020564 A1 [0016]

Claims

Faserlegekopf (10) zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug (100) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, mit - einer Materialzuführung (11), die zum parallelen Zuführen mindestens zweier Faserhalbzeuge (1, 2) eingerichtet ist, - einer Ablegeeinheit (13), die zum parallelen Ablegen der dem Faserlegekopf (10) zugeführten Faserhalbzeuge (1, 2) auf der formgebenden Oberfläche (110) des Formwerkzeuges (100) ausgebildet ist, und - einer Temperiereinrichtung (20), die zum Temperieren der dem Faserlegekopf (10) parallel zugeführten und abzulegenden Faserhalbzeuge (1, 2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperiereinrichtung (20) mindestens zwei elektrische Elektroden (22, 23) aufweist, die zwischen der Materialzuführung (11) und der Ablegeeinheit (13) des Faserlegekopfes (10) angeordnet sind, - wobei die erste Elektrode (22) zum elektrischen Kontaktieren des ersten, dem Faserlegekopf (10) zugeführten Faserhalbzeuges (1) und die wenigstens zweite Elektrode (23) zum elektrischen Kontaktieren des wenigstens zweiten, dem Faserlegekopf zugeführten Faserhalbzeuges (2) ausgebildet ist, und - die Temperiereinrichtung (20) eine Steuereinheit (21) hat, die zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden (22, 23) eingerichtet ist, so dass ein Stromfluss von der ersten Elektrode (22) durch das erste Faserhalbzeug (1) und das zweite Faserhalbzeug (2) zu der wenigstens zweiten Elektrode (23) derart bewirkt wird, dass die Faserhalbzeuge (1, 2) in einem durch den bewirkten Stromfluss definierten Bestromungsabschnitt (30) temperiert werden, wenn das erste Faserhalbzeug (1) und das zweite Faserhalbzeug (2) in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden sind.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialzuführung (11) zum parallelen Zuführen von mehr als zwei Faserhalbzeugen (1, 2, 3, 4, 5, 6) eingerichtet ist, wobei die Temperiereinrichtung (20) für jedes über die Materialzuführung (11) zugeführte Faserhalbzeug (1, 2, 3, 4, 5, 6) wenigstens eine elektrische Elektrode (22, 23, 24, 25, 26, 27) hat, die zum elektrischen Kontaktieren des jeweiligen Faserhalbzeuges (1, 2, 3, 4, 5, 6) ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (21) eingerichtet ist, nacheinander an verschiedenen Kombinationen zweier Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) eine elektrische Spannung an den Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) anzulegen, so dass nacheinander ein Stromfluss in verschiedenen Faserhalbzeugen (1, 2, 3, 4, 5, 6) bewirkt wird.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (20) mindestens eine elektrische Kontaktbrücke hat, die zum elektrischen Verbinden mindestens zweier Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) eingerichtet ist.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktbrücke an dem Faserlegekopf (10) derart angeordnet ist, dass die elektrische Kontaktbrücke in Förderrichtung der Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) vor der Ablegeeinheit (13) die Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) elektrisch verbindet oder in Förderrichtung der Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) nach der Ablegeeinheit (13) die bereits abgelegten Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) elektrisch verbindet.
Faserlegekopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) zum Messen eines elektrischen Widerstandes eines Bestromungsabschnittes (30) zweier Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) und zum Ermitteln der Temperatur in dem Bestromungsabschnitt (30) in Abhängigkeit von dem gemessenen elektrischen Widerstand eingerichtet ist.
Faserlegekopf (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) eingerichtet ist, die Parameter der an den Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) anzulegenden elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der ermittelten IST-Temperatur einzustellen, um eine vorgegebene SOLL-Temperatur anzunähern.
Faserlegeanlage zum Herstellen eines Fasergeleges aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes für die Herstellung eines Faserverbundbauteils, mit einem Formwerkzeug (100), mindestens einem Bewegungsautomaten und einem an dem Bewegungsautomaten als Endeffektor angeordneten Faserlegekopf (10) zum Ablegen von Faserhalbzeuges, gekennzeichnet durch einen Faserlegekopf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Faserlegeanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (100) eine zumindest teilweise elektrisch leitende, formgebende Oberfläche (110) zur Bildung des elektrischen Brückenbereiches hat.
Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes auf ein Formwerkzeug (100) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - paralleles Zuführen mindestens zweier Faserhalbzeuge (1, 2) zu einem Faserlegekopf (10) einer Faserlegeanlage, - Temperieren der Faserhalbzeuge (1, 2) mittels einer Temperiereinrichtung (20), und - Ablegen der dem Faserlegekopf (10) zugeführten Faserhalbzeuge (1, 2) auf eine formgebende Oberfläche (110) eines Formwerkzeuges (100) mittels einer Ablegeeinheit (13) des Faserlegekopfes (10), gekennzeichnet durch - Kontaktieren des ersten Faserhalbzeuges (1) mit einer ersten elektrischen Elektrode (22) und des wenigstens zweiten Faserhalbzeuges (2) mit wenigstens einer zweiten elektrischen Elektrode (23), - wobei mittels einer Steuereinheit (21) eine elektrische Spannung an den Elektroden (22, 23) angelegt wird, so dass ein Stromfluss von der ersten Elektrode (22) durch das erste Faserhalbzeug (1) und das zweite Faserhalbzeug (2) zu der wenigstens zweiten Elektrode (23) derart bewirkt wird, dass die Faserhalbzeuge (1, 2) in einem durch den bewirkten Stromfluss definierten Bestromungsabschnitt (30) temperiert werden, wenn das erste Faserhalbzeug (1) und das zweite Faserhalbzeug (2) in einem Brückenbereich elektrisch miteinander verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) dem Faserlegekopf (10) parallel zugeführt werden, wobei jedes Faserhalbzeug (1, 2, 3, 4, 5, 6) mit mindestens einer elektrischen Elektrode (22, 23, 24, 25, 26, 27) elektrisch kontaktiert und nacheinander an verschiedenen Kombinationen zweier Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) eine elektrische Spannung an den Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) mittels der Steuereinheit (21) angelegt wird, so dass nacheinander ein Stromfluss in verschiedenen Faserhalbzeugen (1, 2, 3, 4, 5, 6) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) mittels einer elektrischen Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) in Förderrichtung vor der Ablegeeinheit (13) mit der elektrischen Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden oder dass die Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) in Förderrichtung nach der Ablegeeinheit (13) mit der elektrischen Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) mittels einer elektrisch leitenden, formgebenden Oberfläche (110) des Formwerkzeuges (100) als elektrische Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) innerhalb des Faserlegekopfes (10) mit den elektrischen Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) elektrisch kontaktiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (21) ein elektrischer Widerstand eines Bestromungsabschnittes (30) zweier Faserhalbzeuge (1, 2, 3, 4, 5, 6) gemessen und in Abhängigkeit von dem gemessenen elektrischen Widerstand dann die Temperatur in dem Bestromungsabschnitt (30) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der an den Elektroden (22, 23, 24, 25, 26, 27) anzulegenden elektrischen Spannung mittels der Steuereinheit (21) in Abhängigkeit von der ermittelten IST-Temperatur eingestellt werden, um eine vorgegebene SOLL-Temperatur anzunähern.