DE202016100440U1

DE202016100440U1 - Werkzeug zum Drapieren eines Faserzuschnitts zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings

Info

Publication number: DE202016100440U1
Application number: DE202016100440.3U
Authority: DE
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Current assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-05-05
Anticipated expiration: 2026-01-30

Abstract

Werkzeug (1) zum Greifen, Platzieren und Drapieren zumindest eines Faserzuschnitts (11) für eine lokale Verstärkungslage im Zuge der Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings für die Herstellung von faserverstärkten Formteilen, wobei das Werkzeug (1) zumindest ein Greifelement (4) zum Greifen und Aufnehmen des Faserzuschnitts (11), und zumindest ein Drapierstempelelement (2) zum Drapieren des Faserzuschnitts (11) aufweist, und wobei das zumindest eine Greifelement (4) und das zumindest eine Drapierstempelelement (2) relativ zueinander verstellbar oder bewegbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Drapieren eines Faserzuschnitts im Zuge der Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen nach Anspruch 1.
Im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, auch Faserverbundbauteile genannt, ist insbesondere als industrielle Verwendung das RTM-Verfahren, Resin-Transfer-Moulding-Verfahren, gängige Praxis. Der gesamte Herstellungsprozess bis zu einem verwendungsfähigen Kunststoffbauteilen besteht aus mehreren nachfolgend ablaufenden Einzelprozessen. In einem ersten Verfahrensschritt werden endkonturnahe Vorformlinge/Faserhalbzeuge hergestellt, die im Wesentlichen bereits die äußere Form des späteren Kunststoffbauteils aufweisen. In diesem Preform-Prozess (Herstellung eines Vorformlings) werden in der Regel mehrere Lagen Gewebe oder Fasergelege, üblicher Weise in zweidimensionaler Form, gestapelt oder ggf. gefügt (Nähen, Verschweißen, Kleben), so dass der Fasergewebestapel im Wesentlichen bereits die notwendigen äußeren Konturen und teilweise auch bereits besondere Schichten oder Schichtdicken bzw. lokale Besonderheiten aufweist ( WO 2012 156 524 A1 ). Vorzugsweise wird ein Binder in die Trennebenen der Schichten eingebracht, der nach Erreichen einer umgeformten dreidimensionalen Form und seiner Aktivierung und Aushärtung zu einer Fixierung der Schichten zueinander und der entsprechenden 3D Kontur führt ( WO 2012 156 523 A1 ). Für den Preform-Prozess werden die Gewebestapel in ein Umformwerkzeug überführt und meist unter (relativ geringem) Druck durch Schließen des Umformwerkzeuges soweit der Kontur des späteren Formteiles angenähert und durch Aktivierung des Binders (Aufheizen und Abkühlen) ausgehärtet, so dass das Faserhalbzeug endkonturnah in ein Werkzeug einer Presse zur Durchführung des RTM-Verfahrens selbst eingelegt werden kann ( WO 2010 103 471 A2 ). Je nach Bedarf wird das Faserhalbzeug noch nachgeschnitten oder an vorgegebenen Stellen ausgestanzt, um eine noch präzisere Kontur des Faserhalbzeuges (Vorformlings) gegenüber dem späteren Kunststoffbauteil zu erreichen. Nach dem Einlegen des Faserhalbzeugs in das Werkzeug einer Presse, die vorzugsweise für das RTM-Verfahren geeignet ist, werden die Werkzeughälften geschlossen und das notwendige Harz in die Kavität des Werkzeuges injiziert, wobei das Harz die Faserstruktur des Faserhalbzeuges imprägniert, die Fasern einschließt und fest in die Harzmatrix einbindet. Nach dem Aushärten des Harzes kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil entformt werden.
Neben dem RTM-Verfahren selbst, legt bereits die Herstellung eines Faserhalbzeuges den Grundstein für den Erfolg bei der Herstellung eines Kunststoffbauteiles.
Es hat sich gezeigt, dass der Stand der Technik eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Herstellung eines Vorformlings beschreibt, die sich aber in der Regel in manuellen oder automatisierten Herstellung eines möglichst ebenen Fasergewebestapels erschöpfen, das in einer Presse schließlich aus seiner 2D-Form in eine 3D-Form überführt wird.
Für die 3D-Umformung von mehrlagigen zweidimensionalen Zuschnitten aus Fasergeweben sind auch die folgenden Verfahrensschritte bekannt: Es werden Fasergewebe oder -gelege von einer Rolle abgewickelt und je nach Bedarf aus mehreren verschiedenen Geweben oder Gelegen, Formen und Größen zu einem Faserstapel zusammengelegt. Dabei kann es notwendig sein, die Außen- und ggf. Innenkontur entsprechend einem Schnittmuster des Vorformlings respektive des Kunststoffformteils zu bearbeiten oder zuzuschneiden. Das Schnittmuster wird dabei aus einer Abwicklung des Vorformlings, oder des Endbauteils erzeugt. Vorzugsweise wird dann der erstellte, im Wesentlichen ebene Faserstapel mittels einer Drapiervorrichtung drapiert, respektive in eine dreidimensionale Vorform umgeformt ( WO 2012 062 824 A1 , WO 2012 062 825 A1 , WO 2012 062 828 A1 ).
Andere bekannte automatisierte Preformtechniken zur Herstellung von Vorformlingen (Preform) verwenden einen Spannrahmen, in dem der gesamte Lagenaufbau eines Fasergeleges, bestehend aus mehreren Fasermattenzuschnitten an den Außenkanten eingespannt gehalten wird. Im Spannrahmen wird das Fasergelege erhitzt, um den Binder aufzuschmelzen. Im nächsten Schritt wird der Lagenaufbau in einer Umformpresse mit Ober- und Unterwerkzeug umgeformt. Das gekühlte Werkzeug führt zu einem Erstarren des Binders, wodurch der Vorformling stabilisiert wird. Es ist ebenfalls bekannt, statt eines festen Spannrahmens eine Vielzahl von vertikal verstellbaren Spannelementen vorzusehen, die das Faserhalbzeug randseitig an dessen Umfang klemmen ( DE 10 2013 008 697 A1 ).
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings ist aus dem Dokument DE 10 2010 043 666 A1 bekannt, wobei ein Fasergewebestapel zwischen einer Drapiervorrichtung und einer Formschale platziert oder dort gebildet wird, anschließend ein Drapierwerkzeug aus der Drapiervorrichtung ausgefahren wird und dabei den Fasergewebestapel zumindest teilweise in die Formschale einbringt bis der Fasergewebestapel mittels dieses Drapierwerkzeugs an die Formschale gedrückt und dort fixiert wird. Anschließend werden in vorgegebener Reihenfolge weitere Drapierwerkzeuge einzeln oder zusammen aus der Drapiervorrichtung in Richtung der Formschale verfahren.
Das Dokument DE 10 2013 208 778 A1 beschreibt eine Einrichtung zum Aufnehmen, Handhaben und Ablegen von textilen Strukturen bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen. Die Einrichtung weist eine Gitterstruktur mit einem ersten Stabsystem mit ersten parallelen Stäben und einem zweiten Stabsystem mit zweiten parallelen Stäben auf, wobei das erste Stabsystem und das zweite Stabsystem zueinander winklig gekreuzt angeordnet und rhombusartig oder parallelogrammartig verschiebbar sind. Mithilfe des Endeffektors werden die textilen Zuschnitte aufgenommen und an einer Oberfläche eines Formwerkzeugs mit einer dreidimensional gekrümmten, insbesondere kugelkalottenartigen Oberfläche, oder an weitere textile Strukturen, die an dem Formwerkzeug angeordnet sind, abgelegt.
Die vorgenannten Ansätze haben sich insbesondere in Anwendungen bewährt, bei denen die Vorformlinge/Faserhalbzeuge aus großflächigen Fasergewebelagen gebildet werden, die entsprechend leicht aufeinander gestapelt oder gefügt werden können.
In letzter Zeit jedoch besteht zunehmend die Anforderung, faserverstärkte Formteile herzustellen, die lokale Verstärkungen aufweisen. So ist es zum Beispiel für Heckklappen von Automobilen erforderlich, die faserverstärkten Formteile an den Stellen, an denen die Scharniere für die Heckklappe angebunden werden sollen, lokal zu verstärken, um die bei der späteren Benutzung der Heckklappe auftretenden Kräfte entsprechend sicher aufnehmen und ableiten zu können, und dadurch die Gefahr eines vorzeitigen Verschleißes oder eines Bruchs der Heckklappe zu vermeiden.
Für die Herstellung derartiger Heckklappen und anderer faserverstärkter Formteile, die solche lokalen Verstärkungen aufweisen sollen, besteht daher die Notwendigkeit, die lokalen Verstärkungen bereits bei der Herstellung der Vorformlinge/Faserhalbzeuge auszubilden.
So wäre es denkbar, bei den vorgenannten Ansätzen die lokalen Verstärkungen dadurch auszubilden, dass an den entsprechenden Stellen zusätzlich entsprechend klein bemessene Verstärkungslagen aus Fasergeweben in den Stapel aus (großflächigen) Fasergeweben eingelegt werden, um anschließend den so gebildeten Stapel mit den Verstärkungslagen gemeinsam in die gewünschte Form umzuformen.
Es besteht dabei jedoch der Nachteil, dass die vorgenannten Ansätze sich oftmals nur wenig geeignet erweisen, eine einfache Handhabung auch klein bemessene Verstärkungslagen zu ermöglichen und die notwendige Präzision während des Preform-Prozesses gewährleisten zu können. Insbesondere kann es dabei zur Faltenbildung oder zu Verwerfungen im Fasergewebestapel im Bereich der Verstärkungslagen kommen. Gerade bei größeren Umformschritten kann die Verstärkungslage das Drapierverhalten des Fasergewebestapels negativ beeinflussen oder gar unmöglich machen, da dann die Verstärkungslage durch Mitnahme während des Drapierens in eine falsche Position im Fasergewebestapel gebracht werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Verstärkungslagen meist im Fasergewebestapel eingebettet sind. Eine Überwachung des Drapierverhaltens der Verstärkungslagen ist während des Preformprozesses nicht möglich. Erst durch Analyse des hergestellten Vorformlings können Fehler in der Umformung entdeckt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile zu überwinden, und Werkzeuge anzugeben, mittels derer sich auf einfache und präzise Weise lokalisierte Verstärkungen in faserverstärkten Formbauteilen ausbilden lassen.
Die vorstehende und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst durch ein Werkzeug zum Greifen, Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts für eine lokale Verstärkungslage im Zuge der Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings für die Herstellung von faserverstärkten Formteilen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Als eine erste Lösung wird ein Werkzeug zum Greifen, Platzieren und Drapieren zumindest eines Faserzuschnitts für eine lokale Verstärkungslage im Zuge der Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings für die Herstellung von faserverstärkten Formteilen angegeben, wobei das Werkzeug zumindest ein Greifelement zum Greifen und Aufnehmen des Faserzuschnitts, und zumindest ein Drapierstempelelement zum Drapieren des Faserzuschnitts aufweist, wobei das zumindest eine Greifelement und das zumindest eine Drapierstempelelement relativ zueinander verstellbar oder bewegbar sind.
Das Werkzeug stellt eine kombinierte Einheit dar, mittels derer sich ein Faserzuschnitt für eine lokale Verstärkungslage sowohl greifen, platzieren und drapieren lässt. Dies ermöglicht gleichzeitig eine einfache Handhabung und eine präzise Platzierung und Drapierung des Faserzuschnitts, wobei sich gleichzeitig die Gefahr einer Faltenbildung und/oder des Auftretens eines Verzugs des Faserzuschnitts beim Platzieren und Drapieren erfolgreich vermindern oder gänzlich ausschließen lassen.
Die Drapierstempelelemente bilden durch Ihre Formstempeloberfläche eine Kontur, welche im Wesentlichen der Kontur des Formabschnitts, an welchen der Faserzuschnitt drapiert werden soll, nachgebildet ist. Ein präzises Anformen an die Kontur der Form kann somit ermöglicht werden. Die Form wird dabei im Wesentlichen durch die Bauteilgeometrie bestimmt, so dass der Vorformling bereits eine endkonturnah ausgebildet wird. Alternativ oder in Kombination sind das zumindest eine Greifelement und das zumindest eine Drapierstempelelement relativ zueinander verstellbar zwischen einer ersten Stellung zum Greifen des Faserzuschnitts und einer zweiten Stellung zum Anformen des Faserzuschnitts mittels des zumindest einen Drapierstempelelements auf einen Fasergewebestapel.
In einer ersten Stellung wird somit der meist ebene Faserzuschnitt aufgenommen und in der zweiten Stellung erfolgt das Anformen des Faserzuschnitts im Wesentlichen an die Kontur der Form durch das zumindest eine Drapierstempelelement respektive durch dessen Formstempeloberfläche. Der Faserzuschnitt kann somit optimal ohne Bildung von Falten oder Verwerfungen an die Form angeformt werden.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das zumindest eine Greifelement als ein Vakuumgreifelement und/oder Nadelgreifer ausgeführt ist. Das Greifen mittels Vakuum ist besonders vorteilhaft, da damit die Faserstruktur in keiner Weise beschädigt wird.
Bevorzugt kann weiter vorgesehen sein, dass das Werkzeug zumindest eine Fixiereinrichtung zum Fixieren des Faserzuschnitts auf dem Fasergewebestapel aufweist. Die Fixiereinrichtung kann dabei bevorzugt als eine Ultraschall-Sonotrode ausgeführt sein, welche eingerichtet ist, den Faserzuschnitt durch Ultraschallschweißen auf dem Fasergewebestapel zu fixieren.
Indem das Werkzeug mit einer Fixiereinrichtung ausgebildet ist, ist es möglich, nach Drapieren des Faserzuschnitts auf die entsprechende Stelle des Fasergewebestapels den Faserzuschnitt an dem Fasergewebestapel, bzw. an einer obersten Lage des Fasergewebestapels zu fixieren, beispielsweise indem der Faserzuschnitt mittels den als Ultraschall-Sonotroden ausgeführten Fixiereinrichtungen punktweise durch Ultraschallschweißen an den Fasergewebestapel fixiert wird. Auf diese Weise kann der Faserzuschnitt sicher an Ort und Stelle gehalten werden, ohne die Gefahr, dass sich die Lage des Faserzuschnitts auf bzw. in einem Fasergewebestapel verschiebt, sei es beim Legen oder anderweitigen Platzieren weiterer Faserlagen, oder sei es beim Umformen eines vollständig gebildeten Fasergewebestapels zur Ausbildung des Vorformlings.
Der vollständige Fasergewebestapel 12 zur Ausbildung eines Vorformlings kann dabei aus mehreren geschichteten Fasergewebestapeln 12 umfassen, in welche ein oder mehrere Faserzuschnitte 11 für eine Verstärkungslage angeordnet sind.
Besonders bevorzugt kann die zumindest eine Fixiereinrichtung zumindest teilweilweise innerhalb des zumindest einen Formstempelelements verlaufend angeordnet sein, und insbesondere so angeordnet sein, dass ein Ende der zumindest einen Fixiereinrichtung flüchtig mit einer Formstempelfläche des zumindest einen Formstempelelements ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein Werkzeug verwirklicht werden, das auf besonders kompakte Weise auch die Funktionalität des Fixierens des Faserzuschnitts für die Verstärkungslage bereitstellen kann.
Das oder die Greifelement(e) und das oder die Drapierstempelelement(e) können jeweils als dedizierte Elemente ausgeführt sein, die jeweils nur zur Ausübung der Funktionalität des Greifens bzw. des Drapierens eingerichtet sind. Alternativ und bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass das Greifelement oder zumindest eines der Greifelemente als ein kombiniertes Greif-/Drapierstempelelement ausgebildet ist, und/oder dass das Drapierstempelelement oder zumindest eines Drapierstempelelement als ein kombiniertes Greif-/Drapierstempelelement ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann ein höherer Grad von Integration erzielt werden, was es erlaubt, das Werkzeug kompakter auszuführen. Dies kann den Einsatz auch zum Greifen, Platzieren und Drapieren von Faserzuschnitten für lokale Verstärkungslagen von kleinen und kleinsten Abmessungen erlauben, und/oder die Ausbildung komplexerer Formen erleichtern.
Das Werkzeug kann insbesondere so ausgebildet sein, dass es an einem Industrieroboter angebracht werden kann.
Alternativ oder in Kombination kann das Drapierstempelelement oder die Formstempeloberfläche beheizbar oder erwärmbar ausgeführt sein. Durch die Erwärmung kann auch eine Fixierung des Faserzuschnitts auf dem Fasergewebestapel ermöglicht werden. Insbesondere wird eine Station zum Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts für eine lokale Verstärkungslage im Zuge der Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings für die Herstellung von faserverstärkten Formteilen angegeben, wobei die Station aufweist: einen Bereitstellungstisch zum Bereitstellen eines Faserzuschnitts für eine lokale Verstärkungslage; einen Industrieroboter; und ein an dem Industrieroboter angeordnetes Werkzeug wie vorstehend angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings aus einem Fasergewebe im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen angegeben, welche eine Form für ein Fasergewebestapel, Mittel zum Legen eines Fasergewebestapels in die Form; und die vorstehend genannte Station umfasst.
Mit den vorgenannten Werkzeugen und Mitteln können insbesondere folgende Verfahren ausgeführt werden. Das Verfahren weist dabei auf: Bereitstellen eines Fasergewebestapels; und Drapieren zumindest eines Faserzuschnitts für zumindest eine lokale Verstärkungslage auf dem Fasergewebestapel mittels einem Werkzeug wie vorstehend genannt.
In dem Verfahren kann das Drapieren des zumindest einen Faserzuschnitts weiter aufweisen: Bereitstellen zumindest eines Faserzuschnitts auf einem Bereitstellungstisch; Greifen des zumindest einen Faserzuschnitts mit dem Werkzeug; Bewegen des Werkzeugs zu einer Position über der Stelle des Fasergewebestapels, an welcher der zumindest eine Faserzuschnitt zu drapieren ist; Absenken des Werkzeugs in Richtung auf den bereits im Drapierwerkzeug liegenden Fasergewebestapel, bis der Faserzuschnitt zumindest bereichsweise in Kontakt mit dem Fasergewebestapel tritt; Drapieren des zumindest einen Faserzuschnitts auf dem Fasergewebestapel durch Verstellen des zumindest einen Greifelements und des zumindest einen Drapierstempelelements relativ zueinander; und Abheben des Werkzeugs von dem Fasergewebestapel und dem darauf drapierten Faserzuschnitt. Bevorzugt weist das Verfahren, nach dem Drapieren des zumindest einen Faserzuschnitts auf dem Fasergewebestapel und vor dem Abheben des Werkzeugs von dem Fasergewebestapel und dem darauf drapierten Faserzuschnitt, weiter auf: Fixieren des Faserzuschnitts auf dem Fasergewebestapel mittels der Fixiereinrichtung, wobei das Fixieren bevorzugt punktuell erfolgt. Beim Einsatz von reaktiven Bindersystemen kann der Faserzuschnitt entweder durch anhaltendes oder gepultes Ultraschall-Erwärmen direkt ausgehärtet werden oder der gesamte Vorformling wird nach Fertigstellung gemeinsam ausgehärtet. Der Faserzuschnitt kann vorzugsweise ohne Vorwärmung bereitgestellt und drapiert werden. Insbesondere können mehrere Faserzuschnitte in einer Abfolge von Greifvorgängen von einem Bereitstellungstisch aufgenommen werden und auf den Fasergewebestapel gleichzeitig oder nacheinander drapiert werden. Somit können mehrere Faserzuschnitte drapiert werden, wodurch sich die Taktzeiten verbessern lassen können. Bevorzugt wird der zumindest eine Faserzuschnitt vor dem Aufsetzen auf dem Fasergewebestapel durch Verstellen des zumindest einen Greifelements und des zumindest einen Drapierstempelelements relativ zueinander vordrapiert. Somit erhält der Faserzuschnitt bereits eine an die Preform angenäherte Form bevor dieser auf dem Fasergewebestapel abgelegt wird. Die Positionierung zueinander kann auch als dritte Stellung oder Greifposition bezeichnet werden. Das Anformen des Faserzuschnitts an die Form kann dadurch in einer kürzeren Zeit erfolgen. Zudem wird auch die Kontaktreibung zwischen Faserzuschnitt und Fasergewebestapel auf ein Minimum reduziert. Weiter bevorzugt kann das Verfahren weiter aufweisen: Aufbringen weiterer Faserzuschnitte und/oder weiterer Faserlagen und/oder Fasergewebe auf den Fasergewebestapel, und Umformen und/oder Pressen des Fasergewebestapels zur Herstellung des Vorformlings.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit der Zeichnung hervor.
Es zeigen:
1 ein Werkzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2A bis 2D schematisch das Greifen, Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts für eine lokale Verstärkungslage mittels des Werkzeugs der 1;
3 ein Werkzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ;
4A bis 4D schematisch das Greifen, Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts für eine lokale Verstärkungslage mittels des Werkzeugs der 3; und
5A und 5B ein Werkzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Die 1 zeigt ein Werkzeug 1 zum Greifen, Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts 11 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Wie in der 1 dargestellt, weist das Werkzeug 1 zwei Greifelemente 4 auf. Die Anzahl der Greifelemente 4 ist jedoch nicht auf zwei beschränkt, und das Werkzeug 1 kann auch lediglich ein Greifelement 4 aufweisen, oder kann auch mehr als zwei Greifelemente 4 aufweisen, beispielsweise drei, vier, fünf oder mehr Greifelemente 4 aufweisen. Die Greifelemente 4 sind bevorzugt so angeordnet, dass sie ein sicheres und flächiges Greifen und Halten von einem Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage erlauben.
Die Greifelemente 4 sind in dieser Ausführungsform als Vakuumgreifelemente ausgeführt. Hierzu können in den Greifelementen 4 Vakuumeinrichtungen 5 ausgebildet sein, die in entsprechenden Vakuumöffnungen 5a auf einer Oberfläche der Greifelemente 4 münden. Die Vakuumkanäle 5 sind mit einer Absaugvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Wenn die Absaugvorrichtung aktiviert wird, wird so ein Unterruck in den Vakuumeinrichtungen 5 erzeugt, und ein Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage kann an den Vakuumöffnungen 5a durch die Wirkung des Unterdrucks sicher gegriffen und gehalten werden. Die Greifelemente 4 sind jedoch nicht beschränkt auf Vakuumgreifelemente, es können alternativ oder ergänzend auch andere Technologien verwendet werden, wie beispielsweise Nadelgreifer. Die Greifelemente 4 können alternativ auch so ausgebildet sein, dass diese eine Aufnahme von mehreren Faserzuschnitten 11 für eine lokale Verstärkungslage ermöglichen.
Zwischen den Greifelementen 4 ist in dem Werkzeug 1 der Ausführungsform der 1 ein Drapierstempelelement 2 angeordnet. Das Drapierstempelelement 2 weist eine Formstempelfläche 3 auf, die entsprechend der Form 15 konturiert ist, mit der bzw. in der ein Faserzuschnitt für eine lokale Verstärkungslage auf einen Fasergewebestapel 12 drapiert und angeformt werden soll, wie in größerem Detail nachfolgend mit Bezug auf die 2A bis 2D beschrieben werden wird. Auch hier ist die Anzahl der Drapierstempelelemente 2 nicht auf ein Element beschränkt, und es können auch zwei, drei, vier, fünf oder mehr Drapierstempelelemente 2 vorgesehen sein. Die Drapierstempelelemente 2 können miteinander fest verbunden sein, oder können ebenfalls relativ zueinander verstellbar ausgebildet sein, um zum Beispiel das Drapieren in komplexeren Geometrien verwirklichen oder vereinfachen zu können.
Bevorzugt können auch in dem Drapierstempelelement 2 Vakuumeinrichtungen 5 vorgesehen sein, die in entsprechenden Vakuumöffnungen 5a münden, die in der Formstempelfläche 3 ausgebildet sind. Diese Vakuumeinrichtungen 5 dienen dazu, das Greifen und Halten des Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage durch die Greifelemente 4 zu unterstützen und zu ergänzen, indem zusätzliche Haltepunkte ausgebildet werden, so dass der Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage sicherer gehalten werden kann. Die Gefahr eines Durchhängens des Faserzuschnitts 11, und damit verbunden die Gefahr etwaiger Ungenauigkeiten in der Positionierung des Faserzuschnitts 11 und/oder die Ausbildung von Falten beim Platzieren und Drapieren des Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage ist so zu vermeiden oder zu verringern.
Darüber hinaus können in dem Werkzeug 1 auch Fixiereinrichtungen 7 vorgesehen sein, die an dem Drapierstempelelement 2 angeordnet sind, oder bevorzugt zumindest teilweise durch das Drapierstempelelement 2 hindurch verlaufend ausgebildet sind, wie in 1 dargestellt. Die Fixiereinrichtungen 7 können bevorzugt als Ultraschall-Sonotroden ausgebildet sein. Dies ist jedoch nicht beschränkend, es können alternativ oder ergänzend auch andere Technologien verwendet werden, welche ein Fixieren eines Faserzuschnitts 11 auf einem Fasergewebestapel 12 erlauben, und es können so die Fixiereinrichtungen 7 beispielsweise auch als Thermoden ausgebildet sein, die ein Fixieren durch Einbringen von thermischer Energie bewirken, um ein Bindemittel zu aktivieren und/oder die Fasern des Faserzuschnitts 11 anzuschmelzen.
Weiter sind in dieser Ausführungsform Befestigungselemente 8 vorgesehen, die an dem Drapierstempelelement 2 befestigt sind, und die jeweils einen Aktuator 9 tragen, welche jeweils eine Schubstange 6 betätigen können, an deren Ende jeweils eines der Greifelemente 4 angeordnet ist. Die Aktuatoren 9 können beispielsweise als Federmechanismen ausgeführt sein, mittels deren die Schubstangen 6 und über diese die Greifelemente 4 in Richtung nach unten in der 1 vorgespannt sind. Die Befestigungselemente 8, Aktuatoren 9 und Schubstangen 6 stellen auf diese Weise einen Mechanismus dar, welcher es erlaubt, die Greifelemente 4 relativ zu dem Drapierstempelelement 2 zu verstellen. Alternativ können die Aktuatoren 9 auch als elektromotorische oder als pneumatische Aktuatoren 9 ausgebildet sein, mittels deren durch Anlegen entsprechender Steuerungssignale von einer Steuerung (nicht dargestellt) die Greifelemente 4 relativ zu dem Drapierstempelelement 2 verstellt werden können.
Im Folgenden soll nun mit Bezug auf die 2A bis 2D die Verwendung des Werkzeugs 1 der 1 in einem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Vorformlings aus einem Fasergelege im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen gemäß einer Ausführungsform beschrieben werden.
Wie in der 2A gezeigt, wird zunächst ein Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage auf einem Bereitstellungstisch 10 bereitgestellt. Der Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage kann gebildet werden, indem ein Fasergewebe oder -gelege von einer Rolle abgewickelt und auf die erforderlichen Abmessungen, bzw. eine gewünschte Außenkontur, und gegebenenfalls auch eine gewünschte Innenkontur zugeschnitten wird. Dann wird das Werkzeug 1, das beispielsweise als ein Endeffektor ausgebildet ist, der an einem Industrieroboter (nicht dargestellt) angeordnet ist, in eine Position über den Faserzuschnitt 11 bewegt. Die Greifelemente 4 und das Drapierstempelelement 2 werden dabei relativ zueinander so positioniert, dass eine plane, ebene Aufnahme des Faserzuschnitts 11 für die Verstärkungslage durch das Werkzeug 1 möglich ist. Diese relative Positionierung zueinander kann als eine erste Stellung oder Greifposition bezeichnet werden.
Als nächstes wird, wie in 2B dargestellt, das Werkzeug 1 abgesenkt, bis es in Auflage mit dem Faserzuschnitt 11 tritt. Es werden nun die Greifelemente 4, und gegebenenfalls in dem Drapierstempelelement 2 vorgesehene Vakuumeinrichtungen 5 aktiviert, um den Faserzuschnitt 11 zu greifen und an dem Werkzeug 1 zu halten.
Anschließend kann das Werkzeug 1, zusammen mit dem von dem Werkzeug 1 gehaltenen Faserzuschnitt 11, über einen Fasergewebestapel 12 bewegt werden, wie in 2C dargestellt.
Der Fasergewebestapel 12 kann dabei auf bekannte Weise ausgebildet worden sein. Insbesondere können Fasergewebe oder -gelege von einer Rolle abgewickelt und je nach Bedarf aus mehreren verschiedenen Geweben oder Gelegen, Formen und Größen zu dem Fasergewebestapel 12 zusammengelegt worden sein. Dabei können gegebenenfalls die Außenkontur und/oder die Innenkontur entsprechend einem Schnittmuster des herzustellenden Vorformlings bearbeitet oder zugeschnitten sein. Das Schnittmuster kann dabei aus einer Abwicklung des Vorformlings oder des Endbauteils erzeugt sein. Der Fasergewebestapel 12 kann direkt auf einem Auflagetisch (nicht dargestellt) ausgebildet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen die einzelnen Lagen ein Bindermaterial aufgestreut, aufgetragen oder eingesprüht ist.
Der Fasergewebestapel 12 der 2C ist dabei nur bis zu einer Höhe ausgebildet, auf der nun eine lokale Verstärkungslage ausgebildet werden soll, wobei im Beispiel der 2C die lokale Verstärkungslage im Bereich einer Mulde 13, die in dem Fasergewebestapel 12 ausgebildet ist, angeordnet werden soll. Mit anderen Worten kann der in 2C gezeigte Fasergewebestapel 12 einen Zwischenschritt bei der Ausbildung eines (vollständigen) Fasergewebestapels 12 für die Herstellung eines Vorformlings dar.
Um den Faserzuschnitt 11 nun auf den Fasergewebestapel 12 zu platzieren und zu drapieren, wird das Werkzeug 1 zunächst abgesenkt, bis der Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage in teilweise Auflage auf dem Fasergewebestapel 12 tritt. Der Ort oder die Orte, an denen es dabei zur teilweisen Auflage auf dem Fasergewebestapel 12 kommt, entsprechend in dem Beispiel der 2A bis 2D den Stellen, an denen der Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage von den Greifelementen 4 gehalten wird. Anschließend wird das Werkzeug 1 weiter in Richtung auf den Fasergewebestapel 12 hin abgesenkt, wobei gleichzeitig die Greifelemente 4 und das Drapierstempelelement 2 relativ zueinander verstellt werden. Während die Greifelemente 4 den Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage weiterhin in Auflage auf dem Fasergewebestapel 12 halten, wird mit dem Drapierstempelelement 2 der Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage in die Mulde 13 des Fasergewebestapels 12 hinein drapiert, bis schließlich wie in 2D gezeigt, das Drapierstempelelement 2 den Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage zumindest teilweise, insbesondere vollständig in die entsprechende Form 15, hier die von der Mulde 13 und der Kontur der Formstempelfläche 3 vorgegebene Form 15, drapiert und entsprechend auf den Fasergewebestapel 12 angeformt hat. Diese relative Positionierung der Greifelemente 4 und des Drapierstempelelements 2 in der Stellung, in der der Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage vollständig auf den Fasergewebestapel 12 drapiert ist, kann als eine zweite Stellung oder Drapierposition bezeichnet werden. Um das Anformen des Faserzuschnitts 11 für eine Verstärkungslage an die Mulde 13 zu erleichtern können das Drapierstempelelement 2 und die Greifelemente 4 bereits vor dem Kontakt mit dem Fasergewebestapel 12 relativ zu einander bewegt werden.
Zu diesem Zeitpunkt können nun vorzugsweise die Fixierelemente 7 aktiviert werden, um den Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage auf dem Fasergewebestapel 12, bzw. einer obersten Lage des Fasergewebestapels 12 punktuell zu fixieren, beispielsweise durch Ultraschallschweißen mittels als Ultraschall-Sonotroden ausgebildeten Fixiereinrichtungen 7.
Anschließend werden die Greifelemente 4 respektive die in oder an den Greifelementen 4 angeordneten Vakuumeinrichtungen 5 deaktiviert, um den Faserzuschnitt 11 für die Verstärkungslage loszulassen, und das Werkzeug 1 wird nach erfolgter, zumindest punktueller Fixierung abgehoben und steht beispielsweise zum Ausbilden weiterer lokaler Verstärkungslagen bereit.
Es ist nun in dem Fasergewebestapel 12 eine lokale Verstärkungslage ausgebildet, die von dem Faserzuschnitt 11 gebildet ist. Es können nun weitere Faserlagen, beispielsweise als ganzflächige Faserlagen, auf dem Fasergewebestapel 12 aufgebracht werden, und/oder weitere lokale Verstärkungslagen ausgebildet werden, indem weitere Faserzuschnitte 11 für lokale Verstärkungslagen wie oben beschrieben auf den Fasergewebestapel 12 drapiert werden.
Wenn der Fasergewebestapel 12 auf diese Weise durch Aufbringen weiterer lokaler und/oder ganzflächiger Faserlagen vervollständigt wurde, kann der so fertig gestellte Fasergewebestapel 12 auf an sich bekannte Weise gepresst und/oder umgeformt werden, um den Vorformling herzustellen.
Mit Bezug auf die 3 soll nun eine weitere Ausführungsform eines Werkzeugs 1 beschrieben werden.
Ähnlich wie das Werkzeug 1 der Ausführungsform der 1 weist auch das Werkzeug 1 der Ausführungsform der 3 ein Drapierstempelelement 2 und zwei Greifelemente 4 auf. Im Unterschied zur 1 ist in dem Werkzeug 1 der Ausführungsform der 3 die Formstempelfläche 3 des Drapierstempelelements 2 mit einer konkaven Kontur ausgebildet, und die Greifelemente 4 sind in einem mittleren Bereich des Drapierstempelelements 2 angeordnet und durch das Drapierstempelelement 2 hindurch verlaufend ausgebildet. Aus Gründen der Klarheit der Darstellung ist in der 3 der Mechanismus zum Verstellen der Greifelemente 4 und des Drapierstempelelements 2 relativ zueinander nicht dargestellt.
Um einen Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage sicher greifen und halten zu können, können in dem Werkzeug 1 dieser Ausführungsform zusätzlich zu den in 3 gezeigten, im Wesentlichen in einem mittleren Bereich des Drapierstempelelements 2 angeordneten Greifelemente 4 weitere dedizierte Greifelemente (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die im Bereich des Randes des Drapierstempelelements 2 angeordnet sind, um ein flächiges Greifen und Halten eines Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage auch in einem Randbereich davon zu ermöglichen. Alternativ und bevorzugt können jedoch in dieser Ausführungsform wie in 3 gezeigt im Randbereich des Drapierstempelelements 2 selbst entsprechende Vakuumeinrichtungen 5 vorgesehen sein, so dass das Drapierstempelelement 2 gleichzeitig die Funktion einer Greifeinrichtung ausüben kann.
Wie in den 4A bis 4D dargestellt, kann das Werkzeug 1 gemäß der Ausführungsform der 3 auf ähnliche Weise zum Greifen, Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage verwendet werden wie das Werkzeug 1 der Ausführungsform der 1 (vgl. die 2A bis 2C), wobei im Fall dieses Beispiels der Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage auf eine Erhebung 14 drapiert und angeformt wird, die in dem Fasergewebestapel 12 ausgebildet ist, wie in der 4C und 4D gezeigt.
Eine nochmals weitere Ausführungsform eines Werkzeugs 1 ist in den 5A und 5B dargestellt, wobei das Werkzeug 1 dieser Ausführungsform aus drei Elementen gebildet ist, von denen jedes ein kombiniertes Greif-/Drapierstempelelement 2a, 2b, 2c darstellt. Mit anderen Worten ist jedes der kombinierten Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c mit einer Formstempelfläche 3a, 3b, 3c ausgebildet, die in Zusammenwirkung eine Kontur definieren können, entsprechend der ein Faserzuschnitt 11 für eine lokale Verstärkungslage auf einen Fasergewebestapel 12 drapiert und angeformt werden soll. Auch kann jedes der kombinierten Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c eine oder mehrere Fixiereinrichtungen 7 aufweisen. Darüber hinaus ist jedes der kombinierten Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c gleichzeitig als ein Greifelement 4 ausgebildet, indem beispielsweise Vakuumeinrichtungen 5 mit entsprechenden Vakuumöffnungen 5a in den Formstempelflächen 3a, 3b, 3c ausgebildet sind, so dass jedes der kombinierten Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c zum Greifen und Halten des Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage dienen kann.
Wie in den 5A und 5B weiter dargestellt, ist auch ein Mechanismus vorgesehen, um eines oder mehrere der kombinierten Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c relativ zu einem anderen oder mehreren anderen der kombinierten Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c zu verstellen. So kann im Beispiel der 5A und 5B das mittlere Greif-/Drapierstempelelement 2a in vertikaler Richtung relativ zu den beiden äußeren Greif-/Drapierstempelelementen 2b, 2c verstellt werden, wie durch die vertikalen Doppelpfeile in den 5A und 5B angedeutet. Das mittlere Greif-/Drapierstempelelement 2a kann dabei relativ zu den beiden äußeren Greif-/Drapierstempelelementen 2b, 2c so verstellt werden, dass wie in 5B dargestellt eine erste Stellung oder Greifposition eingenommen wird, wobei die Vakuumöffnungen 5a so positioniert sind, dass sie im Wesentlichen in einer Ebene liegen, so dass ein im Wesentlichen planes Greifen und Aufnehmen eines Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage möglich ist. Das mittlere Greif-/Drapierstempelelement 2a kann auch relativ zu den beiden äußeren Greif-/Drapierstempelelementen 2b, 2c so verstellt werden, dass wie in 5A dargestellt eine zweite Stellung oder Greifposition eingenommen wird, wobei die Formstempelflächen 3a, 3b und 3c im Wesentlichen flüchtig aneinander angrenzen. Diese Stellung entspricht der Endposition beim Drapieren des Faserzuschnitts 11 auf den Fasergewebestapel 12. Das mittlere Greif-/Drapierstempelelement 2a kann zudem jede beliebige Stellung relativ zu den beiden äußeren Greif-/Drapierstempelelementen 2b, 2c einnehmen, wenn dies für den Drapierprozess sinnvoll erscheint, insbesondere wenn der Faserzuschnitt 11 an eine Kontur angeschmiegt werden soll. Bevorzugt können auch jedes andere Greif-/Drapierstempelelemente 2b, 2c oder alle Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c relativ zueinander verstellt werden.
Das relative bewegen der einzelnen Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c zueinander kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Faserzuschnitt 11 an eine Kontur angeschmiegt werden soll oder faltenfrei drapiert werden soll. Hierfür kann die Reihenfolge des Bewegens der einzelnen Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c relativ zueinander so erfolgen, dass der Faserzuschnitt 11 faltenfrei und/oder spannungsfrei auf dem Fasergewebestapel 12 drapiert wird.
Während die Erfindung im Vorstehenden an Hand verschiedener beispielhafter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. So können die Greifelemente 4 auch als mechanische Greifelemente 4 ausgebildet sein, oder können als Greifelemente 4 ausgebildet sein, die ein Greifen und Halten des Faserzuschnitts 11 für eine lokale Verstärkungslage mittels elektrostatischer Kräfte verwirklichen können. Auch können die Drapierstempelelemente 2 sowie die Greif-/Drapierstempelelemente 2a, 2b, 2c ohne Vakuumeinrichtungen 5 ausgebildet sein, oder an Stelle von Vakuumeinrichtungen 5 ebenso mechanische oder elektrostatisch wirkende Greifmittel aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug
2: Drapierstempelelement
2a, 2b, 2c: Greif-/Drapierstempelelement
3, 3a, 3b, 3c: Formstempelfläche
4: Greifelement
5: Vakuumeinrichtung
5a: Vakuumöffnung
6: Schubstange
7: Fixiereinrichtung
8: Befestigungselement
9: Aktuator
10: Bereitstellungstisch
11: Faserzuschnitt
12: Fasergewebestapel
13: Mulde
14: Erhebung
15: Form

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

WO 2012156524 A1 [0002]
WO 2012156523 A1 [0002]
WO 2010103471 A2 [0002]
WO 2012062824 A1 [0005]
WO 2012062825 A1 [0005]
WO 2012062828 A1 [0005]
DE 102013008697 A1 [0006]
DE 102010043666 A1 [0007]
DE 102013208778 A1 [0008]

Claims

Werkzeug (1) zum Greifen, Platzieren und Drapieren zumindest eines Faserzuschnitts (11) für eine lokale Verstärkungslage im Zuge der Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings für die Herstellung von faserverstärkten Formteilen, wobei das Werkzeug (1) zumindest ein Greifelement (4) zum Greifen und Aufnehmen des Faserzuschnitts (11), und zumindest ein Drapierstempelelement (2) zum Drapieren des Faserzuschnitts (11) aufweist, und wobei das zumindest eine Greifelement (4) und das zumindest eine Drapierstempelelement (2) relativ zueinander verstellbar oder bewegbar sind.
Werkzeug (1) nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Greifelement (4) und das zumindest eine Drapierstempelelement (2) relativ zueinander verstellbar sind zwischen einer ersten Stellung zum Greifen des Faserzuschnitts (11) und einer zweiten Stellung zum Anformen des Faserzuschnitts (11), mittels des zumindest einen Drapierstempelelements (2), auf einen Fasergewebestapel (12).
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das zumindest eine Greifelement (4) als ein Vakuumgreifelement und/oder Nadelgreifer ausgeführt ist.
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter aufweisend zumindest eine Fixiereinrichtung (7) zum Fixieren des Faserzuschnitts (11) auf dem Fasergewebestapel (12).
Werkzeug (1) nach Anspruch 4, wobei die zumindest eine Fixiereinrichtung (7) als eine Ultraschall-Sonotrode ausgeführt ist, welche eingerichtet ist, den Faserzuschnitt (11) durch Ultraschallschweißen auf dem Fasergewebestapel (12) zu fixieren.
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die zumindest eine Fixiereinrichtung (7) zumindest teilweilweise innerhalb des zumindest einen Formstempelelements (2) verlaufend angeordnet ist, wobei bevorzugt ein Ende der zumindest einen Fixiereinrichtung (7) flüchtig mit einer Formstempelfläche (3) des zumindest einen Formstempelelements (2) ausgebildet ist.
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zumindest eine Greifelement (4) und/oder das zumindest eine Drapierstempelelement (2) als kombinierte(s) Greif-/Drapierstempelelement(e) (2a, 2b, 2c) ausgebildet ist bzw. sind.
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Werkzeug (1) an einem Industrieroboter anbringbar ist.
Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Drapierstempelelement (2) oder die Formstempeloberfläche (3a, 3b, 3c) beheizbar oder erwärmbar ausgeführt sind.
Station zum Platzieren und Drapieren eines Faserzuschnitts (11) für eine lokale Verstärkungslage im Zuge der Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings für die Herstellung von faserverstärkten Formteilen, wobei die Station aufweist: einen Bereitstellungstisch zum Bereitstellen eines Faserzuschnitts (11) für eine lokale Verstärkungslage; einen Industrieroboter; und ein an dem Industrieroboter angeordnetes Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings aus einem Fasergewebe im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen, aufweisend: eine Form (15) für ein Fasergewebe Mittel zum Legen eines Fasergewebestapels (12) in die Form (15); und eine Station gemäß Anspruch 10.