EP3820682A1 - Faserlegeanlage und verfahren zum ablegen von fasermaterial - Google Patents

Faserlegeanlage und verfahren zum ablegen von fasermaterial

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Publication number
EP3820682A1
EP3820682A1 EP19737507.4A EP19737507A EP3820682A1 EP 3820682 A1 EP3820682 A1 EP 3820682A1 EP 19737507 A EP19737507 A EP 19737507A EP 3820682 A1 EP3820682 A1 EP 3820682A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
fiber material
movement information
control device
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19737507.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yannis GROHMANN
Philipp SCHNEEVOIGT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP3820682A1 publication Critical patent/EP3820682A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386—Automated tape laying [ATL]

Definitions

  • the invention relates to a fiber-bending system for depositing fiber material for producing a fiber preform, from which a fiber composite component can be produced or should be produced by curing a matrix material embedding the fiber material of the fiber preform.
  • the invention also relates to a method for this.
  • Fiber composite components Components made of a fiber composite material, so-called fiber composite components, have become indispensable in aerospace today. But the use of such materials is also becoming increasingly popular in other areas.
  • Critical structural elements in particular are made from fiber-reinforced plastics due to their high weight-specific strength and rigidity with minimal weight. Due to the anisotropic properties of the fiber composite materials resulting from the fiber orientation, components can be adapted exactly to local loads and thus enable optimal material utilization in terms of lightweight construction.
  • the semifinished fiber products are generally placed in or on a mold, for example using a force, the tool surface of which has a geometry corresponding to the later component shape or a preliminary stage thereof.
  • this filing process (also often called preforming) is carried out with the aid of fiber bending devices or fiber bending systems in which the end effectors are fiber bending heads.
  • Such fiber-bending systems can, for example, be portal systems or robot-based systems in which the fiber-bending heads are arranged on industrial articulated arm robots.
  • Semi-finished fiber products in particular flat fiber semi-finished products such as tapes, slittapes or rovings, are fed to the fiberizing heads by means of a material supply device so that they can be deposited in or on the molding tool by a relative movement between the laying head and the tool surface.
  • a fiber head which can be arranged on a robot to form a fiber plant.
  • the fiber-forming head is designed such that it uses a fiber-laying unit, for example a pressure roller, to deposit the flat fiber semifinished product supplied to it on the mold surface, the fiber-forming head having a plurality of electrical electrodes and / or counterelectrodes in order to apply an electrical one Voltage to be able to cause a current flow in the semi-finished fiber product between an electrode and a counter electrode.
  • certain materials or materials can be activated within the semi-finished fiber product, such as a binder material, in order to fix the semi-finished fiber product on the surface.
  • pre-impregnated semi-finished fiber products pre-impregnated semi-finished fiber products
  • DE 10 2011 102 950 A1 discloses a laying head and a method for producing textile preforms from fiber arrangements containing carbon fibers, the laying head comprising at least one fiber feed device, a laying roller and a heating device for heating a thermally activatable binder Has fixation of the textile preform.
  • the laying head comprises two contact surfaces which are contacted by the fiber arrangement which is fed through the fiber feed device and which is guided through the laying head to the laying roller, the two contact surfaces being made electrically conductive as a pair of electrodes and being connected to a current source, the electrically conductive carbon fibers of the fiber arrangement form a fleece section of the laying head between the electrode pairs, which provides the fleece device of the laying head.
  • the fiber materials supplied to the laying head are energized within the laying head and thus heated up.
  • the current path in the semi-finished fiber also has a predetermined fixed length.
  • the thermal energy input due to the energization is therefore not only dependent on the length of the energization section, but also on the deposition speed at which the fiber material is deposited on the semi-finished fiber. This is because the deposition speed also defines the period of time within which a specific semifinished fiber position is located within the energization section between the electrodes and the counter electrodes.
  • TCP Tool Center Point
  • DE 10 2009 017 217 A1 discloses a device for depositing a band-shaped semi-finished fiber product and a method for operating the device, the fiber-forming head used here having a cutting device in order to cut the band-shaped semi-finished fiber product to a predetermined length.
  • the length subtracted is determined with the aid of a measuring device in order to determine the length in time
  • the measuring device includes a laser-based sensor that detects the end of a cut fiber semifinished product, the unrolled length of the fiber semifinished product can then be determined on the basis of the transport speed of the conveyor or transport belt which produces the feed of the fiber material.
  • the object is achieved according to the invention with the fiber-bending plant according to claim 1 and the method for depositing fiber material according to claim 12.
  • a fiber-bending system for depositing fiber material for producing a fiber preform wherein a fiber composite component can or should be produced from the fiber preform by curing a matrix material embedding the fiber material of the fiber preform.
  • the fiber-bending system is designed to produce a fiber preform from a fiber composite material that contains at least the two main components fiber material and matrix material, at least from the fiber material of the fiber composite material by depositing the fiber material, so that the fiber composite component is then cured from this fiber preform of the matrix material can be produced.
  • the fiber preform is a component preform that can partially or completely have the later component geometry.
  • the fiber-bending system has a fiber-forming head of the generic type, which is designed to deposit fiber material on a tool.
  • the fiber-bending plant has a fiber transport device of the generic type which is designed to transport the fiber material from a fiber-material store to a fiber-laying head of the fiber-bending plant.
  • the fiber head can be arranged on an automatic machine so that the fiber head can be moved in space is and can perform a relative movement between the fiber head and an immovable mold.
  • Such an automatic machine can be, for example, a portal system or a robot.
  • the fiber head is stationary or can only move in one spatial direction, while the shaping tool surface moves relative to the fiber head (for example in the winding process).
  • the fiber material from the fiber material store which is generally arranged so as to be stationary relative to the fiber head, so that a relative movement and movement of the fiber head takes place between the fiber head and the fiber head, can be transported to the fiber head and fed to it , so that the fiber head can lay down the fiber material fed to it.
  • the fiber-bending system has a movement measuring device which is set up to record movement information of the fiber material when the fiber material is continuously deposited on the tool by the fiber-forming head.
  • the movement measuring device is designed such that it directly detects the movement of the fiber material and determines the movement information of the fiber material based on this. Movements of the fiber material and not of the fiberizing head are measured to determine the movement information, movement of the fiber material through the fiberizing head or along the transport device being detected directly and immediately with the aid of the movement measuring device.
  • a movement measuring device can be, for example, a rotary encoder on a deflection roller or a conveyor belt.
  • the movement measuring device can also have an optical sensor which is set up for contactless detection of a movement of the fiber material.
  • the fiberizing system preferably arranged inside the fiberizing head, has a pickling device which is set up to heat the fiber material in a pickling area when the fiber material passes through the fiberizing head is continuously placed on the tool.
  • the fiber-bending system has a control device which is set up to receive the movement information of the fiber material detected by the movement measuring device and to increase the heat supply of the meat device into the fiber material during the deposition as a function of the detected movement information of the fiber material Taxes.
  • the inventors have recognized that by measuring the movement of the fiber material directly and independently of the movement of the fiber head, movement information can be determined with an accuracy that is suitable for controlling the heat input into the fiber material, and so on to be able to heat the fiber material to a desired temperature or to heat the fiber material within a predetermined temperature range shortly before the fiber material is deposited.
  • the direct detection of the movement of the fiber material and the movement information derived therefrom can provide a sufficient control parameter with which the heat supply into the fiber material can be controlled.
  • the control device can be designed in such a way that it can adjust the meat yield (heat output over time) as a function of the movement information of the fiber material in order to control the heat input into the fiber material.
  • the control device can also be designed such that it adjusts or varies the heat input into the fiber material by adjusting the heating time in which the pickling device supplies heat to the fiber material (and consequently emits heat), in order to adjust the heat input to be able to control over time.
  • the amount of heat emitted over time and the heating-up time or pickling time per se would advantageously be used as possible control parameters for controlling the heat supply.
  • the movement measuring device is used to record a material speed and / or a covered material path as movement information of the fiber material during the laying down. is directed, the control device being set up to control the heat supply of the heating device into the fiber material as a function of the detected material speed and / or the detected material path of the fiber material.
  • the stain output (amount of heat over time) is adapted as a function of the material speed, so that the stain output is increased at higher material speeds, while the stain output is reduced at lower material speeds.
  • the control device is designed in such a way that the pickling performance correlates with the material speed.
  • the meat device is switched on or off depending on the material path covered, so that the amount of heat per time is indirectly regulated and controlled as a result. It is thus conceivable that the control device activates the pickling device after a predetermined material path has been covered, so that the pickling device begins to supply heat.
  • This supply of heat by the pickling device is maintained until the control device recognizes that since the beginning of the supply of heat by the pickling device a second material path S2 has been covered, whereupon the control device controls the pickling device in such a way that the supply of heat is stopped.
  • the heat supply through the meat device can be done directly or indirectly. It is conceivable that the pickling device for supplying heat is set up based on classic heat convection, for example by supplying heat to the fiber material using a pickling heater. This is advantageous, for example, if the fiber material consists of non-electrically conductive fiber materials.
  • the heat is supplied by energizing the fiber material in the form of a resistance heater. With the help of electrodes, a voltage is applied that leads to a current flow within the fiber material and thereby heats the fiber material. However, it is also conceivable that heating takes place inductively, using an alternating magnetic field.
  • the heat supply can be regulated on the basis of the (length-specific) quantities or masses of material, the specific heat capacity and / or the electrical and thermal properties of the material to be heated as a function of process boundary conditions. The heat supply can then be regulated on the basis of the process-dependent material parameters in connection with the recorded material movement.
  • the fiber-bending system has at least one temperature sensor, which is designed to detect the temperature of the fiber material outside or inside the meat area of the meat device.
  • the control device is also set up in such a way that the heat supply of the heating device into the fiber material is controlled as a function of the measured temperature of the fiber material.
  • the control parameters can be automatically adapted to changing material properties or changing process boundary conditions.
  • the material temperature is preferably recorded by a contactless measuring method such as one or more pyrometers or a thermal camera. However, other contactless measuring methods are also conceivable that allow the material temperature to be recorded quickly.
  • the fiber-laying system is designed to deposit fiber material consisting of a plurality of individual strands, which are generally fed in parallel to the fiber-laying head and then deposited in parallel by the fiber laying head.
  • movement information is now recorded for each band-shaped single strand or a group of individual strands, so that, based on the movement information recorded individually for each individual strand, the pickling device can be controlled in such a way that for each individual strand or the group of individual strands Heat supply in the respective single strand or the respective group of single strands is controlled.
  • the control device would then detect an increased material draw-off in the external fiber tapes, for example in the form of an increased material speed or a faster reaching of the material waypoints covered, so that the heat supply for the external fiber tapes is automatically increased by the control device. in order to achieve the most uniform possible heat input in all fiber bands.
  • the pickling device is designed for the pulsed supply of heat into the fiber material, the control device of the fiber laying system being set up to control the pulsed heat supply as a function of the detected movement information of the fiber material.
  • a pulsed supply of heat is understood in particular to mean a discontinuous supply of heat at discrete time intervals, the duration of the pickling time being limited in time and generally a large number of heat supply cycles being provided. It is particularly advantageous if the start and / or end of a heat supply pulse (heat supply cycle) are controlled as a function of the detected movement information of the fiber material. However, it is also conceivable that the pulse duration is controlled as a function of the recorded movement information.
  • the pulsed supply of heat can also, depending on the process-dependent material parameters, the voltage provided by the energy source, the desired target temperature or the desired number of pulses be determined, calculated and / or determined to achieve the target temperature.
  • the individual heat supply pulses can be triggered as a function of the distance traveled (for example every 10 mm), such a heat supply pulse having a heat supply duration of a predetermined period of time.
  • an individual fiber supply pulse for supplying heat to the respective fiber band can be set individually for each fiber band. Movement information is thus determined individually for each fiber sliver, whereupon a heat supply pulse is then controlled individually for each fiber sliver, so that an individually pulsed heat supply can be achieved independently of the other fiber slivers.
  • the pickling device has at least one electrode which is connected to an electrical energy source and which is in electrical contact with the electrically conductive fiber material when the fiber material is being transported and which interacts with a counterelectrode which likewise electrically contacts the electrically conductive fiber material in such a way that in one of the electrodes electrical contacting of the at least one electrode and at least one counterelectrode current flow section causes a current flow to heat the fiber material when an electrical voltage is applied to the electrode and / or counterelectrode, the control device being set up to supply the heat to the Control fiber material by controlling the application of the electrical voltage as a function of the detected movement information of the fiber material.
  • One or more electrodes and one or more counterelectrodes can be provided in order to be able to form different current supply sections.
  • the electrodes and the counter electrodes are preferably provided in the fiberizing head, for example in the form of deflection rollers.
  • the counter electrode is formed by the molding tool if the molding tool has an electrically conductive tool surface.
  • each individual strand individually forms an energization section by means of contacting electrodes and counterelectrodes, so that each individual strand has at least one energization section, within which a current flow by application can be caused by electrical voltages in order to heat the fiber material or the single strand within the energization section in the manner of a resistance heater.
  • the control device can be set up to control the application of the electrical voltage individually for each energization section of a respective single strand, in order to enable individual heating of the respective single strand.
  • control device of the fiber-depositing system for controlling the application of the electrical voltage is set up in such a way that the fleas of the electrical voltage, the time of application of the electrical voltage and / or the time interval between two energization phases and the duration of the applied electrical voltage for controlling the heat supply is controlled.
  • Electrodes for example in the form of positive poles
  • a large energy storage device e.g. capacitor
  • the purpose of this is to avoid voltage drops when connecting electrodes. It is also a simple technical solution.
  • the individual electrodes are now connected to the energy store for a pulse by a suitable electrical component (e.g. MOSFET) and then separated again. This enables pulses to be switched in the microsecond range. If the energy store is charged with a high voltage (preferably direct current) in the touch-safe range ⁇ 120 VDC or even ⁇ 60 VDC, the desired target temperatures can be reached within a few milliseconds or microseconds with conventional carbon fiber semi-finished products.
  • a high voltage preferably direct current
  • the heating device is designed for the pulsed application of the electrical voltage for the pulsed supply of heat into the fiber material, the control device of the fiber-bending system being set up to use the pulsed device To control the heat supply as a function of the recorded movement information of the fiber material. It is advantageous if such a heat supply pulse has a duration of less than one second, preferably less than 0.1 seconds.
  • the duration of the heat supply pulse can be predefined, while the triggering times at which the respective heat supply pulse is to be triggered by applying the electrical voltage are based on the distance traveled or on the basis of a material speed, i.e. based on movement information.
  • the heat supply pulses are advantageously controlled via the determined material path, since this can be carried out quickly, reliably and efficiently.
  • the pulses are designed to be temperature-controlled. For example, if the target temperature falls below a certain value, a heat supply pulse is triggered. Because the energy content of a heat supply pulse can be controlled very finely over its set duration, a single pulse can increase the material temperature as required. This can be done in addition to the heat supply pulses controlled according to the movement information.
  • the fiber-bending system is designed to detect at least one parameter of the energization section, the control device of the fiber-bending system being set up to supply heat to the fiber material by controlling the application of the electrical voltage to the fiber material as a function of the electrical detected To control parameters of the fiber material.
  • the electrical parameters (voltage drop over the measuring section and / or current) can be measured and further heat supply pulses can then be optimized on the basis of the measurement data (for example pulse duration or frequency of the pulsed heat supply).
  • the measurement data for example pulse duration or frequency of the pulsed heat supply.
  • a preheating device is provided, which is arranged in the conveying direction of the fiber material in front of the pickling device and is designed to preheat the fiber material before the actual heating.
  • the fiber material is preheated to a temperature below the actual target temperature (e.g. melting temperature in the case of thermoplastics).
  • the target temperature can then be generated directly in front of the deposit in the deposit head by a last heat supply pulse with a low energy content.
  • a first pulse comes from an energy storage device with voltage level 1 (e.g. 60 VDC) and a second pulse follows from an energy storage device with a lower voltage level 2 (e.g. 30VDC) and it could continue.
  • a "switch" eg MOSFET
  • pulse generator 1 switches e.g. Always a pulse with a length of 800 microseconds while pulse generator 2 activates a pulse with 300 microseconds.
  • the invention also encompasses the aspect that, instead of the movement measuring device for detecting movement information, a temperature measuring device is provided, which is set up for recording temperature information or information that allows a conclusion to be drawn about the temperature when the fiber material is continuously placed on the tool by the fiber head.
  • the control device of the fiberizing system is then set up to receive the temperature information of the fiber material detected by the temperature measuring device and to control the heat supply of the meat device into the fiber material during the laying down as a function of the detected temperature information of the fiber material.
  • the fiberizing system has both a movement measuring device and a temperature measuring device, the control device then being designed such that the temperature information of the fiber material acquired by the temperature measuring device and the movement information of the fiber material acquired by the movement measuring device to obtain and then to control the heat supply of the pickling device into the fiber material during the deposition as a function of the detected temperature information and as a function of the detected movement information of the fiber material.
  • a fiber head which is designed to deposit fiber material on a tool
  • a fiber transport device which is designed to transport the fiber material from a fiber material store to the fiber laying head of the fiber laying system
  • a temperature measuring device which is set up to record temperature information or information which allows a conclusion to be drawn about the temperature when the fiber material is continuously deposited on the tool by the fiber laying head, characterized in that the fiber-laying system has a control device , which is set up to receive the temperature information of the fiber material detected by the temperature measuring device and to control the heat supply of the heating device into the fiber material during the deposition as a function of the detected temperature information of the fiber material.
  • Another aspect of the present invention is a method for depositing fiber material for producing a fiber preform, from which by curing a a fiber composite component is to be produced, the fiber material of the matrix material embedding the fiber preform, the method comprising the following steps:
  • the recorded temperature information is transmitted to a control device, the control device controlling the heat supply of the pickling device into the fiber material as a function of the recorded temperature information of the fiber material.
  • the temperature measuring device can determine how many electrical pulses have to be triggered in order to reach the desired target temperature. This presupposes that it is known how large the temperature increase per electrical pulse is.
  • temperature information is also used in all embodiments of the present invention instead of movement information. used to be able to control the heat input during the continuous laying down of fiber material accordingly. It is certainly also advantageous if both temperature and movement information are recorded and the control is based on temperature and movement information.
  • Figure 1 Schematic representation of a fiber head
  • FIG. 2 Schematic representation of an embodiment with a
  • FIG. 1 shows, in a highly simplified manner, the internal structure of a fiber head 1 in a schematic illustration.
  • a fiber material 2 is fed to the fiber head 1, which is then to be placed on a tool 100 with the aid of a pressure roller 3 of the fiber head 1.
  • the fiber material 2 is guided through the fiber laying head 1 in such a way that it finally arrives at the pressure roller 3 and is guided thereon so that the pressure roller 3 can press the fiber material 2 onto the tool 100.
  • the fiber material 2 consequently runs between the pressure roller 3 and the tool 100.
  • the fiberizing head 1 has a plurality of guide elements 4, which in the exemplary embodiment in FIG. 1 are in the form of pairs of rollers or rollers.
  • the fiberizing head 1 furthermore has an optional cutting device 5 with which fiber material 2 can be severed in front of the pressure roller 3.
  • the fiber material 2 supplied in the form of quasi-endless fiber bands can be cut to a desired length or at the end of the tool 100.
  • the fiber head 1 also has a heating device 6 in order to be able to heat the fiber material 2 shortly before it is placed on the tool 100 by means of the pressure roller 3.
  • the structure of the heating device 6 will be discussed in detail later.
  • the schematically shown fiberizing head 1 of FIG. 1 has at least one optical sensor 7, which can be part of a movement measuring device.
  • the motion measuring device can also in front of the Cutting device 5 have a further optional optical sensor 7a in order to also be able to detect a movement in front of the cutting device 5.
  • the optical sensor 7 is designed such that it is set up to record movement information of the fiber material when the fiber material is continuously deposited on the tool by the fiberizing head.
  • the optical sensor 7 can advantageously be designed for contactless detection of the material speed or the material path covered.
  • the optical sensor 7 has an imaging sensor chip which, for example, can be constructed from a pixel array of a digital image sensor.
  • the material surface of the fiber material 2 is recorded, namely continuously with a predetermined frequency of, for example, 1000 flz, the images of two recordings then being compared with one another using a computing unit (DSP: digital signal processor) provided in the optical sensors 7 , On the basis of the comparison, a material shift of the fiber material or the fiber material surface between a first and a second recording time is then recognized, from which the material speed or the distance traveled by the material can then be determined.
  • DSP digital signal processor
  • the fiber-bending system of which the fiber-fiber head 1 is a component, furthermore has a control device 10 which can be provided in the fiber-fiber head 1 or can be a component of the overall control system of the entire fiber-fiber system.
  • the control device 10 now receives the movement information recorded by the optical sensors 7, for example the material speed or the distance covered, and then controls the pickling device in such a way that the heat supply of the pickling device 6 into the fiber material 2 during the deposition as a function of the Optical sensors 7 detected movement information of the fiber material is controlled.
  • FIG. 2 shows a possible diagram of a path-controlled heat supply, as can be implemented directly within the fiber head 1.
  • the control device 10 is connected in terms of signal technology to a displacement sensor 11 which, unlike an optical sensor from FIG. 1, detects the path covered by the fiber material 2 with contact.
  • an optical sensor 7, as is known from FIG. 1, is used instead of the displacement sensor 11.
  • the fiber material is electrically contacted with an electrode 12a and a counterelectrode 12b, which can be designed, for example, in the form of guide rollers.
  • the electrode 12a and the counter electrode 12b form part of the pickling device 6.
  • An energy store 13 which can be designed, for example, in the form of a capacitor array, is charged via an energy source 20 connected to the pickling device 6.
  • the energy source 20 is preferably constructed bidirectionally and can also empty the energy store 13 again if required.
  • another device is to be provided which enables the energy store to be discharged, since this is intended to store large amounts of energy and should not be discharged in an uncontrolled manner.
  • a current supply section 14 is formed between the electrode 12a and the counter electrode 12b, within which a current flow is effected when a corresponding electrical voltage is applied to the electrode 12a and the counter electrode 12b.
  • the electrode 12a is connected via a switch 15 to the energy store 13 in the form of a positive pole, and is accordingly separated from it when no heat is supplied, while the counter electrode 12b is connected to the ground line of the energy store 13 or the energy source 20.
  • the switch 15 If the switch 15 is closed, a current flow is effected in the energization section 14, which acts in the manner of a resistance heater and heats the fiber material accordingly within the energization section 14.
  • the switch When the switch is opened, the circuit is interrupted and no current flows through the energization section 14.
  • the control device 10 determines how long the switch 15 is closed and how long it remains closed and thus causes a current to flow in the current supply section 14. Via the transducer 11, this receives the information of how much material has already been conveyed or withdrawn since a certain point in time. For example, the switch 15 is closed every 10 mm, thus triggering a heat supply pulse.
  • the semi-finished fiber 2 is pulled off, for example, a total of 24 mm, a total of two pulses are released.
  • the duration of a pulse depends, for example, on what temperature should be reached by the pulse, how much and what kind of material is within the heating section and to what voltage level the energy store has been charged.
  • Another input parameter can be the measured temperature of the semi-finished fiber product, which can be determined with the aid of a temperature sensor 16.
  • the pulse parameters can e.g. can be adjusted automatically by the control device 10 if the temperature of the semi-finished product is measured after a pulse and is compared with a target value.
  • an electrical measuring device 17 can be provided, with which the total resistance of the heating section can be determined and thereby serves as input for the control device 10.
  • the electrical data (voltage / current / resistance) are evaluated for each pulse and compared with a target variable.
  • the parameters for the next current pulse as an equivalent for the heat supply pulse are then adjusted accordingly.
  • Such a measuring pulse could always take place shortly before the actual heating pulse for the purpose of optimization.
  • FIG. 3 shows an arrangement of a multi-tow system in which a plurality of individual strands or slivers are laid in parallel. To simplify the illustration, the individual slivers to be laid in parallel are shown side by side.
  • the molding tool 100 is designed as a counter electrode and thus represents the common ground or the common ground connection for all individual fiber strands.
  • a displacement sensor 11 a-11 c is provided for each individual fiber strand 2a-2c, which individually detects the respective movement information for each individual strand.
  • the displacement transducers 11 a and 11 c can of course also be designed in the form of optical sensors.
  • each individual strand 2a-2c is connected to a respective electrode 12aa- 12ac, in order to be able to effect an individual current flow within the respective fiber strand 2a-2c in a targeted manner for each individual fiber strand 2a-2c.
  • Each of the electrodes 12aa-12ac is connected to an energy store 13 in such a way that each electrode can be switched separately.
  • a control module 10a-10c is provided for each fiber strand 2a-2c, which is connected to a corresponding switch, as shown in FIG. 2.
  • a separate energization section 14a-14c is formed for each fiber strand, through which a current flow can be effected in order to individually and independently of the fiber material to be able to heat up others.
  • control modules 10a-10c shown in the exemplary embodiment in FIG. 3 is shown only by way of example. Of course, it is also conceivable that this can be done via a single higher-level controller. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Faserlegeanlage zum Ablegen von Fasermaterial zur Herstellung einer Faserpreform, aus der durch Aushärten eines das Fasermaterial der Faserpreform einbettenden Matrixmaterials ein Faserverbundbauteil herstellbar ist, wobei die Faserlegeanlage aufweist: - einen Faserlegekopf, der zum Ablegen von Fasermaterial auf einem Werkzeug ausgebildet ist, - eine Fasertransporteinrichtung, die zum Transportieren des Fasermaterials von einem Fasermaterialspeicher zu dem Faserlegekopf der Faserlegeanlage ausgebildet ist, - eine Bewegungsmesseinrichtung, die zum Erfassen von Bewegungsinformationen des Fasermaterials eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Faserlegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird, und - eine Heizeinrichtung, die zum Aufheizen des Fasermaterials in einem Heizbereich eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Faserlegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird, wobei die Faserlegeanlage eine Steuereinrichtung hat, die eingerichtet ist, die von der Bewegungsmesseinrichtung erfassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials zu erhalten und die Wärmezufuhr der Heizeinrichtung in das Fasermaterial während des Ablegens in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fasermaterials zu steuern.

Description

Faseriegeanlage und Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial
Die Erfindung betrifft eine Faseriegeanlage zum Ablegen von Fasermaterial zur Her- Stellung einer Faserpreform, aus der durch Aushärten eines das Fasermaterial der Faserpreform einbettenden Matrixmaterials ein Faserverbundbauteil herstellbar ist bzw. hergestellt werden soll. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren hierzu.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch in anderen Bereichen findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbe- sondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigen- schäften der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile exakt an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
Im Fertigungsprozess kommen neben trockenen Faserhalbzeugen wie Gelegen, Ge- webe oder auch meist vorbebinderte trockene Rovings, auch sogenannte Prepregs, zum Einsatz, die ein mit einem Matrixmaterial vorimprägniertes Fasermaterial dar- stellen. Durch die immer höheren Stückzahlen bei der Produktion von faserverstärk- ten Bauteilen, insbesondere in der Serienproduktion, bestehen große Bestrebungen, den Herstellungsprozess weitgehend zu automatisieren, ohne dabei die Qualität des Herstellungsprozesses bzw. der herzustellenden Bauteile negativ zu beeinflussen.
Damit die spätere Bauteilform aus den Faserhalbzeugen entstehen kann, werden die Faserhalbzeuge in der Regel in oder auf ein Formwerkzeug abgelegt, beispielsweise unter Anwendung einer Kraft, wobei deren Werkzeugoberfläche eine der späteren Bauteilform entsprechende Geometrie oder eine Vorstufe davon aufweist. Insbeson- dere im automatisierten bzw. teilautomatisierten Herstellungsprozess wird dieser Ab- legeprozess (auch häufig Preforming genannt) mithilfe von Faseriegevorrichtungen bzw. Faseriegeanlagen durchgeführt, bei denen die Endeffektoren Faseriegeköpfe sind. Derartige Faseriegeanlagen können beispielsweise Portalanlagen oder roboter- gestützte Anlagen sein, bei denen die Faseriegeköpfe an industriellen Knickarmrobo- tern angeordnet sind.
Den Faseriegeköpfen werden Faserhalbzeuge, insbesondere flächige Faserhalb- zeuge wie Tapes, Slittapes oder Rovings, mittels einer Materialbereitstellungseinrich- tung zugeführt, so dass sie in oder auf dem Formwerkzeug durch eine relative Bewe- gung zwischen Legekopf und Werkzeugoberfläche abgelegt werden können.
Aus der DE 10 2013 107 103 A1 ist beispielsweise ein Faseriegekopf bekannt, der an einem Roboter zur Bildung einer Faseriegeanlage angeordnet werden kann. Der Faseriegekopf ist dabei so ausgebildet, dass er mithilfe einer Faseriegeeinheit, bei spielsweise einer Andruckrolle, das ihm zugeführte flächige Faserhalbzeug auf die Formwerkzeugoberfläche ablegt, wobei der Faseriegekopf eine Mehrzahl von elektri schen Elektroden und/oder Gegenelektroden hat, um durch Anlegen einer elektri- schen Spannung einen Stromfluss in dem Faserhalbzeug zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode bewirken zu können. Hierdurch können beispielsweise be- stimmte Materialien oder Werkstoffe innerhalb des Faserhalbzeuges aktiviert werden, wie beispielsweise ein Bindermaterial, um das Faserhalbzeug auf der Oberfläche zu fixieren. Denkbar ist aber auch, dass bei der Verwendung von vorimprägnierten Fa- serhalbzeugen (Prepregs) durch das Bestromen des abzulegenden Faserhalbzeuges dieses erwärmt wird, um so durch eine Erhöhung der Klebrigkeit eine bessere Fixie- rung des Faserhalbzeuges auf der Oberfläche zu erreichen.
Aus der DE 10 2011 102 950 A1 ist ein Legekopf und ein Verfahren zur Herstellung von Textilvorformlingen aus Karbonfasern enthaltenen Faseranordnungen bekannt, wobei der Legekopf zumindest eine Faserzuführeinrichtung, eine Ablegerolle und eine Heizeinrichtung zur Erwärmung eines thermisch aktivierbaren Bindermittels zur Fixierung des Textilvorformlings aufweist. Der Legekopf umfasst zwei Kontaktflä- chen, die von der durch die Faserzuführeinrichtung zugeführte, durch den Legekopf zu der Ablegerolle geführte Faseranordnung kontaktiert werden, wobei die zwei Kon- taktflächen elektrisch leitend als Elektrodenpaar ausgeführt und mit einer Strom- quelle verbunden sind, wobei die elektrisch leitfähigen Karbonfasern der Faseranord- nung zwischen den Elektrodenpaaren eine Fleizstrecke des Legekopfes bilden, die die Fleizeinrichtung des Legekopfes bereitstellt. Auch hier werden die dem Legekopf zugeführten Fasermaterialien innerhalb des Legekopfes bestromt und somit aufge- heizt.
Da der Abstand zwischen den Elektroden und den Gegenelektroden in der Regel fix ist, weist auch die Bestromungsstrecke im Faserhalbzeug eine vorgegebene feste Länge auf. Der thermische Energieeintrag aufgrund des Bestromens ist demzufolge nicht nur abhängig von der Länge des Bestromungsabschnittes, sondern auch ab- hängig von der Ablegegeschwindigkeit, mit der das Fasermaterial auf das Faserhalb- zeug abgelegt wird. Denn durch die Ablegegeschwindigkeit wird auch der Zeitraum definiert, innerhalb dessen sich eine bestimmte Faserhalbzeugposition innerhalb des Bestromungsabschnittes zwischen den Elektroden und den Gegenelektroden befin- det.
Aus der Praxis ist es zur Überwachung der Anlagenparameter bekannt, die Ablege- geschwindigkeit annähernd über die tatsächliche TCP-Geschwindigkeit (TCP: Tool Center Point) zu bestimmen. Die Genauigkeit hierbei hängt jedoch von den Sensoren zum Erfassen der TCP-Geschwindigkeit ab sowie von der Trägheit und Ungenauig- keit des Gesamtsystems aufgrund der Masse und des Schwingungsverhaltens.
Aus der DE 10 2009 017 217 A1 ist eine Vorrichtung zum Ablegen eines bandförmi- gen Faserhalbzeuges und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung bekannt, wo- bei der hier verwendete Faseriegekopf eine Schneidvorrichtung hat, um das bandför- mige Faserhalbzeug in eine vorgegebene Länge zuzuschneiden. Hierbei wird mithilfe einer Messvorrichtung die abgezogene Länge ermittelt, um so rechtzeitig die
Schneidvorrichtung anzusteuern und das Faserhalbzeug abzuschneiden. Die Mess- vorrichtung umfasst dabei einen lasergestützten Sensor, der das Ende eines abge- schnittenen Faserhalbzeuges erfasst, wobei dann anhand der Transportgeschwind ig- keit des Förder- bzw. Transportbandes, welches den Vorschub des Fasermaterials erzeugt, die abgerollte Länge des Faserhalbzeuges ermittelt werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Faseriegeanlage und ein verbessertes Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial zur Herstellung einer Faser- preform anzugeben, mit der sich gezielt und sehr fein der thermische Energieeintrag in das Fasermaterial während des Ablegens des Fasermaterials auf dem Formwerk- zeug einstellen lässt. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Faseriegeanlage und ein verbessertes Verfahren anzugeben, bei dem der thermische Energieeintrag basierend auf den vorhandenen Prozessrandbedin- gungen des Ablegeprozesses sehr fein und hochgenau einstellbar ist.
Die Aufgabe wird mit der Faseriegeanlage gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial gemäß Anspruch 12 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Faseriegeanlage zum Ablegen von Fasermaterial zur Herstellung einer Faserpreform gattungsgemäß beansprucht, wobei aus der Faser- preform durch Aushärten eines das Fasermaterial der Faserpreform einbettenden Matrixmaterials ein Faserverbundbauteil herstellbar ist bzw. hergestellt werden soll. Demzufolge ist die Faseriegeanlage ausgebildet, aus einem Faserverbundwerkstoff, der wenigstens die beiden Hauptbestandteile Fasermaterial und Matrixmaterial ent- hält, eine Faserpreform wenigstens aus dem Fasermaterial des Faserverbundwerk- stoffes durch Ablegen des Fasermaterials herzustellen, so dass aus dieser Faserpre- form dann das Faserverbundbauteil durch Aushärten des Matrixmaterials hergestellt werden kann. Die Faserpreform ist dabei eine Bauteilvorform, die teilweise oder voll- ständig die spätere Bauteilgeometrie haben kann.
Die Faseriegeanlage weist gattungsgemäß einen Faseriegekopf auf, der zum Able- gen von Fasermaterial auf einem Werkzeug ausgebildet ist. Des Weiteren weist die Faseriegeanlage gattungsgemäß eine Fasertransporteinrichtung auf, die zum Trans- portieren des Fasermaterials von einem Fasermaterialspeicher zu einem Faserlege- kopf der Faseriegeanlage ausgebildet ist. Der Faseriegekopf kann dabei an einem Bewegungsautomaten angeordnet sein, damit der Faseriegekopf im Raum bewegbar ist und eine Relativbewegung zwischen dem Faseriegekopf und einem nicht beweg- baren Formwerkzeug ausführen kann. Ein solcher Bewegungsautomat kann bei spielsweise eine Portalanlage oder ein Roboter sein. Denkbar ist aber auch, dass der Faseriegekopf feststehend ist oder sich nur in eine Raumrichtung bewegen kann, während sich die formgebende Werkzeugoberfläche gegenüber dem Faseriegekopf relativ bewegt (beispielsweise im Wickelprozess).
Mithilfe der Fasertransporteinrichtung kann dabei das Fasermaterial aus dem Faser- materialspeicher, der in der Regel gegenüber dem Faseriegekopf feststehend ange- ordnet ist, so dass zwischen Faseriegekopf und Fasermaterialspeicher eine Relativ- bewegung und eine Bewegung des Faseriegekopfes stattfindet, zum Faseriegekopf transportiert und diesem zugeführt werden, so dass der Faseriegekopf das ihm zuge- führte Fasermaterial ablegen kann.
Des Weiteren weist die Faseriegeanlage eine Bewegungsmesseinrichtung auf, die zum Erfassen von Bewegungsinformationen des Fasermaterials eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Faseriegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird. Mithilfe einer solchen Bewegungsmesseinrichtung kann beispiels weise der zurückgelegte Materialweg und/oder die Materialgeschwindigkeit beim Ab- legen des Fasermaterials kontinuierlich ermittelt werden. Die Bewegungsmessein- richtung ist dabei so ausgebildet, dass sie direkt die Bewegung des Fasermaterials erfasst und basierend hierauf die Bewegungsinformationen des Fasermaterials ermit- telt. Dabei werden Bewegungen des Fasermaterials und nicht des Faseriegekopfes zur Ermittlung der Bewegungsinformationen gemessen, wobei mithilfe der Bewe- gungsmesseinrichtung eine Bewegung des Fasermaterials durch den Faseriegekopf oder entlang der Transporteinrichtung direkt und unmittelbar erfasst wird. Eine solche Bewegungsmesseinrichtung kann beispielsweise ein Drehgeber an einer Umlenkrolle oder eines Transportbandes sein. Die Bewegungsmesseinrichtung kann allerdings auch einen optischen Sensor aufweisen, der zum kontaktlosen Erfassen einer Bewe- gung des Fasermaterials eingerichtet ist.
Darüber hinaus weist die Faseriegeanlage, vorzugsweise angeordnet innerhalb des Faseriegekopfes, eine Fleizeinrichtung auf, die zum Aufheizen des Fasermaterials in einem Fleizbereich eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Faseriegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird. Erfindungsgemäß ist nun vorgese- hen, dass die Faseriegeanlage eine Steuereinrichtung hat, die eingerichtet ist, die von der Bewegungsmesseinrichtung erfassten Bewegungsinformationen des Faser- materials zu erhalten und die Wärmezufuhr der Fleizeinrichtung in das Fasermaterial während des Ablegens in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fasermaterials zu steuern.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass durch eine Messung der Bewegung des Fa- sermaterials direkt und unabhängig von der Bewegung des Faseriegekopfes eine Bewegungsinformation mit einer Genauigkeit ermittelt werden kann, die dazu geeig- net ist, die Wärmezufuhr in das Fasermaterial zu steuern, um so das Fasermaterial auf eine gewünschte Temperatur aufheizen zu können bzw. um das Fasermaterial innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches kurz vor dem Ablegen des Fa- sermaterials aufzuheizen. Insbesondere bei schnellen Ablegemanövern sowie schnellen Anfahr- und Abbremsvorgängen des Faseriegekopfes kann durch die di- rekte Erfassung der Bewegung des Fasermaterials und den daraus abgeleiteten Be- wegungsinformationen ein hinreichender Steuerungsparameter bereitgestellt werden, mit dem sich die Wärmezufuhr in das Fasermaterial steuern lässt.
Die Steuereinrichtung kann dabei so ausgebildet sein, dass sie zum Steuern der Wärmezufuhr in das Fasermaterial die Fleizleistung (Wärmeabgabe über die Zeit) in Abhängigkeit von der Bewegungsinformation des Fasermaterials einstellen kann. Die Steuereinrichtung kann aber auch alternativ oder zusätzlich so ausgebildet sein, dass sie die Wärmezufuhr in das Fasermaterial durch Anpassen der Heizzeit, in der die Fleizeinrichtung Wärme in das Fasermaterial zuführt (und demzufolge Wärme ab- gibt) anpasst bzw. variiert, um so den Wärmeeintrag über die Zeit steuern zu können. Demzufolge wären vorteilhafterweise insbesondere die Menge an abgegebener Wärme über die Zeit sowie die Aufheizzeit bzw. Fleizzeit an sich als mögliche Steue- rungs- bzw. Regelungsparameter zur Steuerung der Wärmezufuhr verwendet.
Wie bereits angesprochen, ist es vorteilhaft, wenn die Bewegungsmesseinrichtung zum Erfassen einer Materialgeschwindigkeit und/oder eines zurückgelegten Material- weges als Bewegungsinformation des Fasermaterials während des Ablegens einge- richtet ist, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Wärmezufuhr der Heizein- richtung in das Fasermaterial in Abhängigkeit von der erfassten Materialgeschwindig- keit und/oder des erfassten zurückgelegten Materialweges des Fasermaterials zu steuern.
So ist es beispielsweise denkbar, dass in Abhängigkeit der Materialgeschwindigkeit die Fleizleistung (Wärmemenge über die Zeit) angepasst wird, so dass bei höheren Materialgeschwindigkeiten, die Fleizleistung erhöht wird, während bei geringeren Ma- terialgeschwindigkeiten die Fleizleistung verringert wird. Demzufolge ist die Steuer- einrichtung dann so ausgebildet, dass die Fleizleistung mit der Materialgeschwindig- keit korreliert. Denkbar ist aber auch, dass in Abhängigkeit des zurückgelegten Mate- rialweges die Fleizeinrichtung eingeschaltet oder abgeschaltet wird, so dass hier- durch indirekt die Wärmemenge pro Zeit geregelt und gesteuert wird. So ist es denk- bar, dass nach einem vorgegebenen zurückgelegten Materialweg si die Steuerein- richtung die Fleizeinrichtung aktiviert, so dass die Fleizeinrichtung mit der Zufuhr von Wärme beginnt. Diese Wärmezufuhr durch die Fleizeinrichtung bleibt solange auf- rechterhalten bis die Steuereinrichtung erkennt, dass seit Beginn der Wärmezufuhr durch die Fleizeinrichtung ein zweiter zurückgelegter Materialweg S2 zurückgelegt wurde, woraufhin die Steuereinrichtung die Fleizeinrichtung so ansteuert, dass die Wärmezufuhr gestoppt wird.
Die Wärmezufuhr durch die Fleizeinrichtung kann dabei direkt oder indirekt gesche- hen. So ist es denkbar, dass die Fleizeinrichtung zur Wärmezufuhr basierend auf der klassischen Wärmekonvektion eingerichtet ist, indem beispielsweise mithilfe eines Fleizstrahlers dem Fasermaterial Wärme zugeführt wird. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn das Fasermaterial aus nicht elektrisch leitfähigen Fasermaterialien besteht.
Weist das Fasermaterial elektrisch leitfähige Verstärkungsfasern auf, so kann es vor- teilhaft sein, wenn die Wärmezufuhr durch ein Bestromen des Fasermaterials in Form einer Widerstandsheizung erfolgt. Flierfür wird mithilfe von Elektroden eine Spannung angelegt, die zu einem Stromfluss innerhalb des Fasermaterials führt und dabei das Fasermaterial aufheizt. Denkbar ist aber auch, dass ein Aufheizen induktiv erfolgt, mithilfe eines Wechselmagnetfeldes. Weiterhin kann die Wärmezufuhr anhand der (längenspezifischen) Materialmengen bzw. Materialmassen, der spezifischen Wärmekapazität und/oder der elektrischen sowie thermischen Eigenschaften des aufzuheizenden Materials in Abhängigkeit von Prozessrandbedingungen geregelt werden. Die Wärmezufuhr kann dann anhand der prozessabhängigen Materialparameter in Verbindung mit der erfassten Materialbe- wegung geregelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Faseriegeanlage mindes- tens einen Temperatursensor auf, der zum Erfassen der Temperatur des Fasermate- rials außerhalb oder innerhalb des Fleizbereiches der Fleizeinrichtung ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung ist weiterhin so eingerichtet, dass die Wärmezufuhr der Heiz- einrichtung in das Fasermaterial in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Fasermaterials gesteuert wird. Durch die Analyse der Materialtemperatur können die Regelparameter automatisiert auf sich verändernde Materialeigenschaften oder wechselnde Prozessrandbedingungen angepasst werden. Die Materialtemperatur wird dabei vorzugsweise durch ein kontaktloses Messverfahren wie beispielsweise durch ein oder mehrere Pyrometer oder eine Thermokamera erfasst. Aber auch an- dere kontaktlose Messverfahren sind denkbar, die ein schnelles Erfassen der Materi- altemperatur erlauben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Faseriegeanlage zum Ablegen von aus einer Mehrzahl von Einzelsträngen bestehendes Fasermaterial ausgebildet, die in der Regel dem Faseriegekopf parallel zugeführt und dann durch den Faserle- gekopf parallel abgelegt werden. Mithilfe der Bewegungsmesseinrichtung wird nun für jeden bandförmigen Einzelstrang bzw. einer Gruppe von Einzelsträngen eine Be- wegungsinformation erfasst, so dass basierend auf der für jeden Einzelstrang indivi duell erfassten Bewegungsinformation die Fleizeinrichtung so angesteuert werden kann, dass für jeden Einzelstrang oder der Gruppe von Einzelsträngen die Wärmezu- fuhr in dem jeweiligen Einzelstrang oder die jeweilige Gruppe von Einzelsträngen ge- steuert wird.
Flierdurch wird es möglich, für jedes abzulegende Faserband (Einzelstrang) die Wär- mezufuhr individuell in Abhängigkeit von der Bewegungsinformation des jeweiligen Faserstranges zu steuern, wodurch ein Wärmeeintrag noch genauer durch die Fa- serlegeanlage ermöglicht wird.
Denn bei engen Kurvenradien oder einer hohen Anzahl breiter gleichzeitig abzule- gender Faserbänder ergibt sich auf einer Kreisbahn ein deutlicher Unterschied an Materialabzug zwischen dem außenliegenden Bändern bzw. Einzelsträngen gegen- über den im Innenradius der Kreisbahn liegenden Bändern bzw. Einzelsträngen, so dass bei einem gemeinsamen Wärmeeintrag die Wärmezufuhr bei den Einzelsträn- gen im Außenradius geringer wäre als bei den Einzelsträngen im Innenradius. Durch das individuelle Ermitteln der Bewegungsinformation für jeden Einzelstrang sowie das individuelle Steuern der Wärmezufuhr in jeden einzelnen Einzelstrang kann die sem Problem beim Ablegen des Fasermaterials in engen Kurvenradien Rechnung getragen werden. Die Steuereinrichtung würde dann bei den außenliegenden Faser- bändern einen erhöhten Materialabzug feststellen, beispielsweise in Form einer er- höhten Materialgeschwindigkeit oder einem schnelleren Erreichen der zurückgeleg- ten Materialwegpunkte, so dass die Wärmezufuhr bei den außenliegenden Faser- bändern automatisch durch die Steuereinrichtung erhöht wird, um so in allen Faser- bändern einen möglichst gleichmäßigen Wärmeeintrag zu realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Fleizeinrichtung zur gepulsten Wärmezufuhr in das Fasermaterial ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung der Fa- serlegeanlage eingerichtet ist, die gepulste Wärmezufuhr in Abhängigkeit von den er- fassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials zu steuern. Unter einer gepuls- ten Wärmezufuhr wird insbesondere eine diskontinuierliche Wärmezufuhr in diskre- ten Zeitabständen verstanden, wobei die Fleizdauer zeitlich begrenzt ist und in der Regel eine Vielzahl von Wärmezufuhrzyklen vorgesehen ist. Dabei ist es insbeson- dere vorteilhaft, wenn Beginn und/oder Ende eines Wärmezuführpulses (Wärmezu- führzyklus) in Abhängigkeit von den erfassten Bewegungsinformationen des Faser- materials gesteuert werden. Denkbar ist aber auch, dass die Pulsdauer in Abhängig- keit der erfassten Bewegungsinformationen gesteuert wird.
Die gepulste Wärmezufuhr kann darüber hinaus auch in Abhängigkeit von prozess- abhängigen Materialparametern, der durch die Energiequelle bereitgestellten Span- nung, der gewünschten Zieltemperatur oder der gewünschten Anzahl an Pulsen bis zum Erreichen der Zieltemperatur festgelegt, berechnet und/oder ermittelt werden.
So können die einzelnen Wärmezuführpulse in Abhängigkeit von der zurückgelegten Materialstrecke ausgelöst werden (beispielsweise alle 10 mm), wobei ein solcher Wärmezuführpuls eine Wärmezuführdauer von einer vorgegebenen Zeitspanne hat.
Dabei ist es denkbar, dass bei einer Mehrzahl von Einzelsträngen bzw. Faserbän- dern, die durch den Faseriegekopf parallel abgelegt werden sollen, jedem Faserband individuell ein individueller Faserzuführpuls zur Wärmezuführung in das jeweilige Fa- serband eingestellt werden kann. So wird für jedes Faserband individuell eine Bewe- gungsinformation ermittelt, woraufhin dann für jedes Faserband individuell ein Wär- mezuführpuls gesteuert wird, so dass unabhängig von den anderen Faserbändern eine individuell gepulste Wärmezufuhr erreicht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Fleizeinrichtung mindestens eine mit einer elektrischen Energiequelle verbundene Elektrode auf, die mit dem elektrisch leitfähigen Fasermaterial beim Transportieren des Fasermaterials elektrisch kontaktiert ist und mit einer das elektrisch leitfähige Fasermaterial ebenfalls elektrisch kontaktierenden Gegenelektrode derart zusammenwirkt, dass in einem durch die elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrode und mindestens einen Gegenelektrode gebildeten Bestromungsabschnitt ein Stromfluss zum Aufhei- zen des Fasermaterials bewirkt wird, wenn eine elektrische Spannung an die Elekt rode und/oder Gegenelektrode angelegt wird, wobei die Steuereinrichtung eingerich- tet ist, die Wärmezufuhr in das Fasermaterial durch Steuern des Anlegens der elektri- schen Spannung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fa- sermaterials zu steuern.
Dabei können eine oder mehrere Elektroden sowie eine oder mehrere Gegenelektro- den vorgesehen sein, um verschiedene Bestromungsabschnitte bilden zu können. Vorzugsweise sind die Elektroden und die Gegenelektroden in dem Faseriegekopf, beispielsweise in Form von Umlenkrollen vorgesehen. Denkbar ist aber auch, dass beispielsweise die Gegenelektrode durch das Formwerkzeug gebildet wird, wenn das Formwerkzeug eine elektrisch leitfähige Werkzeugoberfläche hat. Dabei ist selbstverständlich denkbar, dass bei einer Mehrzahl von Einzelsträngen, die durch den Faseriegekopf abgelegt werden sollen, jeder Einzelstrang individuell durch kontaktierende Elektrode und Gegenelektrode einen Bestromungsabschnitt ausbildet, so dass jeder Einzelstrang jeweils mindestens einen Bestromungsab- schnitt hat, innerhalb dessen ein Stromfluss durch Anlegen von elektrischen Span- nungen bewirkt werden kann, um so das Fasermaterial bzw. den Einzelstrang inner- halb des Bestromungsabschnittes in Art einer Widerstandsheizung aufzuheizen. Da- bei kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, dass Anlegen der elektrischen Spannung individuell für jeden Bestromungsabschnitt eines jeweiligen Einzelstranges zu steuern, um so individuell ein Aufheizen des jeweiligen Einzelstranges zu ermögli- chen.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinrichtung der Faseriegeanlage zum Steuern des Anlegens der elektrischen Spannung derart eingerichtet, dass die Flöhe der elektri schen Spannung, der Zeitpunkt des Anlegens der elektrischen Spannung und/oder der Zeitabstand zwischen zwei Bestromungsphasen sowie die Dauer der angelegten elektrischen Spannung zum Steuern der Wärmezufuhr gesteuert wird.
So ist es denkbar, dass alle Elektroden (beispielsweise in Form von Pluspolen) der Anlage an einem großen Energiespeicher (z.B. Kondensator) angeschlossen sind. Dies hat den Zweck, dass Spannungsabfälle beim Zuschalten von Elektroden ver- mieden werden sollen. Zudem ist dies eine einfache technische Lösung. Die einzel- nen Elektroden werden nun durch ein geeignetes elektrisches Bauteil (z.B. MOS- FET) für die Dauer eines Pulses mit dem Energiespeicher verbunden und dann wie- der getrennt. Hierdurch lassen sich Pulse im Mikrosekundenbereich schalten. Ist der Energiespeicher mit einer hohen Spannung geladen (vorzugsweise Gleichstrom) im berührungssicheren Bereich < 120 VDC oder sogar < 60 VDC, lassen sich so bereits bei üblichen Kohlenstofffaserhalbzeugen innerhalb weniger Milli- oder Mikrosekun- den die gewünschten Zieltemperaturen erreichen.
Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn die Heizeinrichtung zum gepulsten Anlegen der elektrischen Spannung zur gepulsten Wärmezufuhr in das Fasermaterial ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung der Faseriegeanlage eingerichtet ist, die gepulste Wärmezufuhr in Abhängigkeit von den erfassten Bewegungsinformationen des Fa- sermaterials zu steuern. So ist es vorteilhaft, wenn ein solcher Wärmezuführpuls eine Dauer von weniger als eine Sekunde, vorzugweise weniger als 0,1 Sekunden hat.
Die Dauer des Wärmezuführpulses kann dabei fest vorgegeben sein, während die Auslösezeitpunkte, zu wann der jeweilige Wärmezuführpuls durch Anlegen der elektrischen Spannung ausgelöst werden soll, anhand der zurückgelegten Material- Strecke bzw. anhand einer Materialgeschwindigkeit, d.h. anhand einer Bewegungsin- formation, gesteuert werden soll.
Bei besonders schnellen Ablegeverfahren werden die Wärmezuführpulse vorteilhaf- terweise über die ermittelte Materialstrecke gesteuert, da dies schnell, prozesssicher und effizient durchführbar ist. Zusätzlich hierzu ist es auch denkbar, dass die Pulse temperaturgesteuert ausgelegt werden. Fällt beispielsweise die Zieltemperatur unter einen gewissen Wert, so wird ein Wärmezuführpuls ausgelöst. Weil der Energiegeh- alt eines Wärmezuführpulses über seine eingestellte Dauer sehr fein gesteuert wer- den kann, kann ein Einzelpuls die Materialtemperatur nach Bedarf erhöhen. Dies kann zusätzlich zu den nach der Bewegungsinformation gesteuerten Wärmezuführ- pulsen erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Faseriegeanlage zum Erfas- sen mindestens eines Parameters des Bestromungsabschnittes ausgebildet, wobei die Steuereinrichtung der Faseriegeanlage eingerichtet ist, die Wärmezufuhr in das Fasermaterial durch Steuern des Anlegens der elektrischen Spannung an das Faser- material in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Parameter des Fasermateri- als zu steuern.
So können beispielsweise bei einem Wärmezuführpuls die elektrischen Parameter (Spannungsabfall über die Messstrecke und/oder Strom) gemessen werden und an- hand der Messdaten dann weitere Wärmezuführpulse optimiert werden (z.B. Puls- dauer oder Frequenz der gepulsten Wärmezufuhr). Dies kann eine sehr schnelle An- passung der Fleizparameter an natürliche Prozessschwankungen ermöglichen. Der innerhalb der Fleizstrecke vorherrschende Gesamtwiderstand gibt dabei Rück- schlüsse auf die im Material in Wärme umgesetzte Energie. Wird ein erhöhter Wider- stand sensiert, bedeutet dies normalerweise, dass weniger Energie im Material in Wärme umgewandelt wurde. Dementsprechend kann die Pulsdauer erhöht werden oder es wird ein weiterer Wärmezuführpuls ausgelöst (Erhöhung der Frequenz).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Vorheizeinrichtung vorgese- hen, die in Förderrichtung des Fasermaterials vor der Fleizeinrichtung angeordnet ist und zum Vorheizen des Fasermaterials vor dem eigentlichen Aufheizen ausgebildet ist. Flierdurch kann erreicht werden, dass das Fasermaterial auf eine Temperatur un- terhalb der eigentlichen Zieltemperatur (z.B. Schmelztemperatur bei thermoplasti- schen Kunststoffen) vorgeheizt wird. Die Zieltemperatur kann dann direkt vor der Ab- lage im Ablegekopf durch einen letzten Wärmezuführpuls mit geringem Energiegeh- alt erzeugt werden.
An die Kontaktflächen mit denen Energiepulse in das Material eingeleitet werden können, können unterschiedliche Energiespeicher geschaltet werden. So kann z.B. ein erster Puls aus einem Energiespeicher mit Spannungsniveau 1 (z.B. 60 VDC) kommen und ein zweiter darauf folgender Puls kommt aus einem Energiespeicher mit einem niedrigeren Spannungsniveau 2 (z.B. 30VDC) und es könnten weiter fol- gen. Flardwaremäßig kann auch ein„Schalter“ (z.B. MOSFET) durch zwei oder meh- rere verschiedene Pulsgeneratoren geschaltet werden. Dies kann z.B. zu schnelleren oder einfacheren Flardwarelösungen für die Steuerung/Regelung führen. Pulsgenera- tor 1 schaltet dann bei Aktivierung z.B. immer einen Puls mit 800 Mikrosekunden Länge während Pulsgenerator 2 einen Puls mit 300 Mikrosekunden freischaltet.
Von der Erfindung ebenfalls umfasst ist der Aspekt, dass anstelle der Bewegungs- messeinrichtung zum Erfassen von Bewegungsinformationen eine Temperaturmess- einrichtung vorgesehen ist, die zum Erfassen von Temperaturinformationen oder In- formationen, die einen Rückschluss auf die Temperatur zulassen, eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Faseriegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird. Die Steuereinrichtung der Faseriegeanlage ist dann so eingerichtet, die von der Temperaturmesseinrichtung erfassten Temperaturinformationen des Fa- sermaterials zu erhalten und die Wärmezufuhr der Fleizeinrichtung in das Fasermate- rial während des Ablegens in Abhängigkeit von der erfassten Temperaturinformation des Fasermaterials zu steuern. Es ist ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst, dass die Faseriegeanlage sowohl eine Bewegungsmesseinrichtung als auch eine Temperaturmesseinrichtung hat, wobei die Steuereinrichtung dann so ausgebildet ist, die von der Temperatur- messeinrichtung erfassten Temperaturinformationen des Fasermaterials und die von der Bewegungsmesseinrichtung erfassten Bewegungsinformation des Fasermateri- als zu erhalten und dann die Wärmezufuhr der Fleizeinrichtung in das Fasermaterial während des Ablegens in Abhängigkeit von der erfassten Temperaturinformation und in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fasermaterials zu steuern. Demzufolge ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Faseriegeanlage zum Ablegen von Fasermaterial zur Herstellung einer Faserpreform, aus der durch Aushärten eines das Fasermaterial der Faserpreform einbettenden Matrixmaterials ein Faserverbundbauteil herstellbar ist, wobei die Faseriegeanlage aufweist:
Einen Faseriegekopf, der zum Ablegen von Fasermaterial auf einem Werkzeug ausgebildet ist,
eine Fasertransporteinrichtung, die zum Transportieren des Fasermate- rials von einem Fasermaterialspeicher zu dem Faseriegekopf der Fa- serlegeanlage ausgebildet ist,
eine Temperaturmesseinrichtung, die zum Erfassen von Temperaturin- formationen oder Informationen, die einen Rückschluss auf die Tempe- ratur zulassen, eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Fa- serlegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Faseriegeanlage eine Steuereinrichtung hat, die eingerichtet ist, die von der Temperaturmesseinrichtung erfassten Temperaturinformationen des Fasermaterials zu erhalten und die Wärmezu- fuhr der Heizeinrichtung in das Fasermaterial während des Ablegens in Ab- hängigkeit von der erfassten Temperaturinformation des Fasermaterials zu steuern.
Ein weitere Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial zur Herstellung einer Faserpreform, aus der durch Aushärten eines das Fasermaterial der Faserpreform einbettenden Matrixmaterial ein Faserverbund- bauteil hergestellt werden soll, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Transportieren von Fasermaterial von einem Fasermaterialspeicher zu einem Faseriegekopf mittels einer Fasertransporteinrichtung einer Fa- serlegeanlage,
Ablegen des transportierten Fasermaterials mittels des Faserlegekop- fes auf ein Werkzeug;
Erfassen von Temperaturinformationen des Fasermaterials mittels einer Temperaturmesseinrichtung während des kontinuierlichen Transports des Fasermaterials; und
Aufheizen des Fasermaterials innerhalb eines Fleizbereiches mittels ei- ner Fleizvorrichtung während des kontinuierlichen Transportierens des Fasermaterials,
dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Temperaturinformationen an eine Steuereinrichtung übertragen werden, wobei mittels der Steuereinrichtung die Wärmezufuhr der Fleizeinrichtung in das Fasermaterial in Abhängigkeit von der erfassten Temperaturinformation des Fasermaterials gesteuert wird.
So ist es beispielsweise denkbar, dass bei Über- oder Unterschreiten einer Schell- werttemperatur, was durch die Temperaturmesseinrichtung erkannt wird, durch die Fleizeinrichtung ein elektrischer Energieimpuls ausgelöst wird, der durch die Steuer- einrichtung entsprechend ausgelöst wird, um so einen Wärmeeintrag in dem Material zu generieren. So lässt sich bei einer erkannten Temperatur durch die Temperatur- messeinrichtung ermitteln, wie viele elektrische Pulse ausgelöst werden müssen, um auf die gewünschte Solltemperatur zu kommen. Dies setzt voraus, dass bekannt ist, wie groß die Temperaturerhöhung pro elektrischem Puls ist.
Erfindungsgemäß werden auch bei sämtlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anstelle von Bewegungsinformationen auch Temperaturinformationen ge- nutzt, um den Wärmeeintrag beim kontinuierlichen Ablegen von Fasermaterial ent- sprechend steuern zu können. Vorteilhaft ist sicherlich auch, wenn sowohl Tempera- tur als auch Bewegungsinformationen erfasst werden und die Steuerung basierend auf Temperatur und Bewegungsinformationen erfolgt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Schematische Darstellung eines Faseriegekopfes;
Figur 2 - Schematische Darstellung einer Ausführungsform mit einem
Strangfasermaterial;
Figur 3 - Schematische Darstellung einer Ausführungsform mit mehreren
Fasersträngen.
Figur 1 zeigt stark vereinfacht den inneren Aufbau eines Faseriegekopfes 1 in einer schematischen Darstellung. Dem Faseriegekopf 1 wird dabei ein Fasermaterial 2 zu- geführt, das dann mithilfe einer Andruckrolle 3 des Faseriegekopfes 1 auf einem Werkzeug 100 abgelegt werden soll. Hierfür wird das Fasermaterial 2 durch den Fa- serlegekopf 1 so geführt, dass es schließlich an der Andruckrolle 3 ankommt und auf diese so geführt ist, dass die Andruckrolle 3 das Fasermaterial 2 auf das Werkzeug 100 drücken kann. Das Fasermaterial 2 verläuft demzufolge zwischen der Andruck- rolle 3 und dem Werkzeug 100. Hierfür weist der Faseriegekopf 1 mehrere Führungs- elemente 4, die im Ausführungsbeispiel der Figur 1 in Form von Walzen- oder Rollen- paaren ausgebildet sind.
Der Faseriegekopf 1 weist des Weiteren im Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine op- tionale Schneidvorrichtung 5 auf, mit der Fasermaterial 2 vor der Andruckrolle 3 durchtrennt werden kann. Flierdurch kann das in Form von quasiendlosen Faserbän- dern zugeführte Fasermaterial 2 auf eine gewünschte Länge bzw. am Ende des Werkzeuges 100 gekappt werden.
Der Faseriegekopf 1 weist des Weiteren eine Heizvorrichtung 6 auf, um das Faser- material 2 kurz vor dem Ablegen auf dem Werkzeug 100 mittels der Andruckrolle 3 erwärmen zu können. Auf den Aufbau der Heizvorrichtung 6 wird später noch detail liert eingegangen.
Des Weiteren weist der schematisch dargestellte Faseriegekopf 1 der Figur 1 min- destens einen optischen Sensor 7 auf, der Bestandteil einer Bewegungsmesseinrich- tung sein kann. Die Bewegungsmesseinrichtung kann darüber hinaus vor der Schneidvorrichtung 5 einen weiteren optionalen optischen Sensor 7a aufweisen, um eine Bewegung auch vor der Schneidvorrichtung 5 erfassen zu können.
Der optische Sensor 7 ist dabei so ausgebildet, dass er zum Erfassen von Bewe- gungsinformationen des Fasermaterials eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial durch den Faseriegekopf kontinuierlich auf dem Werkzeug abgelegt wird.
Der optische Sensor 7 kann dabei vorteilhafterweise zum kontaktlosen Erfassen der Materialgeschwindigkeit bzw. des zurückgelegten Materialweges ausgebildet sein. Hierfür weist der optische Sensor 7 einen bildgebenden Sensorchip auf, der bei spielsweise aus einem Pixelarray eines digitalen Bildsensors aufgebaut sein kann. Hiermit wird die Materialoberfläche des Fasermaterials 2 erfasst, und zwar kontinu- ierlich mit einer vorgegeben Frequenz von beispielsweise 1000 Flz, wobei dann mit- hilfe einer in den optischen Sensoren 7 vorgesehenen Recheneinheit (DSP: Digital Signal Processor) die Bilder zweier Aufnahmen miteinander verglichen werden. An- hand des Vergleiches wird dann eine Materialverschiebung des Fasermaterials bzw. der Fasermaterialoberfläche zwischen einem ersten und einem zweiten Aufnahme- zeitpunkt erkannt, aus der sich dann die Materialgeschwindigkeit bzw. die zurückge- legte Wegstrecke des Materials ermitteln lässt.
Die Faseriegeanlage, deren Bestandteil der Faseriegekopf 1 ist, weist des Weiteren eine Steuereinrichtung 10 auf, die in dem Faseriegekopf 1 vorgesehen sein kann o- der Bestandteil der Gesamtsteueranlage der gesamten Faseriegeanlage sein kann. Die Steuereinrichtung 10 empfängt nun die von den optischen Sensoren 7 erfassten Bewegungsinformationen, beispielsweise die Materialgeschwindigkeit oder die zu- rückgelegte Wegstrecke und steuert daraufhin die Fleizeinrichtung so an, dass die Wärmezufuhr der Fleizeinrichtung 6 in das Fasermaterial 2 während des Ablegens in Abhängigkeit von den durch die optischen Sensoren 7 erfassten Bewegungsinforma- tionen des Fasermaterials gesteuert wird. Flierdurch kann insbesondere die Heizleis tung, die Fleizdauer, eine Frequenz bei einer gepulsten Wärmezufuhr sowie die Heiz zeitpunkte durch die Steuereinrichtung 10 der Fleizvorrichtung 6 vorgegeben werden, wodurch die Wärmezufuhr insgesamt entsprechend gesteuert wird. Figur 2 zeigt ein mögliches Schema einer weggesteuerten Wärmezufuhr, wie sie di- rekt innerhalb des Faseriegekopfes 1 realisiert werden kann. Die Steuereinrichtung 10 ist dabei signaltechnisch mit einem Wegaufnehmer 11 verbunden, der anders als ein optischer Sensor aus der Figur 1 dem zurückgelegten Weg des Fasermaterials 2 kontaktbehaftet erfasst. Denkbar ist sicherlich aber auch, dass anstelle des Wegauf- nehmers 11 ein optischer Sensor 7, wie aus der Figur 1 bekannt ist, verwendet wird.
Des Weiteren ist das Fasermaterial mit einer Elektrode 12a und einer Gegenelekt- rode 12b elektrisch kontaktiert, die beispielsweise in Form von Führungsrollen aus- gebildet sein können. Die Elektrode 12a und die Gegenelektrode 12b bilden dabei ei- nen Teil der Fleizvorrichtung 6.
Über eine an die Fleizvorrichtung 6 angeschlossene Energiequelle 20 wird ein Ener- giespeicher 13 aufgeladen, der beispielsweise in Form eines Kondensatorarrays aus- gebildet sein kann. Die Energiequelle 20 ist dabei vorzugsweise bidirektional aufge- baut und kann den Energiespeicher 13 auch bei Bedarf wieder entleeren. Alternativ ist eine andere Vorrichtung vorzusehen, die eine Entladung des Energiespeichers er- möglicht, da dieser hohe Mengen an Energie speichern soll und diese nicht unkon- trolliert entladen werden sollten.
Zwischen der Elektrode 12a und der Gegenelektrode 12b wird ein Bestromungsab- schnitt 14 ausgebildet, innerhalb dessen ein Stromfluss bewirkt wird, wenn an die Elektrode 12a und die Gegenelektrode 12b eine entsprechende elektrische Span- nung angelegt wird. Hierfür ist die Elektrode 12a über einen Schalter 15 mit dem Energiespeicher 13 in Form eines Pluspols verbunden, und bei Nicht-Wärmezufuhr entsprechend von diesem getrennt, während die Gegenelektrode 12b an die Masse- leitung des Energiespeichers 13 bzw. der Energiequelle 20 verbunden ist.
Ist der Schalter 15 geschlossen, so wird in dem Bestromungsabschnitt 14 ein Strom- fluss bewirkt, der in Art einer Widerstandsheizung wirkt und das Fasermaterial inner- halb des Bestromungsabschnittes 14 entsprechend aufheizt. Durch das Öffnen des Schalters wird der Stromkreis unterbrochen und es fließt kein Strom durch den Bestromungsabschnitt 14. Wie lange der Schalter 15 geschlossen ist und wie lange dieser geschlossen bleibt und somit einen Stromfluss in dem Bestromungsabschnitt 14 bewirkt, wird durch die Steuereinrichtung 10 bestimmt. Diese erhält über den Wegaufnehmer 11 die Infor- mation, wieviel Material bereits seit einem bestimmten Zeitpunkt gefördert bzw. abge- zogen wurde. So wird beispielsweise alle 10 mm der Schalter 15 geschlossen und somit ein Wärmezuführimpuls ausgelöst. Wird das Faserhalbzeug 2 beispielsweise insgesamt 24 mm abgezogen, so werden insgesamt zwei Pulse freigesetzt. Die Dauer eines Pulses ist z.B. abhängig davon, welche Temperatur durch den Puls er- reicht werden soll, wieviel und was für ein Material sich innerhalb der Heizstrecke be- findet und auf was für ein Spannungsniveau der Energiespeicher aufgeladen wurde.
Ein weiterer Inputparameter kann die gemessene Temperatur des Faserhalbzeuges sein, was mithilfe eines Temperatursensors 16 ermittelt werden kann. So können die Pulsparameter z.B. automatisiert durch die Steuereinrichtung 10 angepasst werden, wenn die Temperatur des Halbzeuges nach einem Puls vermessen wird und mit ei- nem Zielwert verglichen wird.
Des Weiteren kann eine elektrische Messvorrichtung 17 vorgesehen sein, mit der sich der Gesamtwiderstand der Heizstrecke bestimmen lässt und dabei als Input für die Steuereinrichtung 10 dient. Hierbei werden bei jedem Puls die elektrischen Daten (Spannung/Strom/Widerstand) ausgewertet und mit einer Zielgröße verglichen. Die Parameter für den nächsten Strompuls als Äquivalent für den Wärmezuführpuls wer- den dann entsprechend angepasst. Zwecks Optimierung könnte ein solcher Mess- puls immer kurz vor dem eigentlichen Heizpuls erfolgen.
Figur 3 zeigt eine Anordnung einer Multi-Tow Anlage, bei der mehrere Einzelstränge bzw. Faserbänder parallel abgelegt werden. Zur einfacheren Darstellung sind die ein- zelnen parallel abzulegenden Faserbänder nebeneinander dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist das Formwerkzeug 100 als Gegenelektrode ausgebildet und stellt somit die gemeinsame Masse bzw. den gemeinsamen Masse- anschluss für alle einzelnen Faserstränge dar. Für jeden einzelnen Faserstrang 2a-2c ist dabei jeweils ein Wegaufnehmer 11 a-11 c vorgesehen, der für jeden einzelnen Einzelstrang individuell die jeweilige Bewe- gungsinformation erfasst. Die Wegaufnehmer 11 a und 11 c können selbstverständlich auch in Form von optischen Sensoren ausgebildet sein.
Des Weiteren steht jeder Einzelstrang 2a-2c mit einer jeweiligen Elektrode 12aa- 12ac in Verbindung, um so gezielt für jeden einzelnen Faserstrang 2a-2c einen indi viduellen Stromfluss innerhalb des jeweiligen Faserstranges 2a-2c bewirken zu kön- nen.
Jede der Elektroden 12aa-12ac ist dabei mit einem Energiespeicher 13 verbunden, und zwar derart, dass jede Elektrode separat geschaltet werden kann. Hierfür ist für jeden Faserstrang 2a-2c ein Steuerungsmodul 10a-10c vorgesehen, das mit einem entsprechenden Schalter, wie in Figur 2 gezeigt ist, in Verbindung steht.
Wird nun bei dem ersten Faserstrang 2a mithilfe des Wegaufnehmers 11 a die Weg- strecke gemessen und durch das Steuerungsmodul 10a festgestellt, dass ein neuer Stromimpuls zum Aufheizen bewirkt werden kann, so wird mithilfe des entsprechen- den Schalters ein Stromkreis derart geschlossen, dass ein Stromfluss durch den Fa- serstrang 2a zwischen der Elektrode 12aa und der gemeinsamen Masse 100 bewirkt wird. Dieser Impuls führt dabei zu einem Erwärmen des Fasermaterials 2a im jeweili- gen Bestromungsabschnitt 14a.
Demzufolge wird bei einer Multi-Tow Anlage oder anderen Anlagen, die mehrere Fa- serstränge parallel ablegen können, für jeden Faserstrang ein eigener Bestromungs- abschnitt 14a-14c ausgebildet, durch den ein Stromfluss bewirkt werden kann, um das Fasermaterial individuell und unabhängig von den anderen aufheizen zu können.
Die im Ausführungsbeispiel der Figur 3 gezeigte Anordnung der Steuerungsmodule 10a-10c ist nur beispielhaft dargestellt. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass dies über eine einzige übergeordnete Steuerung erfolgen kann. Bezugszeichenliste
1 Faseriegekopf
2 Fasermaterial
3 Andruckrolle
4 Führungselemente
5 Schneidvorrichtung
6 Fleizvorrichtung
7 optischer Sensor einer Bewegungsmesseinrichtung 10 Steuerungseinrichtung
1 1 Wegaufnehmer einer Bewegungsmesseinrichtung 12a Elektrode
12b Gegenelektrode
13 Energiequelle
14 Bestromungsabschnitt
15 Schalter
16 Temperatursensor
17 elektrische Messeinrichtung
20 Energiequelle
100 Formwerkzeug

Claims

Patentansprüche:
1. Faseriegeanlage zum Ablegen von Fasermaterial (2) zur Fierstellung einer Fa- serpreform, aus der durch Aushärten eines das Fasermaterial (2) der Faserpre- form einbettenden Matrixmaterials ein Faserverbundbauteil herstellbar ist, wo- bei die Faseriegeanlage aufweist:
- einen Faseriegekopf (1 ), der zum Ablegen von Fasermaterial (2) auf einem Werkzeug (100) ausgebildet ist,
- eine Fasertransporteinrichtung, die zum Transportieren des Fasermaterials (2) von einem Fasermaterialspeicher zu dem Faseriegekopf (1 ) der Faserle- geanlage ausgebildet ist,
- eine Bewegungsmesseinrichtung, die zum Erfassen von Bewegungsinfor- mationen des Fasermaterials (2) eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial (2) durch den Faseriegekopf (1 ) kontinuierlich auf dem Werkzeug (100) abge- legt wird, und
- eine Fleizeinrichtung (6), die zum Aufheizen des Fasermaterials (2) in einem Fleizbereich eingerichtet ist, wenn das Fasermaterial (2) durch den Faserle- gekopf (1 ) kontinuierlich auf dem Werkzeug (100) abgelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Faseriegeanlage eine Steuereinrichtung (10) hat, die eingerichtet ist, die von der Bewegungsmesseinrichtung erfassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials (2) zu erhalten und die Wärmezu- fuhr der Fleizeinrichtung (6) in das Fasermaterial (2) während des Ablegens in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fasermaterials (2) zu steuern.
2. Faseriegeanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewe- gungsmesseinrichtung zum Erfassen einer Materialgeschwindigkeit und/oder eines zurückgelegten Materialweges als Bewegungsinformation des Faserma- terials (2) eingerichtet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) eingerichtet ist, die Wärmezufuhr der Heizeinrichtung (6) in das Fasermaterial (2) in Abhängigkeit von der erfassten Materialgeschwindigkeit und/oder des erfassten zurückgeleg- ten Materialweges des Fasermaterials (2) zu steuern.
3. Faseriegeanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faseriegeanlage mindestens einen Temperatursensor (16) zum Erfassen der Temperatur des Fasermaterials (2) außerhalb oder innerhalb des Heizbereiches der Heizeinrichtung (6) hat, wobei die Steuereinrichtung (10) weiterhin einge- richtet ist, die Wärmezufuhr der Heizeinrichtung (6) in das Fasermaterial (2) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Fasermaterials (2) zu steu- ern.
4. Faseriegeanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Faseriegeanlage zum Ablegen von aus einer Mehrzahl von Einzelsträngen bestehendes Fasermaterial (2) ausgebildet ist,
- wobei die Bewegungsmesseinrichtung zum Erfassen von jeweiligen Bewe- gungsinformationen individuell für jeden Einzelstrang oder einer Gruppe von Einzelsträngen ausgebildet ist,
- wobei die Heizeinrichtung (6) zum Aufheizen der Einzelstränge oder einer Gruppe von Einzelsträngen individuell und unabhängig voneinander ausge- bildet ist,
- wobei die Steuereinrichtung (10) der Faseriegeanlage eingerichtet ist, die Wärmezufuhr der Heizeinrichtung (6) für jeden Einzelstrang oder einer Gruppe von Einzelsträngen individuell und unabhängig voneinander in Ab- hängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des jeweiligen Einzel- stranges oder der Gruppe von Einzelsträngen zu steuern.
5. Faseriegeanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heizeinrichtung (6) zur gepulsten Wärmezufuhr in das Faser- material (2) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) der Faserlegean- lage eingerichtet ist, die gepulsten Wärmezufuhr in Abhängigkeit von den er- fassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials (2) zu steuern.
6. Faseriegeanlage nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (6) zur gepulsten Wärmezufuhr individuell in einen jeweiligen Einzelstrang oder einer Gruppe von Einzelsträngen ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) eingerichtet ist, die gepulste Wärmezufuhr jedes Einzel- stranges oder jeder Gruppe von Einzelsträngen individuell und unabhängig von- einander in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des jeweili gen Einzelstranges oder der Gruppe von Einzelsträngen zu steuern.
7. Faseriegeanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heizeinrichtung (6) mindestens eine mit einer elektrischen Energiequelle (13) verbundenen Elektrode (12a) hat, die mit dem elektrisch leit- fähigen Fasermaterial (2) beim Transportieren des Fasermaterials (2) elektrisch kontaktiert ist und mit einer das elektrisch leitfähige Fasermaterial (2) ebenfalls elektrisch kontaktierenden Gegenelektrode (12b) derart zusammenwirkt, dass in einem durch die elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrode (12a) und mindestens einen Gegenelektrode (12b) gebildeten Bestromungsab- schnitt (14) ein Stromfluss zum Aufheizen des Fasermaterials (2) bewirkt wird, wenn eine elektrische Spannung an die Elektrode (12a) und/oder Gegenelekt- rode (12b) angelegt wird, wobei die Steuereinrichtung (10) eingerichtet ist, die Wärmezufuhr in das Fasermaterial (2) durch Steuern des Anlegens der elektri- schen Spannung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fasermaterials (2) zu steuern.
8. Faseriegeanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- einrichtung (10) der Faseriegeanlage zum Steuern des Anlegens der elektri- schen Spannung derart eingerichtet ist, dass die Höhe der elektrischen Span- nung, der Zeitpunkt des Anlegens der elektrischen Spannung, die Zeitdauer der angelegten elektrischen Spannung und/oder der Zeitabstand zwischen zwei Bestromungsphasen zum Steuern der Wärmezufuhr gesteuert wird.
9. Faseriegeanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (6) zum gepulsten Anlegen der elektrischen Spannung zur ge- pulsten Wärmezufuhr in das Fasermaterial (2) ausgebildet ist, wobei die Steuer- einrichtung (10) der Faseriegeanlage eingerichtet ist, die gepulste Wärmezufuhr in Abhängigkeit von den erfassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials (2) zu steuern.
10. Faseriegeanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faseriegeanlage zum Erfassen mindestens eines elektrischen Para- meters des Bestromungsabschnitt ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (10) der Faseriegeanlage eingerichtet ist, die Wärmezufuhr in das Fasermate- rial (2) durch Steuern des Anlegens der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Parameter des Fasermaterials (2) zu steuern.
11. Faseriegeanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Vorheizeinrichtung vorgesehen ist, die in Förderrichtung des Fasermaterials (2) vor der Fleizeinrichtung (6) angeordnet und zum Vorhei- zen des Fasermaterials (2) vor dem eigentlichen Aufheizen ausgebildet ist.
12. Verfahren zum Ablegen von Fasermaterial (2) zur Fierstellung einer Faserpre- form, aus der durch Aushärten eines das Fasermaterial (2) der Faserpreform einbettenden Matrixmaterials ein Faserverbundbauteil hergestellt werden soll, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Transportieren von Fasermaterial (2) von einem Fasermaterialspeicher zu einem Faseriegekopf (1 ) mittels einer Fasertransporteinrichtung einer Faser- legeanlage;
- Ablegen des transportierten Fasermaterials (2) mittels des Faseriegekopfes auf ein Werkzeug (100);
- Erfassen von Bewegungsinformationen des Fasermaterials (2) mittels einer Bewegungsmesseinrichtung während des kontinuierlichen Transportes des Fasermaterials (2); und
- Aufheizen des Fasermaterials (2) innerhalb eines Fleizbereiches mittels ei- ner Fleizvorrichtung während des kontinuierlichen Transportes des Faser- materials (2), dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Bewegungsinformationen an eine Steuereinrichtung (10) übertragen werden, wobei mittels der Steuereinrich- tung (10) die Wärmezufuhr der Heizeinrichtung (6) in das Fasermaterial (2) in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Fasermaterials (2) gesteuert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Temperatursensors (16) die Temperatur des Fasermaterials (2) außer- halb oder innerhalb des Heizbereiches der Heizeinrichtung (6) erfasst wird, wo- bei mittels der Steuereinrichtung (10) die Wärmezufuhr der Heizeinrichtung (6) in das Fasermaterial (2) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Fasermaterials (2) gesteuert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Mehrzahl von einzelnen Fasersträngen mittels der Faseriegeanlage parallel ab- gelegt werden,
- wobei für jeden Einzelstrang oder einer Gruppe von Einzelsträngen jeweils eine Bewegungsinformation mittels der Bewegungsmesseinrichtung erfasst werden,
- wobei jeder Einzelstrang oder eine Gruppe von Einzelsträngen jeweils indivi- duell und unabhängig voneinander mittels der Heizeinrichtung (6) aufgeheizt werden kann, und
- wobei mittels der Steuereinrichtung (10) die Wärmezufuhr der Heizeinrich- tung (6) für jeden Einzelstrang oder einer Gruppe von Einzelsträngen indivi- duell und unabhängig voneinander in Abhängigkeit von der erfassten Bewe- gungsinformation des jeweiligen Einzelstranges oder der Gruppe von Einzel- strängen gesteuert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Heizeinrichtung (6) eine gepulste Wärmezufuhr in das Fasermaterial (2) erfolgt, wobei mittels der Steuereinrichtung (10) die gepulste Wärmezufuhr in Abhängigkeit von den erfassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials (2) gesteuert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Heizeinrichtung (6) individuell für jeden Einzelstrang oder einer Gruppe von Ein- zelsträngen eine gepulste Wärmezufuhr erfolgt, wobei mittels der Steuereinrich- tung (10) die gepulste Wärmezufuhr jedes Einzelstranges oder jeder Gruppe von Einzelsträngen individuell und unabhängig voneinander in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des jeweiligen Einzelstranges oder der Gruppe von Einzelsträngen gesteuert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Fasermaterial (2) mit mindestens einer Elektrode (12a) und mit mindestens einer Gegenelektrode (12b) elektrisch kontaktiert ist, wobei in einem durch die elektrische Kontaktierung der mindestens einen Elektrode (12a) und mindestens einen Gegenelektrode (12b) gebildeten Bestromungsab- schnitt ein Stromfluss zum Aufheizen des Fasermaterials (2) bewirkt wird, in- dem eine elektrische Spannung an die Elektrode (12a) und/oder Gegenelekt- rode (12b) angelegt wird, wobei mittels der Steuereinrichtung (10) die Wärme- zufuhr in das Fasermaterial (2) durch Steuern des Anlegens der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der erfassten Bewegungsinformation des Faser- materials (2) gesteuert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuer- einrichtung (10) die Höhe der elektrischen Spannung, der Zeitpunkt des Anle- gens der elektrischen Spannung, die Zeitdauer der angelegten elektrischen Spannung und/oder der Zeitabstand zwischen zwei Bestromungsphasen zum Steuern der Wärmezufuhr gesteuert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Heizeinrichtung (6) ein gepulstes Anlegen der elektrischen Spannung zur ge- pulsten Wärmezufuhr in das Fasermaterial (2) erfolgt, wobei mittels der Steuer- einrichtung (10) die gepulsten Wärmezufuhr in Abhängigkeit von den erfassten Bewegungsinformationen des Fasermaterials (2) gesteuert wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Parameter des Bestromungsabschnittes erfasst wird, wobei mittels der Steuereinrichtung (10) die Wärmezufuhr in das Faser- material (2) durch Steuern des Anlegens der elektrischen Spannung in Abhän- gigkeit von dem erfassten elektrischen Parameter des Fasermaterials (2) ge- steuert wird.
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