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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung von faserverstärkten
Bauteilen.
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In
vielfältigen technischen Bereichen, wie beispielsweise
bei Maschinen, Anlagen und auch bei der Herstellung von Fahrzeugen
werden zunehmend Bauteile aus Faserverbund-Materialien eingesetzt, da
solche Bauteile insbesondere Gewichtsvorteile mit sich bringen.
Faserverstärkte Bauteile können als Verstärkungsmaterial
Kohlefasern, Glasfasern oder sonstige bekannte Verstärkungsmaterialien
enthalten, die als Rovings bzw. Faserbündel um entsprechende
Kerne gewickelt werden oder die in Form von Fasergeflechten oder
insbesondere Fasergewebematten an entsprechend ausgebildete Formkerne drapiert
werden, um die gewünschte Bauteilform herzustellen.
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Dabei
ist es sowohl möglich, sogenannte Prepregs zu verwenden
als auch trockene Fasergewebe, die anschließend mit einem
als Matrixmaterial dienenden Harz bestrichen oder gefüllt
werden. Beispielsweise kann eine Form geschlossen und anschließend
Vakuum an die Form angelegt werden, wodurch ein flüssiges
Harz in das Innere der Form eingesaugt wird, wo es die dort vorhandenen
Fasergewebematten tränkt, sodass nach der Aushärtung das
gewünschte Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff
zur Verfügung steht. Als Matrixmaterialien eignen sich
z. B. duroplastische und auch thermoplastische Werkstoffe.
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Nachteilig
bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung faserverstärkter
Bauteile ist der hohe manuelle Aufwand, der betrieben werden muss,
da die Faserlagen oftmals einzeln per Hand auf die Form aufgelegt
werden.
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Mit
der
DE 10 2006
046 624 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transportieren
von Gegenständen, wie insbesondere biegeschlaffen Bauteilen
wie Carbonfasermatten oder dergleichen bekannt geworden, womit mehrere
Carbonfasermatten nacheinander formgerecht gegriffen und zu einem
Formkern transportiert werden, wo sie abgelegt werden.
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Dieser
bekannte Stand der Technik erleichtert durch den automatischen Transport
der einzelnen Fasergewebelagen die Herstellung faserverstärkter
Bauteile. Trotz der Automatisierung der Ablage der einzelnen Fasergewebelagen
ist aber noch eine Vielzahl von manuellen Schritten bei der Herstellung
von faserverstärkten Bauteilen nötig.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Verwendung bei der
Herstellung von faserverstärkten Bauteilen zur Verfügung
zu stellen, womit der manuelle Aufwand bei der Herstellung sinkt.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist Gegenstand des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus der
Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung bei
der Herstellung faserverstärkter Bauteile umfasst wenigstens
einen positionierbaren Grundrahmen, wobei an dem Grundrahmen eine
steuerbare Halteeinrichtung zum Erfassen und Halten wenigstens einer
Verstärkungsfaserlage vorgesehen ist. Weiterhin ist an
dem Grundrahmen eine Drapiereinrichtung vorgesehen, mit welcher
die Verstärkungs faserlage über Anlegen eines Vakuums
an einen Formkern drapierbar ist. In einer einfachen Ausgestaltung der
Erfindung ist die Vorrichtung als Grundrahmen ausgebildet. Möglich
ist es aber auch, dass die Vorrichtung außer der Grundrahmen
noch weitere Bestandteile umfasst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung hat viele Vorteile.
Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung faserverstärkter
Bauteile ist, dass nicht nur ein einfacher Transport von Verstärkungsfaserlagen
möglich ist, sondern dass auch das Drapieren der Verstärkungsfaserlagen
an einem Formkern gleich mit durchgeführt werden kann.
Dadurch wird ein erheblicher Anteil manueller Arbeit eingespart.
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Ein
weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist, dass über ein Anlegen von Vakuum die Verstärkungsfaserlage
an den Formkern drapiert wird. Dadurch wird die Drapierung unterschiedlichster
Formen möglich, unabhängig von der Gestalt der
Halteeinrichtung oder von der Gestalt des Grundrahmens. Durch ein
Anlegen von Vakuum zwischen der Drapiereinrichtung und dem Formkern werden
die Verstärkungsfaserlagen dicht an einen grundsätzlich
beliebig gestalteten Formkern drapiert. Dadurch wird auch die Herstellung
von Bauteilen möglich, bei denen Hinterschnitte an dem
Formkern auftreten können. Gegebenenfalls können
Einweg-Formkerne oder mehrteilige Formkerne verwendet werden.
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Der
Grundrahmen kann als Tragrahmen ausgebildet sein, an dem die anderen
Komponenten gehalten bzw. gelagert sind.
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Vorzugsweise
ist die steuerbare Halteeinrichtung gegenüber dem Grundrahmen
verstellbar und insbesondere höhenverstellbar angeordnet.
Dadurch ist es möglich, die Halteeinrichtung gegenüber dem
Grundrahmen zwischen einer Grundposition und einer Halteposition
zu bewegen. Insbesondere steht die Halteeinrichtung in der Halteposition
nach unten über den Grundrahmen hinaus, während
vorzugsweise die Halteeinrichtung in der Grundposition im Inneren
des durch den Grundrahmen aufgespannten Volumens angeordnet ist.
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Durch
eine höhenverstellbare Halteeinrichtung wird es beispielsweise
ermöglicht, dass der Grundrahmen über einer zu
erfassenden Verstärkungsfaserlage im geringen Abstand positioniert wird,
wobei anschließend die Halteeinrichtung gegenüber
dem Grundrahmen verfahren wird, um die Verstärkungsfaserlage
aufzunehmen und zu halten, sodass ein Transport zu beispielsweise
einem Formkern möglich ist.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die steuerbare
Halteeinrichtung eine Vielzahl von Saugeinrichtungen und/oder Greifeinrichtungen,
die wenigstens gruppenweise separat ansteuerbar sind. Es ist auch
möglich, dass alle oder im Wesentlichen alle Saug- bzw.
Greifeinrichtungen separat ansteuerbar sind. Ein erheblicher Vorteil
von einzeln oder gruppenweise ansteuerbaren Saugeinrichtungen bzw.
Greifeinrichtungen ist, dass nahezu beliebig geformte Zuschnitte
von Verstärkungsfaserlagen ergriffen werden können,
während die Bereiche um den zu verwendenden Zuschnitt herum
durch die nicht aktivierten Saugeinrichtungen bzw. Greifeinrichtungen
nicht erfasst werden. Dadurch werden sehr flexibel gestaltbare Zuschnitte
verwendbar.
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Als
Greifeinrichtung können beispielsweise Nadelgreifer eingesetzt
werden, mit denen Nadeln schräg auf die zu ergreifende
Verstärkungsfaserlage aufgesetzt werden, sodass sich durch
die schräg in die Verstärkungsfaserlage eintauchenden
Nadeln ein zuverlässiger Halt einer Verstärkungsfaserlage
an dem Nadelgreifer ergibt.
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Alternativ
zu einem Nadelgreifer kann auch ein Gefriergreifer eingesetzt werden,
bei dem ein Peltierelement vorgesehen ist, um einen Wassertropfen zu
gefrieren. Befindet sich der Wassertropfen an der Grenzfläche
zwischen der Verstärkungsfaserlage und dem Gefriergreifer
so führt ein Gefrieren des Wassertropfens dazu, dass die
Verstärkungsfaserlage fest an dem Gefriergreifer anliegt.
Durch einen nachfolgenden Tauvorgang, der beispielsweise über entsprechende
Heizelemente unterstützt werden kann, kann die Verbindung
wieder gelöst werden.
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Besonders
bevorzugt werden Saugeinrichtungen eingesetzt, bei denen insbesondere
Flachsauger mit einer Dichtlippe eingesetzt werden, um die Verstärkungsfaserlagen
zu ergreifen bzw. anzusaugen. Besonders bevorzugt weisen die Flachsauger
einen Faltenbalg oder dergleichen auf. Dadurch wird eine bessere
Dämpfung und ein Lageausgleich ermöglicht. So
können z. B. Verstärkungsfaserlagen noch sicher
gegriffen bzw. erfasst werden, die um 15° geneigt zum Lot
ausgerichtet sind.
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Zur
Erzeugung des benötigten Vakuums wird insbesondere eine
Mehrzahl an Vakuumpumpen eingesetzt, wobei die einzelnen Vakuumpumpen
bevorzugterweise mit Druckluft betrieben werden und über den
Bernoullieffekt Vakuum erzeugen. Ein erheblicher Vorteil solcher
Vakuumpumpen liegt in der ortsnahen Erzeugung des Vakuums, wodurch
Vakuumverluste über lange Leitungen vermieden werden. Außerdem
ist Druckluft in industriellen Umgebungen meist schon vor Ort vorhanden,
sodass die Anforderungen an die elektrischen Anschlüsse
geringer sind. Weiterhin ist der Einsatz solcher Vakuumerzeuger auch
sehr vorteilhaft, da über Druckluft betriebene Vakuumpumpen
weniger Geräuschentwicklung verursachen als klassische
Vakuumpumpen. Außerdem kann das benötigte Vakuum
leicht und individuell angepasst werden, während konventionelle
Vakuumerzeuger zur Leistungsregelung beispielsweise frequenzgeregelt
werden müssen, was den technischen und finanziellen Aufwand
erhöht. Um bei konventionellen Vakuumerzeugern zusätzlich
die Geräusche zu dämmen, werden oft kostenintensive
Gehäuse zur Dämmung eingesetzt.
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In
bevorzugten Weiterbildungen aller bisher beschriebenen Ausgestaltungen
umfasst die Drapiereinrichtung wenigstens eine dehnbare Drapierlage,
die zwischen wenigstens einer Ruheposition und wenigstens einer
Arbeitsposition verfahrbar vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist
die dehnbare Drapierlage in einer Arbeitsposition an der Unterseite des
Tragrahmens angeordnet, während die dehnbare Drapierlage
in einer Ruheposition die Unterseite des Tragrahmens wenigstens
teilweise freigibt.
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Besonders
bevorzugt ist die dehnbare Drapierlage als aufwickelbare Drapiermembran
ausgebildet. In der Ruheposition wird die Drapiermembran bzw. Drapierlage
aufgewickelt und nimmt so wenig Platz ein. Die Dehnbarkeit der dehnbaren
Drapierlage ist vorzugsweise hoch und kann 100%, 200%, 400% oder
auch 800% betragen. Das Ausmaß der Dehnbarkeit hängt
von dem eingesetzten Material für die Drapiermembran und
vom vorgesehenen Einsatzzweck ab.
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In
bevorzugten Ausgestaltungen ist die Drapiermembran aus Silikon bzw.
einem silikonhaltigen Werkstoff gefertigt, sodass insbesondere hohe
Dehnbarkeiten zwischen etwa 200% und 600% und besonders bevorzugt
Dehnbarkeiten von etwa 400% möglich sind.
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Durch
eine dehnbare Drapierlage wird eine flexible Drapierung von Verstärkungsfaserlagen
auf einem Formkern möglich. Die Drapierung kann beispielsweise
schon erreicht werden, in dem der Grundrahmen auf den Formkern abgesenkt
wird, sodass sich die dehnbare Drapierlage an den Formkern anpasst.
Eine vollständige Anlage der dehnbaren Drapierlage bzw.
der aufwickelbaren Drapiermembran kann durch Anlage eines Vakuums
erzielt werden, wodurch die Drapiermembran zu dem Formkern hingesaugt
wird und sich dort vollständig anlegt.
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Vorzugsweise
sind an der Unterseite des Grundrahmens ein Vakuumkanal und/oder
Vakuumbohrungen zur Fixierung der Drapierlage vorgesehen. Wenn die
Drapierlage zu der Arbeitsposition an der Unterseite des Grund-
bzw. Tragrahmens verfahren wird, kann durch Anlage von Vakuum an
den Vakuumkanal bzw. die Vakuumbohrungen die Drapierlage an der
Unterseite des Grundrahmens fixiert werden, sodass sich die dehnbare
Drapierlage bei dem Absenken auf einen Formkern entsprechend dehnt und
sich an die Form des Formkerns anpasst.
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In
vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Formtisch vorgesehen, der
eine Arbeitsfläche aufweist, auf der insbesondere verteilt
Löcher angeordnet sind. Insbesondere ist an dem Formtisch
unterhalb der Arbeitsfläche ein Evakuierbereich vorgesehen, der
mit einem Vakuum beaufschlagbar ist, sodass die Evakuierungslöcher
in der Arbeitsfläche die in dem Evakuierbereich vorhandene
Luft absaugen und somit eine Anlegen der Verstärkungsfaserlage
an den Formkern bewirken. Gegebenenfalls kann die Arbeitsfläche
in der Umgebung des Formkerns auch als Formfläche eingesetzt
werden. Dann können über die Löcher bzw.
Evakuierungslöcher die Verstärkungsfaserlagen
in der Umgebung des Formkerns auf die Arbeitsfläche gesaugt
werden, sodass sie dort einen Rand bilden, der nach der Fertigstellung
des Bauteils z. B. ganz oder teilweise entfernt wird.
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In
besonders bevorzugten Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ist wenigstens ein Formkern vorgesehen, der insbesondere hohl ausgebildet
ist, um das Innere des Formkerns mit Vakuum zu beaufschlagen, wobei
auf wenigstens einer Oberseite oder Seite des Formkerns Löcher
oder Schlitze vorgesehen sind, um das im Inneren des Formkerns bzw.
darunter vorhandene Vakuum auf die Oberseite oder die Seitenflächen
des Formkerns zu übertragen. Der Einsatz von hohlen Formkernen
oder mit Evakuierungsbohrungen oder Kanälen versehenen
Formkernen ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine Weiterleitung
des im Evakuierbereich des Formtischs angelegten Vakuums an den
Formkern und an das oberhalb des Formkerns angeordnete Volumen möglich
ist.
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Bei
einer auf den Formkern absenkbaren Drapiereinrichtung, bei der der
Evakuierbereich evakuierbar ist und bei der auf der Oberseite des
hohlen Formkerns Löcher oder Schlitze vorgesehen sind, wird
eine oberhalb des Formkerns angeordnete Drapierlage durch das Vakuum
an den Formkern angesaugt, sodass sich eine automatische Drapierung
der Verstärkungsfaserlagen ergibt. Die Drapierung kann insbesondere
noch dadurch verstärkt werden, dass die Drapiereinrichtung
mit der Drapierlage auf den Formkern abgesenkt wird und die dehnbare
Drapierlage an den Formkern angesaugt wird.
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In
besonders bevorzugten Weiterbildungen ist wenigstens eine Heizeinrichtung
vorgesehen, welche insbesondere mehrere Heizeinheiten umfasst. Die
einzelnen Heizeinheiten der Heizeinrichtung können separat
steuerbar sein, um eine gezielte Temperierung zu ermöglichen.
Es ist in allen Ausgestaltungen aber bevorzugt, dass die Heizeinheiten
bereichsweise oder insgesamt steuerbar sind.
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Vorzugsweise
ist die Heizeinrichtung gegenüber der Halteeinrichtung
höhenverstellbar vorgesehen. Dabei kann es möglich
sein, dass die Heizeinrichtung an dem Grundrahmen oder an der Halteeinrichtung
angeordnet ist. Insbesondere ist die Heizeinrichtung derart verstellbar
angeordnet, dass die Heizeinrichtung in einer ersten Position hinter
der Halteeinrichtung angeordnet ist und sich in einer zweiten Position
vor der Halteeinrichtung befindet. Dadurch wird es ermöglicht,
dass die Heizeinrichtung in der zweiten Position im Wesentlichen
nicht die Halteeinrichtung aufheizt, sondern beispielsweise eine
Verstärkungsfaserlage, die auf einem Formkern abgelegt
wurde. Es ist möglich, dass die Heizeinrichtung sowohl
in der einen als auch in der anderen Position zur Aufheizung verwendet
wird.
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In
der Position hinter der Halteeinrichtung kann beispielsweise eine
Faserverstärkungslage schon während des Transports
und während des Haltens der Faserverstärkungslage
durch die Heizeinrichtung aufgeheizt werden, während die
Heizeinrichtung nach dem Ablegen der Faserverstärkungslage
auf dem Formkern vor die Halteeinrichtung verbracht wird, um die
Verstärkungsfaserlage gezielt weiter aufzuheizen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist wenigstens ein Positionssensor
und wenigstens ein Abstandssensor an dem Grundrahmen vorgesehen. Darüber
kann die Position und der Abstand des Grundrahmens zu einer anderen
Einrichtung erfasst werden. Beispielsweise kann die Position und
der Abstand zu einem Zuschneidetisch oder zu dem Formtisch über
einen Positions- und einen Abstandssensor erfasst und gesteuert
werden.
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In
allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass wenigstens eine Positioniereinrichtung
zur Positionierung des Grundrahmens vorgesehen ist. Dabei kann die
Positionierung manuell oder automatisch erfolgen. Es ist der Einsatz
eines XYZ-Positioniersystems möglich oder die Verwendung
einer Robotereinrichtung, die an den Grundrahmen angekoppelt ist
und die Bewegung des Grundrahmens entsprechend steuert. Bei Verwendung
einer Robotereinrichtung kann beispielsweise ein Industrieroboter eingesetzt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird bei der Herstellung
von faserverstärkten Bauteilen eingesetzt und unter Verwendung
eines positionierbaren Grundrahmens durchgeführt. An dem
positionierbaren Grundrahmen ist eine steuerbare Halteeinrichtung
vorgesehen, mit der eine oder mehrere Verstärkungsfaserlagen
einzelnen oder gleichzeitig erfasst und gehalten werden. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einer an
dem Grundrahmen vorgesehenen Drapiereinrichtung die Verstärkungsfaserlage
nach dem Ablegen auf einen Formkern direkt durch Anlegen von Vakuum
drapiert.
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Auch
das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile,
wobei ein erheblicher Vorteil darin besteht, dass die Verstärkungsfaserlagen
einzeln oder zu mehreren gleichzeitig erfasst und drapiert werden können.
Dadurch, dass durch Anlegen von Vakuum das Drapieren unterstützt
oder bewirkt wird, kann eine besonders flexible Formgebung erfolgen.
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In
Weiterbildungen des Verfahrens werden einzelne Verstärkungsfaserlagen
oder jeweils mehrere Verstärkungsfaserlagen in nacheinanderfolgenden Schritten
auf einem Formkern abgelegt. Dazu wird über insbesondere
als Vakuumgreifer ausgebildete Greifer jeweils eine Verstärkungsfaserlage
oder mehrere gleichzeitig auf einem Zuschneidetisch ergriffen und
zu einem Formtisch transportiert, wo die Verstärkungsfaserlagen
auf dem Formkern abgelegt werden. Daraufhin können die
Vakuumgreifer eingezogen werden und es wird eine dehnbare Drapierlage einer
Drapiereinrichtung auf der Unterseite des Grundrahmens positioniert,
bevor der Grundrahmen auf den Formkern abgesenkt wird, wodurch die
dehnbare Drapierlage sich über den Formkern dehnt.
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Durch
Anlage eines Vakuums im Bereich des Formkerns saugt sich die dehnbare
Drapierlage an den Formkern an, sodass die Verstärkungsfaserlage an
den Formkern drapiert wird. Wenn die Verstärkungsfaserlagen
beispielsweise einen geringen Anteil eines thermoplastischen Matrixmaterials
enthalten, kann durch Zugabe von Wärme das Matrixmaterial
angeschmolzen werden, sodass sich eine stabile Formlage der Verstärkungsfaserlage
schon beim Drapieren ergibt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
dem Ausführungsbeispiel, das im Folgenden mit Bezug auf
die beiliegenden Figuren erläutert wird.
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In
den Figuren zeigen:
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1 eine
Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Grundrahmens der Vorrichtung nach 1;
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3 eine
Unteransicht des Grundrahmens nach 2;
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4 die
Halteeinrichtung des Grundrahmens nach 2;
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5 die
Heizeinrichtung des Grundrahmens nach 2;
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6 die
Drapiereinrichtung an einem schematisch dargestellten Grundrahmen;
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7 einen
Formtisch der Vorrichtung nach 1 mit leicht
auseinander gezogenen Komponenten;
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8 einen
Formkern zur Herstellung faserverstärkter Bauteile;
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9 die
Aufnahme und den Transport einer Verstärkungsfaserlage
mit dem Grundrahmen;
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10 die
Ablage einer Verstärkungsfaserlage auf einem Formkern und
die Aktivierung der Drapierlage;
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11 die
Drapierung der Drapierlage an einem Formkern; und
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12 das
Abheben des Grundrahmens von dem Formkern und die erneute Ausgangsstellung über
einer weiteren Faserverstärkungslage.
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Mit
Bezug auf die 1–12 wird
im Folgenden ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
erläutert.
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1 zeigt
dabei in einer perspektivische Gesamtansicht eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 zur Verwendung bei der Herstellung von faserverstärkten
Bauteilen 2. In einer einfachen Ausführungsform
besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 nur
aus dem erfindungsgemäßen Grundrahmen 3. Im
hier beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 neben dem erfindungsgemäßen
Grundrahmen 3 noch weitere Komponenten.
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In 1 ist
ein Schneidetisch 31 abgebildet, auf dem die gewünschten
Zuschnitte aus Verstärkungsfaserlagen 5 automatisch
herstellbar sind. Dazu kann die beispielsweise als endlose Gewebematte
vorliegende Verstärkungsfaserlage 5 jeweils von
einer Rolle abgewickelt werden und über geeignete Schneidmittel
wird die gewünschte Form und Größe einer
Verstärkungsfaserlage ausgeschnitten.
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Mittels
einer insbesondere als Positionierroboter ausgeführten
Positioniereinrichtung 30, an der ein Grundrahmen 3 angekoppelt
ist, wird die Verstärkungsfaserlage 5 gezielt
angesaugt und somit ergriffen, wenn sich der Grundrahmen 3 direkt
oberhalb der Verstärkungsfaserlage 5 befindet.
Zum Ergreifen des Ausschnitts weist der Grundrahmen 3 eine
Halteeinrichtung 4 auf (vgl. 2), die über
eine Vielzahl von Saugeinrichtungen 9 verfügt,
die jeweils einzeln oder wenigstens gruppenweise ansteuerbar sind,
um die gewünschte Form einer ausgeschnittenen Verstärkungsfaserlage 5 gezielt
ergreifen zu können.
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Nach
dem Aufnehmen einer Verstärkungsfaserlage 5 verfährt
die Positioniereinrichtung 30 den Grundrahmen 3 zu
einem Formtisch 19, der eine Arbeitsfläche 20 aufweist,
auf der hier ein Formkern 7 angeordnet ist.
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Der
Grundrahmen 3 wird oberhalb des Formkerns 7 positioniert
und auf den Formkern abgesenkt, wo die Halteinrichtung 4 den
Ausschnitt der Verstärkungsfaserlage 5 freigibt,
sodass sich die Verstärkungsfaserlage 5 auf den
Formkern 7 ablegt. Im Anschluss daran kann eine zweite
Verstärkungsfaserlage 5 geholt werden oder es
wird die Verstärkungsfaserlage 5 direkt an den
Formkern 7 drapiert.
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Zur
Steuerung des Prozesses dient eine Steuerung 32, an der
auch ein Bedienpult vorgesehen sein kann.
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Der
in 2 in einer leicht perspektivischen Darstellung
gezeigte Grundrahmen 3 verfügt über einen
Anschluss 34, mit dem der Grundrahmen an eine Positioniereinrichtung 30 gekoppelt
werden kann, um ein automatisches Positionieren des Grundrahmens 3 zu
ermöglichen.
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An
dem Grundrahmen 3 ist eine Drapiereinrichtung 6 vorgesehen,
die über eine Drapierlage 13 verfügt,
die in der in 2 dargestellten Ruheposition 14 im
Wesentlichen auf einer Rolle 33 aufgewickelt ist. Die Drapierlage 13 ist über
eine Zugleiste 42 mit Zugseilen 37 und Umlenkrollen 36 verbunden,
sodass bei einer Abwicklung der dehnbaren Drapierlage 13 von
der Rolle 33 sich die dehnbare Drapierlage 13 bzw.
die Drapiermembran 16 über die Zugleiste 42 von
den Zugseilen 37 auf die Unterseite 17 des Grundrahmens 3 gezogen
wird.
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Die
Halteeinrichtung 4 mit den Saugeinrichtungen 9 und
den jeweils einzelnen Flachsaugern 11 ist in 2 in
der Grundposition 10 dargestellt, in der sich die Halteeinrichtung 4 insgesamt
innerhalb des von dem Grundrahmen 3 aufgespannten Volumens befindet.
Die einzelnen Saugeinrichtungen 9 werden über
mehrere Vakuumpumpen 12 mit Vakuum versorgt. Dabei sind
die einzelnen Vakuumpumpen 12 als mit Druckluft betriebene
Vakuumpumpen 12 ausgeführt, die über
den Bernoullieffekt Vakuum erzeugen. Solche Vakuumpumpen sind einfach
steuerbar und erzeugen das benötigte Vakuum ortsnah mit
nur relativ geringer Geräuschbelästigung.
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An
dem Grundrahmen 3 kann weiterhin eine Vakuumkupplung 35 vorgesehen
sein, die das in den Vakuumpumpen 12 erzeugte Vakuum insbesondere auch über
ein entsprechendes Kupplungsstück an den Formtisch 19 überträgt,
sodass an dem Formtisch 19 gegebenenfalls keine separate
Vakuumversorgung vorgesehen sein muss.
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3 zeigt
den Grundrahmen 3 in einer Unteransicht, wobei auf der
Unterseite 17 des Grundrahmens 3 umlaufend Löcher 18 vorgesehen
sind, die mit einem Vakuum beaufschlagbar sind, um die Drapierlage 13 anzusaugen,
wenn sich die Drapierlage 13 in der Arbeitsposition 15 befindet,
die beispielsweise in 11 dargestellt ist. In 3 ist
die Ruheposition 14 der Drapierlage 13 dargestellt,
in der die Drapierlage 13 bzw. die Drapiermembran 16 im
Wesentlichen auf die Rolle 33 aufgewickelt ist.
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Hier
ist auf der Unterseite des Grundrahmens 3 die Zugleiste 42 deutlich
erkennbar, die am Ende der Drapierlage 13 angeordnet ist
und die mit den umlaufenden Zugseilen 37 verbunden ist,
um die Drapierlage 13 automatisch zwischen der Ruheposition 14 und
der Arbeitsposition 15 zu bewegen.
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In 3 sind
auch die Halteeinrichtung 4 und die Heizeinrichtung 26 sichtbar,
wobei die Heizeinrichtung 26 über Heizeinheiten 27 mit
Reflektorblechen verfügt. Die Heizeinheiten 27 sind
mit der Heizeinrichtung 26 insgesamt gegenüber
der Halteeinrichtung 4 höhenverstellbar angeordnet.
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Positionssensoren 28 und
Abstandssensoren 29 erfassen jeweils die genaue Lage des
Grundrahmens 3 zu dem Schneidetisch 31 und/oder
zu dem Formtisch 19, um den Grundrahmen 3 positionsgenau
steuern zu können.
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In 4 ist
die Halteeinrichtung 4 des Grundrahmens 3 nach 3 perspektivisch
dargestellt. Die Flachsauger 11 aufweisenden Saugeinrichtungen 9 bzw.
die Halteeinrichtung 4 ist über höhenverstellbare
Träger 38 an dem Grundrahmen 3 angeordnet.
Gleichfalls sind die Vakuumpumpen 12 an der Halteeinrichtung
angeordnet, um ortsnah das benötigte Vakuum zur Verfügung
zu stellen.
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Hier
im Ausführungsbeispiel sind an der Halteeinrichtung 4 Aufnahmen 39 für
die Heizeinrichtung 26 vorgesehen, mittels derer die in 5 perspektivisch
dargestellte Heizeinrichtung 26 an den höhenverstellbaren
Trägern 40 aufgenommen ist. Durch die Höhenverstellbarkeit
wird gewährleistet, dass die Heizeinrichtung 26 zwischen
einer ersten oberhalb der Halteeinrichtung 4 angeordneten
Position und einer zweiten unterhalb der Flachsauger 11 der
Halteeinrichtung 4 angeordneten Position verfahrbar vorgesehen
ist. Dadurch wird es ermöglicht, dass eine unterhalb der
Flachsauger 11 angeordnete Heizeinrichtung eine gegebenenfalls
schädliche Aufheizung der Flachsauger 11 vermeidet,
wenn die Heizeinrichtung die Verstärkungslage 5 aufheizt.
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In 6 ist
eine schematische Darstellung des Grundrahmens 3 wiedergegeben,
an dem die Drapiereinrichtung 6 angeordnet ist. Die als
Drapiermembran 16 ausgeführte Drapierlage 13 kann
von der in 6 dargestellten Ruheposition 14 in
eine Arbeitsposition 15 überführt werden,
in der die Drapiermembran 16 an der Unterseite 17 des
Grundrahmens 3 anliegt.
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Klar
erkennbar in der Darstellung nach 6 sind auch
die Aufnahmen 43 zur Höhenverstellbarkeit der
Halteeinrichtung 4.
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7 zeigt
den Formtisch 19, bei dem die einzelnen Komponenten in
vertikaler Richtung leicht auseinander gezogen dargestellt sind,
um einen Überblick über den Aufbau des Formtischs 19 zu
ermöglichen. Der Formtisch 19 verfügt über
eine Arbeitsfläche 20, die in einem zentralen
Bereich mit einer Vielzahl von Löchern 21 versehen
ist.
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Auf
der Arbeitsfläche 20 ist ein hohler Formkern 7 angeordnet,
auf dessen Oberseite 24 Schlitze 25 vorgesehen
sind. Über die Schlitze 25 und den hohlen Formkern 7 kann
das im Evakuierbereich 22 angelegte Vakuum auf die Oberseite 24 des
Formkerns 7 übertragen werden, sodass bei Anlage
eines Vakuums an den Evakuierbereich 22 eine sich oberhalb
des Formkerns 7 befindende Verstärkungsfaserlage 5 an
die Oberseite 24 des Formkerns 7 angesaugt wird.
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Der
Formtisch 19 kann über eine Kupplung an die Vakuumkupplung 35 des
Grundrahmens 3 angekoppelt werden, um dass am Grundrahmen
mittels der Vakuumpumpen 12 erzeugte Vakuum auf den Evakuierbereich 22 des
Formtischs 19 zu übertragen. In anderen Ausgestaltungen
ist es auch möglich, dass der Formtisch 19 über
eine separate Vakuumerzeugung verfügt oder anderweitig
mit Vakuum versorgt wird.
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8 zeigt
einen hier zweiteiligen hohlen Formkern 7, der über
Positionierdorne 41 in den Löchern 21 auf
der Arbeitsfläche 20 des Formtisches 19 definiert
positioniert werden kann. Durch das Innere 23 des hohl
gestalteten Formkerns 7 und durch die Schlitze 25 auf
der Oberseite 24 kann ein im Evakuierbereich 22 vorhandenes
Vakuum durch den Formkern 7 hindurch auf die Oberseite 24 übertragen
werden.
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Ein
Funktionsablauf bei der Verarbeitung von Verstärkungsfaserlagen
wird im Folgenden mit Bezug auf die 9–12 erläutert.
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In 9 ist
in der linken Hälfte der Grundrahmen 3 über
einem Schneidetisch 31 dargestellt, wobei die Drapiereinrichtung 6 sich
in der Ruheposition 14 befindet, während die Halteeinrichtung 4 in
die Halteposition 8 verfahren wurde, um einen Zuschnitt einer
Verstärkungslage 5 von dem Schneidetisch 31 zu
ergreifen. Der Zuschnitt der Verstärkungslagen 5 erfolgt
hier insbesondere automatisch.
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In 9 ist
auf der rechten Seite dargestellt, wie die Halteeinrichtung 4 einen
Zuschnitt einer Verstärkungsfaserlage 5 über
Vakuum ansaugt und hält. Der Grundrahmen 3 hat
von dem Schneidetisch 31 abgehoben und wird durch eine
hier nicht dargestellte Positioniereinrichtung 30 zu dem
Formtisch 19 verfahren.
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Auf
der linken Seite von 10 ist dargestellt, wie der
Grundrahmen 3 sich auf einen Formkern 7 des Formtischs 19 absenkt
und die Verstärkungsfaserlage 5 auf dem Formkern 7 abgelegt
wird. Die Drapiereinrichtung 6 befindet sich immer noch
in die Ruheposition 14. Nach dem Abschalten des Vakuums
an der Halteeinrichtung 4 wird die Verstärkungsfaserlage 5 auf
dem Formkern 7 abgelegt und die Halteeinrichtung 4 wird
von der Halteposition 8 in die Grundposition 10 überführt.
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Im
Anschluss daran wird die Drapiereinrichtung 6 von der Ruheposition 14 in
die Arbeitsposition 15 überführt, die
in 10 auf der rechten Seite dargestellt ist. Die
Drapierlage 16 wurde zu der Unterseite 17 des
Grundrahmens 3 verfahren und liegt an der Unterseite 17 des
Grundrahmens 3 an. Durch Ansaugen der Drapierlage 16 über
die an der Unterseite des Grundrahmens 3 vorgesehenen Vakuumlöcher 18 wird
die Drapierlage 16 fest an der Unterseite 17 des
Grundrahmens 3 gehalten.
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Danach
wird der Grundrahmen 3 in die in 11 links
dargestellte Position überführt, in der der Grundrahmen 3 auf
den Formkern 7 abgesenkt wurde und auf dem Formtisch 19 aufliegt.
Dadurch wird die Drapiermembran 16 im Bereich des Formkerns 7 gedehnt.
-
Mit
Anlage von Vakuum an den Evakuierbereich 22 des Formtischs 19 wird
das Vakuum durch die Löcher 21 in der Arbeitsfläche 20 des
Formtischs 19 und durch den hohlen Formkern 7 nach
oben übertragen, sodass die Drapiermembran 16 an
den Formkern 7 angesaugt wird. Die Drapiermembran 16 bewirkt,
dass die Verstärkungsfaserlagen 5 an dem Formkern 7 drapiert
werden, wie es in 11 rechts schematisch dargestellt
ist. Zur Verstärkung der Drapierungswirkung kann die Heizeinrichtung 26 während
des Drapierens aktiviert werden.
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Im
Anschluss an das Drapieren der Verstärkungsfaserlage 5 kann
der Grundrahmen 3, wie auf der linken Seite von 12 dargestellt,
wieder angehoben werden, wobei die Verstärkungsfaserlage 5 weiterhin
an dem Formkern 7 anliegt.
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Nach
dem der Grundrahmen 3, wie in 12 links
dargestellt, von dem Formtisch 19 abgehoben hat, kann die
Drapiermembran 16 wieder in die Ruheposition 14 überführt
werden und der Grundrahmen 3 kann wieder zu dem Schneidetisch 31 verfahren
werden, um die nächste Verstärkungsfaserlage 5 zu
holen. Je nach gewünschter Zahl der Verstärkungsfaserlagen
wird der zuvor beschriebene Prozess entsprechend oft wiederholt,
bis der Rohling oder nach der Harzinjektion und Aushärtung
das fertige Bauteil 2 entnommen werden kann.
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In
allen Fällen kann das beschriebene Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen
eingesetzt werden, wobei sowohl die Verwendung sogenannter trockener
Verstärkungsgewebelagen möglich ist als auch die
Verwendung von Prepregs, bei denen die Verstärkungsgewebelagen
mit einem Harz vorgetränkt sind.
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Zusammengefasst
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter
Verwendung von Trockenfasern als Verstärkungsfaserlagen
der Grundrahmen 3 zunächst über einem
entsprechenden Trockenfaser-Zuschnitt auf dem Schneidetisch 31 positioniert und
dort abgesenkt, woraufhin das Vakuumsaugerfeld eingeschaltet wird,
um eine Verstärkungsfaserlage zu erfassen.
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Daraufhin
kann der Grundrahmen 3 mit dem angesaugten Zuschnitt angehoben
werden. Gegebenenfalls wird die Heizeinrichtung 26 direkt
eingeschaltet, um die Anhaftung des Zuschnitts am Ablageort zu verbessern.
Dadurch kann auch die Prozesszeit verringert werden, da das Aufheizen
früher startet und schon während des Transports
erfolgt.
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Nach
dem Transport des Zuschnitts zum Ablageort auf dem Formtisch 19 wird
der Grundrahmen 3 über dem Formkern 7 positioniert
und abgesenkt. Die Halteeinrichtung 4 wird deaktiviert,
der Grundrahmen 3 wieder angehoben und die eventuell aktive Heizeinrichtung 26 ausgeschaltet.
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Die
Halteeinrichtung 4 und die Heizungseinrichtung 26 werden
in eine Grundposition überführt und die Drapiermembran 16 wird
ausgefahren und über Vakuumlöcher 18 an
der Unterseite 17 des Grundrahmens 3 fixiert.
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Daraufhin
wird der Grundrahmen 3 mit der fixierten Drapiermembran 16 auf
den Formtisch 19 abgesenkt, wodurch sich die Drapiermembran 16 entsprechend über
dem Formkern 7 dehnt. Zusätzlich kann noch Anpressdruck
durch den Grundrahmen 3 aufgebracht werden, um ein Verrutschen
der Drapiermembran 16 zu verhindern.
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Gleichzeitig
werden der Grundrahmen 3 und der Formtisch 19 über
eine automatische Vakuumkupplung gekoppelt, sodass der Vakuumbereich 22 des
Formtischs 19 evakuiert wird.
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Im
Anschluss daran kann die Heizungseinrichtung 26 abgesenkt
und eingeschaltet werden. Durch den evakuierten Vakuumbereich 22 des
Formtischs 19 wird das Vakuum auf den Formkern 7 übertragen
und die Drapiermembran 16 legt sich vollständig
an den Formkern 7 an.
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Nach
beendetem Drapieren wird die Heizungseinrichtung 26 deaktiviert
und angehoben. Die Vakuumkopplung zum Formtisch 19 wird
aufgehoben, der Grundrahmen 3 angehoben und zum Schneidetisch 31 zurück
verfahren. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte
Anzahl von Verstärkungsfaserlagen auf dem Formkern angeordnet
ist.
-
Danach
erfolgt die Aufnahme des drapierten Bauteils von dem Formkern und
der Transport zu einem Aushärtewerkzeug. Dazu wird das
drapierte Bauteil z. B. auf einer ersten Hälfte des Aushärtewerkzeugs
abgelegt. Im Anschluss daran kann mit einer zweiten Hälfte
das Werkzeug für ein Harzinjektionsverfahren verschlossen
werden. Anschließend kann die Harzinjektion und die anschließende
Konsolidierung im Ofen stattfinden, bevor das Werkzeug geöffnet
wird. Das fertige Bauteil 2 kann durch den Grundrahmen 3 aufgenommen
und weiter transportiert werden.
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Für
ein Harzinfusionsverfahren können benötigte Hilfsstoffe
auch mit dem Grundrahmen 3 geholt werden. Hilfsstoffe können
beispielsweise Saugvliese oder Abreißgewebe sein. Auch
eine Vakuumfolie kann von dem Schneidetisch oder einer anderen Ablage
automatisch geholt und über dem Formkern positioniert werden.
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Gegebenenfalls
ist es auch möglich, dass nach der Positionierung und Drapierung
der Verstärkungsfaserlagen die Vakuumfolie automatisch
oder auch manuell drapiert wird, an die ein Vakuum angelegt wird.
Eine anschließende Harzinfusion und Konsolidierung im Ofen
ist möglich, bevor der Vakuumaufbau manuell entfernt wird.
-
Die
Verarbeitung von Prepregs ist auch möglich. Dabei kann
zusätzlich ein manueller Arbeitsschritt erforderlich sein,
in welchem eine Schutzfolie von dem Prepreg-Material entfernt wird.
Dafür fällt der Schritt der Harzinfusion weg,
da das Matrix-Material in dem Prepreg enthalten ist. Im Übrigen
unterscheidet sich der Prozess bei der Verarbeitung von Prepregs
von dem oben beschriebenen Prozess des Harzinfusionsverfahrens lediglich
dadurch, dass bei der Konsolidierung eines Prepreg-Bauteils an Stelle eines
Ofens ein Autoklav verwendet wird.
-
Insgesamt
ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich,
die erforderlichen manuellen Schritte bei der Herstellung von faserverstärkten
Bauteilen erheblich zu reduzieren, sodass die Fertigung wirtschaftlicher
und kostengünstiger wird. Gleichzeitig kann durch die Automatisierung
die Reproduzierbarkeit erhöht werden, sodass die Qualität
zunimmt.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- faserverstärktes
Bauteil
- 3
- Grundrahmen
- 4
- Halteeinrichtung
- 5
- Verstärkungsfaserlage
- 6
- Drapiereinrichtung
- 7
- Formkern
- 8
- Halteposition
- 9
- Saugeinrichtung
- 10
- Grundposition
- 11
- Flachsauger
- 12
- Vakuumpumpe
- 13
- Drapierlage
- 14
- Ruheposition
- 15
- Arbeitsposition
- 16
- Drapiermembran
- 17
- Unterseite
- 18
- Vakuumbohrung
- 19
- Formtisch
- 20
- Arbeitsfläche
- 21
- Loch
- 22
- Evakuierbereich
- 23
- Inneres
des Formkerns
- 24
- Oberseite
- 25
- Schlitz
- 26
- Heizeinrichtung
- 27
- Heizeinheit
- 28
- Positionssensor
- 29
- Abstandssensor
- 30
- Positioniereinrichtung
- 31
- Schneidetisch
- 32
- Steuerung
- 33
- Rolle
- 34
- Anschluss
- 35
- Vakuumkupplung
- 36
- Umlenkrolle
- 37
- Zugseil
- 38
- Höhenverstellbarer
Träger
- 39
- Aufnahme
für Heizeinrichtung
- 40
- Höhenverstellbarer
Träger
- 41
- Positionierungsdorn
- 42
- Zugleiste
- 43
- Aufnahme
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006046624
A1 [0005]