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WO2013056789A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufbauen eines vorformlings, formteil, computerprogrammprodukt und speichermedium - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum aufbauen eines vorformlings, formteil, computerprogrammprodukt und speichermedium Download PDF

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Publication number
WO2013056789A1
WO2013056789A1 PCT/EP2012/004132 EP2012004132W WO2013056789A1 WO 2013056789 A1 WO2013056789 A1 WO 2013056789A1 EP 2012004132 W EP2012004132 W EP 2012004132W WO 2013056789 A1 WO2013056789 A1 WO 2013056789A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
preform
elements
deposited
determined
steps
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/004132
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz-Georg Kind
Sonja SEIDEL
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.)
Rehau Automotive SE and Co KG
Original Assignee
Rehau AG and Co
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 Rehau AG and Co filed Critical Rehau AG and Co
Priority to EP12768733.3A priority Critical patent/EP2768659A1/de
Publication of WO2013056789A1 publication Critical patent/WO2013056789A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased 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
    • B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B11/00—Making preforms
    • B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
    • B29B11/16—Making preforms characterised by structure or composition comprising fillers or reinforcement
    • 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
    • B29C31/00—Handling, e.g. feeding of the material to be shaped, storage of plastics material before moulding; Automation, i.e. automated handling lines in plastics processing plants, e.g. using manipulators or robots
    • B29C31/04—Feeding of the material to be moulded, e.g. into a mould cavity
    • B29C31/08—Feeding of the material to be moulded, e.g. into a mould cavity of preforms to be moulded, e.g. tablets, fibre reinforced preforms, extruded ribbons, tubes or profiles; Manipulating means specially adapted for feeding preforms, e.g. supports conveyors
    • B29C31/085—Feeding of the material to be moulded, e.g. into a mould cavity of preforms to be moulded, e.g. tablets, fibre reinforced preforms, extruded ribbons, tubes or profiles; Manipulating means specially adapted for feeding preforms, e.g. supports conveyors combined with positioning the preforms according to predetermined patterns, e.g. positioning extruded preforms on conveyors

Definitions

  • the present invention relates to a method for constructing a preform from a plurality of cut and laid according to a predetermined shape of the preform mold elements, an apparatus for carrying out at least a portion of the process, a continuous fiber reinforced thermoplastic molding, by means of a preform constructed with such a method a computer program product comprising control instructions intended, when executed by a processor, to control a device performing at least part of the method, and a storage medium storing such a computer program product.
  • a process for producing continuous fiber-reinforced molded parts from thermoplastic materials using a three-dimensional preform and a motor vehicle molding are known, for example, from DE 10 2010 013 131 A1.
  • cut, essentially flat, unidirectionally fiber-reinforced mats with a thermoplastic matrix at least partially surrounding the fibers are continuously deposited on a workpiece carrier which predetermines the rough contour of the molded part.
  • the mats are built on the workpiece carrier to a three-dimensional preform, wherein a fiber orientation of the mats is matched to forces acting in the subsequent use of the molding and resulting in the resulting load paths within the molding.
  • the mats are fixed to each other in position.
  • the preform is heated at least to the melting temperature of the thermoplastic matrix. After inserting the three-dimensional preform into a molding die forming the final contour of the molding and adjusting a homogeneous mold internal pressure to ensure consolidation of the preform while maintaining fiber orientation within the preform, the consolidated molding is finally removed from the mold.
  • individual mats are aligned and stored as accurately as possible relative to each other to avoid any gaps between the mats or thickenings due to several overlapping mats, resulting in an inhomogeneous inner structure of the preform and thus also a molded part made from this can lead.
  • robotic robots position individual mats in a reproducible and highly accurate manner with a deviation of less than 0.1 mm on a positive or workpiece carrier corresponding to the later preform according to the setpoint pattern read in.
  • Both costly precision means for positioning the mats during laying and corresponding detection means for detecting the positions of individual mats provided or laid for laying are necessary for this purpose.
  • the laying process is delayed due to the need for precise laying of the mats and the precise detection of positions of individual mats, which is done by means of camera-based systems, especially because of time-consuming evaluations of camera images.
  • the deposition of a single mat including integrated image capture takes approximately four seconds.
  • a method of constructing a preform from a plurality of cut and laid according to a predetermined shape of the preform mold elements comprises the following steps:
  • step (b) holding a subsequent mold element with a holding means; (c) noting a relative position of the mold element held in step (b) with respect to the holding means;
  • step (d) transporting the molding element held in step (b) along a transport path to a storage position
  • step (e) depositing the feature element transported in step (d);
  • step (f) determining at least one relative position of the feature element deposited in step (e) with respect to the base feature or with respect to at least one previously deposited feature or multiple or all previously deposited feature using the relative position noted in step (c) and / or or the transport path from step (d) and / or the storage position from step (d);
  • step (g) determining the transport path and storage position for at least one subsequently to be deposited form element or more or all subsequently deposited form elements using at least one or more or all of the determined in step (f) relative positions;
  • step (h) successive repetition of steps (b) to (g) until the preform is completed, for the first execution of step (d) given transport path and storage position and used in subsequent embodiments of step (d) a respective transport path and a respective storage position which have been determined in each case before the execution of step (g).
  • both a precise placement of the mold elements as well as an accurate detection of the position of the mold elements after deposition by means of physical detection devices are dispensed with.
  • the relative positions of the individual mold elements with respect to other already-placed mold elements are determined or calculated using their position relative to the holding means and / or the transport path and / or the storage position of one or more previously deposited mold elements.
  • a virtual spatial model of the preform can be generated in this way at the various stages of its construction.
  • respective transport paths and storage positions of respective mold elements to be subsequently deposited are determined with regard to the preform to be set up, along which subsequent mold elements are transported in each case and on which the same are respectively deposited.
  • the dimensions, the size or the shape of the mold elements can additionally be used. Is it the molding Elements around unidirectional fiber-reinforced mats, so can also be incorporated into the calculation of a fiber direction of the mold elements.
  • the inventive method is thus significantly faster than conventional methods for building a preform, which require a very precise placement of the mold elements, so that the time required to build a preform over known methods by up to 75% can be reduced.
  • the relative positions of the deposited mold elements or the virtual model of the preform determined during the execution of the method can be stored in order to make this data available, for example, for various simulations such as stability simulations or to reproduce the structure of the preform later.
  • the method according to the invention thus also offers the possibility of carrying out process monitoring and quality control simultaneously.
  • At least one gap or at least one cavity between at least two deposited mold elements or at least one overlapping region of several mold elements is detected by means of relative positions determined in step (f) and transport path and storage position are determined in the following step (g) to equalize the gap or cavity or overlap area when depositing one or more subsequent mold elements.
  • the form elements have a certain flow behavior or suitable plastic properties, it is possible to dispense with equalizing the gaps and thickening or overlapping areas when laying the mold elements, at least when these do not exceed a certain size, since these are either filled or diluted in the further processing of the preform due to the mentioned properties of the mold elements.
  • At least one cavity between at least two deposited mold elements is determined based on determined in step (f) relative positions and determines its position, shape and dimensions, wherein at least one corresponding Greformelement is cut and arranged in the cavity.
  • a single Greformelement can be cut, which essentially fills the entire cavity.
  • the filling of cavities by means of suitably cut Medformieri is particularly advantageous when it is comparatively large cavities, which is not guaranteed that these are compensated in the subsequent processing of the preform due to the flow properties or the plastic properties of the mold elements.
  • steps (b) to (h) may be automated or computer-implemented or steps (b) to (h) may be automated or computer-implemented and step (a) may be performed manually or all steps may be performed (a) to (h) be automated or computer-implemented.
  • step (a) may be performed manually or all steps may be performed (a) to (h) be automated or computer-implemented.
  • the last case in which all method steps can be carried out automatically is particularly preferred in order to be able to use the method in the fully automatic production of molded parts.
  • all the form elements are cut to substantially the same shape, wherein all the form elements have substantially the same dimensions or at least two of the form elements have different dimensions.
  • preforms are simplified once again, since a device carrying out the method has to handle form elements with only a few, typically not more than three, four or five different, predetermined shapes.
  • a hexagonal shape In the case of flat form elements may be provided for this example, a hexagonal shape.
  • unidirectional fiber reinforced mats are used as the form elements, rectangular shapes are preferred for the form elements to prevent fiber shortening. In the case of a hexagonal shape, otherwise the corners of the rectangle cut off from a rectangle during production will shorten the fibers compared to the center area of the rectangle.
  • the base element is deposited on a workpiece carrier in step (a), which predetermines a three-dimensional shape of the preform.
  • This workpiece carrier can be provided manually or automatically.
  • the workpiece carrier can be conveyed from a conveying device, such as a conveyor belt, to a suitable position, so that the basic shaped element assumes the basic position after it has been deposited on the workpiece carrier.
  • each layer of a 0.25 mm thick molded part, the preform of which is constructed with such mats consists of 15 individual mats, each mat and thus each layer having a thickness of 0.25 mm. If such mats are deposited on a workpiece carrier, they are preferably at least partially preheated prior to depositing in order to increase their flexibility. As a result, the mats adapt better when depositing a three-dimensional rough contour of the workpiece carrier. In order to maintain the flexibility of the mats, further heating of the workpiece carrier may be provided.
  • a device which completely or partially carries out the method according to the invention can be set up for automated execution of at least steps (b) to (h) or all steps (a) to (h) of the method according to the invention.
  • the basic form element can be manually brought into the home position and stored there, or the basic form element is brought from the device to the basic position or stored in this.
  • the device may comprise at least one robot arm having the holding means. With this robot arm, the device grips mold elements provided, for example, in a magazine or storage location or supplied by a feeder, and transports them to the storage position while holding the mold elements with the holding means.
  • the device itself may be stationary or mobile. In a stationary embodiment of the device, preferably only a part of the device, usually the robot arm, moves during transport of the mold elements. However, if the device is mobile, it can moving as a whole including the robotic arm.
  • the device may be a mobile robot that grips mold elements provided in a shelf located on a wall of a hall and then moves to the opposite side of the hall to deposit the mold elements in the storage position located there.
  • the device has at least one sensor for detecting the basic position and / or the relative position in step (c).
  • the basic position can either be read in by the device from an external memory or it can be entered manually into the device.
  • the device may have facilities such as a sensor with which it detects the home position based on the stored in the basic position basic form element.
  • the device may note the relative position of the retained die element with respect to the holding means after having been manually entered this relative position, for example, or after having read that position from an external memory.
  • the form elements can also be deposited in a predetermined position, in which the device grips the form elements in a predetermined manner, so that the relative position of the element is already known to the holding means prior to gripping the form elements of the device and is noted by this.
  • the device may comprise a device such as a sensor, with which it detects the relative position of the molding element with respect to the holding means for each mold element individually and then noted.
  • the sensor for detecting the basic position and the sensor for detecting the relative position of the molding element with respect to the holding means can also be one and the same sensor.
  • the sensors are designed to detect only simple geometric basic shapes or corners of the mold elements in order to avoid the costs for the sensors and time-consuming evaluations of camera images.
  • the device may also advantageously have a cutting device for preferably automatically cutting the Grese.
  • a cutting device for preferably automatically cutting the Grese.
  • the device comprises a device for fixing the position of elements to one another during the construction of the preform and / or after its completion. This offers the advantage that the preform has a significantly improved handling.
  • the position fixation of the mold elements to each other can be done by means of a welding process such as ultrasonic welding, heating element welding or a laser welding process.
  • the position fixation of the form elements to each other by textile technology methods such as needling or sewing can be done.
  • a further embodiment of the device according to the invention comprises a conveying device for conveying the basic shaped element into the basic position and / or for conveying a workpiece carrier for receiving the basic shaped element.
  • a conveying device for conveying the basic shaped element into the basic position and / or for conveying a workpiece carrier for receiving the basic shaped element.
  • the preform can also after its construction for further production of a molded part from this preform along a plurality of stations, in particular a plurality of robot stations, move, thereby reducing the process time to completion of the molding.
  • FIG. 1 shows an apparatus for producing continuous fiber-reinforced molded parts made of thermoplastic materials
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method according to the invention
  • Figure 4 laid mats with a cavity once with one and once without filling the cavity
  • Feedback element
  • FIG. 5 shows a comparison between the desired position and the actual position of a mat after it has been deposited.
  • FIG. 1 shows a device 1 for producing continuous fiber-reinforced molded parts 2 made of thermoplastic materials. Be on several conveyor units 3 thereby tailored, substantially flat, unidirectional fiber-reinforced mats 4 provided with a fibers at least partially surrounding the thermoplastic matrix as form elements.
  • the mats 4 are taken from the conveyor units 3 from a magazine and provided at a certain position. Alternatively, the provision of the mats 4 via a rolling and / or cutting unit carried out, which is not shown here.
  • the mats 4 are at least partially preheated before depositing with the aim of increasing their flexibility. This is followed by a transfer of the mats 4 to a workpiece carrier 5 giving the rough contour of the molded part 2.
  • the workpiece carrier 5 itself is moved on a conveying path 6 by means of conveyor belts 7.
  • the cut mats 4 are deposited and continuously constructed to form a three-dimensional preform 8, that the fiber orientation of the mats 4 is tuned to forces acting in the subsequent use of the molding 2 and resulting therefrom within the molding 2 load paths.
  • the transfer, storage and erection of the preform 8 take over a plurality of robot stations or robot systems 9, which are arranged along the conveying path 6.
  • the robot systems 9 have robot arms 10 with holding means 11 for gripping and holding the mats 4.
  • the device 1 shown in FIG. 1 builds the preform 8 controlled by a control unit 12 by means of an automated method, which is shown in FIG. 2 as a flow chart.
  • the method starts with step SO.
  • a first of the mats 4 provided at a specific position is gripped by one of the robot arms 10 and deposited on the workpiece carrier 5.
  • the basic position of the control unit 12 may be previously known, provided, for example, the first mat 4 and the workpiece carrier 5 are provided in respective predetermined positions and the first mat 4 of Robotic arm 10 is taken in a predefined manner, transported to the workpiece carrier 5 and stored there in a predetermined position.
  • the device 1 may have sensors with which the basic position of the first mat 4 can be detected after being deposited on the workpiece carrier 5, or with which the relative position of the first mat 4 held by the robot arm 10 with respect to can detect the holding means 11 of the robot arm 10. From this relative position and the transport path of the first mat 4 to the basic position, in the latter case the basic position of the first mat 4 can be determined by the device 1 or the control unit 12.
  • the workpiece carrier 5 can also be supplied by a robot system 9 between steps S1 and S2 another of the robot systems 9 are moved so that each of the steps S1 and S2 is executed by a respective other robot system 9, or both steps S1 and S2 are executed by one and the same robot system 9.
  • step S3 the relative position of the second mat 4 held by the robot arm 10 with respect to the holding means 11 of the robot arm 10 is noted.
  • this relative position can be predefined either by providing the second mat 4 in a predetermined position and predefined gripping by the robot arm 10, or the robot arm 10 has corresponding sensors with which the relative position of those held by the robot arm 10 second mat 4 with respect to the holding means 11 of the robot arm 10 can detect.
  • step S4 The second mat 4 held by the holding means of the robot arm 10 is transported by the robot arm 10 along a transport path to a storage position in step S4.
  • the transport path and the storage position for this mat 4 are still given, in subsequent embodiments of step S4, however, as in the following is described, determined or calculated transport routes and storage positions for subsequent mats 4 to be deposited.
  • the second mat 4 transported by the robot arm 10 is then deposited, which corresponds to step S5 of the method shown in FIG.
  • the apparatus 1 or the control unit 12 determines its relative position with respect to the first mat 4 or the basic molded element in step S6, including its storage position, its transport path and its relative position with respect to the holding means 11 from which it was kept during transport. This is possible because the basic position of the first mat 4 is known.
  • step S7 a query is determined with the whether the preform 8 is now completed or not. If the preform 8 is completely assembled, the method ends with the following step S8. If the preform 8 has not yet been completed, the method proceeds to step S9.
  • step S9 the transport path and the storage position are determined or calculated by the device 1 or the control unit 12 for a subsequently deposited third mat 4, for which purpose the basic position and the relative position of the deposited second mat 4 are used. Subsequently, steps S2 to S7 are repeated, i.e.
  • step S2 a new third mat 4 is received by the robot arm 10 and held by the holding means 11 in step S2, the relative position of the held third mat 4 with respect to the holding means 11 is noted in step S3, the third mat 4 is moved in step S4 the previously determined in step S9 transport path to the previously determined in step S9 storage position and stored there in step S5, it is determined in step S6, the relative position of the third mat 4 with respect to the first mat 4 and the second mat 4, and subsequently a decision is made in step S7 as to whether the preform 8 is completed or not, whereupon the method either ends with step S8 or proceeds to step S9, where the transport path and storage position of the next mat 4 to be deposited using the basic position and the relative Positions of the first, second and third deposited mat 4 are determined. Subsequently, another repetition of the method steps begins with step S2, wherein the values determined in the last executed step S9 for the transport path and the storage position for the respective next mat 4, which is recorded and stored, are used.
  • the preform 8 is successively constructed, wherein with each dropping of a new mat 4, the number of relative positions of individual mats 4 to be considered in step S9 with respect to other mats 4 increases cumulatively.
  • the relative positions of the individual mats 4 at a given time constitute a virtual or mathematical spatial model of the preform 8 at a particular stage of its construction Based on this model, it is possible to construct the preform 8 in a forward-looking manner. Furthermore, the model facilitates process monitoring and provides a quality control capability.
  • step S5 of the method shown in Figure 2 can be done with low precision, since the storage positions for subsequent mats to be deposited 4 are always recalculated, which makes possible eventual due to the low precision in Laying off the mats 4 to compensate for any irregularities by appropriate laying subsequent mats 4.
  • the repeated execution of step S5 in the course of the process may lead to the formation of gaps or overlapping zones of several mats 4 between individual mats 4 owing to the low precision with which the mats 4 are deposited.
  • examples of three partially overlapping mats 4 are shown with zones in which the mats 4 overlap three times, in which they overlap twice and where no overlap of the mats 4 takes place.
  • Such irregularities can be detected from the relative positions of the laid mats 4 determined at step S6.
  • the preform 8 being set up is monitored for such irregularities by the device 1 or the control unit 12 in the course of its construction by suitably determining the transport paths and storage positions in the step S9 and appropriate laying of subsequent mats 4 to compensate.
  • irregularities are small enough, they may also be ignored, since the mats 4 exhibit some fluidity when heated and these irregularities balance when the preform 8 is heated in the course of its further processing.
  • the irregularities are too great, they must be actively resolved by the device 1.
  • mats 4 to be laid subsequently can be placed, for example, so that in the vicinity of the thickening no further or only a few overlaps occur, while in the case of columns subsequent mats 4 can be placed so that above the gap possible overlap areas of the mats 4 result.
  • the device 1 has a cutting device, not shown in FIG. 1, for cutting filler elements, which are provided for filling cavities between laid mats 4.
  • the control unit 12 detects a cavity between laid mats 4 which is so large that it can not be expected to be compensated for later heating of the preform 8, it determines again from the relative positions of the already laid ones Mats 4 the location, shape and dimensions of the cavity. In the figure 4, such a cavity 13 between two mats 4 of a preform 8 is shown on the left greatly simplified.
  • the mats 4 only a few, usually not more than three or four, different shapes or dimensions are provided. It is also possible that all the mats 4, with which the preform 8 is constructed, are cut to the same shape and also with the same dimensions.
  • rectangular shapes are preferably selected in order to avoid fiber shortening and, in addition, since such mats with optical sensors are particularly easy and quickly detectable, whereby the relative positions can be determined rapidly in step S6. For example, it is sufficient if the optical sensors detect only reference points, preferably at least 2 corner points, of the rectangular mats 4 in order to determine their relative positions in step S6. This is shown in detail in FIG.
  • FIG. 5 shows, in a roughly simplified illustration, a planned target position for a laid mat 4 within a preform 8 which is being constructed, which is shown in dashed lines, and the actual position after insertion of the mat, drawn by solid lines 4, which differs slightly from the desired position, since the deposition of the mat 4 is done with relatively low accuracy.
  • the mat 4 is of a quadrangular shape, with two diagonally opposite corners of the mat 4 serving as reference points. These reference points marked as black circles in FIG. 5 can be detected particularly easily and reliably by the optical sensors.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Composite Materials (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Abstract

Ein Vorformling (8) wird aus einer Mehrzahl zugeschnittener und entsprechend einer vorgegebenen Form des Vorformlings (8) gelegter Formelemente (4) mit den folgenden Schritten aufgebaut: (a) Bereitstellen eines Grundformelementes in einer Grundposition; (b) Halten eines nachfolgenden Formelements (4) mit einem Haltemittel (11); (c) Vermerken einer relativen Position des in Schritt (b) gehaltenen Formelements (4) in Bezug auf das Haltemittel (11); (d) Transportieren des in Schritt (b) gehaltenen Formelements (4) entlang eines Transportweges zu einer Ablageposition; (e) Ablegen des in Schritt (d) transportierten Formelements (4); (f) Ermitteln wenigstens einer relativen Position des in Schritt (e) abgelegten Formelements (4) in Bezug auf das Grundformelement oder in Bezug auf wenigstens ein zuvor abgelegtes Formelement (4) oder mehrere oder alle zuvor abgelegte Formelemente (4) unter Verwendung der in Schritt (c) vermerkten relativen Position und/oder des Transportweges aus Schritt (d) und/oder der Ablageposition aus Schritt (d); (g) Ermitteln von Transportweg und Ablageposition für wenigstens ein nachfolgend abzulegendes Formelement (4) oder mehrere oder alle nachfolgend abzulegenden Formelemente (4) unter Verwendung wenigstens einer oder mehrerer oder aller der in Schritt (f) ermittelten relativen Positionen; (h) sukzessives Wiederholen der Schritte (b) bis (g) bis der Vorformling (8) fertiggestellt ist, wobei zur ersten Ausführung des Schrittes (d) Transportweg und Ablageposition vorgegeben und bei nachfolgenden Ausführungen des Schrittes (d) ein jeweiliger Transportweg und eine jeweilige Ablageposition verwendet werden, die bei einer jeweils zuvor erfolgten Ausführung des Schrittes (g) ermittelt worden sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Aufbauen eines Vorformlings, Formteil, Computerprogrammprodukt und Speichermedium
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings aus einer Mehrzahl zugeschnittener und entsprechend einer vorgegebenen Form des Vorformlings gelegter Formelemente, eine Vorrichtung zum Ausführen wenigstens eines Teils des Verfahrens, ein endlosfaserverstärktes Formteil aus thermoplastischen Kunststoffen, das mittels eines mit einem derartigen Verfahren aufgebauten Vorformlings hergestellt ist, ein Computerprogrammprodukt mit Steueranweisungen, die dazu vorgesehen sind, bei Ausführung durch einen Prozessor eine Vorrichtung zu steuern, die wenigstens einen Teil des Verfahrens ausführt, sowie ein Speichermedium, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
Ein Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen unter Verwendung eines dreidimensionalen Vorformlings sowie ein Kraftfahrzeugformteil sind beispielsweise aus der DE 10 2010 013 131 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden zugeschnittene, im Wesentlichen flächig ausgebildete, unidirek- tional-faserverstärkte Matten mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix fortlaufend auf einem die Grobkontur des Formteils vorgebenden Werkstückträger abgelegt. Die Matten werden auf dem Werkstückträger zu einem dreidimensionalen Vorformling aufgebaut, wobei eine Faserorientierung der Matten auf im späteren Einsatz des Formteils angreifende Kräfte und daraus innerhalb des Formteils resultierende Lastpfade abgestimmt wird. Während oder nach Abschluss des Aufbaus werden die Matten zueinander in der Lage fixiert. Der Vorformling wird wenigstens bis an die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix erwärmt. Nach Einbringen des dreidimensionalen Vorformlings in ein die endgültige Kontur des Formteils formendes Formwerkzeug und Einstellen eines homogenen Formwerkzeuginnendrucks, um eine Konsolidierung des Vorformlings bei gleichzeitigem Erhalt der Faserorientierung innerhalb des Vorformlings zu gewährleisten, wird das konsolidierte Formteil schließlich aus dem Formwerkzeug entnommen. Bei bekannten Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings werden einzelne Matten möglichst genau relativ zueinander ausgerichtet und abgelegt, um eventuelle Spalte zwischen den Matten oder Verdickungen infolge mehrerer sich überlappender Matten zu vermeiden, was zu einer inhomogenen inneren Struktur des Vorformlings und damit auch eines aus diesem hergestellten Formteils führen kann. Beispielsweise positionieren beim automatisierten Aufbau von Vorformlingen Legeroboter gemäß eingelesener Sollwert-Muster einzelne Matten reproduzierbar und hochgenau mit einer Abweichung von weniger als 0,1 mm auf einem dem späteren Vorformling entsprechenden Positiv oder Werkstückträger. Hierzu sind sowohl kostspielige Präzisionseinrichtungen zum Positionieren der Matten beim Legen als auch entsprechende Erfassungseinrichtungen zum Erfassen der Positionen einzelner zum Legen bereitgestellter oder gelegter Matten notwendig. Darüber hinaus wird der Legevorgang infolge der Notwendigkeit präzisen Legens der Matten und des präzisen Erfassens von Positionen einzelner Matten, was mittels kamerabasierter Systeme geschieht, vor allem wegen zeitraubenden Auswertungen von Kamerabildern verzögert. Typischerweise nimmt die Ablage einer einzelnen Matte einschließlich einer integrierten Bilderfassung eine Zeit von ungefähr vier Sekunden in Anspruch.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings, eine Vorrichtung zum Ausführen wenigstens eines Teils des Verfahrens, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Speichermedium zu schaffen, die einen kostengünstigeren und schnelleren Aufbau von Vorformlingen ermöglichen, um damit ein Formteil zu schaffen, das kostengünstiger und schneller hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch das Formteil mit den Merkmalen des Anspruchs 14, durch das Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und durch das Speichermedium mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings aus einer Mehrzahl zugeschnittener und entsprechend einer vorgegebenen Form des Vorformlings gelegter Formelemente die folgenden Schritte auf:
(a) Bereitstellen eines Grundformelementes in einer Grundposition;
(b) Halten eines nachfolgenden Formelements mit einem Haltemittel; (c) Vermerken einer relativen Position des in Schritt (b) gehaltenen Formelements in Bezug auf das Haltemittel;
(d) Transportieren des in Schritt (b) gehaltenen Formelements entlang eines Transportweges zu einer Ablageposition;
(e) Ablegen des in Schritt (d) transportierten Formelements;
(f) Ermitteln wenigstens einer relativen Position des in Schritt (e) abgelegten Formelements in Bezug auf das Grundformelement oder in Bezug auf wenigstens ein zuvor abgelegtes Formelement oder mehrere oder alle zuvor abgelegte Formelemente unter Verwendung der in Schritt (c) vermerkten relativen Position und/oder des Transportweges aus Schritt (d) und/oder der Ablageposition aus Schritt (d);
(g) Ermitteln von Transportweg und Ablageposition für wenigstens ein nachfolgend abzulegendes Formelement oder mehrere oder alle nachfolgend abzulegenden Formelemente unter Verwendung wenigstens einer oder mehrerer oder aller der in Schritt (f) ermittelten relativen Positionen;
(h) sukzessives Wiederholen der Schritte (b) bis (g) bis der Vorformling fertiggestellt ist, wobei zur ersten Ausführung des Schrittes (d) Transportweg und Ablageposition vorgegeben und bei nachfolgenden Ausführungen des Schrittes (d) ein jeweiliger Transportweg und eine jeweilige Ablageposition verwendet werden, die bei einer jeweils zuvor erfolgten Ausführung des Schrittes (g) ermittelt worden sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird sowohl auf ein präzises Ablegen der Formelemente als auch auf ein genaues Erfassen der Position der Formelemente nach Ablegen mittels physikalische Erfassungseinrichtungen (z.B. durch ein optisches System) verzichtet. Stattdessen werden die relativen Positionen der einzelnen Formelemente in Bezug auf andere bereits gelegte Formelemente unter Verwendung von deren Position relativ zum Haltemittel und/oder dem Transportweg und/oder der Ablageposition eines oder mehrerer zuvor abgelegter Formelemente ermittelt oder errechnet. Letztendlich kann auf diese Weise ein virtuelles räumliches Modell des Vorformlings in den verschiedenen Stadien seines Aufbaus erzeugt werden. Anhand der relativen Positionen bereits abgelegter Formelemente werden dann jeweilige Transportwege und Ablagepositionen von jeweiligen nachfolgend abzulegenden Formelementen mit Hinblick auf den aufzubauenden Vorformling ermittelt, entlang derer nachfolgende Formelemente jeweils transportiert werden und an denen dieselben jeweils abgelegt werden. Zur Berechnung des Transportwegs und/oder der Ablageposition noch abzulegender Formelemente können zusätzlich die Abmessungen, die Größe oder die Form der Formelemente herangezogen werden. Handelt es sich bei den Form- elementen um unidirektional-faserverstärkte Matten, so kann in die Berechnung zudem eine Faserrichtung der Formelemente einfließen. Dabei wird nicht versucht, beim Ablegen von Formelementen die Entstehung von Spalten zwischen abgelegten Formelementen oder Überlappungen mehrerer Formelemente zu vermeiden, eine mögliche Entstehung von Spalten und Überlappungen kann vielmehr in Kauf genommen werden, da deren Positionen anhand der relativen Positionen bereits abgelegter Formelemente ermittelt oder errechnet und Transportwege und Ablagepositionen nachfolgend abzulegender Formelemente unter Berücksichtigung dieser Spalte und Überlappungen ermittelt oder errechnet werden können. Hierdurch lässt sich ein Vorformling mit einer weitestgehend homogenen Materialverteilung aufbauen der, sofern zum Beispiel unidirektional-faserverstärkte Matten als Formelemente verwendet werden, zudem eine vorgegebene Faserrichtung aufweist. Ferner können Informationen über die Dickenverteilung einzelner Formelemente berücksichtigt werden, in dem diese lokale Dickenverteilungen beim Ablegen nachfolgender Formelemente ausgeglichen werden können. Entsprechende Informationen über die Dickenverteilung eines Formelements werden vorzugsweise vor der Übergabe an das Haltemittel erfasst und nachfolgend berücksichtigt. Insgesamt ist das erfindungsgemäße Verfahren somit erheblich schneller als herkömmliche Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings, die ein sehr präzises Ablegen der Formelemente erfordern, so dass die erforderliche Zeit zum Aufbau eines Vorformlings gegenüber bekannten Verfahren um bis zu 75% verringert werden kann. Zudem können die während der Durchführung des Verfahrens ermittelten relativen Positionen der abgelegten Formelemente bzw. das virtuelle Modell des Vorformlings gespeichert werden, um diese Daten beispielsweise für verschiedene Simulationen wie zum Beispiel Stabilitätssimulationen zur Verfügung zu stellen oder um den Aufbau des Vorformlings später reproduzieren zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet damit aber auch die Möglichkeit, Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle simultan durchzuführen.
Bevorzugt werden beim erfindungsgemäßen Verfahren anhand von im Schritt (f) ermittelten relativen Positionen wenigstens ein Spalt oder wenigstens ein Hohlraum zwischen wenigstens zwei abgelegten Formelementen oder wenigstens ein Überlappungsbereich mehrerer Formelemente festgestellt und es werden im nachfolgenden Schritt (g) Transportweg und Ablageposition mit der Maßgabe ermittelt, den Spalt oder den Hohlraum oder den Überlappungsbereich beim Ablegen eines oder mehrerer nachfolgender Formelemente auszugleichen. Sofern die Formelemente über ein gewisses Fließverhalten oder geeignete plastische Eigenschaften verfügen, kann auf ein Ausgleichen der Spalte und Verdickungen oder Überlappungsbereiche beim Legen der Formelemente zumindest dann verzichtet werden, wenn diese eine gewisse Größe nicht überschreiten, da diese bei der weiteren Bearbeitung des Vorformlings aufgrund der genannten Eigenschaften der Formelemente entweder ausgefüllt oder verdünnt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird anhand von im Schritt (f) ermittelten relativen Positionen wenigstens ein Hohlraum zwischen wenigstens zwei abgelegten Formelementen festgestellt und dessen Lage, Form und Abmessungen ermittelt, wobei wenigstens ein entsprechendes Füllformelement zugeschnitten und im Hohlraum angeordnet wird. Insbesondere kann ein einzelnes Füllformelement zugeschnitten werden, das den gesamten Hohlraum im Wesentlichen ausfüllt. Das Auffüllen von Hohlräumen mittels geeignet zugeschnittener Füllformelemente ist besonders dann vorteilhaft, wenn es sich um vergleichsweise große Hohlräume handelt, bei denen nicht gewährleistet ist, dass diese bei der späteren Bearbeitung des Vorformlings aufgrund der Fließeigenschaften oder der plastischen Eigenschaften der Formelemente ausgeglichen werden.
Grundsätzlich können beim erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens die Schritte (b) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sein oder es können die Schritte (b) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sein und der Schritt (a) kann manuell ausgeführt werden öder es können alle Schritte (a) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sein. Dabei ist der letzte Fall, bei dem alle Verfahrensschritte automatisiert ausführbar sind, besonders bevorzugt, um das Verfahren in der vollautomatischen Produktion von Formteilen einsetzen zu können.
Besonders bevorzugt werden alle Formelemente mit im Wesentlichen gleicher Form zugeschnitten, wobei alle Formelemente im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen oder wenigstens zwei der Formelemente verschiedene Abmessungen aufweisen. Hierdurch wird das Aufbauen von Vorformlingen noch einmal vereinfacht, da eine das Verfahren ausführende Vorrichtung Formelemente mit nur wenigen, typischerweise nicht mehr als drei, vier oder fünf verschiedenen, fest vorgegebenen Formen handhaben muss. Im Falle flächiger Formelemente kann für diese zum Beispiel eine sechseckige Form vorgesehen sein. Insbesondere wenn unidirektional-faserverstärkte Matten als Formelemente verwendet werden sind rechteckige Formen für die Formelemente bevorzugt, damit es nicht zu Faserverkürzungen kommt. Bei einer sechseckigen Form kommt es hier ansonsten in den bei der Herstellung aus einem Rechteck abgeschnittenen Eckbereichen des Rechteckes zu einer Verkürzung der Fasern im Vergleich zu dem Mittelbereich des Rechtecks. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Grundelement im Schritt (a) auf einem Werkstückträger abgelegt, welcher eine dreidimensionale Form des Vorformlings vorgibt. Dieser Werkstückträger kann manuell oder automatisch bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Werkstückträger von einer Fördereinrichtung wie zum Beispiel einem Förderband zu einer geeigneten Position gefördert werden, so dass das Grundformelement nach dessen Ablage auf dem Werkstückträger die Grundposition einnimmt.
Als Formelemente werden besonders bevorzugt im Wesentlichen flächige unidirektional- faserverstärkte Matten mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix verwendet. Derartige Formelemente finden vor allem bei der Herstellung von Formteilen im Kraftfahrzeugbau ihren Einsatz. Häufig besteht jede Lage eines 0,25 mm dicken Formteils, dessen Vorformling mit solchen Matten aufgebaut wird, aus 15 einzelnen Matten, wobei jede Matte und damit jede Lage eine Dicke von 0,25 mm hat. Werden derartige Matten auf einem Werkstückträger abgelegt, so werden diese vorzugsweise vor dem Ablegen zumindest teilweise vorgewärmt, um deren Flexibilität zu erhöhen. Dadurch passen sich die Matten beim Ablegen einer dreidimensionalen Grobkontur des Werkstückträgers besser an. Um die Flexibilität der Matten aufrechtzuerhalten, kann ferner ein Beheizen des Werkstückträgers vorgesehen sein.
Eine das erfindungsgemäße Verfahren ganz oder teilweise ausführende Vorrichtung kann zum automatisierten Ausführen von wenigstens der Schritte (b) bis (h) oder aller Schritte (a) bis (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein. Beispielsweise kann das Grundformelement manuell in die Grundposition gebracht und dort abgelegt werden, oder das Grundformelement wird von der Vorrichtung in die Grundposition gebracht bzw. in dieser abgelegt.
Zum Transportieren der Formelemente kann die Vorrichtung wenigstens einen das Haltemittel aufweisenden Roboterarm umfassen. Mit diesem Roboterarm ergreift die Vorrichtung Formelemente, die zum Beispiel in einem Magazin oder an einem Lagerort bereitgestellt sind oder von einer Zuführeinrichtung zugeführt werden, und transportiert diese zur Ablageposition, während sie die Formelemente mit dem Haltemittel hält. Dabei kann die Vorrichtung selber ortsfest oder mobil ausgeführt sein. Bei einer ortsfesten Ausführung der Vorrichtung bewegt sich bevorzugt nur ein Teil der Vorrichtung, meist der Roboterarm, beim Transportieren der Formelemente. Ist die Vorrichtung jedoch mobil ausgeführt, so kann sie sich als Ganzes einschließlich dem Roboterarm bewegen. Zum Beispiel kann es sich bei der Vorrichtung um einen mobilen Roboter handeln, der in einem an einer Wand einer Halle befindlichen Regal bereitgestellte Formelemente ergreift und sich dann an die gegenüberliegende Seite der Halle begibt, um die Formelemente in der dort befindlichen Ablageposition abzulegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist diese wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Grundposition und/oder der relativen Position im Schritt (c) auf. Sofern das erfindungsgemäße Verfahren von einer Vorrichtung ganz oder teilweise automatisch ausgeführt wird, kann die Grundposition entweder von der Vorrichtung aus einem externen Speicher eingelesen oder sie kann manuell in die Vorrichtung eingegeben werden. Alternativ kann die Vorrichtung über Einrichtungen wie einen Sensor verfügen, mit denen sie die Grundposition anhand des in der Grundposition abgelegten Grundformelements erfasst. Ferner kann die Vorrichtung die relative Position des gehaltenen Formelements in Bezug auf das Haltemittel vermerken, nachdem ihr diese relative Position beispielsweise manuell eingegeben worden ist oder nachdem sie diese Position aus einem externen Speicher eingelesen hat. Die Formelemente können andererseits auch in einer vorgegebenen Position abgelegt werden, in welcher die Vorrichtung die Formelemente auf eine vorgegebene Weise ergreift, so dass die relative Position des Formelements zum Haltemittel bereits vor Ergreifen der Formelemente der Vorrichtung bekannt ist und von dieser vermerkt wird. Ferner kann die Vorrichtung eine Einrichtung wie einen Sensor aufweisen, mit der sie die relative Position des Formelements in Bezug auf das Haltemittel für jedes Formelement einzeln erfasst und anschließend vermerkt. Dabei kann es sich bei dem Sensor zum Erfassen der Grundposition und dem Sensor zum Erfassen der relativen Position des Formelements in Bezug auf das Haltemittel auch um ein und denselben Sensor handeln. Vorteilhafterweise sind die Sensoren dazu ausgelegt, lediglich einfache geometrische Grundformen oder Ecken der Formelemente zu erfassen, um die Kosten für die Sensoren und zeitraubende Auswertungen von Kamerabildern zu vermeiden.
Sofern beispielsweise das Zuschneiden eines Füllformelementes vorgesehen ist, kann die Vorrichtung auch vorteilhaft eine Schneideeinrichtung zum bevorzugt automatischen Zuschneiden des Füllformelements aufweisen. Damit lassen sich Füllformelemente automatisch während des Aufbauens des Vorformlings in diesen mit einbauen. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Lagefixierung von Formelementen zueinander während des Aufbaus des Vorformlings und/oder nach dessen Fertigstellung. Dies bietet den Vorteil, dass der Vorformling eine deutlich verbesserte Handhabbarkeit aufweist. Die Lagefixierung der Formelemente zueinander kann mittels eines Schweißverfahrens wie zum Beispiel durch Ultraschallschweißen, Heizelementschweißen oder ein Laserschweißverfahren erfolgen. Darüber hinaus kann die Lagefixierung der Formelemente zueinander durch textiltechnische Verfahren wie Vernadeln oder Vernähen erfolgen.
Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Fördereinrichtung zum Fördern des Grundformelementes in die Grundposition und/oder zum Fördern eines Werkstückträgers zum Aufnehmen des Grundformelementes. Mit einer derartigen Fördereinrichtung, beispielsweise einem Förderband, lässt sich der Vorformling nach dessen Aufbau zudem zur weiteren Herstellung eines Formteils aus diesem Vorformling entlang einer Vielzahl von Stationen, insbesondere einer Vielzahl von Roboterstationen, bewegen, wodurch sich die Verfahrenszeit bis zur Fertigstellung des Formteils verringert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen;
Figur 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 3 verschiedentlich gelegte Matten mit Überlappungen;
Figur 4 gelegte Matten mit einem Hohlraum einmal mit einem und einmal ohne ein den Hohlraum ausfüllendes Füllformelement;
Figur 5 einen Vergleich zwischen Soll-Position und Ist-Position einer Matte nach deren Ablage.
In der Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Formteilen 2 aus thermoplastischen Kunststoffen gezeigt. Auf mehreren Fördereinheiten 3 werden dabei zugeschnittene, im Wesentlichen flächig ausgebildete, unidirektional-faserverstärkte Matten 4 mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix als Formelemente bereitgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Matten 4 von den Fördereinheiten 3 aus einem Magazin entnommen und auf einer bestimmten Position bereitgestellt. Alternativ kann die Bereitstellung der Matten 4 über eine Abroll- und/oder Schneideinheit erfolgen, die hier nicht näher dargestellt ist. Die Matten 4 werden mit dem Ziel, deren Flexibilität zu erhöhen, vor dem Ablegen zumindest teilweise vorgewärmt. Im Anschluss erfolgt ein Transfer der Matten 4 zu einem die Grobkontur des Formteils 2 vogebenden Werkstückträger 5. Der Werkstückträger 5 selbst wird auf einer Förderstrecke 6 mittels Förderbändern 7 bewegt. Auf dem Werkstückträger 5 werden die zugeschnittenen Matten 4 derart abgelegt und fortlaufend zu einem dreidimensionalen Vorformling 8 aufgebaut, dass die Faserorientierung der Matten 4 auf im späteren Einsatz des Formteils 2 angreifende Kräfte sowie daraus innerhalb des Formteils 2 resultierende Lastpfade abgestimmt wird. Den Transfer, das Ablegen und das Aufbauen des Vorformlings 8 übernehmen mehrere Roboterstationen oder Robotersysteme 9, die entlang der Förderstrecke 6 angeordnet sind. Die Robotersysteme 9 weisen Roboterarme 10 mit Haltemitteln 11 zum Ergreifen und Halten der Matten 4 auf.
Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung 1 baut von einer Steuereinheit 12 gesteuert den Vorformling 8 mittels eines automatisierten Verfahrens auf, das in der Figur 2 als Flussdiagramm dargestellt ist.
Das Verfahren startet mit dem Schritt SO.
In einem nachfolgenden Schritt S1 wird eine erste der auf einer bestimmten Position bereitgestellten Matten 4 von einem der Roboterarme 10 ergriffen und auf dem Werkstückträger 5 abgelegt. Diese allererste auf dem Werkstückträger 5 abgelegte Matte 4 stellt ein in einer Grundposition bereitgestelltes Grundformelement dar. Grundsätzlich kann die Grundposition der Steuereinheit 12 vorbekannt sein, sofern beispielsweise die erste Matte 4 und der Werkstückträger 5 in jeweiligen vorbestimmten Positionen bereitgestellt werden und die erste Matte 4 vom Roboterarm 10 auf eine vordefinierte Weise ergriffen, zum Werkstückträger 5 transportiert und dort in einer vorgegebenen Position abgelegt wird. Andererseits kann die Vorrichtung 1 über Sensoren verfügen, mit denen sich die Grundposition der ersten Matte 4 nach deren Ablage auf dem Werkstückträger 5 erfassen lässt, oder mit denen sich die relative Position der vom Roboterarm 10 gehaltenen ersten Matte 4 in Bezug auf die Haltemittel 11 des Roboterarmes 10 erfassen lässt. Aus dieser relativen Position und des Transportweges der ersten Matte 4 zur Grundposition kann im letzteren Fall die Grundposition der ersten Matte 4 von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 ermittelt werden.
Daraufhin ergreift derselbe oder ein anderer Roboterarm 10 im Schritt S2 eine zweite Matte 4 und hält diese mit seinen Haltemitteln 11. Je nach Ausführung der Vorrichtung 1 und des aufzubauenden Vorformlings 8 kann der Werkstückträger 5 zwischen den Schritten S1 und S2 auch von einem Robotersystem 9 zu einem anderen der Robotersysteme 9 bewegt werden, so dass jeder der Schritte S1 und S2 von einem jeweiligen anderen Robotersystem 9 ausgeführt wird, oder es werden beide Schritte S1 und S2 von ein und demselben Robotersystem 9 ausgeführt.
Im Schritt S3 wird die relative Position der vom Roboterarm 10 gehaltenen zweiten Matte 4 in Bezug auf das Haltemittel 11 des Roboterarms 10 vermerkt. Analog zum Schritt S1 kann diese relative Position entweder durch Bereitstellen der zweiten Matte 4 in einer vorgegebenen Position und vordefiniertes Ergreifen derselben durch den Roboterarm 10 vordefiniert sein, oder der Roboterarm 10 verfügt über entsprechende Sensoren, mit denen sich die relative Position der vom Roboterarm 10 gehaltenen zweiten Matte 4 in Bezug auf das Haltemittel 11 des Roboterarms 10 erfassen lässt.
Die von den Haltemitteln des Roboterarms 10 gehaltene zweite Matte 4 wird im Schritt S4 vom Roboterarm 10 entlang eines Transportweges zu einer Ablageposition transportiert. Bei der erstmaligen Ausführung des Schrittes S4, bei der die unmittelbar nach dem Grundformelement abzulegende zweite Matte 4 transportiert und abgelegt wird, sind der Transportweg und die Ablageposition für diese Matte 4 noch vorgegeben, bei nachfolgenden Ausführungen des Schrittes S4 werden hingegen, wie im Folgenden noch beschrieben wird, ermittelte oder errechnete Transportwege und Ablagepositionen für nachfolgend abzulegende Matten 4 verwendet.
In der Ablageposition wird die vom Roboterarm 10 transportierte zweite Matte 4 sodann abgelegt, was dem Schritt S5 des in der Figur 1 gezeigten Verfahrens entspricht. Beim Ablegen der zweiten Matte 4 wird auf eine hohe Präzision verzichtet, um das Verfahren nicht zu verzögern. Nach Ablegen der zweiten Matte 4 wird von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 im Schritt S6 deren relative Position in Bezug zur ersten Matte 4 bzw. zum Grundformelement ermittelt, wozu deren Ablageposition, ihr Transportweg und ihre relative Position in Bezug auf das Haltemittel 11 , von dem sie während des Transports gehalten wurde, verwendet werden. Dies ist möglich, da die Grundposition der ersten Matte 4 bekannt ist.
Hierauf erfolgt im Schritt S7 eine Abfrage mit der bestimmt wird, ob der Vorformling 8 nunmehr fertiggestellt ist oder nicht. Ist der Vorformling 8 vollständig aufgebaut, endet das Verfahren mit dem nachfolgenden Schritt S8. Sofern der Vorformling 8 noch nicht fertiggestellt ist, fährt das Verfahren mit Schritt S9 fort.
Im Schritt S9 werden von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 für eine nachfolgend abzulegende dritte Matte 4 der Transportweg und die Ablageposition ermittelt oder errechnet, wofür die Grundposition und die relative Position der abgelegten zweiten Matte 4 verwendet werden. Daraufhin werden die Schritte S2 bis S7 wiederholt, d.h. es wird im Schritt S2 eine neue dritte Matte 4 vom Roboterarm 10 aufgenommen und vom Haltemittel 1 1 gehalten, die relative Position der gehaltenen dritten Matte 4 in Bezug auf das Haltemittel 11 wird im Schritt S3 vermerkt, die dritte Matte 4 wird im Schritt S4 entlang des im Schritt S9 zuvor ermittelten Transportweges zu der im Schritt S9 zuvor ermittelten Ablageposition transportiert und im Schritt S5 dort abgelegt, es wird im Schritt S6 die relative Position der dritten Matte 4 in Bezug auf die erste Matte 4 und auf die zweite Matte 4 ermittelt, und es erfolgt nachfolgend im Schritt S7 eine Entscheidung darüber, ob der Vorformling 8 fertiggestellt ist oder nicht, woraufhin das Verfahren entweder mit Schritt S8 endet oder mit Schritt S9 fortfährt, wo Transportweg und Ablageposition der nächsten abzulegenden Matte 4 unter Verwendung der Grundposition sowie der relativen Positionen der ersten, zweiten und dritten abgelegten Matte 4 ermittelt werden. Anschließend beginnt eine neuerliche Wiederholung der Verfahrensschritte mit dem Schritt S2, wobei die im zuletzt ausgeführten Schritt S9 ermittelten Werte für den Transportweg und die Ablageposition für die jeweilige nächste Matte 4, die aufgenommen und abgelegt wird, verwendet werden.
Auf diese Weise wird der Vorformling 8 sukzessive aufgebaut, wobei mit jedem Ablegen einer neuen Matte 4 die im Schritt S9 zu berücksichtigende Anzahl relativer Positionen einzelner Matten 4 in Bezug auf andere Matten 4 kumulativ zunimmt. Die relativen Positionen der einzelnen Matten 4 stellen zu einem bestimmten Zeitpunkt ein virtuelles oder mathematisches, räumliches Modell des Vorformlings 8 in einem jeweiligen Stadium seines Aufbaus dar. Anhand dieses Modells ist es möglich, den Vorformling 8 vorausschauend aufzubauen. Ferner erleichtert das Modell die Prozessüberwachung und bietet eine Möglichkeit zur Qualitätskontrolle.
Im Unterschied zu bekannten Verfahren kann das Ablegen der Matten 4 im Schritt S5 des in der Figur 2 dargestellten Verfahrens mit geringer Präzision erfolgen, da die Ablagepositionen für nachfolgend abzulegende Matten 4 stets aufs Neue berechnet werden, was es ermöglicht, eventuelle infolge der geringen Präzision beim Ablegen der Matten 4 entstandene Unregelmäßigkeiten durch entsprechendes Legen nachfolgender Matten 4 auszugleichen. Beispielsweise kann die wiederholte Ausführung des Schrittes S5 im Verlauf des Verfahrens dazu führen, dass sich aufgrund der geringen Präzision beim Ablegen der Matten 4 zwischen einzelnen Matten 4 Spalte bzw. Hohlräume oder Überlappungszonen mehrerer Matten 4 bilden. In der Figur 3 sind Beispiele für drei sich bereichsweise überlappende Matten 4 mit Zonen gezeigt, in denen sich die Matten 4 dreifach überlappen, in denen sie sich doppelt überlappen und in denen keine Überlappung der Matten 4 stattfindet. Derartige Unregelmäßigkeiten können anhand der im Schritt S6 ermittelten relativen Positionen der gelegten Matten 4 festgestellt werden.
Bevorzugt wird parallel zur Ausführung des in der Figur 2 gezeigten Verfahrens der sich im Aufbau befindliche Vorformling 8 auf derartige Unregelmäßigkeiten hin von der Vorrichtung 1 bzw. der Steuereinheit 12 überwacht, um diese im weiteren Verlauf seines Aufbaus durch geeignetes Ermitteln der Transportwege und Ablagepositionen im Schritt S9 und entsprechendes Legen nachfolgender Matten 4 auszugleichen. Solange derartige Unregelmäßigkeiten klein genug sind, können sie auch ignoriert werden, da die Matten 4 bei Erwärmen ein gewisses Fließvermögen zeigen und sich diese Unregelmäßigkeiten ausgleichen, wenn der Vorformling 8 im Zuge seiner weiteren Verarbeitung erwärmt wird. Sind die Unregelmäßigkeiten jedoch zu groß, müssen sie aktiv von der Vorrichtung 1 behoben werden. Im Falle von Verdickungen aufgrund mehrerer sich überlappender Matten 4 können nachfolgend zu legende Matten 4 zum Beispiel so gelegt werden, dass im Umfeld der Verdickung keine weiteren oder nur wenige Überlappungen vorkommen, während im Falle von Spalten nachfolgende Matten 4 so gelegt werden können, dass sich oberhalb des Spaltes möglichst Überlappungsbereiche der Matten 4 ergeben.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 1 weist die Vorrichtung 1 eine in der Figur 1 nicht gezeigte Schneideeinrichtung zum Zuschneiden von Füllformelementen auf, die zum Auffüllen von Hohlräumen zwischen gelegten Matten 4 vorgesehen sind. Sofern bei dieser Ausführungsform die Steuereinheit 12 einen Hohlraum zwischen gelegten Matten 4 feststellt, der so groß ist, dass bei ihm nicht zu erwarten ist, dass er bei späterem Erwärmen des Vorformlings 8 ausgeglichen wird, so ermittelt sie wiederum anhand der relativen Positionen der bereits gelegten Matten 4 die Lage, Form und Abmessungen des Hohlraumes. In der Figur 4 ist links ein solcher Hohlraum 13 zwischen zwei Matten 4 eines Vorformlings 8 stark vereinfacht dargestellt. Von der Steuereinheit 12 werden die Informationen über die berechnete und/oder ermittelte Form und Abmessungen des Hohlraumes 13 an die Schneideeinrichtung übertragen, die anhand dieser Daten ein dieser Form und diesen Abmessungen entsprechendes Füllformelement 14 aus einer bereitgestellten Matte 4 zurechtschneidet. Vom Robotersystem 9 wird dieses Füllformelement 14 anschließend als eine der im Verfahren der Figur 2 zu legenden Matten 4 unter Berücksichtigung der Lage des Hohlraumes 13 in denselben gelegt und der Hohlraum 13 wird damit mit dem Füllformelement 14 ausgefüllt, wie in Figur 4 rechts zu sehen ist.
Für die Matten 4 werden nur wenige, meist nicht mehr als drei oder vier, verschiedene Formen oder Abmessungen vorgesehen. Es ist auch möglich, dass alle Matten 4, mit denen der Vorformling 8 aufgebaut wird, mit derselben Form und zudem mit denselben Abmessungen zugeschnitten werden. Bevorzugt werden für die Matten 4 rechteckige Formen gewählt, um Faserverkürzungen zu vermeiden und weil außerdem derartige Matten mit optischen Sensoren besonders einfach und schnell detektierbar sind, wodurch die relativen Positionen im Schritt S6 rasch ermittelt werden können. Beispielsweise genügt es, wenn die optischen Sensoren lediglich Referenzpunkte, vorzugsweise mindestens 2 Eckpunkte, der rechteckigen Matten 4 detektieren, um im Schritt S6 deren relative Positionen zu ermitteln. Dies ist in der Figur 5 näher dargestellt.
Zu sehen sind in der Figur 5 in einer grob vereinfachten Darstellung eine vorgesehene Soll- Position für eine gelegte Matte 4 innerhalb eines sich im Aufbau befindlichen Vorformlings 8, die gestrichelt gezeichnet ist, und die mit durchgezogenen Linien eingezeichnete tatsächliche Ist-Position nach Ablegen der Matte 4, die von der Soll-Position etwas abweicht, da das Ablegen der Matte 4 mit relativ geringer Genauigkeit erfolgt. Die Matte 4 ist von einer viereckigen Form, wobei zwei diagonal entgegengesetzte Ecken der Matte 4 als Referenzpunkte dienen. Diese in der Figur 5 als schwarze Kreise markierten Referenzpunkte können von den optischen Sensoren besonders leicht und zuverlässig erfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufbauen eines Vorformlings (8) aus einer Mehrzahl zugeschnittener und entsprechend einer vorgegebenen Form des Vorformlings (8) gelegter Formelemente (4) mit den Schritten
(a) Bereitstellen eines Grundformelementes in einer Grundposition;
(b) Halten eines nachfolgenden Formelements (4) mit einem Haltemittel (11);
(c) Vermerken einer relativen Position des in Schritt (b) gehaltenen Formelements (4) in Bezug auf das Haltemittel (11);
(d) Transportieren des in Schritt (b) gehaltenen Formelements (4) entlang eines
Transportweges zu einer Ablageposition;
(e) Ablegen des in Schritt (d) transportierten Formelements (4);
(f) Ermitteln wenigstens einer relativen Position des in Schritt (e) abgelegten Formelements (4) in Bezug auf das Grundformelement oder in Bezug auf wenigstens ein zuvor abgelegtes Formelement (4) oder mehrere oder alle zuvor abgelegte Formelemente (4) unter Verwendung der in Schritt (c) vermerkten relativen Position und/oder des Transportweges aus Schritt (d) und/oder der Ablageposition aus Schritt (d);
(g) Ermitteln von Transportweg und Ablageposition für wenigstens ein nachfolgend abzulegendes Formelement (4) oder mehrere oder alle nachfolgend abzulegenden Formelemente (4) unter Verwendung wenigstens einer oder mehrerer oder aller der in Schritt (f) ermittelten relativen Positionen;
(h) sukzessives Wiederholen der Schritte (b) bis (g) bis der Vorformling (8) fertiggestellt ist, wobei zur ersten Ausführung des Schrittes (d) Transportweg und Ablageposition vorgegeben und bei nachfolgenden Ausführungen des Schrittes (d) ein jeweiliger Transportweg und eine jeweilige Ablageposition verwendet werden, die bei einer jeweils zuvor erfolgten Ausführung des Schrittes (g) ermittelt worden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem anhand von im Schritt (f) ermittelten relativen Positionen wenigstens ein Spalt oder wenigstens ein Hohlraum (13) zwischen wenigs- tens zwei abgelegten Formelementen (4) oder wenigstens ein Überlappungsbereich mehrerer Formelemente (4) festgestellt wird und im nachfolgenden Schritt (g) Transportweg und Ablageposition mit der Maßgabe ermittelt werden, den Spalt oder den Hohlraum (13) oder den Überlappungsbereich beim Ablegen eines oder mehrerer nachfolgender Formelemente (4) auszugleichen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem anhand von im Schritt (f) ermittelten relativen Positionen wenigstens ein Hohlraum (13) zwischen wenigstens zwei abgelegten Formelementen (4) festgestellt und dessen Lage, Form und Abmessungen ermittelt werden, wobei wenigstens ein entsprechendes Füllformelement (14) zugeschnitten und im Hohlraum (13) angeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens die Schritte (b) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sind oder bei dem die Schritte (b) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sind und der Schritt (a) manuell ausgeführt wird oder bei dem alle Schritte (a) bis (h) automatisiert oder computerimplementiert sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Formelemente (4) mit im Wesentlichen gleicher Form zugeschnitten werden und wobei alle Formelemente (4) im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweisen oder wenigstens zwei der Formelemente (4) verschiedene Abmessungen aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Grundformelement im Schritt (a) auf einem Werkstückträger (5) abgelegt wird, welcher eine dreidimensionale Form des Vorformlings (8) vorgibt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Formelemente (4) im Wesentlichen flächige unidirektional-faserverstärkte Matten (4) mit einer die Fasern zumindest teilweise umgebenden thermoplastischen Matrix verwendet werden.
8. Vorrichtung (1) zum Ausführen wenigstens der Schritte (b) bis (h) oder aller Schritte (a) bis (h) eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, die wenigstens einen das Haltemittel (11) aufweisenden Roboterarm (10) umfasst und/oder die mobil ist.
10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, die wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Grundposition und/oder der relativen Position im Schritt (c) aufweist.
11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und Anspruch 3, die eine Schneideeinrichtung zum Zuschneiden des Füllformelements (14) aufweist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , die eine Einrichtung zur Lagefixierung von Formelementen (4) zueinander während des Aufbaus des Vorformlings (8) und/oder nach dessen Fertigstellung umfasst.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 mit einer Fördereinrichtung (7) zum Fördern des Grundformelementes in die Grundposition und/oder zum Fördern eines Werkstückträgers (5) zum Aufnehmen des Grundformelementes.
14. Endlosfaserverstärktes Formteil aus thermoplastischen Kunststoffen, das mittels eines mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgebauten Vorformlings (8) hergestellt ist.
15. Computerprogrammprodukt mit Steueranweisungen, die dazu vorgesehen sind, bei Ausführung durch einen Prozessor eine Vorrichtung (1) zu steuern, die wenigstens die Schritte (b) bis (h) oder alle Schritte (a) bis (h) eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.
16. Speichermedium, auf dem ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15 gespeichert ist.
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