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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben
einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur,
sowie eine Schlauchverbindungseinheit, sowie die Verwendung einer
Anordnung zur Herstellung von Bauteilen für ein Flugzeug.
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Beim
sogenannten „Resin
Transfer Molding"-Verfahren
(RTM-Verfahren) werden komplexe Faserverbundkunststoffe mit hohem
Faservolumengehalt durch das Tränken
von trockenen Faserhalbzeugen mit Harz generiert.
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Das
RTM-Verfahren ist ein Harzinjektionsverfahren und stellt einen geschlossenen
Prozess dar, der enge Fertigungstoleranzen bezüglich Bauteilgewicht, Faservolumengehalt
und Bauteilmaßen gestattet.
In der verfahrenstechnischen Umsetzung wird ein trockenes Faserhalbzeug
in ein teilbares beheiztes Werkzeug gelegt und durch ein Harz niedriger
Viskosität
mit Überdruck
in Wirkkontakt gebracht. Dabei durchströmt das Harz die Faserlagen
und kann, nachdem es die Fasern durchtränkt hat, an Entlüftungsöffnungen
austreten.
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Für das RTM-Verfahren
kann eine untere Form mit Fasermatten und ggf. Zusatzteilen (zum Beispiel
Schaumkernen) ausgelegt werden. Nach Verschließen der unteren Form mit einer
oberen Form werden die geschlossenen Formen unter Vakuum gesetzt
und das Harz mittels einer Pumpe eingespritzt. Durch Erhitzen wird
dann ein Kompositbauteil erzeugt, das nach dem Öffnen der Form aus der Form
entnommen wird.
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Mit
dem RTM-Verfahren erzeugte Faserverbundkunststoffe können in
zahlreichen Branchen wie dem Fahrzeugbau oder der Luft- und Raumfahrtindustrie
für Strukturbauteile
eingesetzt werden. Beispiele für
faserverstärkte
Kunststofferzeugnisse umfassen Beschläge für ein Seitenleitwerk eines
Flugzeugs, Verkleidungselemente von Pkws oder Hochdächer und
Windleitsysteme von Lkws. Mit dem RTM-Verfahren können somit
Kompositteile hergestellt werden.
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Es
gibt unterschiedliche Prozessvarianten des RTM-Verfahrens. Bei einem
Harzinjektionsverfahren werden Strukturbauteile aus faserverstärktem Kunststoff
erzeugt, indem trockene Faserhalbzeuge in eine formgebende Kavität eingelegt
werden, diese sodann geschlossen und das flüssige Harz injiziert wird.
Aus der geschlossenen Formgebung resultieren allseitig definierte
Form- und Lagetoleranzen des Bauteils. Unter geschlossener Formgebung
wird eine feste (zum Beispiel metallische) Kavität aus mindestens zwei Formhälften verstanden,
die als Ober- und Unterkavität
bezeichnet werden können.
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Bei
bekannten Vorrichtungen zum Herstellen eines Bauteils mit dem RTM-Verfahren
tritt das Problem auf, dass der manuelle Aufwand zum Herstellen von
Schlauchverbindungen zwischen Harzinjektionsanlage und beheiztem
Werkzeug sowie zwischen beheiztem Werkzeug und Harzfalle beträchtlich
ist und den erreichbaren Durchsatz beim Herstellen von Bauteilen
begrenzt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, das Herstellen eines Bauteils mit
geringerem manuellen Aufwand zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Anordnung und durch ein Verfahren zum Betreiben
einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur, durch eine Schlauchverbindungseinheit,
und durch eine Verwendung einer Anordnung zur Herstellung von Bauteilen
für ein
Flugzeug mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Anordnung zum Betreiben einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
geschaffen, wobei die Anordnung einen Roboter aufweist, der derart
eingerichtet ist, dass er automatisiert eine Schlauchverbindung
zwischen der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur und einem daran anschließbaren Peripheriegerät selektiv
montiert oder demontiert.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Schlauchverbindungseinheit für eine Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
bereitgestellt, wobei die Schlauchverbindungseinheit ein Schlauchstück mit einem
ersten Endabschnitt und mit einem zweiten Endabschnitt, einen ersten
Adapter, der zum Koppeln mit dem ersten Endabschnitt des Schlauchstücks und
mit der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur eingerichtet ist, und einen
zweiten Adapter, der zum Koppeln mit dem zweiten Endabschnitt des
Schlauchstücks
und mit einem an die Resin-Transfer-Moulding-Apparatur anschließbaren Peripheriegerät eingerichtet
ist, aufweist.
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Gemäß noch einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
bereitgestellt, wobei das Verfahren ein automatisiertes selektives
Montieren oder Demontieren einer Schlauchverbindung zwischen der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
und einem daran anschließbaren
Peripheriegerät
aufweist.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird eine Anordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen
zur Herstellung von Bauteilen für
ein Flugzeug verwendet.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist es ermöglicht,
bei einer RTM-Apparatur auf Basis einer Harzinjektion die Harzzuführleitung
zwischen einer Harzinjektionsanlage und der eigentlichen RTM-Apparatur
und/oder die Harzabführleitung
zwischen der RTM-Apparatur und einer Harzfalle automatisiert auszuwechseln. Somit
kann nach jedem Harzinjektions- und Aushärtungsschritt zum Herstellen
eines Bauteils gemäß dem Harzinjektionsverfahren
der möglicherweise
mit flüssigem
oder verfestigten Harz kontaminierte Zuführschlauch und/oder Abführschlauch
robotergesteuert ausgewechselt werden, sodass manuelle Handarbeit
entfällt
und eine kostengünstige
und zeitsparende Fertigung ermöglicht
ist. Durch den robotergesteuerten Schlauchaustausch kann im Gegensatz
zu einem manuellen Schlauchaustausch selbst im heißen Zustand
des Schlauchs bereits mit dessen Auswechslung begonnen werden, womit
der erreichbare Durchsatz beim Herstellen von Bauteilen signifikant
erhöht
werden kann und das „warme
Entformen" der Bauteile
Vorteile für
den Prozess beinhalten kann.
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Einer
der wichtigsten Aspekte beim Automatisieren des RTM-Prozesses ist
das Einkürzen
der Abkühlzeit
vor dem Entformen. Hierfür
ist ein automatisiertes Trennen der Injektions- und Absaugungsanschlüsse vorteilhaft,
um jeglichen manuellen Eingriff am noch heißen Werkzeug auszuschließen. Dies kann
erfindungsgemäß ermöglicht werden.
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Erfindungsgemäß ist das
Herstellen eines Bauteils mit geringem manuellen Aufwand ermöglicht,
und zwar ohne den direkten Kontakt zwischen Mitarbeiter und RTM-Werkzeug.
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Bei
einer exemplarischen Realisierung greift der Roboter aus einem Reservoir
mit unbenutzten Schläuchen
einen solchen heraus und installiert diesen automatisch zwischen
der eigentlichen RTM-Apparatur und dem jeweiligen Peripheriegerät. Nach Durchführung eines
Harzinjektionszyklus kann dann der Schlauch robotergesteuert demontiert
bzw. ausgebaut werden und in einen Vorratsbehälter für gebrauchte und mit Harz kontaminierte
Schläuche
gelagert werden. Ferner kann ein neuer unbenutzter Schlauch aus
dem Reservoir für
unbenutzte Schläuche
entnommen werden und der gesamte Zyklus wiederholt werden.
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Diese
Vorgehensweise ermöglicht
es, mit einer reduzierten Menge von menschlicher Arbeitskraft und
daher mit einer kostengünstigeren
und effizienteren Fertigung Kompositbauteile zu fertigen, wobei zur
weiteren Erleichterung des robotergestützten Automatisierungssystems
die Schläuche
in dem ersten Vorratsbehälter
bereits mit entsprechenden Adaptern des Schlauchs zu RTM-Apparatur
und Peripheriegerät
vormontiert sein können.
Sind solche Adapter zum Beispiel für eine Klickverbindung oder
eine Bajonettverbindung oder eine Schraubverbindung eingerichtet,
so kann selbst ein Roboter mit seinen begrenzten Fähigkeiten
sehr einfach das Schlauchauswechseln mit wenigen mechanischen Bewegungsoperationen
durchführen.
Besonders das Montieren und Demontieren einer Bajonettverbindung
kann sehr einfach programmiert werden und somit robotergesteuert
realisiert werden.
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Somit
ist erfindungsgemäß ein automatisierungsfähiges Anschlusskonzept
für die
Harzinjektion im RTM (Resin-Transfer-Moulding) Verfahren inklusive
der möglichen
Komponentenentwicklung geschaffen. Anders als bei einem herkömmlichen
manuell gesteuerten RTM-Verfahren kann erfindungsgemäß mit verringertem
manuellem Aufwand dieses abgewickelt werden. Automatisierungslösungen unter
Einsatz des Spülens
der Anlagenkomponenten mit Spülflüssigkeit
(zum Beispiel Aceton) sind ebenfalls möglich, sind aber erfindungsgemäß nicht
zwingend erforderlich. Es kann in einem Szenario, in dem ein Einfluss
eines solchen Spülmodus
auf das Bauteil nicht auszuschließen ist, problematisch sein,
so dass ein Verzicht auf ein solches Spülen gewünscht sein kann. Aus Qualitätssicherungsgründen kann
zum Beispiel bei Herstellung von Bauteilen für Flugzeuge der Einsatz von
Spülflüssigkeit
unerwünscht
sein.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Im
Weiteren werden Ausgestaltungen der Anordnung beschrieben. Diese
Ausgestaltungen gelten auch für
die Schlauchverbindungseinheit, für das Verfahren und für die Verwendung.
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Die
Anordnung kann als Anordnung zum Betreiben einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur gemäß einem
Harzinjektionsverfahren eingerichtet sein. Bei einem solchen Harzinjektionsverfahren kann
ein Vorformling in die RTM-Apparatur eingebracht werden, ein Deckel
aufgesetzt werden und dann Harz in den Formraum eingeführt werden.
Mittels Zuführens
von Wärme
verbindet sich das Harz mit dem Vorformling zum Herstellen des gewünschten
Bauteils.
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Der
Roboter kann eingerichtet sein, automatisiert eine Schlauchverbindung
zwischen der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur und einer harzstromaufwärts der
Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
angeordneten Injektionsanlage als das Peripheriegerät selektiv
zu montieren oder zu demontieren. Anders ausgedrückt kann eine Injektionsanlage
zum Zuführen
des Harzes mittels einer Schlauchverbindung mit der RTM-Apparatur
verbunden sein, sodass gezielt, zum Beispiel bei Vorliegen eines
entsprechenden Steuersignals, ein Harzstrom von der Injektionsanlage
durch die Schlauchverbindung in die RTM-Apparatur erfolgen kann.
Als Resultat einer solchen Vorgehensweise kann nach einem Injektionsvorgang
in dem Schlauch Harz verbleiben, sodass eine Auswechslung der Schlauchverbindung
vorteilhaft oder unausweichlich sein kann. Dies kann dann durch
den Roboter durchgeführt
werden.
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Alternativ
oder ergänzend
kann der Roboter eingerichtet sein, automatisiert eine Schlauchverbindung
zwischen der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur und einer harzstromabwärts der
Resin-Transfer-Moulding-Apparatur angeordneten Harzfalle als das
Peripheriegerät
selektiv zu montieren oder demontieren. Bei einer solchen Ausgestaltung
kann zum Beispiel überschüssiges Harz
von der RTM-Apparatur in die Harzfalle geleitet werden, womit eine Schlauchverbindung
mit Harz kontaminiert werden kann. Daher kann eine Auswechslung
einer Schlauchverbindung nach einem oder mehreren Zyklen vorteilhaft
oder geboten sein, was durch den Roboter durchgeführt werden
kann.
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Der
Roboter kann ferner eingerichtet sein, automatisiert eine Schlauchverbindungseinheit
zwischen der RTM-Apparatur und dem Peripheriegerät aus einem ersten Vorratsbehälter zu
entnehmen und zu montieren. In dem ersten Vorratsbehälter kann eine
Anzahl von vormontierten Schlauchverbindungen (zum Beispiel ein
Schlauchverbindungselement gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung) vorgesehen sein und in einer für den Roboter greifbaren Weise
in diesem Vorratsbehälter
untergebracht sein. Dann kann der Roboter während einer Betriebsschicht
nach und nach die in dem ersten Vorratsbehälter gelagerten vormontierten
oder noch vorzumontierenden Schlauchverbindungen entnehmen und somit
nach jedem Harzzyklus eine Auswechslung vornehmen. Es ist daher
ausreichend, dass ein menschlicher Benutzer lediglich einmal pro
Schicht oder bei vollständiger
Entleerung des ersten Vorratsbehälters
zusätzliche
Schlauchverbindungen nachfüllt.
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Der
Roboter kann darüber
hinaus eingerichtet sein, automatisiert eine Schlauchverbindungseinheit
als Schlauchverbindung zwischen der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
und dem Peripheriegerät
zu demontieren und in einen zweiten Vorratsbehälter zu überführen. Mit Harz kontaminierte Schläuche können damit
automatisiert entnommen werden und in dem zweiten Container untergebracht werden.
Dort können
diese Schlauchverbindungen bzw.
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Schlauchverbindungseinheiten
aus Schlauch und zwei entsprechenden Adapterstücken gelagert werden und gegebenenfalls
recycelt werden. Zum Beispiel kann nach Ablauf einer Schicht, das
heißt
ohne Störung
des Herstellungsprozesses für
die Bauteile, eine Reinigung erfolgen und zum Beispiel der Schlauch
und die Adapter gereinigt werden. Alternativ können nur die Adapter gereinigt
werden, die kostengünstigen
Schläuche
entsorgt werden und die gereinigten Adapter mit einem neuen Stück Schlauch
verbunden werden.
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Der
Roboter kann eingerichtet sein, eine Schlauchverbindung zwischen
der Resin-Transfer-Moulding-Apparatur
und dem Peripheriegerät
selektiv zu öffnen
oder zu schließen.
Mit anderen Worten kann der Roboter steuernd in den Bauteilherstellungsprozess
eingreifen, indem er die Schlauchverbindungen wahlweise öffnet oder
schließt.
Dies kann beispielsweise durch eine pneumatische Klemmvorrichtung
durchgeführt
werden, mit der ein Schlauch abgeklemmt werden kann. Eine solche
pneumatische Klemmvorrichtung als solches ist zum Beispiel von der
Firma Werder Systems erhältlich.
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Die
pneumatische Klemmvorrichtung muss nicht mit dem Roboter gekoppelt
sein, sie schließt bzw. öffnet die
Schläuche,
um das Vakuum vor Injektionsbeginn ziehen zu können und um während der Injektion
den erhöhten
Druck von ca. 6bar im Werkzeug aufzubringen.
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Der
Roboter kann ein Sechs-Achsen-Roboter sein, sodass mit vertretbarem
Aufwand die Durchführung
der Robotikaufgaben ermöglicht
ist.
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Die
eigentliche RTM-Apparatur kann zum Herstellen eines Bauteils eingerichtet
sein und kann eine Wanne aufweisen, in die mittels der Schlauchverbindung
Ausgangsmaterial zum Herstellen des Bauteils einbringbar ist. Die
RTM-Apparatur kann darüber
hinaus einen Deckel aufweisen, der auf die Wanne derart aufsetzbar
ist, dass das Ausgangsmaterial zum Herstellen des Bauteils zwischen
der Wanne und dem Deckel einschließbar ist. Das Ausgangsmaterial
kann einen Vorformling aus Kunststofffasern enthalten, und auch
das Harz kann als Ausgangsmaterial zum Herstellen des Bauteils angesehen
werden. Eine Heizeinrichtung zum Herstellen des Bauteils mittels
Heizens von zwischen der Wanne und dem Deckel einschließbarem Ausgangsmaterial (zum
Beispiel mit den Komponenten Kunststofffaservorformling und Harz)
kann ebenfalls in der RTM-Apparatur vorgesehen sein.
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Im
Weiteren werden exemplarische Ausführungsbeispiele der Schlauchverbindungseinheit
beschrieben. Diese gelten auch für
die Anordnung, für das
Verfahren und für
die Verwendung.
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Das
Schlauchstück
der Schlauchverbindungseinheit kann aus einem harzfesten Material
gefertigt sein. Damit kann ermöglicht
werden, dass die Schlauchverbindungseinheit für Harzinjektionsverfahren eingesetzt
werden kann, bei denen chemisch aggressiver Harz durch das Schlauchstück durchgeführt werden
kann. Unter dem Begriff „harzfest" oder „harzresistent" kann insbesondere
verstanden werden, dass das Schlauchstück auch bei Kontamination mit
solchem Harzmaterial, speziell für
das RTM-Verfahren, zerstörungsfrei
betrieben werden kann.
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Der
erste Adapter und/oder der zweite Adapter kann/können eine Kopplung zwischen
der Schlauchverbindungseinheit und den zugehörigen Anschlussgeräten (RTM-Apparatur,
Injektionsanlage, Harzfalle) herstellen, die zum Beispiel ein Bajonettverschluss
oder ein Klickverschluss sein kann. Während andere Verschlussmöglichkeiten
im Rahmen der Erfindung möglich
sind, sind Bajonettverschlüsse
und Klickverschlüsse
für eine
robotergesteuerte Kopplung bzw. Entkopplung besonders gut geeignet,
da diese mit mechanisch geringem Aufwand installiert und deinstalliert
werden können.
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Der
erste Adapter und/oder der zweite Adapter kann eine luftdichte und/oder
harzdichte Kopplung mit den jeweiligen Anschlussgeräten realisieren. Dadurch
ist sowohl ein Ein- oder Austreten von Harz als auch von Luft in
das geschlossene System/aus dem geschlossenen System vermieden,
was zu einer guten Bauteilqualität
führt.
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Der
erste Adapter und/oder der zweite Adapter kann ein Dichtelement
aufweisen, das zum Beispiel nach jedem Bauteilherstellungsprozess
ausgetauscht werden kann und somit als Einwegteil vorgesehen sein
kann. Ein solches Dichtelement, zum Beispiel ein O-Ring, kann verwendet
werden, um zwischen der Schlauchverbindungseinheit und den angeschlossenen
Geräten
einen hohen Grad an Dichtigkeit zu erreichen.
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Der
erste und/oder der zweite Adapter kann ein Sieb aufweisen. Ein solches
Sieb kann die Wirkung haben, dass wenn ein Roboter, der die Schlauchverbindungseinheit
entnimmt und zwischen Apparatur und Containern bewegt, keine Harzkontanmination
in der Umgebung verursacht, da mittels des Siebs vermieden wird,
dass noch in dem Schlauch befindliches Harz aus diesem auftritt
und die Umgebung oder den Roboter kontaminiert. Ein solches Harzsieb
kann nach dem Prinzip der Oberflächenspannung
arbeiten und somit sicher vermeiden, dass selbst in einem Szenario,
in dem noch flüssiges Harz
in dem Schlauch zurückgeblieben
ist, dieses in die Umgebung überführt wird.
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Darüber hinaus
kann der erste Adapter und/oder der zweite Adapter einen konischen
Harzkanal aufweisen. Ein solch konischer Harzkanal ermöglicht die
Wiederverwendung der Schlauchverbindungseinheit, insbesondere der
Adapter der Schlauchverbindungseinheit, da ein Ausschlagen oder
sonstiges Entfernen von verfestigtem Harz aus einem konischen Harzkanal
besonders einfach möglich
ist.
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Im
Weiteren werden Ausgestaltungen des Verfahrens beschrieben. Diese
Ausgestaltungen gelten auch für
die Anordnung, die Schlauchverbindungseinheit und die Verwendung.
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Das
Verfahren kann als Verfahren zum Herstellen eines Kompositbauteils
mittels der RTM-Apparatur
eingerichtet sein. Insbesondere kann das Verfahren zum Herstellen
eines Kompositbauteils zur Verwendung in einem Flugzeug eingerichtet
sein. In einem Flugzeug bestehen besonders hohe Qualitätsanforderungen
an Kompositbauteile. Daher kann zum Beispiel für das Herstellen von Flugzeugbauteilen
das Herstellen mit Spülvorgängen zum
Reinigen von Schläuchen
bei strengen Sicherheitsstandards nicht erlaubt sein, da dann ein
negativer Einfluss auf das Bauteil nicht ausgeschlossen werden kann.
Das erfindungsgemäße Prinzip
zum Austauschen der Schläuche
dagegen vermeidet eine Kontamination des Bauteils mit Spülflüssigkeit
und stellt damit eine ausgezeichnete Bauteilqualität sicher.
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Das
Verfahren kann als Harzinjektionsverfahren, wie zum Beispiel als
RTM-Verfahren („Resin Transfer
Moulding") hergestellt
sein. Das Verfahren kann ferner zum Herstellen eines Bauteils aus
glasfaserverstärktem
Kunststoff (GFK) oder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) ausgestaltet sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
robotergesteuerte Anordnung zum Betreiben einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 eine
schematische Darstellung einer Anordnung zum Betreiben einer RTM-Apparatur.
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3 einen
Anschluss an eine RTM-Apparatur zum Herstellen von Kompositbauteilen
für Flugzeuge.
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4 einen
Lineranschluss für
eine RTM-Apparatur zum Herstellen von Kompositbauteilen für ein Flugzeug.
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5 Adapter
einer Schlauchverbindungseinheit für eine Resin-Transfer-Moulding-Apparatur gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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6 einen
Adapter mit Bajonettverschluss für
eine Schlauchverbindungseinheit für eine RTM-Apparatur gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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7 eine
Adapterverbindung zwischen Injektionsanlage und Schlauch gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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8 eine
Adapterverbindung für
eine Resin-Transfer-Moulding-Apparatur zwischen der Form und dem
Schlauch gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und
nicht maßstäblich.
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Im
Weiteren wird bezugnehmend auf 1 eine Anordnung 100 zum
Betreiben einer Resin-Transfer-Moulding-Apparatur 101 gemäß einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Zahlreiche
Teile von Flugzeugen sind aus CFK gefertigt. Einige dieser Komponenten
werden mit dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) hergestellt.
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Das
RTM-Verfahren kann zum Beispiel aus drei Schritten bestehen, nämlich dem
Erzeugen eines Vorformlings aus den CFK-Fasern, dem Injizieren des
Harzes und dem Aushärten
unter Wärmeeinfluss.
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Ein
komplexer Schlüsselprozess
für die
Automatisierung des Gesamtablaufes ist die Harzinjektion. Der Injektionsvorgang
erfordert manuelle Tätigkeit.
Durch Automatisieren können
sowohl Prozesskosten als auch Durchlaufzeiten reduziert sowie Abläufe verbessert
werden.
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Der
Harztransport erfolgt an der Schnittstelle zwischen der RTM-Form 101 und
einer Injektionsanlage 102 sowie zwischen der RTM-Form 101 und dem
Harzüberlauf 103 an
der Vakuumanschlussseite. Der Harzüberlauf 103 kann auch
als Harzfalle bezeichnet werden. Eine Herausforderung in Bezug auf die
Automatisierung ist dabei das Handling des teilausgehärteten Schlauchs 104 zwischen
Harzinjektionsanlage 102 und RTM-Apparatur 101 sowie
des Schlauchs 105 zwischen der RTM-Apparatur 101 und
der Harzfalle 103.
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Die
Anordnung 100 ist schematisch und zeigt nur einen Teil
der Funktionalität
des Gesamtsystems, um eine vereinfachte Beschreibung zu ermöglichen.
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Die
Harzinjektionsanlage 102 enthält einen Harzcontainer 106,
aus dem über
eine Zuführleitung 107 und
einen Injektionsanlagenadapter 108 Harz in den Schlauch 104 injiziert
werden kann. Hierzu wird an dem Injektionsanlagenadapter 108 ein
erster Adapter 109 einer Schlauchverbindungseinheit 110 mittels
einer Bajonettkupplung verbunden.
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Ein
anderer Endabschnitt des Schlauchs 104 ist mit einem zweiten
Adapter 111 der Schlauchverbindungseinheit 110 verbunden,
die mittels einer Bajonettverbindung mit einem ersten RTM-Adapter 112 der
RTM-Apparatur 101 kuppelbar ist.
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Über den
Schlauch 104 kann in eine Zuführleitung 113 der
RTM-Apparatur 101 Harz zugeführt werden. Zuvor kann in eine
Prozesskammer 114 der RTM-Apparatur 101 ein Vorformling
eingeführt,
der mit dem zugeführten
Harz durchmischt wird. Dieser Vorformling ist zwischen eine Wanne 115 und
einen Deckel 116 der RTM-Apparatur 101 eingebettet,
womit eine Geometrie für
das herzustellende Bauteil definiert ist. Wird mittels in einer
in 1 nicht gezeigten Heizvorrichtung der RTM-Apparatur 101 die
Mischung aus CFK Vorformling und dem Harz auf eine geeignete Betriebstemperatur
gebracht, so verfestigt sich das Bauteil und kann mittels Abnehmens
des Deckels 116 als fertiges Bauteil entnommen werden.
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1 zeigt
ferner eine Abführleitung 117 für überschüssiges Harz.
Dieses kann über
einen zweiten RTM-Apparaturadapter 118 und einen ersten Schlauchverbindungseinheitsadapter 119 einer
zweiten Schlauchverbindungseinheit 120, durch den Schlauch 105 und
durch einen zweiten Schlauchverbindungseinheitsadapter 121 strömen und über einen
Harzfallenadapter 122 in einen Container 123 der
Harzfalle 103 übergeführt werden.
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Das
Auswechseln der Schlauchverbindungseinheiten 110 und 120 erfolgt
erfindungsgemäß unter Steuerung
eines Robotersystems 130, das im Weiteren näher beschrieben
wird.
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Das
Robotersystem 130 enthält
eine zentrale Steuereinheit 131 (zum Beispiel einen entsprechend
programmierten Mikroprozessor (CPU, „central processing unit")), welche gemäß eines
vorbestimmten Prozessablaufs die Apparatur 100 steuert.
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Es
ist einem menschlichen Bediener möglich, über eine Benutzerschnittstelle 132 auf
den Mikroprozessor 131 einzuwirken, sodass ein menschlicher
Bediener über
die Benutzerschnittstelle 132 Steuersignale eingeben bzw.
den Betrieb des Robotiksystems 130 überwachen oder beeinflussen
kann. Insgesamt ist das Robotiksystem 130 eingerichtet, automatisiert
die Schlauchverbindungseinheiten 110, 120 zwischen
der RTM-Apparatur 101 und den daran angeschlossenen Peripheriegeräten, nämlich der
Injektionsanlage 102 und der Harzfalle 103, zu
montieren und zu demontieren. Vor Ablauf eines Verfahrensabschnitts
zum Herstellen eines Bauteils werden neue unverbrauchte Schläuche montiert
und nach Ablauf eines solchen Verfahrens werden die mit Harz kontaminierten
Schlauchverbindungen demontiert und in einem Container gelagert.
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Insbesondere
ist das Robotiksystem 130 eingerichtet, automatisiert eine
Schlauchverbindung zwischen der RTM-Apparatur 101 und der
harzstromaufwärts
der RTM-Apparatur 101 angeordneten Injektionsanlage 102 selektiv
zu montieren oder demontieren. Hierfür entnimmt ein Roboterarm einer Schlauchhandlingseinheit 133 aus
einem ersten Vorratsbehälter 134 eine
der dort gezeigten Schlauchverbindungseinheiten 110 und
führt diese
einem Bereich zwischen dem Injektionsanlagenadapter 108 und
dem ersten RTM-Apparaturadapter 112 zu. Eine Bajonettsteuereinheit 135 der
Robotikanordnung 130 stellt eine Bajonettverbindung zwischen
den Adapterstücken 108 und 109 einerseits
und den Adapterstücken 111 und 112 andererseits
her.
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In ähnlicher
Weise ist die Robotikanordnung 130 eingerichtet, automatisiert
die Schlauchverbindung 120 zwischen der RTM-Apparatur 101 und
der harzstromabwärts
der RTM-Apparatur 101 angeordneten Harzfalle 103 selektiv
zu montieren oder zu demontieren. Dies erfolgt in ähnlicher
Weise wie mittels der Schlauchhandlingseinheit 133 und
der Bajonettsteuerung 135 für die Schlauchverbindung zwischen Injektionsanlage 102 und
RTM-Apparatur 101 beschrieben.
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Dann
kann der Bauteilherstellungsprozess begonnen werden, indem Harz
von der Injektionsanlage 102 durch die Schlauchverbindungseinheit 110 in
die RTM-Apparatur 101 zugeführt wird, mit dem dort eingeführten CFK-Halbzeug
in Wirkverbindung gebracht wird, und mittels Heizens verfestigt
wird. Nach Ablauf eines solchen Prozesses kann das fertige Bauteil
aus der RTM-Apparatur 101 entnommen werden. Die Robotiksteuerung 130 sorgt
dann dafür, dass
die Bajonettsteuereinheit 135 die Bajonettverbindung zwischen
den Adaptern 108, 109 und zwischen den Adaptern 111, 112 löst, und
die Schlauchhandlings einheit 133 überführt die kontaminierte Schlauchverbindungseinheit 110 in
einen zweiten Vorratsbehälter 136.
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Obgleich
dies in 1 nicht gezeigt ist, kann die
Robotikanordnung 130 die Schlauchverbindungen 104, 105 selektiv öffnen oder
schließen,
zum Beispiel mittels einer pneumatischen Klemmvorrichtung. Dies
kann während
des Verfahrensablaufs zum Herstellen des Bauteils unter Zuführung von
Harz vorteilhaft sein.
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2 zeigt
nochmals eine RTM-Anordnung 200.
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Ein
Harzhärtegemisch
kann in dem Reservoir 106 vorgesehen sein und kann über einen
Heizschlauch 201 und ein Ventil 202 in die Schlauchverbindungseinheit 110 als
Einwegkomponente eingeführt
werden. Nach Durchlaufen der RTM-Apparatur 101 kann überschüssiges Harz
durch die Schlauchverbindungseinheit 120 als Einwegkomponente
aus dem Werkzeug 101 herausgeleitet werden und über ein
Ventil 203 in die Harzfalle 103 eingeführt werden. Gegebenenfalls
kann über
ein weiteres Ventil 204 eine Kopplung an einen Vakuumanschluss 205 erfolgen.
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Ein
Harzinjektionszyklus im RTM-Verfahren kann sich aus folgenden Schritten
zusammensetzen, was auch aus 2 hervorgeht:
- 1. Anschließen der Anschlussnippel 206 am
Injektions-/Absauganschluss im Werkzeug 201 (zum Beispiel
mit Teflondichtband).
- 2. Zuschneiden der erforderlichen Schlauchlängen der Schlauchverbindungen 110, 120 und
Befestigung der Schläuche 110, 120 mit
Schlauchklemmen an den Anschlussnippeln 206.
- 3. Anschließen
der Harzfalle 103 am Überlauf.
- 4. Abklemmen des Injektionsschlauches 110.
- 5. Vakuum über
Harzfalle 113.
- 6. Injektionsanlage 102 vorbereiten (zum Beispiel Harzvorheizung
auf ca. 60°C
bis 80°C),
Schläuche
verbinden, Klemme an der Injektionsleitung lösen.
- 7. Injektionsvorgang nach Vorgabe (Parametertabelle) durchführen.
- 8. Alle Schläuche
abklemmen, Harzfalle 103 demontieren, Injektionsanlage 102 trennen.
- 9. Nach Aushärtung
und Abkühlung
der Schlauchstücke
und Anschlussnippel 206 mit dem ausgehärteten Harz entfernen.
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Allgemein
können
Injektions- und/oder Überlaufschlauch
auf folgende Art und Weise mit der Form 201 verbunden werden:
- 1. Mit Hilfe eines Dreiwegeventils, welches
nach jedem Injektionsvorgang automatisch gespült wird. Als Beispiel für diese
Anschlussart kann ein AutoSprue Ventil der Firma Plastec Thermoset Tectonics
verwendet werden.
- 2. Durch ein einfaches Schlauchansatzstück, wie in 3 gezeigt,
welches bei der Firma Airbus intern als Anschluss eingesetzt wird.
- 3. Über
eine Linerkonstruktion, wie die in 4 gezeigte.
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Die
Anordnung 400 aus 4 zeigt
einen Schlauch 401, ein Befestigungselement 402,
ein Halteelement 403, eine Hülse 404, Dichtungen 405,
die Form 406 und die Formkavität 407.
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Folgende
Voraussetzungen sind zu beachten, wenn gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein automatisierter RTM-Prozess durchgeführt wird:
- – Es
kann die (ausschließliche)
Verwendung von RTM6-Harz der Firma Hexcel vorgegeben sein.
- – Der
RTM-Prozess kann unter einer Heizpresse ausgeführt werden.
- – Die
Benutzung von Reinigungs- und Spülflüssigkeiten
kann unerwünscht
oder nicht zugelassen sein, wenn eine Berührung mit dem Bauteil stattfinden
könnte.
- – Die
Produktqualität
sollte durch den Prozess nicht nachteilig beeinträchtigt werden.
- – Die
Abläufe
des Injektionsprozesses und die Injektionsdauer sollten nicht verändert werden.
- – Der
Platzbedarf der erforderlichen Anlagen für den Injektionsprozess sollte
nicht signifikant erhöht
werden.
- – Die
Zugänglichkeit
zu Reinigungszwecken soll gewährleistet
sein.
- – Für den Handlingsaufgaben
soll ein Roboter verwendet werden.
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Im
weiteren wird eine Funktionsbeschreibung des erfindungsgemäßen Systems
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
gegeben.
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Da
die Verwendung von Reinigungsmitteln nicht gewünscht oder zulässig ist
und der Injektionsdruck bis zum vollständigen Aushärten des Bauteils anliegen
soll, kann es erforderlich sein, den Injektionsschlauch und den Überlaufschlauch
nach jedem Injektionszyklus auszutauschen.
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Die
Komponenten, mit denen die Automatisierbarkeit effizient und effektiv
erreicht werden kann, sollen folgende Funktionen zu gewährleisten:
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- 1. Absperren des unbenutzten Injektionsschlauchs.
- 2. Öffnen
des unbenutzten Injektionsschlauchs.
- 3. Austausch des Injektionsschlauchs.
a) Trennen des benutzten
Injektionsschlauchs von der Form und der Injektionsanlage. Der benutzte
Injektionsschlauch ist am Formanschluss mit ausgehärtetem Harz
und am Injektionsanlagenanschluss mit noch flüssigem Harz gefüllt.
b)
Entfernen des benutzten Injektionsschlauchs.
c) Bereitstellen
eines neuen Injektionsschlauchs.
d) Anschließen dieses
neuen Schlauches an die Form und die Injektionsanlage.
- 4. Öffnen
des unbenutzten Vakuumanschlussschlauches.
- 5. Schließen
des benutzten Vakuumanschlussschlauches, welcher am Formanschluss
mit ausgehärtetem
Harz gefüllt
und am Harzfallenanschluss noch leer ist.
- 6. Austausch des benutzten Vakuumanschlusses.
a) Trennen
des benutzten Vakuumschlauches von der Form und der Harzfalle.
b)
Entfernen des benutzten Vakuumschlauches.
c) Bereitstellen
eines neuen Vakuumschlauches.
d) Anschließen dieses neuen Schlauches
an die Form und die Harzfalle.
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Im
Weiteren wird eine Möglichkeit
für die Umsetzung
unter Erfüllung
der oben genannten Funktionsanforderungen beschrieben.
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Alle
oben aufgeführten
Funktionsbeschreibungen beziehen sich auf einen Austausch der Schläuche durch
einen Roboter. Dazu können
die Schläuche über ein
Kupplungssystem zur Verwendung mit den Anschlüssen an der Form, der Injektionsanlage
und der Harzfalle, welche sowohl Luft- als auch harzdicht ist, ausgewechselt
werden. Das Anschließen
und Lösen
der Schläuche
kann sowohl im leeren als auch im harzgefüllten Zustand definiert und
reproduzierbar sein. Neue und benutzte Schläuche können in einem Schlauchhalter
gelagert werden. Stand und Ausführung
der Schlauchhalter sollten so beschaffen sein, dass der Roboter
den neuen und die benutzten Schläuche
greifen und ablegen kann. Eine weitere Anforderung ist, genügend Platz für den Handlingbereich
des Roboters an der Anlage sowie ausreichend Freiraum zum Anschließen und Lösen der
Anschlüsse
an der Form vorzusehen, während
sich diese in der Heizpresse befindet.
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Weiterhin
ist darauf zu achten, dass die Injektions- und Vakuumschläuche an
einer Schließeinheit
abgelegt werden können,
mit deren Hilfe die Schläuche
im Prozess geschlossen und geöffnet werden
können.
Eine Möglichkeit
ist hier die Verwendung einer pneumatischen Klemmvorrichtung, wie sie
zum Beispiel die Firma Werder Systems vertreibt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
für ein
Kupplungssystem ist in 5 in einer Ansicht 500 gezeigt.
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Dort
ist ein Kupplungssystem zwischen einem Schlauch 501 und
Kupplungsstücken 502, 503 gezeigt,
welche mittels eines Bajonettverschlusses miteinander verbunden
werden. Bezugszeichen 504 bezeichnet ein Teil der Form 101,
an welcher Teil 504 mittels vier Schrauben befestigt werden
kann.
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Eine
Alternative hierzu ist ein Klickverschluss, sofern hierfür genügend Kraft
zum Komprimieren einer Dichtung aufgebracht werden kann. Ein Vorteil
einer Klickverbindung ist allerdings, dass auf die Dichtung ausschließlich Druckkräfte einwirken, anstatt
einer zusätzlichen
Scherbelastung wie bei einer Bajonettkupplung. Das Schlauchende,
welches mit der Injektionsanlage verbunden war, sollte nach dem
Lösen nach
oben geführt
werden, um ein Auslaufen des unausgehärteten Harzes zu vermeiden.
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6 zeigt
nochmals ein Kupplungssystem mit einem Anschluss zu der Injektionsanlage 102 und mit
einem Anschluss zu der RTM-Apparatur 101.
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Insbesondere
zeigt 6 ein automatisch gesteuertes Ventil 600,
ein Sieb 601 und eine Dichtung 602. Wie in 6 gezeigt,
ist ein Endabschnitt des Adapters 108 mit dem Sieb 601 ausgestattet. Das
Sieb 601 hat einen ähnlichen
Effekt wie ein Sieb in einem Wasserhahnrohr, wenn dieser geschlossen ist:
Es vermeidet, dass Wasser aus dem Hahn läuft. Dieses funktioniert nach
dem Prinzip der Oberflächenspannung
des Wassers. Dabei ist zu beachten, dass das Sieb 601 durchlässig genug
für einen
ausreichend guten Harzfluss ohne zuviel Druck sein sollte.
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Um
zu verhindern, dass die Dichtung 602 aufgrund von Abnutzung
oder Verrutschen eine Leckage verursacht, kann dies als Bestandteil
des Wechselschlauches vorgesehen sein und damit nur einmal benutzt
werden.
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Ferner
ist ein konischer Harzkanal 603 gezeigt, um ein Entfernen
der ausgehärteten
Harzreste zu erleichtern.
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Der
Standardanguss hat sein schmales Konusende an der Außenseite
der Form 101. Beim Lösen
des Schlauches 104 bricht der Harzrest am Anschluss und
somit muss der Anschluss an der Form manuell von Harzresten gereinigt
werden. Würde sich
der Konusdurchmesser im Inneren der Form befinden, bestünde die
Gefahr, dass bei Herausschlagen die Forminnenseite beschädigt wird.
Der Harzkanal 603 des Kupplungssystems aus 6 hat
seinen schmalsten Konusdurchmesser somit an der Außen- oder
Innenseite der Form 101.
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Durch
die Vorgabe der Konusrichtung kann eventuell beeinflusst werden,
dass der Harzrest nicht abbricht, sondern mit dem Trennen des Schlauchs von
der Formkupplung entfernt wird. Damit kann die Nacharbeit des Harzentfernens
aus der Formkupplung entfallen. Der kleinste Durchmesser kann an
der Außenseite
der Formkupplung verbleiben, um so ein automatisiertes Ausschlagen
durch einen Roboter oder einen fest montierten Ausstoßer (zum
Beispiel pneumatisch) zu ermöglichen.
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Im
Weiteren werden die Peripheriekomponenten, nämlich Schlauchhalter und Roboter
näher beschrieben.
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Benutzte
Injektionsschläuche
werden vorteilhaft senkrecht gelagert. Dies resultiert aus der Tatsache,
dass benutzte Injektionsschläuche
flüssige Harzreste
an der Seite, die mit der Injektionsanlage verbunden waren, enthalten.
Die Schläuche
sollten mit diesem Ende nach oben gelagert werden, um ein Auslaufen
zu verhindern. Sinnvoll ist, alle Schläuche auf gleiche Art und Weise
senkrecht zu lagern. Wie bereits ausgeführt, sollte der Standort und
die Geometrie des Schlauchhalters genauer definiert sein, um dem
Roboter das Entnehmen und Ablegen von neuen und gebrauchten Schläuchen zu
ermöglichen.
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Zum
Beispiel einmal pro Tag bzw. pro Schicht können dann die gebrauchten Schläuche im Schlauchhalter
manuell durch neue ersetzt werden. Das ausgehärtete Harz in den Kupplungen
kann dann später
manuell entfernt und die Kupplungen wiederverwendet werden.
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Mit
einem Sechsachsenroboter können
die Kupplungen zufriedenstellend gehandhabt werden. Die Anforderungen
an Kraftaufwand und Genauigkeit für das saubere Verbinden und
Trennen der Kupplung sind relativ gering und können bereits von einem Standardroboter
erfüllt
werden.
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Durch
Verwendung der Adapter, zum Beispiel in Verbindung mit Bajonettverschlüssen, in Kombination
mit Schlauchhalter und Roboter, kann die Harzinjektion bei der RTM-Fertigung
kostengünstig
und kurzfristig automatisiert werden kann.
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7 zeigt
noch einmal eine Verbindungsstelle 700 zwischen einer Kupplung 108 der
Injektionsanlage 102 und einer Kupplung 109 des Schlauchs 104.
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8 zeigt
eine Verbindung 800 zwischen Form 101 und Schlauch 104.
Somit ist eine Kupplungshälfte
zum Schlauch 111 und eine Kupplungshälfte 112 zu der RTM-Form 101 gezeigt.
Wiederum ist auch in 8 eine Dichtung 602 zu
sehen.
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Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass „aufweisend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.