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Die zu Grunde liegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur automatisierten Herstellung einer räumlichen Struktur aus faserverstärktem Kunststoff und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bzw. zur Herstellung einer solchen Struktur.
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Zur Herstellung von Strukturen oder Körpern aus faserverstärkten Kunststoffen ist es beispielsweise bekannt, eine Negativform, beispielsweise einen Dorn oder einen aus zwei Halbschalen bestehenden Hohlkörper, mit flächigen Halbzeugen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial zu belegen, und die mit dem Kunststoffmaterial belegte Negativform einem Aushärteschritt zu unterwerfen, bei dem das auf der Negativform befindliche faserverstärkte Kunststoffmaterial entsprechend der Negativform ausgehärtet wird. Dieses Verfahren ist jedoch vergleichsweise aufwändig, kostenintensiv, und kann, abgesehen davon, lediglich eine beschränkte Formenvielfalt abdecken.
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Weiterhin ist es bekannt, vor-konsolidierte Thermoplast-Faser-Bändchen auf einer Negativform abzulegen und die Bändchen durch punktuelles Erhitzen anzuheften, d.h. vorübergehend zu befestigen. Eine so erzeugte Struktur wird in einem weiteren Schritt aufgeheizt und in einem nachfolgenden Pressprozess konsolidiert, d.h. ausgehärtet bzw. verfestigt. Hier kann lediglich eine sehr beschränkte Formenvielfalt abgedeckt werden, beispielsweise ist es kaum möglich, Strukturen mit Hinterschneidungen herzustellen.
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Die
DE 693 02 760 T2 offenbart ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von mehrlagigen Strukturen aus Kompositmaterialien. Bei diesem Verfahren werden mehrere Lagen eines duroplastischen Materials aufeinandergebracht bzw. übereinandergestapelt. Zum Drapieren dieser Lagen werden zwei Werkzeughälften verwendet und anschließend an diesen Ablageprozess aller Lagen ein Konsolidierungsprozess durchgeführt.
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Darüber hinaus können mit einem als sog. „Tape-Schweißen“ bekannten Verfahren Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien hergestellt werden. Beim Tape-Schweißen wird durch einen Legekopf ein vor-konsolidiertes Thermoplast-Faser-Bändchen auf die Negativform aufgebracht, zeitgleich wird das Bändchen mittels Laserstrahl aufgeschmolzen und durch den Legekopf zur Konsolidierung angepresst. Dieses Verfahren ist sehr kostenintensiv und es besteht die Gefahr von Porenbildung im Laminat.
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Die
DE 10 2007 009 124 A1 offenbart ein induktionsgestütztes Fertigungsverfahren für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen. Dabei wird ein bandförmiges, Verstärkungsfasern aufweisendes Ausgangsmaterial kontinuierlich vorgeschoben und das Ausgangsmaterial in einem Tapelegeprozess an einen bereits vorhandenen Teil eines Formkörpers angeformt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung einer räumlichen Struktur aus faserverstärkten Kunststoff bereitgestellt werden, mit welchem insbesondere eine vergleichbar freie Wahl der Faserorientierungen erreicht werden kann, welches insbesondere vergleichsweise einfach und kostengünstig durchgeführt werden kann, insbesondere einen vergleichsweise breiten Anwendungsbereich aufweist, und mit welchem insbesondere dennoch eine vergleichsweise hohe Qualität bei den hergestellten Strukturen erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13. Ausgestaltungen ergeben sich insbesondere aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nach Patentanspruch 1 ist ein Verfahren zur automatisierten Herstellung einer räumlichen Struktur vorgesehen. Bei der räumlichen Struktur kann es sich insbesondere handeln um einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, ein Strukturbauteil oder ein Bauteil, eine Tragstruktur, einen räumlichen Körper, insbesondere einen offenen oder im Wesentlichen geschlossenen Körper mit einem von einer Wandung umgebenen Volumen, eine Schalenstruktur, eine Raumstruktur, insbesondere eine flächige und/oder gekrümmte Raumstruktur, eine Strukturkomponente oder eine Verstärkungs-Struktur handeln. Die Verstärkungs-Struktur kann beispielsweise auf einem bereits bestehenden, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff hergestellten, Körper, ausgebildet oder hergestellt werden. Ferner ist es möglich, dass durch die aus den Fasergelege-Zuschnitten hergestellte räumliche Struktur zwei oder mehrere bereits bestehende Körper, insbesondere weitere räumliche Strukturen miteinander verbunden werden. Letzteres bedeutet, dass die räumliche Struktur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch dazu hergestellt oder vorgesehen werden kann, zwei oder mehrere, insbesondere bereits bestehende oder vorgefertigte, Teilstrukturen oder Teilkörper zu einer Gesamtstruktur oder einem Gesamtkörper zu verbinden.
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Unter einem faserverstärkten Kunststoff soll dabei insbesondere ein Material verstanden werden, welches ein mit einem Kunststoffmaterial imprägniertes Fasergefüge umfasst. Als Fasergefüge kann insbesondere ein Fasergelege und/oder Fasergewebe, ein filzartiges Fasermaterial und dgl. verwendet werden.
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Entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren wird, zumindest teil- oder abschnittsweise, die Struktur sukzessive und automatisiert aus einer Vielzahl einzelner Fasergefüge-Zuschnitte bzw. Faserstruktur-Zuschnitte aufgebaut, indem die einzelnen Fasergefüge-Zuschnitte sukzessive aneinandergesetzt, an der jeweiligen Zielposition abgelegt werden und indem ein eine Matrix für den jeweils abgelegten Faserverbund-Zuschnitt bildendes Kunststoffmaterial lokal, d.h. am Ablageort in situ ausgehärtet bzw. konsolidiert wird. Das Aneinandersetzen der Fasergefüge-Zuschnitte kann dabei in überlappender und/oder nicht überlappender und/oder aneinanderstoßender und/oder zumindest teilweise aneinanderstoßender Weise erfolgen. Insbesondere können die Fasergefüge-Zuschnitte randseitig überlappend, insbesondere randseitig teilweise überlappend und/oder randseitig oder umlaufend, insbesondere zumindest teilweise, auf Stoß, d.h. ohne wesentliche Überlappung, aneinander gesetzt werden. Insbesondere bei einer, zumindest teilweise, auf Stoß ausgelegten Anordnung der Fasergefüge-Zuschnitte kann die räumliche Struktur nach Art des Aufbaus eines Mosaiks sukzessive zusammengesetzt und aufgebaut werden. Bei nicht überlappender Anordnung, was eine Anordnung umfassen soll, bei welcher benachbarte Fasergefüge-Zuschnitte auf Lücke angeordnet werden, sowie bei zumindest teilweise aneinanderstoßender Anordnung können Lücken zwischen benachbarte Fasergefüge-Zuschnitten bei oder im Rahmen der Konsolidierung mit dem Kunststoffmaterial der Matrix geflutet bzw. gefüllt oder verfüllt werden, insbesondere dass eine flächig geschlossene Struktur ohne Lücken entsteht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Herstellung der Struktur zumindest ein Fasergefüge-Zuschnitt als ein bereits mit dem Kunststoffmaterial der Matrix getränktes Halbzeug verwendet, welches dann automatisiert an die jeweilige Zielposition verbracht wird. Als Halbzeug werden bereits vorgetränkte bzw. vorimprägnierte Fasergefüge oder Fasergewebe in Form einer vorkonsolidierten Faser-Kunststoff-Platte mit thermoplastischer Matrix verwendet. Dennoch ist auch die Verarbeitung von insbesondere in der Luftfahrt üblichen vorimprägnierten Faser-Halbzeugen mit duroplastischer Matrix (Kunstharz wie etwa Epoxyd-, Polyester- oder Vinylesterharz), sog. Prepregs, mit dem beschriebenen Verfahren gut möglich.
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Die räumliche Struktur kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer Vielzahl an Zuschnitten aus Fasergefüge und Kunststoffmaterial aufgebaut werden, wobei die einzelnen Zuschnitte nach und nach hinzugefügt, und jeweils bei bzw. während oder im Rahmen der Hinzufügung konsolidiert, d.h. ausgehärtet oder in den erstarrten Zustand überführt werden.
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Der Begriff „Konsolidieren“ und entsprechende Begriffe mit gleichem Wortstamm, soll insbesondere in einem technisch-physikalischen und/oder technisch-chemischen Zusammenhang verstanden werden, innerhalb welchem unter Konsolidierung insbesondere ein Verfestigen, Stabilwerden, steif werden und/oder Erstarren zu verstehen ist. Die im Zusammenhang mit faserverstärkten Kunststoffen gelegentlich verwendeten Begriffe „Aushärten“ oder „Vernetzen“, beispielsweise für duroplastische Kunststoffe, und „Erstarren“, beispielsweise für thermoplastische Kunststoffe, liegen innerhalb der vorbeschriebenen Bedeutung des Begriffs „Konsolidieren“.
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Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff „in-situ“ soll bedeuten, dass die Konsolidierung unmittelbar anschließend zur Positionierung des Zuschnitts am Zielort der Struktur erfolgt und so insbesondere mit einer ggf. bereits bestehenden Teilstruktur verbunden wird. Mit jeder Hinzufügung eines Zuschnitts wächst die räumliche Struktur, bis schließlich nach Hinzufügen des letzten Zuschnitts die die räumliche Struktur, bereits im konsolidierten Zustand, vorliegt. Das hierin vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es die Zuschnitte gezielt orientiert abzulegen, beispielsweise auf einer Negativform oder Positivform, oder einem Werkzeug, um so eine beanspruchungsgerecht ausgebildete, insbesondere verstärkte, räumliche Verbund-Struktur bei vollständiger Verbund-Konsolidierung unmittelbar bei Ablage der Zuschnitte zu erhalten.
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Es zeigt sich insbesondere, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein gesonderter nachgeschalteter Aushärtungs- und Konsolidierungsschritt nach Hinzufügen des letzten Fasergefüge-Zuschnitts entfallen kann, da die Fasergefüge-Zuschnitte bereits in-situ, insbesondere bei oder während der Ablage jeweils gesondert konsolidiert werden. Davon abgesehen wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass durch den sukzessiven Aufbau der Struktur, insbesondere der in-situ Konsolidierung, aus einer Vielzahl von Zuschnitten eine vergleichsweise breite Formenvielfalt erreicht werden kann. Zudem hat sich herausgestellt, dass vergleichbare Strukturen mit dem vorgeschlagenen Verfahren kostengünstiger als mit den bekannten Verfahren hergestellt werden können. Es ergeben sich ferner Vorteile im Hinblick auf den generellen Aufbau der Struktur, insbesondere weil die Materialstärke, Faserorientierung, Zuschnitt-Überlappung usw. lokal spezifisch gewählt und über die räumliche Struktur in einfacher Weise umgesetzt und variiert werden können. Es können insbesondere lokal beanspruchungsgerecht faserverstärkte räumliche Strukturen, insbesondere Strukturkomponenten, Bauteile, Tragstrukturen, räumlichen Struktur, insbesondere räumliche Strukturen mit ebenen und/oder gekrümmten Flächen hergestellt werden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann ferner eine vergleichsweise gute Laminatqualität ohne weitere nachgeschaltete Prozessschritte erreicht werden.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können manuelle Ablageprozesse für die Fasergefüge-Zuschnitte insbesondere weitestgehend, wenn nicht gänzlich, vermieden werden, was eine wirtschaftliche und reproduzierbare Herstellung von faserverstärkten Strukturbauteilen begünstigt. Bei geeigneter Durchführung des Verfahrens und Implementierung entsprechender Maschinen und Vorrichtungen ist es sogar möglich entsprechende räumliche Strukturen in vollautomatisierter Weise entsprechend einer industriellen Fertigung herzustellen. Gegenüber bereits bekannten Verfahren bietet das erfindungsgemäße Verfahren einen breiten Spielraum für die realisierbaren und umsetzbaren Faserorientierungen der Zuschnitte relativ zur Gesamt-Struktur. Auf diese Weise kann, gegenüber herkömmlichen Verfahren, unter Umständen Material eingespart werden. Letzteres kann insbesondere zu verringertem Bauteilgewicht und/oder verringerten Fertigungskosten führen.
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In Ausgestaltungen des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Fasergefüge-Zuschnitt an eine bereits bestehende und ausgehärtete Teilstruktur angefügt wird, indem der Fasergefüge-Zuschnitt in teilweiser, insbesondere randseitiger, Überlappung mit unmittelbar angrenzenden, bereits ausgehärteten, bzw. konsolidierten, Fasergefüge-Kunststoff-Zuschnitten angeordnet bzw. ab- oder angelegt wird, und das die Matrix für den Fasergefüge-Zuschnitt ausbildende Kunststoffmaterial am Anlageort in-situ konsolidiert wird. Durch den Grad der Überlappung, ggf. unter Berücksichtigung der jeweiligen Ausrichtung und Orientierung der Fasern des Fasergefüges, kann insbesondere der Grad der Verstärkung an die jeweils erforderliche Festigkeit/Steifigkeit angepasst werden. Mit anderen Worten bedeutet das insbesondere, dass je nach Bedarf lokale Laminataufdickungen zur Einstellung der jeweils erforderlichen Festigkeit/Steifigkeit möglich sind. Darüber hinaus ermöglicht es das Verfahren auch, dass zumindest ein Teil der Fasergefüge-Zuschnitte und/oder zumindest ein Teil der Kanten der Fasergefüge-Zuschnitte mit aneinanderstoßenden Kanten, d.h. auf Stoß, insbesondere mit stumpf aneinanderstoßenden Kanten, mit bzw. zu unmittelbar benachbarten Fasergefüge-Zuschnitten angeordnet werden. Ferner besteht, wie bereits ausgeführt, die Möglichkeit, die Fasergefüge-Zuschnitte auf Lücke zueinander anzuordnen, wobei in diesem Fall eine zwischen benachbarten Fasergefüge-Zuschnitten zunächst bestehende Lücke bei der Konsolidierung durch Kunststoffmaterial der Matrix verfüllt werden kann.
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In Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fasergefüge-Zuschnitte Fasern mit zumindest einer Faservorzugsrichtung aufweisen, und die Fasergefüge-Zuschnitte mit einer jeweils vorgegebenen lokalen Vorzugsrichtung für die Fasern angeordnet werden. Durch eine Anordnung entsprechend einer lokalen Vorzugsrichtung der Fasergefüge-Zuschnitte und/oder der Fasern kann die lokal jeweils erforderliche Festigkeit/Steifigkeit der räumlichen Struktur erreicht bzw. eingestellt werden. Die Möglichkeit zur vergleichsweise einfachen Variation der lokalen Faserausrichtung ist insbesondere durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren möglich, nach dem die räumliche Struktur sukzessive, jeweils lokal mit einer in-situ erfolgenden Konsolidierung aus Fasergefüge-Zuschnitten aufgebaut wird.
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Der Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegt, wie sich insbesondere aus dem Vorgesagten ergibt, auch in einer vergleichsweise hohen Flexibilität im Bereich des Ausgangsmaterials und in der Bereitstellung der jeweiligen Ausgangsmaterialien und Halbzeuge. Wie sich zeigt, ist das Verfahren nicht auf eine einzelne Art von Ausgangsmaterialien, Ausgangsstoffen und Halbzeugen beschränkt, sondern kann flexibel mit unterschiedlichen Ausgangsgegebenheiten und -situationen durchgeführt werden.
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Nach weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens kann, sofern erforderlich, das Kunststoffmaterial der Matrix durch eine Heizeinrichtung aufgeschmolzen oder verflüssigt werden, und der mit dem Kunststoffmaterial imprägnierte Fasergefüge-Zuschnitt sodann im aufgeschmolzenen bzw. verflüssigten Zustand von der Heizeinrichtung automatisiert, insbesondere unter Verwendung eines Roboterarms, an die Zielposition der Struktur verbracht und in-situ konsolidiert werden. Hierbei können zum Aufschmelzen/Verflüssigen des Kunststoffmaterials beispielsweise Heizeinrichtungen, wie Heizöfen, Heizbänder usw., verwendet werden, auf welchen die zu der räumlichen Struktur zu verarbeitenden Kunststoff-Fasergefüge-Zuschnitte bereitgestellt werden. Entsprechende Heizeinrichtungen können hier insbesondere unabhängig und/oder extern von der zum Verbringen der Fasergefüge-Zuschnitte an die Zielposition vorgesehenen Transporteinrichtungen, wie beispielsweise Roboterarme, ausgebildet sein.
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In weiteren Ausgestaltungen ist es möglich, dass das Kunststoffmaterial der Matrix durch eine Heizeinrichtung aufgeschmolzen wird, welche in einem Greif- und Positionierkopf einer zur Positionierung des Fasergefüge-Zuschnitts an der Zielposition der räumlichen Struktur verwendeten Transporteinrichtung, insbesondere eines Roboterarms, integriert ist. Die jeweiligen Kunststoff-Fasergefüge-Zuschnitte können bei solchen Ausgestaltungen während der Überführung von der Ausgangsposition zur Zielposition an der räumlichen Struktur aufgeschmolzen bzw. verflüssigt werden. Möglich ist es jedoch auch, dass das Aufschmelzen oder Verflüssigen erst am Ort der Zielposition für den jeweiligen Fasergefüge-Zuschnitt erfolgt. Bei Verwendung einer z.B. im Greifarm integrierten Heizeinrichtung kann sich als möglicher Vorteil ergeben, dass der Grad der Aufschmelzung bzw. Verflüssigung, insbesondere der optimale Aufschmelz- oder Verflüssigungsgrad, an der Zielposition durch entsprechenden Betrieb der im Greif- und Positionierkopf integrierten Heizeinrichtung in geeigneter Weise eingestellt werden kann. Es soll erwähnt werden, dass zum Be- oder Aufheizen der Fasergefüge-Zuschnitte auch eine Kombination einer externen Heizquelle, beispielsweise zum Vorheizen, und einer in die zum Transport der Fasergefüge-Zuschnitte zur Zielposition verwendete Transporteinrichtung integrierten Heizeinrichtung verwendet werden kann.
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Nach weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens werden die einzelnen Fasergefüge-Zuschnitte mittels eines durch Sogwirkung arbeitenden Greif- und Positionierkopfs aufgenommen und an der Zielposition, insbesondere auf einem Formwerkzeug bzw. einer Negativform oder Positivform, abgelegt. Dabei kann die Sogwirkung bevorzugt durch einen durch eine Membran hindurch erzeugten Volumenstrom, insbesondere Luft- oder Gasvolumenstrom, erzeugt werden. Insbesondere kann am Greifkopf eine Elastomermatte bzw. ein Elastomerblock oder eine Membran vorhanden bzw. vorgesehen sein, welche bzw. welcher ein oder mehrere Saugkanäle oder Saugöffnungen aufweist, durch welche ein Volumenstrom erzeugt werden kann, derart, dass eine durch den Volumenstrom hervorgerufene Sogwirkung die Aufnahme eines Fasergefüge-Zuschnitts am Greifkopf ermöglicht. Insbesondere kann eine Vorrichtung zur Erzeugung des Volumenstrom vorhanden sein, wobei die Vorrichtung und damit gekoppelte Kanäle derart ausgebildet und ausgelegt sind, dass durch die Sogwirkung eine Haltekraft erzeugt werden kann, durch welche beispielsweise jeweils ein Fasergefüge-Zuschnitt am Greifkopf gehalten werden kann.
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Eine entsprechend den vorangehenden Ausführungen ausgebildete Greifeinrichtung ermöglicht ein besonders schonendes Greifen bzw. Überführen eines Fasergefüge-Zuschnitts zur Zielposition. Darüber hinaus ermöglichen beispielsweise eine Elastomermatte bzw. ein Elastomerblock an Greif- und Positionierkopf, ein durch die Elastizität begünstigtes gleichmäßiges, und darüber hinaus materialschonendes Andrücken des Fasergefüge-Zuschnitts bei der lokalen in-situ Konsolidierung durch den Greif- und Positionierkopf. Die Elastomermatte bzw. der Elastomerblock können insbesondere so ausgebildet sein, dass der Fasergefüge-Zuschnitt an diese/diesen durch die Sogwirkung angesaugt wird.
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Nach einer Variante des Verfahrens können die mit Kunststoffmaterial imprägnierten Fasergefüge-Zuschnitte am Zielort bzw. an der Zielposition der Struktur unter Beaufschlagung mit Druck ausgehärtet bzw. konsolidiert werden. Bevorzugter Weise wird der jeweils erforderliche Druck durch den Greifkopf bzw. Positionierkopf aufgebracht. Insbesondere kann, wie bereits erwähnt, der zur Druckbeaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts erforderliche Druck mittels der Elastomermatte bzw. des Elastomerblocks, auf den jeweiligen Fasergefüge-Zuschnitt aufgebracht werden. Wie bereits beschrieben, ermöglichen Elastomermaterialien als druckbeaufschlagende Elemente eine vergleichsweise gleichmäßige Druckbeaufschlagung, insbesondere über die Fläche der Fasergefüge-Struktur hinweg. Darüber hinaus können, beispielsweise im Vergleich zu Metallflächen oder -blöcken, Beschädigungen des Fasergefüges durch das elastische Material weitestgehend ausgeschlossen oder vermieden werden.
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Nach einer weiteren Variante des Verfahrens können die Saugkanäle der Elastomermatte bzw. des Elastomerblocks derart ausgebildet sein, dass diese beim Andrücken an den Fasergefüge-Zuschnitt derart zusammengepresst werden, dass eine im Wesentlichen gleichmäßige, zumindest jedoch eine zur Erreichung des jeweils gewünschten Konsolidierungsgrads ausreichende, Flächenpressung erreicht werden kann. Das soll insbesondere bedeuten, dass die Saugkanäle bevorzugt so ausgelegt sind, dass diese bei oder während der Beaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts mit Druck so verformt werden, dass zumindest die jeweils erforderliche Flächenpressung erreicht wird.
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In einer weiteren Variante kann bei der Beaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts mit Druck zur Aushärtung bzw. Konsolidierung des Kunststoffmaterials, die Membran, beispielsweise die Elastomermatte oder der Elastomerblock, auf der dem Fasergefüge-Zuschnitt abgewandten Seite mit einem Überdruck beaufschlagt werden, so dass die Membran mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Fasergefüge-Zuschnitt gepresst wird, und insbesondere ein die Konsolidierung begünstigender Druck erzeugt wird.
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Die Verwendung einer druckbeaufschlagten Membran zur Druckbeaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts ist insbesondere bei der Herstellung von gekrümmten Flächen von Vorteil, da insbesondere etwaige Abweichungen des Greif- und Positionierkopfs von der optimalen Konsolidierungsposition ausgeglichen werden können. Insbesondere kann auch bei nicht ganz optimaler Positionierung des Greif- und Positionierkopfs relativ zum Fasergefüge-Zuschnitt eine ausreichende, insbesondere lokal adäquate, Flächenpressung erreicht werden.
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Neben oder zusätzlich zu der durch Überdruck erzeugten Kraft können noch anderweitige druckerzeugende Maßnahmen ergriffen werden. Das bedeutet insbesondere, dass zur Druckerzeugung mehrere unterschiedliche Maßnahmen umgesetzt werden können. Beispielsweise kann der Greif- und Positionskopf auf den Fasergefüge-Zuschnitt durch, beispielsweise den Roboterarm, gedrückt werden, so dass ein zur Konsolidierung geeigneter Druck, zumindest jedoch ein jeweils geeigneter Druckanteil, erzeugt wird.
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In Varianten ist es möglich, dass zur Erzeugung des Drucks durch den Greifkopf auf den Fasergefüge-Zuschnitt der Greifkopf zumindest teilweise derart magnetisch oder magnetisierbar ist, und ein Magnetfeld erzeugt wird, derart, dass durch die Wirkung des Magnetfelds eine zwischen dem Greifkopf und dem Ablagewerkzeug oder der Negativ- oder Positivform wirkende Kraft erzeugt wird, welche den Greifkopf an das Ablagewerkzeug oder die Negativ- oder Positivform presst und damit die Druckaufbringung auf den Fasergefüge-Zuschnitt erleichtert bzw. ermöglicht. Hierzu kann beispielsweise ein magnetisches, insbesondere paramagnetisches, insbesondere ferromagnetisches metallisches, Formwerkzeug oder eine magnetische, insbesondere paramagnetisches, insbesondere ferromagnetische metallische, Negativ- oder Positivform verwendet werden, und der Greif- und Positionierkopf kann mit einem Elektromagneten bestückt sein derart, dass bei Aktivierung des Elektromagneten an der Zielposition des Formwerkzeugs bzw. der Negativ- oder Positivform, eine zwischen Formwerkzeug bzw. Negativ- oder Positivform und Greifkopf wirkende Magnetkraft erzeugt wird, durch welche Greif- und Positionierkopf und Formwerkzeug bzw. Negativ- oder Positivform aneinander gepresst werden, so dass der zwischenliegende Kunststoff-Fasergefüge-Zuschnitt mit einem zur Konsolidierung zumindest beitragenden Druck beaufschlagt wird.
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Die Erzeugung des Drucks auf Basis von magnetischen Feldern kann entweder so umgesetzt sein, dass der magnetisch erzeugte Druck zur Konsolidierung ausreicht, oder dass der magnetisch erzeugte Druck lediglich unterstützend für andere Druckquellen wirkt. Insbesondere ist die unterstützende Wirkung von Magnetfeldern für kleinere Roboterarme usw. geeignet, die als solche von sich aus weniger Druck erzeugen und aufbringen können. Anders ausgedrückt ist es bei unterstützender, insbesondere magnetischer, Druckerzeugung möglich, die jeweils verwendeten Roboterarme kleiner und leichter auszuführen, da durch die Mitwirkung der unterstützenden Maßnahme, insbesondere der magnetischen Kopplung, die Roboterarme selbst weniger Kräfte aufbringen müssen.
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In Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses die folgenden Schritte umfassen:
- - Bereitstellen eines Fasergefüge-Zuschnitts in Form einer vorkonsilidierten Faser-Kunststoff-Platte mit themoplastischer Matrix;
- - Aufschmelzen bzw. Verflüssigen des die Matrix bildenden Kunststoffmaterials, insbesondere durch aktives Beheizen;
- - automatisiertes Überführen des Fasergefüge-Zuschnitts an den Zielort bzw. die Zielposition der räumlichen Struktur;
- - Konsolidieren des Fasergefüge-Zuschnitts durch:
- - Ausüben einer Presskraft auf den mit dem Kunststoffmaterial imprägnierten Fasergefüge-Zuschnitt, bzw. Verbundmaterialabschnitt, und optionales Heizen des Verbundmaterialabschnitts zum Aufschmelzen, Verflüssigen oder zum Aushärten, insbesondere basierend auf chemischen Reaktionen, des imprägnierten Fasergefüge-Zuschnitts, und optional
- - Kühlen, insbesondere aktives Kühlen, des Verbundmaterialabschnitts der räumlichen Struktur, bevorzugt unter Beibehaltung einer Presskraft bis zum Abschluss des Konsolidierungsvorgangs.
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Die einzelnen Schritte können insbesondere entsprechend der weiter oben beschriebenen Varianten und/oder Ausgestaltungen durchgeführt werden.
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In Varianten des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Beheizen durch Beaufschlagung mit Infrarotstrahlung, durch Induktion und/oder durch Widerstandsheizen erfolgt. Hierbei kann eine Heizeinrichtung, wie bereits erwähnt, in oder an einem Greif- oder Positionskopf integriert sein, oder extern im Bereich der Materialbereitstellung integriert sein.
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Weiter ist es in Varianten möglich, dass der Fasergefüge-Zuschnitt zu dessen Überführung an den Zielort bzw. zur Zielposition der räumlichen Struktur durch Mitwirkung von Adhäsionskräften, Vakuum- bzw. Sogkräften und/oder durch Klemmkräfte erfolgt. Hier kann insbesondere ein, wie bereits oben beschrieben, mit Saugkanälen versehener Greif- und Positionskopf verwendet werden.
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Ferner ist es bei Varianten des Verfahrens möglich, dass die Konsolidierung durch Mitwirkung einer Membran, einer Elastomerschicht, eines Elastomerblocks und/oder eines Mehrfachstempels erfolgt. Vorteile ergeben sich hier insbesondere dadurch, dass über die gesamte Fläche des Fasergefüge-Zuschnitts einem im Wesentlichen gleiche, oder zumindest lokal für den notwendigen Konsolidierungsgrad ausreichende oder erforderliche Flächenpressung erhalten wird. Elastomermaterialien haben darüber hinaus den Vorteil, dass sich diese in einfacher Weise an etwaige Krümmungen anpassen können.
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In weiteren Varianten kann das Kühlen durch passives Kühlen, aktives Kühlen, insbesondere durch Beaufschlagung mit einem Fluid, insbesondere Luft oder einer Flüssigkeit, erfolgen.
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In noch weiteren Varianten kann das Ausüben der Presskraft zumindest durch Mitwirkung eines Roboterarms, einer durch Überdruckdruck erzeugten Druckkraft und/oder einer durch ein Magnetfeld erzeugten Kraft erfolgen.
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Nach Patentanspruch 13 ist eine Vorrichtung zur automatisierten Herstellung einer räumlichen Struktur aus faserverstärktem Kunststoff vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, die Struktur automatisiert durch sukzessives Aneinanderfügen einer Vielzahl von in Form von einer vorkonsolidierten Faser-Kunststoff-Platte mit thermoplastischer Matrix vorliegenden Fasergefüge-Zuschnitten und jeweils selektives in-situ durchgeführtes Konsolidieren der mit einem Kunststoffmaterial imprägnierten Fasergefüge-Zuschnitte herzustellen. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst:
- - eine Einrichtung zur Aufnahme und Positionierung eines Fasergefüge-Zuschnitts an einer Zielposition der Struktur, insbesondere umfassend einen Roboterarm und dgl.;
- - eine Einrichtung, insbesondere einen Ofen, eine Heizplatte oder Heizmatte, zur Beheizung des Kunststoffmaterials, insbesondere des Fasergefüge-Zuschnitts mit zugehörigem Kunststoffmaterial, zur Erzeugung eines aus aufgeschmolzenem bzw. verflüssigtem Kunststoffmaterial und Fasergefüge-Zuschnitt bestehenden Verbundmaterials;
- - eine Einrichtung zur in-situ Konsolidierung des Verbundmaterials am Zielort bzw. an der Zielposition der räumlichen Struktur, insbesondere umfassend;
- - eine Einrichtung zur selektiven Beaufschlagung des Verbundmaterials an der Zielposition mit einer Press- oder Druckkraft zur lokalen, insbesondere sukzessiven in-situ, Konsolidierung des Verbundmaterials am Zielort bzw. an der Zielposition, und
- - optional eine Einrichtung zur, beispielsweise aktiven und/oder passiven, Kühlung des Verbundmaterials am Zielort bzw. an der Zielposition, beispielsweise durch eine Gasströmung und/oder eine Flüssigkeitsströmung; und
wobei die Vorrichtung dazu hergerichtet und eingerichtet ist, die Struktur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bzw. einer Variante oder Ausgestaltung desselben, herzustellen.
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Vorteile und vorteilhafte Wirkungen der Vorrichtung ergeben sich insbesondere aus den Vorteilen der jeweiligen, verfahrensseitigen Merkmale. Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung die Herstellung räumlicher Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien. Die Vorrichtung ermöglicht des Weiteren eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung entsprechender räumlicher Strukturen. Darüber hinaus ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung die automatisierte, bei geeigneter Programmierung gar eine vollautomatisierte, Herstellung räumlicher Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien, insbesondere unter Berücksichtigung jeweils lokal erforderlicher Steifigkeits- bzw. Festigkeitsanforderungen. Insbesondere ist es mit der vorgeschlagenen Vorrichtung möglich, Strukturparameter wie beispielsweise Faserorientierung, Anzahl der Laminatla- gen, Grad der Überlappung zwischen unmittelbar benachbarten Fasergefüge-Zuschnitten usw. entsprechend den jeweiligen Anforderungen in vergleichsweise einfacher Weise umzusetzen und einzustellen.
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Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand konkreter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen
- 1 eine aus Fasergefüge-Zuschnitten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren teilweise hergestellte erste räumliche Struktur
- 2 eine teilweise hergestellte zweite räumliche Struktur aus Fasergefüge-Zuschnitten;
- 3 ein Beispiel zur automatisierten Herstellung eines Bauteils aus Fasergelege-Zuschnitten;
- 4 eine Anlage und einen möglichen Verfahrensablauf zur automatisierten Herstellung einer eines Strukturbauteils aus Fasergelege-Zuschnitten;
- 5 ein erstes Detail der Anlage nach 4;
- 6 ein zweites Detail der Anlage nach 4; und
- 7 ein Detail eines Ablage- und Greifkopfs der Anlage nach 4.
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Sofern sich aus der nachfolgenden Beschreibung nichts Gegenteiliges ergibt sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine aus Fasergefüge-Zuschnitten 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Teil bereits fertiggestellte erste räumliche Struktur 2. Entsprechend dem hierin vorgeschlagenen Verfahren wird die räumliche Struktur 2, bei welcher es sich im fertiggestellten Zustand hier beispielhaft um ein kuppelartig gewölbtes schalenartiges Strukturbauteil handelt, aus einer Vielzahl an Fasergefüge-Zuschnitten 1 sukzessive aufgebaut.
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In vorliegendem Beispiel werden die einzelnen Fasergefüge-Zuschnitte 1 nacheinander an deren jeweilige Zielposition auf einer Negativform 3 aufgelegt, wobei ein eine Matrix für den jeweiligen Faserverbund-Zuschnitt 1 bildendes Kunststoffmaterial unmittelbar nach Positionieren, sprich in-situ, an der Zielposition konsolidiert, d.h. derart behandelt wird, dass das Kunststoffmaterial ausgehärtet bzw. erstarrt ist. Bei dem Fasergefüge-Zuschnitt 1 kann es sich beispielsweise um ein sog. Prepreg handeln. Jedoch kommen auch andere, wie bereits weiter oben beschriebene Varianten in Betracht.
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Wie bei einigen explizit dargestellten Fasergefüge-Zuschnitten 1 in 1 ersichtlich ist, werden bzw. sind diese im Beispiel der 1 miteinander teilweise überlappend abgelegt bzw. angeordnet. Genauer ist jedes der Fasergefüge-Zuschnitte 1 randseitig mit unmittelbar benachbarten Fasergefüge-Zuschnitten1 randseitig überlappend angeordnet. Eine teilweise überlappende Anordnung der Fasergefüge-Zuschnitte kann insbesondere im Hinblick auf die jeweils erforderliche Festigkeit, Steifigkeit und lokal erforderliche Anzahl der Fasergefüge-Lagen gewählt werden bzw. sein.
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Der sukzessive Aufbau mit in-situ Konsolidierung der Fasergefüge-Zuschnitte 1 am Zielort bzw. Ablageort ermöglicht eine vergleichsweise einfache Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Strukturen mit jeweils, insbesondere lokal, angepassten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften.
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2 zeigt eine teilweise hergestellte zweite räumliche Struktur 4 aus Fasergefüge-Zuschnitten 1. Im Beispiel der 2 sind lediglich 2 der Fasergefüge-Zuschnitte 1 gezeigt. Die Fasergefüge-Zuschnitte 1 der zweiten räumlichen Struktur sind an einer Kante 5 eines Bauteilabschnitts eines weiteren Strukturbauteils 6 zum Zwecke der Verstärkung der Kante oder zur Verbindung zweier aneinander gelegter Einzelbauteile angeordnet. Die im fertiggestellten Zustand als Kantenverstärkung bzw. als Bauteilverbindung ausgebildete zweite räumliche Struktur 4 ist bzw. wird aus einzelnen, sukzessive aneinandergesetzten Fasergefüge-Zuschnitten 1 aufgebaut. Die Fasergefüge-Zuschnitte 1 werden, korrespondierend zu 1, mit dem lokal jeweils erforderlichen Überlapp und der jeweils erforderlichen Faserausrichtung angeordnet und am weiteren Strukturbauteil 6 positioniert, und in-situ, insbesondere unmittelbar nach Positionierung am Zielort des weiteren Strukturbauteils 6 konsolidiert.
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3 zeigt ein Beispiel zur automatisierten Herstellung eines im vorliegenden Fall eben ausgebildeten Bauteils 7 aus Fasergelege-Zuschnitten 1. Auf einer Unterlage 8, insbesondere einem Ablagewerkzeug, werden durch einen Roboter 9, genauer durch einen an einem Roboterarm 10 angebrachten Prozesskopf 11, einzelne Fasergefüge-Zuschnitte 1 an der jeweiligen Zielposition abgelegt und in-situ konsolidiert. Der Prozesskopf 11 ist derart ausgelegt, dass die Fasergefüge-Zuschnitte 1 entsprechend der jeweils zugeordneten Faserausrichtung und ggf. der jeweils erforderlichen Überlappung auf der Unterlage 8 abgelegt und konsolidiert werden können.
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Der Prozesskopf 11 kann zur Handhabung der Fasergefüge-Zuschnitte 1 eine Greifeinrichtung, insbesondere einen Sauggreifer 12, aufweisen. Ferner kann der Prozesskopf 11 so ausgebildet bzw. bestückt sein dass der jeweils abgelegte Fasergefüge-Zuschnitt 1 unmittelbar nach dem Ablegen durch den Prozesskopf 11 selbst konsolidiert werden kann. Beispielsweise kann der Prozesskopf 11 eine Heizeinrichtung, eine Kühleinrichtung und/oder andere Einrichtungen aufweisen, durch welche ein jeweils erforderlicher, insbesondere lokal erforderlicher, Konsolidierungsgrad erreicht werden kann.
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4 zeigt eine Anlage und damit verbunden einen möglichen Verfahrensablauf zur automatisierten Herstellung eines Strukturbauteils 13 aus Fasergefüge-Zuschnitten 1.
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Die Fasergefüge-Zuschnitte 1 werden in vorliegendem Beispiel durch ein Förder- oder Transportband 14 oder einer Transporteinrichtung einer Aufnahmeposition 15 zugeführt. Der Aufnahmeposition 15 vorgeschaltet ist eine Heizeinrichtung 16 angeordnet, mit welcher ein konsolidierbarer Kunststoff, mit welchem die Fasergefüge-Zuschnitte 1 imprägniert oder getränkt sind, aufgeschmolzen oder verflüssigt werden kann, was einen einleitenden Schritt für eine finale Konsolidierung der Kunststoff-Fasergefüge-Zuschnitte 1 bildet.
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Die aufgeschmolzenen bzw. verflüssigten Fasergefüge-Zuschnitte 1 werden mittels einer Sauggreifeinrichtung des Prozesskopfs 11 an der Aufnahmeposition 15 aufgenommen und mittels des Roboters 9 zur Zielposition 16 der Negativform 3, im vorliegenden Beispiel ein Ablagewerkzeug 17, abgelegt und in-situ konsolidiert. Nach sukzessivem Auflegen und Konsolidieren sämtlicher Fasergefüge-Zuschnitte 1 auf das Ablagewerkzeug 17 kann das fertige Strukturbauteil 13 vom Ablagewerkzeug 17 entnommen, und etwaigen Weiterverarbeitungsstationen zugeführt werden.
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FIG: 5 zeigt ein erstes Detail der Anlage nach 4. Konkret zeigt in 5 einen insbesondere als Greif- und Positionierkopf ausgebildeten Prozesskopf 11. Der Prozesskopf 11 umfasst im vorliegenden Beispiel einen Elastomerblock 18 aus einem Elastomermaterial. Die Fasergefüge-Zuschnitte 1 werden an einer exponierten Seite des Elastomerblocks 18 aufgenommen, an die Zielposition 16 verbracht und konsolidiert. Zur Konsolidierung wird der aufgeschmolzene bzw. verflüssigte Kunststoff-Fasergefüge-Zuschnitt 1 durch den Prozesskopf 11 mit einer zur Erreichung des jeweiligen Konsolidierungsgrads erforderlichen und ausreichenden Presskraft gegen bzw. auf das Ablagewerkzeug 17 gepresst.
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Der Vorgang des Aufpressens des Kunststoff-Fasergefüge-Zuschnitts 1 auf das Ablagewerkzeug 17 ist im Zusammenhang mit 6, welche ein zweites Detail der Anlage nach 4 zeigt, deutlicher zu erkennen. Mittels des in seiner Form elastischen Elastomerblocks 18 wird der Fasergefüge-Zuschnitt 1 auf oder gegen das Ablagewerkzeug 17 gepresst, wobei sich die am Fasergefüge-Zuschnitt 1 anliegende Druckfläche des Elastomerblocks 18 auf Grund dessen Elastizität an die jeweiligen lokalen Oberflächengegebenheiten anpasst. Auf diese Weise kann der Fasergefüge-Zuschnitt 1 über dessen ganze Fläche mit der jeweils erforderlichen Kraft beaufschlagt werden. Es zeigt sich, dass die Verwendung eines Elastomermaterials zur Druckbeaufschlagung bei der Konsolidierung des Fasergefüge-Zuschnitts 1 für eine optimale Konsolidierung von Vorteil ist. Bei nicht flexiblen Elementen zur Druckbeaufschlagung kann es u.U vorkommen, dass einzelne Stellen eines Fasergefüge-Zuschnitts 1, beispielsweise im Bereich der Überlappung benachbarter Zuschnitte, nicht gemäß dem jeweils erforderlichen Konsolidierungsgrad ausgehärtet werden.
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7 zeigt ein Detail eines Ablage- und Greifkopfs der Anlage nach 4. Zur Ausbildung des Elastomerblocks 18 in einen als Saugkopf ausgebildeten Greifkopf 11, kann dieser Saugkanäle 19 mit Saugöffnungen 20 aufweisen, an oder durch welche die Fasergefüge-Zuschnitte 1 durch eine durch Sogwirkung erzeugte Haltekraft gehalten werden können. Die Sogwirkung kann beispielsweise erzeugt werden durch einen LuftVolumenstrom durch die Saugkanäle 19. Durch Unterbrechung des Luft-Volumenstroms kann der Prozesskopf 11 kraftlos, d.h. ohne Krafteinwirkungen auf den Fasergefüge-Zuschnitt 1, vom Fasergefüge-Zuschnitt 1 entfernt werden. Die in 19 lediglich schematisch dargestellten Saugkanäle 19 sind bevorzugt derart ausgebildet, dass diese bei Ausüben der Pressung, d.h. bei Beaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts 1 mit einer Presskraft, im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Qualität der Konsolidierung haben.
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Der Elastomerblock der FIG: 7 weist des Weiteren, als solche optionale, Kühlkanäle 21 auf, durch welche ein Kühlmedium, beispielsweise Luft, ein Gas, Wasser oder eine andere Flüssigkeit, hindurchgeleitet werden kann. Durch vorsehen der Kühlkanäle 21 ist es möglich, die an der Zielposition positionierten Fasergefüge-Zuschnitte 1 aktiv bzw. gezielt zu kühlen, was beispielsweise zur raschen Erreichung des jeweiligen Konsolidierungsgrads von Vorteil sein kann.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der zwischen einer Halteschale 22 für den Elastomerblock 18 und Elastomerblock 18 befindliche Zwischenraum mit Druck beaufschlagt werden kann, so dass bei festgelegtem Prozesskopf 11 und arretiertem Roboterarm 10 eine, ggf. zusätzliche, in Richtung des Fasergefüge-Zuschnitts 1 wirkende Kraft erzeugt werden kann. Die Möglichkeit der, ggf. zusätzlichen, Erzeugung eines Drucks zur Beaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts 1 ermöglicht eine flexible Anpassung der effektiv wirkenden Druck- und Presskräfte an lokale Konsolidierungs- bzw. Aushärtungserfordernisse, insbesondere bei unveränderter Arbeits- und Bewegungsweise des Roboter- oder Greif- und Positionierarms.
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Eine weitere oder alternative Möglichkeit zur Erzeugung einer, ggf. zusätzlichen, Presskraft zur Beaufschlagung des Fasergefüge-Zuschnitts 1 ist die Erzeugung eines magnetischen Felds, durch welches der Prozesskopf 11, insbesondere der Elastomerblock 18, mit einer Kraft in Richtung des Ablagewerkzeugs 17 beaufschlagt werden kann, so dass dadurch der zwischen Ablagewerkzeug 17 und Prozesskopf 11 befindliche Fasergefüge-Zuschnitt 1 mit einer Presskraft, insbesondere zur Konsolidierung, beaufschlagt wird.
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Zur Erzeugung des Magnetfelds kann der Prozesskopf 11 beispielsweise einen Elektromagneten und dgl. aufweisen, derart, dass bei Aktivierung des Elektromagneten ein Magnetfeld erzeugt wird, durch welches der Prozesskopf 11 bei Verwendung z.B. eines paramagnetischen, insbesondere ferromagnetischen, Ablagewerkzeugs 17 oder einer paramagnetischen, insbesondere ferromagnetischen, Ablagefläche, in Richtung des Ablagewerkzeugs 17 gezogen wird, und so der Fasergefüge-Zuschnitt mit einer, ggf. zusätzlichen, Presskraft beaufschlagt werden kann. Ein Vorteil kann hier insbesondere darin gesehen werden, dass die Presskraft z.B. zusätzlich zu der durch den Prozesskopf 11 als solchen und/oder durch die Druckbeaufschlagung des Elastomerblocks 18 oder einer entsprechenden Elastomerfolie, ergänzend erzeugt und/oder flexibel zugeschaltet werden kann.
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Insgesamt ergibt sich, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung die zu Grunde liegende Aufgabe löst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fasergefüge-Zuschnitt
- 2
- erste räumliche Struktur
- 3
- Negativform
- 4
- zweite räumliche Struktur
- 5
- Kante
- 6
- weiteres Strukturbauteil
- 7
- Bauteil
- 8
- Unterlage
- 9
- Roboter
- 10
- Roboterarm
- 11
- Prozesskopf
- 12
- Sauggreifer
- 13
- Strukturbauteil
- 14
- Transportband
- 15
- Aufnahmeposition
- 16
- Heizeinrichtung
- 17
- Ablagewerkzeug
- 18
- Elastomerblock
- 19
- Saugkanal
- 20
- Saugöffnung
- 21
- Kühlkanal
- 22
- Halteschale