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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Legefehlern an einer Faserpreform, die aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes aufweisend das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial gebildet ist, mittels einer Detektionseinrichtung. Die Erfindung betrifft ebenso eine Detektionseinrichtung hierzu.
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Aufgrund der besonders vorteilhaften Eigenschaft, bei einem sehr geringen Gewicht eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit aufzuweisen, werden Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, mittlerweile in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich sind derartige Werkstoffe kaum mehr wegzudenken, da sie insbesondere im Hinblick auf den Leichtbau optimale Anpassungen bieten.
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So werden heutzutage nicht selten strukturkritische Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt und eingesetzt, wie beispielsweise Strömungskörper (Flügel) oder Rumpfschalen von Flugzeugen. Aber auch im Automobilbereich werden vermehrt Faserverbundbauteile eingesetzt, da die entstehenden Gewichtseinsparungen meist proportional zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen.
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Dabei gibt es die Bestrebung, Faserverbundbauteile in der Serienproduktion prozess- und qualitätssicher herstellen zu können. Ein wichtiges Kriterium hierbei ist es, den Herstellungsprozess prozess- und qualitätssicher zu gestalten und insbesondere die einzelnen Herstellungsschritte lückenlos und sicher überwachen zu können. Nur so kann gewährleistet werden, dass fehlerhafte Bauteile sicher und effizient während des Herstellungsprozesses so früh wie möglich erkannt werden. Denn je früher ein defektes Bauteil im gesamten Herstellungsprozess erkannt wurde, desto weniger Ressourcen werden unnötigerweise für dessen Fertigstellung aufgewendet. Dies verringert letztendlich die Kosten pro Bauteil und fördert so die Akzeptanz im industriellen Anwendungsbereich.
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Zur Überwachung des Herstellungsprozesses bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils werden in der Praxis beispielsweise Ultraschallsensoren eingesetzt, um so bauteilbezogene bzw. prozessbezogene Parameter erfassen zu können. Allerdings lassen sich in der Regel mithilfe von Ultraschallsensoren die bei der automatisierten Ablage von Fasermaterial entstehenden Faserlegefehler nicht prozesssicher ermitteln. Eine solche automatisierte Ablage ist beispielsweise aus der (10 2010 015 027.4-16) bekannt.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2013 108 568 A1 zum Überwachen des Herstellungsprozesses ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Bauteildicke bekannt, bei dem mithilfe eines ortsfesten Laser-Abstands-Sensor der Abstand zwischen dem Sensor und dem Formwerkzeug bzw. der Bauteiloberfläche ermittelt wird. Anschließend wird unter Differenzbildung des Abstandes zwischen Sensor und Formwerkzeug sowie Sensor und Bauteiloberfläche die eigentliche Bauteildicke lokal an einer bestimmten Position ermittelt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass dieses Verfahren lediglich an diskreten Positionen und lokal begrenzt die Bauteildicke angeben kann.
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Insbesondere bei der Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen (beispielsweise Multimegawatt-Anlagen) sind Kenntnisse der fertigungsbedingten Abweichungen für eine korrekte und hinreichend genaue Beschreibung des Anlagenverhaltens unabdingbar. Eine valide Modellierung und Optimierung hinsichtlich der Aerodynamik, des Strukturverhaltens sowie des Designs kann nur mit real gemessenen Parametern durchgeführt werden. Bereits beim automatisierten oder manuellen Ablegen des Fasermaterials in der Werkzeugform entstehenden Legefehler, die sich von Lage zu Lage auf summieren. Diese Fehler sind jedoch bei der Fertigung ohne entsprechende Messtechnik kaum zu erkennen.
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Naturbedingt zeigt sich meist erst gegen Ende der Herstellung der Faserpreform der Faserlegefehler, wenn dieser durch Aufsummieren auch für das menschliche Auge klar erkennbar wird. In diesem Fall müsste der Lagenaufbau wieder zurückgebaut werden. Ebenso häufig kommt es in der Praxis vor, dass der Legefehler erst nach der Harz Infusion und/oder nach der Aushärtung ersichtlich wird, sodass entschieden werden muss, ob hier eine Nachbearbeitung sinnvoll ist oder ob das Bauteil ausgesondert werden muss.
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Diese Problematik führt letztlich zu einem langwierigen und kostenintensiven Herstellungsprozess insbesondere bei großskaligen Strukturbauteilen wie beispielsweise Rotorblättern und kann im schlechtesten Fall die Vorteile der Faserverbundwerkstoffe zunichtemachen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit der sich Legefehler an einer Faserpreform insbesondere während der Herstellung der Faserpreform und insbesondere nach jeder abgelegten Faserlage prozesssicher detektieren lassen, um so rechtzeitig vor dem Aufsummieren des Fehlers eingreifen zu können.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zum Detektieren von Legefehlern gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Detektieren von Legefehlern an einer Faserpreform beansprucht, wobei die Faserpreform aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist bzw. wird. Der Faserverbundwerkstoff weist dabei gattungsgemäß das Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial auf. Der Faserverbundwerkstoff kann dabei so bereitgestellt werden, dass das Fasermaterial und das Matrixmaterial getrennt vorliegen und nach der Herstellung der Faserpreform das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert wird (sogenanntes trockenes Fasermaterial, welches in einem späteren Infusionsprozess mit dem Matrixmaterial infundiert wird). Denkbar ist aber auch, dass der Faserverbundwerkstoff so bereitgestellt wird, dass das Matrixmaterial bereits das Fasermaterial zumindest teilweise vorimprägniert (sogenannte Prepregs, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial vorimprägniert ist). Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich dabei sowohl trockene Fasermaterialien als auch vorimprägnierte Fasermaterialien.
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Zunächst wird eine Messvorrichtung der Detektionseinrichtung bereitgestellt, die wenigstens einen Linien-Abstands-Sensor hat, der an einer Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Linien-Abstands-Sensors angeordnet ist. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Laserlinien-Abstands-Sensor sein. Der Sensor ermittelt dabei hochgenau (mit einer Genauigkeit von weniger als einem Zehntel Millimeter) den Abstand zwischen dem Sensor bzw. der Bewegungseinrichtung und der Fasermaterialoberfläche.
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Es wird eine Faserpreform erstellt, die aus dem Fasermaterial des bereitgestellten Faserverbundwerkstoffes gebildet wird, indem das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes lagenweise in ein Formwerkzeug eingebracht wird. Die so erstellten Faserpreform weist dabei mindestens zwei Faserlagen auf. Das bedeutet, dass mindestens eine Faserlage, nämlich die obere Faserlage, auf eine bereits in dem Formwerkzeug befindliche untere Faserlage abgelegt wurde. Das Erstellen der Faserpreform kann dabei manuell oder automatisch mithilfe einer Faserlegevorrichtung erfolgen. Für das Erstellen der Faserpreform können dabei trockene oder vorimprägnierte Fasermaterialien verwendet werden.
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Mittels der Messvorrichtung der Detektionseinrichtung wird nun ein Messdurchgang durchgeführt, indem die Fasermaterialoberfläche der erstellten Faserpreform (gebildet durch die zuletzt eingebrachte Faserlage) mittels der bereitgestellten Messvorrichtung erfasst wird. Dabei wird für eine Vielzahl von Messpunkten auf der Fasermaterialoberfläche jeweils mindestens eine Abstandsinformation mithilfe des Linien-Abstands-Sensors ermittelt und vorzugsweise in einem Datenspeicher hinterlegt bzw. zwischengespeichert.
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Insbesondere nach der Durchführung des Messdurchgangs, möglicherweise aber auch schon während dessen, wird mittels einer Auswerteeinheit der Detektionseinrichtung dann ein Legefehler an der zuvor erstellten Faserpreform in Abhängigkeit von den ermittelten Abstandsinformationen ermittelt bzw. detektiert, sofern einer vorhanden ist.
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Es hat sich gezeigt, dass insbesondere ohne einen vorherigen Referenzscan bzw. Referenzmessung der Fasermaterialoberfläche es möglich ist, aus den erfassten Abstandsinformationen festzustellen, ob die so erstellten Faserpreform einen Legefehler aufweist oder nicht. Denn auch ohne die Ermittlung der Bauteildicke kann durch das Identifizieren von Unregelmäßigkeiten in den Abstandsinformationen über die gesamte Fläche des Bauteils hinweg das Vorhandensein von Legefehlern festgestellt werden.
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Damit gibt die technische Lehre der vorliegenden Erfindung eine einfache und schnelle Möglichkeit an, Faserlegefehler an erstellten Faserpreformen oder während der Herstellung von Faserpreformen festzustellen, die prozesssicher auch bei der automatisierten Faserablage durchführbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Legefehler an der erstellten Faserpreform durch Vergleich der ermittelten Abstandsinformationen untereinander detektiert wird. Durch Vergleichen der ermittelten Abstandsinformationen untereinander, insbesondere unter Berücksichtigung der Ortsreferenz einer jeden Abstandsinformation, können statistisch signifikante Unregelmäßigkeiten festgestellt werden. Hierfür können die Abstandsinformationen mittels eines statistischen Verfahrens miteinander verglichen werden, um so Abweichungen von einem regelmäßigen Verlauf der Fasermaterialoberfläche feststellen zu können.
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Demgemäß ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass eine statistische Abweichung oder Unregelmäßigkeit der ermittelten Abstandsinformationen berechnet und ein Legefehler an der erstellten Faserpreform in Abhängigkeit von der berechneten Abweichung oder Unregelmäßigkeit detektiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Legefehler in Abhängigkeit von den ermittelten Abstandsinformationen weiterhin unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Bauteilform oder eines Bauteilmodells ermittelt wird. Hierdurch können formbedingte Abweichungen, wie beispielsweise Aufdickungen, als regelmäßiger Bauteilverlauf identifiziert werden und nicht als Unregelmäßigkeit im Sinne eines Legefehlers. Formbedingte Abweichungen, die sich aus der Analyse der Abstandsinformationen ergeben, führen demnach nicht zu einer Detektion eines Legefehlers.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Messvorrichtung derart bereitgestellt wird, dass der wenigstens eine Linien-Abstands-Sensor ein Laserlinien-Abstands-Sensor ist, wobei Abstandsinformationen durch eine auf die Faserpreform emittierte Laserlinie ermittelt werden. Hierdurch wird es möglich, auf der gesamten flächigen Fasermaterialoberfläche ein zweidimensionales Messfeld zu erzeugen, sodass jeder Abstandsinformation eine zweidimensionale Ortsreferenz erhält.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf ein erstes Erfassen der Fasermaterialoberfläche wenigstens ein zweites Erfassen der Fasermaterialoberfläche durchgeführt wird, nachdem im Anschluss an das erste Erfassen der Fasermaterialoberfläche mindestens eine weitere Faserlage des Fasermaterials in das Formwerkzeug eingebracht wird. Das wenigstens eine zweite Erfassen der Fasermaterialoberfläche erfolgt dabei auf der Basis der eingebrachten weiteren Faserlage des Fasermaterials, sodass für verschiedene Faserlagen jeweils ein Messdurchgang durchgeführt wird. Durch Vergleich der Messdaten der verschiedenen Messdurchgänge kann dann ebenfalls auf ein Faserlegefehler geschlossen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Legefehler in Abhängigkeit von den Abstandsinformationen des ersten Erfassens der Fasermaterialoberfläche und den Abstandsinformationen des wenigstens zweiten Erfassens der Fasermaterialoberfläche detektiert wird. So ist es denkbar, dass nach dem ersten Erfassen der Fasermaterialoberfläche Bereiche identifiziert werden, in denen Legefehler vermutet werden, jedoch die Unterschiede bzw. Unregelmäßigkeiten noch nicht so stark ausgeprägt sind, das mit Sicherheit auf einen Legefehler geschlossen werden kann. Nach dem zweiten Erfassen der Fasermaterialoberfläche können diese Bereiche dann noch einmal untersucht werden, wobei bei einem tatsächlichen Legefehler sich dieser Fehler möglicherweise weiter summiert und so erst in einem zweiten oder weiteren Messdurchgang dann mit Sicherheit auf einen Legefehler geschlossen werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine mobile Messeinrichtung bereitgestellt wird, die nach dem Erstellen der Faserpreform an dieser angeordnet wird. Hierdurch wird es möglich, dass beispielsweise nach jedem Ablegen einer Faserlage die mobile Messeinrichtung an der Faserpreform angeordnet und dann ein Messdurchgang durchgeführt wird. Da die Messeinrichtung mobil ist, kann sie nach dem Durchführen des Messdurchgangs wieder von der Faserpreform entfernt werden, sodass der für das Einbringen des Fasermaterials notwendige Platz geschaffen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist es denkbar, dass eine mobile Messeinrichtung bereitgestellt wird, deren Bewegungseinrichtung zum Befahren der Fasermaterialoberfläche ausgebildet ist, wobei die Messeinrichtung zum Erfassen der Fasermaterialoberfläche diese auf einer vorgegebenen Trajektorie befährt und dabei die Abstandsinformationen ermittelt. Die Bewegungseinrichtung weist hierzu kontaktbehaftete Fortbewegungselemente (beispielsweise Räder) auf, mit denen die Messeinrichtung kontaktbehaftet auf der Fasermaterialoberfläche insbesondere autark und autonom bewegt wird. Hierdurch kann die gesamte Fasermaterialoberfläche abgefahren und die Abstandsinformationen entsprechend ermittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass bei einem ausreichend großen Radabstand und einem in etwa mittig angeordneten Sensor immer noch hinreichend genau Abstandsinformationen ermittelt werden können, aus denen auf Faserlegefehler gemäß der vorliegenden technischen Lehre geschlossen werden können.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Detektionseinrichtung gemäß Anspruch 10 erfindungsgemäß gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung;
- 2 schematische Darstellung einer Faserpreform mit Faserlegefehler.
- 3 schematische Darstellung einer mobilen Detektionseinrichtung in einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung die erfindungsgemäße Detektionseinrichtung 10, mit der Legefehler an einer Faserpreform 100 detektiert werden sollen. Die Faserpreform 100 wurde dabei aus zumindest zwei Faserlagen 110 aus einem Fasermaterial 120 gebildet. Hierfür wurde zuvor lagenweise das Fasermaterial 120 in ein Formwerkzeug 200 auf eine dafür vorgesehene formgebende Werkzeugoberfläche eingebracht. Die Faserpreform 100 muss dabei nicht zwangsläufig fertig aufgebaut sein, sondern es kann sich auch um einen Zwischenschritt handeln, sodass nach dem Messdurchgang weitere Faserlagen 110 auf die bereits bestehende Faserpreform 100 aufgelegt werden.
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Die Detektionseinrichtung 10 weist eine Bewegungseinrichtung 12 auf, die im Ausführungsbeispiel der 1 einen Tragarm 14 hat, an dem eine Messvorrichtung 16 mit einem Linien-Abstands-Sensor 18 angeordnet ist. Der tragbaren 14 ist dabei Bestandteil der Bewegungseinrichtung 12 und so ausgebildet, dass diese mit der Messvorrichtung 16 derart zusammenwirkt, dass die Messvorrichtung 16 zusammen mit dem Linien-Abstands-Sensor 18 gegenüber der Faserpreform 100 relativ bewegbar ist. Dabei ist die Detektionseinrichtung 10 zusammen mit der Bewegungseinrichtung 12 derart ausgebildet, dass vorzugsweise die gesamte Fasermaterialoberfläche 130 der Faserpreform 100 durch den Linien-Abstands-Sensor 18 erfasst und gescannt werden kann.
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Der Linien-Abstands-Sensor 18 ist dabei so ausgebildet, dass auf die Fasermaterialoberfläche 130 eine Messlinie 20 gebildet wird, auf der eine Vielzahl von Messpunkten liegen, für die jeweils eine Abstandsinformation zwischen der Fasermaterialoberfläche 130 und dem Linien-Abstands-Sensor 18 ermittelbar sind. Durch Bewegen der Messvorrichtung 16 gegenüber der Fasermaterialoberfläche 130 wird dabei die Messlinie 20 mit den Messpunkten hinsichtlich der Position auf der Fasermaterialoberfläche 130 verändert, sodass hierdurch eine Vielzahl von Messpunkten auf der gesamten Fasermaterialoberfläche 130 generiert werden können.
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Die so ermittelten Messwerte, die Abstandsinformationen, werden dann an eine Auswerteeinheit 22 weitergeleitet, die ausgebildet ist, basierend auf den ermittelten Abstandsinformationen einen Legefehler an der erstellten Faserpreform 100 zu detektieren. Die Messwerte bzw. Abstandsinformationen und/oder die ermittelten Legefehler können zusammen mit weiteren Informationen, wie beispielsweise einer Ortsreferenz, in einem Datenspeicher 24 hinterlegt werden.
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Die Detektionseinrichtung 10 ist im Ausführungsbeispiel der 1 beweglich derart ausgebildet, dass sie in den Bereich des Formwerkzeuges 200 gebracht und von dort auch wieder entfernt werden kann, nachdem der Messdurchgang durchgeführt wurde. Hierdurch wird es möglich, genügend Platz für das Erstellen der Faserpreform bereitzustellen und gleichzeitig ein automatisiertes, prozesssicher Detektieren von Faserlegefehler zu gewährleisten.
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In dem Datenspeicher 24 können des Weiteren auch Informationen bezüglich der Bauteilform oder ein Bauteilmodell hinterlegt werden, welches zur Analyse der Abstandsinformationen an die Auswerteeinheit 22 übertragen wird. Basierend auf dem Bauteilmodell und der sich daraus ergebenden Bauteilform kann dann bei einer festgestellten Unregelmäßigkeiten oder Abweichung sichergestellt werden, dass sich diese Unregelmäßigkeit auf einen Legefehler bezieht und nicht auf einer gewünschte Bauteilform.
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Die Detektionseinrichtung 100 ist im Ausführungsbeispiel der 1 des Weiteren so ausgebildet, dass die Bewegungseinrichtung 12 und/oder der Tragarm 14 nicht nur eine Bewegung der Messvorrichtung 16 quer, d.h. in X-Richtung, zur Faserpreform 100 zulässt, sondern auch in Y-Richtung (aus der Betrachtungsebene heraus). Hierdurch lässt sich das gesamte flächige Bauteil erfassen.
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2 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine Faserpreform 100 mit einem Legefehler 140. Im Bereich 140 entstehen dabei Unregelmäßigkeiten auf der Fasermaterialoberfläche 130 derart, dass sie sich aus den ermittelten Abstandsinformationen detektieren lassen. Ein solcher Legefehler 140 kann beispielsweise dadurch geschehen, dass in einer der unteren Faserlagen das Fasermaterial nicht auf Kante gelegt wurde, sondern versehentlich überlappend, sodass hier eine Erhöhung entsteht.
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3 zeigt schließlich eine Ausführungsform, bei der die Detektionseinrichtung 10 mithilfe ihrer Bewegungseinrichtung 12 vollständig autark und autonom agiert und so ausgebildet ist, dass er die Fasermaterialoberfläche 130 der Faserpreform 100 mithilfe ihrer Bewegungseinrichtung 12 kontaktbehaftet befahren kann. Hierdurch wird es möglich, nachdem Erstellen der Faserpreform 100 die mobile Detektionseinrichtung 10 auf die Fasermaterialoberfläche 130 der Faserpreform 100 zu stellen, sodass die mobile Detektionseinrichtung 10 die Oberfläche 130 befährt und dabei die Abstandsinformationen aufzeichnet.
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Dabei es ist denkbar, dass auch eine Mehrzahl von mobilen Detektionseinrichtungen 10 gleichzeitig im Einsatz sind. Hierdurch lässt sich die Detektionsgeschwindigkeit verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Detektionseinrichtung
- 12
- Bewegungseinrichtung
- 14
- Tragarm der Bewegungseinrichtung
- 16
- Messvorrichtung
- 18
- Linien-Abstands-Sensor
- 20
- Messlinie
- 22
- Auswerteeinheit
- 24
- Datenspeicher
- 100
- Faserpreform
- 110
- Faserlagen
- 120
- Fasermaterial
- 130
- Fasermaterialoberfläche
- 140
- Faserlegefehler
- 200
- Formwerkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013108568 A1 [0006]