Innovative Automatisierungslösung zur Composite-Serienfertigung

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Composite Preforming Cell
Innovative Automatisierungslösung zur
Composite-Serienfertigung
Aus wirtschaftlichen Gründen versuchen vor allem Luftfahrzeug- und Automobilhersteller,
Composite-Bauteile zukünftig im RTM-Verfahren herzustellen. Hierbei wird ein Bauteil zunächst
im sogenannten Preforming-Prozess aus trockenen Faserverbundwerkstoffen aufgebaut,
bevor es dann in ein RTM-Werkzeug gelegt, mit Harz infiltriert und schließlich ausgehärtet
wird. Speziell für die Preforming-Prozesse entwickelt die Firma Broetje-Automation industriefähige
Produktlösungen.
Zur Demonstration einer Serienfertigung für Composite-Bauteile
stellte Broetje-Automation auf der diesjährigen JEC Composites
in Paris erstmals eine vollautomatisierte Preformingzelle
vor, Bild 1. Diese Anlage wurde im Ende 2012 neu eröffneten Technology-Center
der Broetje-Automation in Jaderberg aufgebaut und
kann den gesamten Preforming-Prozess für ein komplexes Composite-Bauteil
auf Serienfertigungsniveau abbilden. Als konkretes Ziel
stehen Luftfahrtbauteile, unter anderem Spante und Stringer, im Fokus,
die als Versteifungskomponenten in großer Stückzahl für moderne
Verkehrsflugzeuge benötigt und mit dem neuen Verfahren
deutlich effizienter und über 30 % kostengünstiger als bisher produziert
werden können. Aber auch komplexe Holm-Strukturen lassen
sich auf diese Weise zukünftig fertigen. Darüber hinaus sind die
in der Preformingzelle integrierten Technologieträger auch dazu geeignet,
Composite-Bauteile für Karosserieteile in der Automotive-Industrie
herzustellen.
COMPOSITE PREFORMING CELL
Das Technology-Center der Broetje-Automation entwickelt – von der
Optimierung einer technischen Einzelaufgabe bis hin zur Entwicklung
»Die in der Composite Preforming Cell integrierten
Anlagentechniken erlauben die Fertigung eines großen
Spektrums an unterschiedlichen Bauteilgeometrien.«
Dipl.-Ing. Raphael Reinhold ist Product Manager Composites bei der Broetje-Automation GmbH in
Wiefelstede.
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und Realisierung völlig neuartiger Anlagentechnologien – Lösungen
für die gesamte Unternehmensgruppe. Mit der Composite Preforming
Cell (CPC) kann erstmals die serientaugliche Herstellung eines komplexen
und endkonturnahen Preforms zur Composite-Bauteilfertigung im
RTM-Verfahren für große Stückzahlen demonstriert werden.
Innerhalb dieser Roboterzelle sind zahlreiche selbst entwickelte und
zum Patent angemeldete Anwendungslösungen zu einem vollautomatisierten
Gesamtsystem integriert worden. Folgende Produktentwicklungen
kommen zum Einsatz:
● CCPS – Continuous Composite Preforming System
● CDS – Composite Draping System
● CHS – Composite Handling System
● CTS – Composite Trimming System.
Der Prozessablauf innerhalb der Composite Preforming Cell wird von
einer übergeordneten Steuerung koordiniert und im Folgenden detailliert
erläutert.
PROZESSABLAUF
Die CPC ermöglicht die vollautomatisierte Herstellung von 3D-geformten
und gekrümmten Composite-Preforms, wie sie für Spante
von modernen Verkehrsflugzeugen benötigt werden. Derzeit können
solche Bauteile nur in einem sehr zeitintensiven, sequentiellen
Handarbeits- beziehungsweise halbautomatisierten Verfahren gefertigt
werden. Die textilen Fasermaterial-Halbzeuge, aus denen sich die
Zielbauteile schichtweise aufbauen, durchlaufen dabei einen mehrstufigen
Preforming-Prozess. Die in der Composite Preforming Cell
integrierten Anlagentechniken erlauben die Fertigung eines großen
Spektrums an unterschiedlichen Bauteil-Geometrien, da die Einzelanlagen
eine breite Konfigurationsvielfalt und Universalität besitzen.
Als ein erstes Zielbauteil für die Funktionsdemonstration der
Composite Preforming Cell wurde ein komplexes Z-Profil gewählt.
Die Erzeugung dieses Profils umfasst alle Schritte, beginnend
mit dem Formen eines kontinuierlich hergestellten Vor-Profils
mit noch geringer Komplexität, einen zweiten Umformprozess
zur Erzeugung der komplexen Bauteilgeometrie bis zum exakten
Besäumen des Preforms zur Schaffung der endgeometrienahen
Kontur des fertigen Profil-Preforms für den anschließenden
Harzinjektions- und Aushärtevorgang. Die Harzinjektion und Aushärtung
findet in einem Spezial-Werkzeug statt, wobei der Funktionsumfang
der hier vorgestellten Roboterzelle mit dem automatischen
Einlegen des endkonturnahen Preforms in das Aushärte-Werkzeug
endet.
Die Erweiterung der Composite Preforming Cell hin zur dann sogenannten
Composite Part Production Cell (CPPC) mit integrierter
RTM-Technologie zur Fertigung ausgehärter Bauteile ist für das dritte
Quartal 2013 geplant.
Im Folgenden wird der stufenweise Preforming-Prozess zur Erzeugung
des Zielbauteils anlagenweise dargestellt.
BILD 1 Vollautomatisierte Composite Preforming Cell (alle Bilder: Broetje-Automation)
BILD 2 Vollautomatisierte Composite Preforming Cell
CCPS - Continuous Composite Preforming System:
In der ersten Teil-Anlagentechnologie, dem Continuous Composite
Preforming System (CCPS), wird das z-förmige Zielbauteil-Profil
aus ebenen, aufgespulten Trockenfaser-Halbzeugen
erzeugt, die in einem kontinuierlichen Prozess gefördert, verbunden,
umgeformt und als Vor-Profil auf Bauteillänge getrennt
werden, Bild 2.
Die Entwicklung des CCPS startete 2007 im Rahmen eines vom
BMWi geförderten Projekts des Luftfahrtforschungsprogramms in
enger Zusammenarbeit mit der Airbus Operations GmbH, der CTC
GmbH Stade sowie dem Faserinstitut Bremen (FIBRE). Die Technologie
zeichnet sich dadurch aus, dass erstmals stark gekrümmte
Preforms für Composite-Profile hochautomatisiert bei einer hohen
Prozessgeschwindigkeit gefertigt werden können. Diese derzeit
einzigartige Automatisierungslösung für die Composite-Bauteilfertigung
wurde mit dem international bedeutenden JEC Innovations
Award 2011 ausgezeichnet.
3/2013 lightweightdesign

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Das Composite Handling System, Bild 3, ist mit verschieblichen Vakuumgreifern
ausgestattet, sodass der Greifer an verschiedene Krümmungsradien
von Profil-Subpreforms angepasst werden kann. Über
die integrierte Einzelsaugersteuerung ist eine automatisierte Adaption
des CHS an variable Profillängen möglich. Das CHS ist in zahlreichen
Varianten für den Einsatz im 2D- und 3D-Bereich erhältlich,
aber auch als modulare Version für den Einsatz bei stark variierenden
Bauteilgrößen im Handlingprozess.
BILD 3 Composite Handling System (CHS) positioniert Subpreform auf Preform-
Werkzeug des Composite Draping Systems (CDS)
BILD 4 Composite Draping System während des Umform-Prozesses
Im Ergebnis wird mit dem Continuous Composite Preforming System
innerhalb der CPC-Roboterzelle ein konstant gekrümmtes Z-Profil-Subpreform
mit unveränderlichem Profil-Querschnitt kontinuierlich
hergestellt.
CHS – Composite Handling System:
Das Roboter-geführte Composite Handling System (CHS) transferiert
die Profil-Subpreforms aus dem Continuous Composite
Preforming System (CCPS) nach ihrem Abtrennen von der Ablageposition
des CCPS direkt in das Preform-Werkzeug. Dieses befindet
sich auf dem Transporttisch des Composite Draping Systems
(CDS), wo das noch vergleichsweise einfach vorgeformte
Subpreform aus dem CCPS zu einem komplexeren Preform
weiter umgeformt wird. Auf den CDS-Prozess wird später noch
eingegangen.
CDS – Composite Draping System:
Das Composite Draping System (CDS) dient zum einen zur Kompaktierung
des Lagenaufbaus sowie zum Drapieren der zu produzierenden
Preforms an das komplexe Preform-Werkzeug. Die Umformhaube
des CDS kann in Höhenrichtung verfahren werden und
besteht aus einem Rahmen, einer darin fest eingespannten hochelastischen
Membran und Infrarot-Heizelementen zur thermischen
Aktivierung der auf den Faserverbund-Halbzeugen befindlichen Bebinderung.
Mithilfe der verwendeten Bindertechnologie wird eine
prozess sichere Fixierung der Preforms gewährleistet.
Der Transporttisch besitzt einen Vakuumtisch als Oberfläche. Dieser
Vakuumtisch ist partitioniert, sodass der Evakuierungsbereich an
die Bauteilgröße angepasst werden kann. Dadurch können der Einsatz
der integrierten Vakuumpumpe optimiert und eine höhere Betriebskosteneffizienz
erreicht werden. Der schienengeführte Transporttisch
wird automatisch verfahren.
Der Fertigungsprozess mit dem Composite Draping System zur Umformung
des aus dem CCPS kommenden einfachen Subpreform
zum komplexen Preform verläuft wie folgt:
● Das Subpreform wird auf dem Preform-Werkzeug mit dem Composite
Handling System positioniert und über Vakuum fixiert, Bild 3.
● Der Vakuumtisch mit dem Preform-Werkzeug wird automatisch
unter die Haube des CDS verfahren und dort positioniert.
● Die Umformhaube wird auf den Vakuumtisch abgesenkt und die
Drapiermembran dehnt sich über das Preform-Werkzeug.
● Der Raum unter der Drapiermembran wird evakuiert und die IR-
Heizelemente werden eingeschaltet. Das Subpreform wird über das
Preform-Werkzeug drapiert, Bild 4.
● Der Vakuumtisch wird belüftet, die IR-Heizelemente werden abgeschaltet
und die Umformhaube wird angehoben.
● Der Vakuumtisch mit dem Preform auf dem Preform-Werkzeug
wird automatisch zurück vor das CDS verfahren.
Das Preform besitzt nun die komplexe Geometrie, die durch das Preform-Werkzeug
vorgegeben wird. Im abschließenden Prozessschritt
wird es auf nahe Endkontur besäumt. Dazu dient das Composite
Trimming System.
CTS – Composite Trimming System:
Das ebenfalls Roboter-geführte Composite Trimming System, Bild 5, basiert
auf der Verwendung der Ultraschall-Technologie. Das verwendete
Schneidwerkzeug wird über eine Sonotrode in eine hochfrequente
Schwingung versetzt, was den Schneidprozess ermöglicht.
Die entstehenden Schnittstäube werden mittels eines geeigneten
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System vom Preform-Werkzeug entnommen und in das bereitgestellte
Aushärtewerkzeug eingelegt.
Durch die Passgenauigkeit des Preforms wird ein hohes Maß an Prozessstabilität
während der Harzinjektion erreicht. Außerdem kann dadurch
erreicht werden, dass ein nachgelagerter Fräsprozess des ausgehärteten
Bauteils sowie ein in der Luftfahrtindustrie oft gebräuchlicher
Prozess der abschließenden Kantenversiegelung überflüssig
wird. Dies kann im Ergebnis zu deutlich reduzierten Bauteil-Herstellkosten
führen.
Damit ist der mehrstufige Preforming-Prozess zur vollautomatisierten
Herstellung eines komplexen Composite-Preforms mithilfe der
Composite Preforming Cell (CPC) vollendet. Parallel hat bereits die
Fertigung des nächsten Preforms begonnen.
BILD 5 Composite Trimming System
Absaugsystems vakuumtechnisch abgeführt. Der Trimming-Prozess
findet am komplexen Preform final auf dem Preform-Werkzeug statt.
Der Trimming-Pfad wird über eine spezielle Steuerungssoftware generiert.
Danach verfügt das Preform über eine endkonturnahe Geometrie
und kann passgenau in ein Aushärtewerkzeug, wie zum Beispiel ein
RTM-Werkzeug, überführt werden. Das Preform wird also – analog
zum Subpreform-Transfer vom CCPS zum CDS – nach einem automatischen
Werkzeugwechsel wieder mit dem Composite Handling
ZUSAMMENFASSUNG
Mit der vollautomatisierten Composite Preforming Cell können komplexe
Composite-Preform-Strukturen auf Serienfertigungsniveau
hergestellt werden. Dabei eröffnet die Komposition modernster
Composite-Fertigungstechnologien innerhalb dieser Roboterzelle
ein sehr hohes Potenzial, die Bauteil-Herstellkosten zukünftig gegenüber
denjenigen bei derzeitig im Einsatz befindlichen Fertigungsverfahren
entstehenden Kosten signifikant zu reduzieren. ●
Der Autor:
DIPL.-ING. RAPHAEL REINHOLD ist Product Manager Composites
bei der Broetje-Automation GmbH in Wiefelstede.
Sika Automotive
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3/2013 lightweightdesign
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