Automated Composites Manufacturing

Flexible und intelligente Herstellung von Composite-Bauteilen mit Fertigungsroboter

Automated Composites Manufacturing

Faserverstärkte Kunststoffe finden heute in der Luft- und Raumfahrt, sowie der Automobilindustrie eine zunehmende Verwendung. Sie bieten sehr gute Festigkeitswerte bei einem geringen Eigengewicht. Primär werden sie für Anwendungen eingesetzt bei denen die Gewichtsersparnis im Vordergrund steht. Die manuelle Fertigung faserverstärkter Bauteile ist zeitaufwändig und erfordert viele einzelne Schritte.

Auf der Suche nach Möglichkeiten, eine automatisierte Verarbeitung bei hohen Bauteilqualitäten zu realisieren, wurden verschiedene neue Fertigungsverfahren entwickelt. Diese sind jeweils auf einen konkreten Anwendungsfall ausgelegt und beschränkt.

Hohe Bauteilqualität durch automatisierte Fertigung von Faserverbund-Bauteilen
Mit Hilfe eines digitalen Modells des zu fertigenden Bauteils wird das entsprechende Roboterprogramm offline generiert. Dieses kann im Anschluss direkt in die Fertigung übertragen werden. Das Unternehmen SWMS Systemtechnik hat sich mit der Entwicklung einer Software zur Programmierung und Simulation solcher Tape-Bahnen beschäftigt.

Faserverstärkte Kunststoffe

Ein Faserverbund-Kunststoff (FVK) ist ein Material, welches aus einer Matrix und endlosen Verstärkungsfasern besteht. Die Matrix,  also ein Kunststoff in dem die Kohlefasern eingebettet sind, bildet hierbei das Grundgerüst. Sie besteht aus einem Polymer (chemischer Stoff). Als Fasermaterial werden in der Regel Glas, Aramid oder Kohlenstoff gewählt.

Tapelegen

Beim Tapelegen (engl. Tape Laying) wird ein mit unidirektionalen Fasern verstärktes Tape auf Schmelztemperatur aufgeheizt und unter Druck mit Hilfe einer Rolle auf einer nachzubildenden Fläche abgelegt. Tapelegen eignet sich besonders für große Bauteile mit leichten Krümmungen und bietet in einer kleinen bis mittleren Seriengröße ein hohes Potenzial hinsichtlich einer vollautomatisierten Produktfertigung, somit können zum Beispiel komplexe Laminataufbauten realisiert werden. Es besteht die Möglichkeit, die Ausrichtung der Tapes an die Anforderungen des jeweiligen Bauteils anzupassen. Damit bietet das Tapelegen ein hohes Potential für den Einsatz im Leichtbau.

Vorteile der automatisierten Pfadgenerierung

Visuelle Prozesssimulation

Eine Softwareplattform
Import aller gängigen CAD-Dateiformate
Kollisionserkennung
Zeitersparnis durch Automatisierung
Offline Simulation
"Sie können Dinge tun, die einzigartig sind und die mit keiner anderen Technik möglich sind"
(Suong Van Hoa, Professor an der Concordia University in Montreal)

Steering

Als Steering wird das Abweichen einer CFK-Bahn von einer Geraden bezeichnet. Die Folge ist das Auftreten von Spannungen in einer Bahn des Kohlenstofffaserverbund-werkstoffes. Diese entstehen durch unterschiedliche Längen der Randkonturen, die an Radien auftreten. In der folgenden Abbildung ist das Steering einer CFK-Bahn veranschaulicht. Die innere Kontur ist kürzer als die äußere. Dadurch entstehen Spannungen in der CFK-Bahn. Steering tritt immer an nicht geodätischen Faserverläufen oder beim Ablegen auf nicht ebenen Flächen auf. 

Gaps/Overlaps

Bei dem Legen der Course (Verbund aus mehreren, gleichzeitig abgelegten CFK-Bahnen) können verschiedene Arten von Lücken, auch Gaps genannt, entstehen. Da die Fläche auf die die Courses gelegt werden nicht eben ist, können parallele Gaps zwischen zwei Courses entstehen, die sich nicht schneiden. Beim Schneiden eines Course mit einem anderen, um z.B. innerhalb der maximalen Winkelabweichung zu bleiben, entstehen durch die Geometrie der CFK-Bahnen dreieckige Gaps. Den Gegensatz zu den Gaps bilden die Overlaps, also die Überlagerung der Bahnen.

Ply

Die Strukturbauteile werden aus mehreren Lagen des Werkstoffes hergestellt, welche auch als Plies bezeichnet werden. Eine Lage des CFK-Werkstoffes wird auch Ply genannt.

Staggering

Aufgrund der Richtungsabhängigkeit einer CFK-Schicht werden Bauteile aus Kohlenstofffaserverbund-Kunststoffen aus mehreren Lagen unterschiedlicher Orientierung aufgebaut. Die Anordnung der Lagen gewährleistet die Kraftaufnahme aus verschiedenen Richtungen und macht so den Werkstoff erst einsetzbar.

Das Schichten mehrerer Lagen beziehungsweise Plies wird auch als Staggering bezeichnet.

Materialverschnitt

Durch das Zuschneiden der Faserlagen entstehen hohe Fertigungskosten, da der Materialverschnitt hierbei meist sehr groß ist und somit nur ein kleinerer Teil des ursprünglichen Materials verwendet werden kann. Dieser Verschnitt lässt sich mit der richtigen, auf Sie abgestimmten, Software bestmöglich optimieren, steigert so die Verwendung der vorhandenen Ressourcen und senkt die anfallenden Fertigungskosten.

Duroplast und Thermoplast

Duro- und Thermoplaste sind Kunststoffe. Während Thermoplaste ab einer bestimmten Temperatur wieder verformbar sind, können Duroplaste nach der Aushärtung nur noch spanend bearbeitet werden, wobei die Temperatur zum Aushärten der Duroplaste geringer ist. Thermoplaste sind im Vergleich zu Duroplasten Umweltfreundlicher, da zum einen bei der Fertigung keine Lösungsmittel gebraucht werden und sie zum anderen recyclebar sind.

CFK-Bahngenerierung

Bei der SWMS konzentrieren wir uns auf die individuelle Entwicklung im Bereich Automated Composites Manufacturing. Wir entwickeln Software nach Anforderungen, damit Sie als unser Kunde das beste Ergebnis und die noch bessere Betreuung erhalten.

Sprechen Sie mit uns über Ihre Idee und das Projekt. Gemeinsam finden wir einen Weg zu erfolgreichen Umsetzung.

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Marc Loegel

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