Weltweit erstes CNC-Fiber-Placement-Zentrum zur Fertigung von Strukturbauteilen 06.09.2016, 00:00 Uhr

Fiber Placement für die Serie

Ein für den Flugzeugbau entwickelter Verlegekopf und die im Automobilbau standardisierte Automatisierungstechnik bilden den Kern des weltweit ersten CNC-Fiber-Placement-Zentrums für die Verarbeitung von Towpregs zu endkonturnahen Stacks für Strukturbauteile. Das Zentrum ist kompakt, einfach und robust aufgebaut. Es liefert reproduzierbar hohe Produktqualität bei drastisch reduziertem Materialeinsatz und die für die automobile Serienfertigung unabdingbare Prozesssicherheit.

Bild 1: Mit der „Staxx Compact 1700“ hat BA Composites das weltweit erste CNC-gesteuerte Fiber-Placement-Zentrum für die Serienfertigung von Strukturbauteilen ent-wickelt. (Bild: Broetje-Automation)

Bild 1: Mit der „Staxx Compact 1700“ hat BA Composites das weltweit erste CNC-gesteuerte Fiber-Placement-Zentrum für die Serienfertigung von Strukturbauteilen ent-wickelt. (Bild: Broetje-Automation)

Der Zwang zum Kraftstoff-, Batteriestrom- und Ressourcen-sparenden, umweltschonenden Leichtbau wird auch in der Automobilindustrie den Einsatz hochfester Faserverbundmaterialien (Composites) weiter forcieren. Der Einzug von reinen Carbon- und auch Hybrid-Komponenten in die Massenproduktion steht bei mehreren Premium-Herstellern unmittelbar bevor. Anders als in der Luftfahrt, wo aus Composites schon seit vielen Jahren hoch komplexe Bauteile in Losgröße 1 gefertigt werden, müssen automotive Teile in größeren Stückzahlen in reproduzierbar hoher Qualität und zu deutlich geringeren Kosten hergestellt werden. Die Prozesse dafür müssen möglichst einfach und jederzeit beherrschbar sein.

Mit diesen eigenen Maßgaben hat die BA Composites GmbH aus Grenzach-Wyhlen das weltweit erste CNC-gesteuerte Fiber-Placement-Zentrum „Staxx Compact 1700“ (Bild 1) entwickelt. Damit lassen sich vorimprägnierte Carbon- oder Glasfaserbündel, sogenannte Towpregs, von der Spule weg automatisch und reproduzierbar sehr nahe an der gewünschten Endkontur verlegen. Das Verfahren reduziert Materialverluste sowie (Press-)Ausschuss und damit die (Stück-)Kosten deutlich.

Bewährte Technologien innovativ kombiniert

Die BA Composites GmbH ist ein Tochterunternehmen der Broetje-Auto­mation GmbH (Rastede), des weltweit führenden Experten für Produktionsprozesse in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Zu den maßgeschneiderten Lösungen der Broetje-Automation-Gruppe gehören seit jeher CNC-gesteuerte Bohr- und Nietanlagen für die Montage komplexester Flugzeugbauteile.

Bild 2: Eine High-End-CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl von Siemens koordiniert das Zusammenspiel der vier Servoachsen des Verlegekopfs und des Maschinentischs – sowie sämtlicher Zusatzeinrichtungen wie Spulenantriebe, Messer, Klimatisierung und Heizung. (Bild: Broetje-Automation)

Bild 2: Eine High-End-CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl von Siemens koordiniert das Zusammenspiel der vier Servoachsen des Verlegekopfs und des Maschinentischs – sowie sämtlicher Zusatzeinrichtungen wie Spulenantriebe, Messer, Klimatisierung und Heizung. (Bild: Broetje-Automation)

Kernkomponenten nahezu aller Anlagen für die Luftfahrtindustrie von Broetje-Automation sind High-End-CNC-Steuerungen „Sinumerik 840D sl“, das modulare Antriebssystem „Sinamics S120“ (Bild 3), Servomotoren „Simotics“ sowie „Simatic“- PLC-, Peripherie- und HMI-Systeme von Siemens. Die Funktionalität und die Performance der Sinumerik 840D sl erlaubt es den Entwicklern aus Rastede und Wyhlen, auch sehr anspruchsvolle und komplexe Funktionen zu implementieren.

Bild 3: Kernkomponenten der Automatisierung sind eine CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl, das modulare Umrichtersystem Sinamics S120 und dezentrale Peripherie Simatic ET200SP (oben) von Siemens. (Bild: Broetje-Automation)

Bild 3: Kernkomponenten der Automatisierung sind eine CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl, das modulare Umrichtersystem Sinamics S120 und dezentrale Peripherie Simatic ET200SP (oben) von Siemens. (Bild: Broetje-Automation)

Automatisiertes Verlegeverfahren für Strukturbauteile

Diese Komponenten und Kompetenzen hat BA Composites bei der Entwicklung des Staxx Compact 1700 gebündelt. Im Fokus stand die Fertigung größerer Stückzahlen anspruchsvoller Strukturbauteile für Automobilkarosserien, wie Bodenschalen, B-Säulenverstärkungen und auch Heckklappen. „Um den Anforderungen einer Serienfertigung in der Automobilindustrie zu genügen, musste die Lösung robust und prozesssicher sein und auch in vorhandene Fertigungsstrukturen integriert werden können“, sagt Dr.-Ing. Christian Boge, Senior Manager bei BA Composites und verantwortlich für die Entwicklung. „Auch deshalb haben wir bewusst auf das in der Powertrain-Fertigung bei Automobilherstellern weltweit etablierte Transline-Konzept von Siemens gesetzt.“ Dieser standardisierte Ansatz integriert alle erforderlichen Automatisierungskomponenten ohne Schnittstellen- und Anpassungsprobleme zu einer durchgängigen, dadurch hoch effizienten und komfortabel handhabbaren Gesamtlösung. Auch die Anbindung an vorhandene Systeme und Erweiterungen ist damit jederzeit einfach möglich.

Das Legezentrum lässt sich flexibel in den jeweils vorgegebenen Prozessablauf integrieren. Damit ist vom autarken, semi-automatischen Betrieb mit manueller, hauptzeitparalleler Be- und Entladung bis zur vollautomatischen, verketteten Fertigung im Durchlauf in Maschinenlängsrichtung alles möglich.

Performance für 2D-Strukturen

Mit dem weiterentwickelten Faserlegekopf können jetzt gleichzeitig bis zu 16 Towpreg-Spuren mit einer Breite von je ¼ oder ½“, letztere bestehend aus 50 000 vorimprägnierten Einzelfilamenten, schnell und reproduzierbar genau verlegt werden. Der auf einem Portal montierte Verlegekopf (Bild 2) ist in der Querrichtung und in der Höhe verfahrbar und ermöglicht es, bis zu 200 mm breite Bahnen in einem Durchlauf unidirektional zu verlegen. Im perfekt koordinierten Zusammenspiel mit der Längs- und Drehbewegung des Palettentischs sind praktisch beliebige zweidimensionale Stapel mit unterschiedlicher Faserorientierung herstellbar. Die maximale Legelänge beträgt 1700 mm, die Vorschubgeschwindigkeit 40 m/min – Ziel ist eine Legeleistung von mehr als 30 kg/h.

Die Maschine verarbeitet Towpreg-Material mit oder ohne Backing-Film, genauso wie sogenannte Slit-Tapes. Torsionsfrei versorgt wird der Kopf über zwei seitlich angeordnete, gekühlte Spulenlager mit jeweils acht dezentral angetriebenen Spulen. Zusätzlich gibt es pro Seite acht Spulen zur Aufnahme der Schutzfolie beim Verarbeiten von Slit-Tape. Die (PLC der) Sinumerik-Steuerung überwacht die Spulendrehzahlen, die Temperaturen in den Spulenlagern, am Verlegekopf und der Tischbeheizung sowie den Vorkompaktierdruck beim Verlegen, und sorgt so für stabile Prozessbedingungen.

Fliegendes Schneiden minimiert Verschnitt

Entscheidend für die hohe Kosteneffizienz des Verfahrens ist das „fliegende“ Schneiden der Faserbündel bei Verlegegeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min. BA Composites nutzt Synchronaktionen und den XOUT-Zyklus der Sinumerik 840D sl, um den Schnitt genau zum richtigen Zeitpunkt zu initiieren und die integrierten Messer pneumatisch zu betätigen. So können Ränder und praktisch beliebig geformte Ausschnitte im Stapel (Bild 4) mit hoher Genauigkeit geschnitten, damit der Endkontur sehr nahe, sehr homogene, vorkompaktierte Stapel gelegt werden. Im Vergleich zu konventionellen textilen Verfahren reduziert dies die Materialverluste auf bis zu unter einem Prozent.

Bild 4: Die Sinumerik 840D sl ermöglicht präzises „fliegendes“ Schneiden der Towpregs bei Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min und damit die effiziente Herstellung endkonturnaher Stapel bei drastisch reduzierten Materialverlusten. (Bild: Broetje-Automation)

Bild 4: Die Sinumerik 840D sl ermöglicht präzises „fliegendes“ Schneiden der Towpregs bei Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min und damit die effiziente Herstellung endkonturnaher Stapel bei drastisch reduzierten Materialverlusten. (Bild: Broetje-Automation)

In der CNC sehr einfach zu realisieren war auch das Umschalten zwischen verschiedenen Dynamiksätzen, um beim Abziehen des Materials aus den Spulenlagern (Holhub) sanft anfahren und dann über definierte Rampen auf die maximale Geschwindigkeit beschleunigen zu können. Die Kommunikation über Profinet unterstützt dies durch kürzeste, deterministische Zykluszeiten.

Die Auslegung der Sinamics-Antriebe wie der gesamten Steuerungskonfiguration ging mit bewährten Engineeringtools, wie zum Beispiel Sizer, gewohnt schnell und zügig vonstatten. Die einfache, flexible Anbindung auch fehlersicherer Sensorik und Aktorik an die Steuerung über AS-i-Module im dezentralen Peripheriesystem Simatic ET200SP (Bild 3) hat den Verdrahtungs- und damit den Zeitaufwand weiter reduziert.

Towpregs mit Vorteilen

Durch die Verarbeitung vorimprägnierten Materials entfallen mehrere nachträgliche Bearbeitungsschritte, Vorrichtungen und Werkzeuge, was die Systemkosten reduziert. Instabile Stapel müssen nicht zwischen mehreren Stationen oder Maschinen gehandhabt werden, womit auch das Risiko von Beschädigungen minimiert wird. Auch die nachfolgenden Pressen können einfacher aufgebaut sein, da das Injektionssystem samt Versorgung entfällt. Die Prozesskette ist kurz und sicher beherrschbar.

Möglich sind zudem partielle Verdickungen im Bauteil oder das Ein- und Umlegen beliebiger Verstärkungs- und/oder Befestigungselemente. Auch Materialkombinationen (Carbon-/Glasfaser) sind auf verketteten Maschinen realisierbar. Das erschließt ein sehr großes Feld von Gestaltungsmöglichkeiten. Hinzu kommt der im Vergleich zum RTM-Verfahren höhere Faservolumengehalt von Towpregs, was höhere Belastbarkeit bei gleicher Bauteildicke oder gleiche Belastbarkeit bei geringerer Bauteildicke ermöglicht.

Durchgängig effiziente CAD-CAM-Prozesskette

Bei der NC-Programmentwicklung setzt der Maschinenbauer auf technologiespezifische, maschinenunabhängige CAD/CAM-Systeme. Damit lässt sich unter anderem auch die Faserorientierung exakt an die jeweilige Anwendung anpassen und beispielsweise so legen, dass sie nach dem Umformen in einer Presse idealerweise dem Lastpfad in der späteren Endkontur entspricht.

Zur Weiterentwicklung der Maschinenfunktionalität und zur Maschinensimulation im CAM-System nutzt Dr.-Ing. Boge bevorzugt den virtuellen NC-Kern (VNCK) der Sinumerik 840D sl, ein PC-basiertes System, um die reale Anlage nicht unnötig zu blockieren. Der Einsatz des VNCK ist im Flugzeugbau gängige Praxis und auch für potenzielle Lohnfertiger für die Automobilindustrie eine bewährte Möglichkeit der iterativen Programm- und Prozessoptimierung. Auf Wunsch übernimmt BA Composites auch diese Aufgabe, geplant ist zudem die Einrichtung einer eigenen kleinen Lohnfertigung in Grenzach-Wyhlen.

Ausblick: Auf dem Sprung in die Serie

Die Staxx Compact 1700 hatte auf der JEC Europe 2015 in Paris Premiere und wurde dort mit dem Innovation Award in der Kategorie „Process“ ausgezeichnet. Seither wird die Pilotmaschine im Technikum von BA Composites intensiv genutzt und weiter verbessert. Mittlerweile absolvieren darauf mehrere Automobilhersteller letzte Benchmarks für anspruchsvolle Struktur-bauteile, die in Kürze in die Serienproduktion gehen werden. Auch Materialhersteller nutzen die Maschine, um ihre Produkte für unterschiedliche Anwendungen zu optimieren.

„Wer den vergleichsweise einfachen, robusten und stabilen Prozess sieht, erkennt auf Anhieb die vielfältigen Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren in puncto Produktivität, Qualität, Prozesssicherheit und auch Wirtschaftlichkeit“, so das Fazit von Dr.-Ing. Christian Boge. Die weltweite Verfügbarkeit, die Zuverlässigkeit, der Bedienkomfort und die einfache Integration der Automatisierungstechnik von Siemens in jede Serienproduktion seien weitere Pluspunkte für die innovative Neuentwicklung. Damit gebe es in der Automobilindustrie keine Diskussionen.

Von U. Krauter

AutorUwe Krauter Siemens AG Factory Automation, Production Machines Kontakte: Siemens AG 91052 Erlangen Tel.: 09 11/8 95-0 E-Mail: contact@siemens.com www.siemens.de/maschinenbau Broetje-Automation GmbH Am Autobahnkreuz 14 26180 Rastede www.broetje-automation.de

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