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Schicht für Schicht

Leichtbau

Engel sammelt in der eigenen Roboterproduktion Erfahrungen mit faserverstärkten thermoplastischen Tapes für den Automotivebereich.

Seine E-Pic Roboter bietet Engel in zwei Bauarten an: als E-Pic Z Pick-and-Place-Roboter und E-Pic B Angusspicker. Die E-Pic Z Roboter sind modifizierte Linearroboter, die eine konventionelle z-Achse haben, um oberhalb der Spritzgießmaschine zwischen Werkzeug und Ablageposition zu wechseln. Der E-Pic B dagegen hat anstelle einer z-Achse eine Rotationsachse, mit der er hinter die Maschine schwenken kann. Bei beiden Varianten ist die y-Achse, mit der der Roboter nach unten in das Werkzeug beziehungsweise auf die Ablageposition fährt, ebenfalls als konventionelle Linearachse ausgeführt. Die Besonderheit der beiden Baureihen liegt in der x-Achse, die als Rotationsachse mit Koppelstange konzipiert wurde. Ein wichtiger Vorteil dieses Systems ist der geringe Platzbedarf, der vor allem bei kleinen Verarbeitungsmaschinen von Bedeutung ist.

37 Prozent Gewicht der Roboter-Rotatinsachse konnte Engel durch die auf dem Pick-and-Place-Prinzip basierende Tape-Legezelle einsparen.

Die Herausforderung bei der Entwicklung des Roboters bestand darin, das Gewicht des Roboterarms weiter zu reduzieren und damit die Performance zu erhöhen. Daher besitzen die Roboter einen Carbonarm in Leichtbauweise. Kernstück der Fertigungstechnologie ist eine Tape-Legezelle, die auf dem Pick-and-Place-Prinzip beruht. Durch die Fertigungstechnologie konnte das Gewicht der Roboter-Rotationsachse um 37 % reduziert werden. Die Bewegungsabläufe des Roboters lassen sich damit deutlich schneller und mit geringerem Energiebedarf darstellen.

Belastungsgerechte Bauteilgestaltung

Die Gestaltung der Rotationsachse erfolgte unter den Gesichtspunkten strukturmechanischer Performance (Leichtbaueffekt) und eines geringen Werkzeugaufwands. Es wurde ein Konzept gewählt, bei dem das Bauteil aus zwei identischen Halbschalen besteht, die bei der Endmontage zu einem geschlossenen Profil gefügt werden. Lediglich im Bereich der Anbindung zum Servomotor findet ein Aluminium-Druckgussteil Einsatz, da die Bauteilgeometrie sehr komplex ist und die Rotationsgeschwindigkeiten in diesem Bereich aufgrund des Abstands zum Drehpunkt gering sind.

Der überwiegende Teil der eingesetzten Tapes wird in Längsrichtung der Rotationsachse eingebracht, um den hohen Steifigkeitsanforderungen gerecht zu werden. Daneben werden einige Tapelagen im Winkel von ±45° und von 90° zur Längsachse eingebracht. Die unter den gewählten konzeptionellen Eingangsvoraussetzungen und für die geforderten Lastfälle günstigste Gestaltung wurde von Prime Aerostructures, Klosterneuburg/Österreich, mithilfe vom FEM-Berechnungen ermittelt. Die Ergebnisse dieser Auslegungsarbeit wurden im Plybook festgehalten, das als Anleitung für den Lagenaufbau des Tape-Layups dient.

engel_technologiezentrum_st.veitDie im Technologiezentrum für Leichtbau-Composites in St. Valtentin entwicklenten neuen Verarbeitungsverfahren finden zunehmend ihren Weg in die Praxis.
Foto: Engel

Weitere Partner des Projekts waren Celanese, Sulzbach/Taunus, für den Bezug der Carbontapes sowie Schöfer, Schwertberg,/Österreich, für die Realisierung von Umform- und Montagevorrichtungen. Der mehrstufige Prozess für die Herstellung der Rotationsachsen umfasst neben dem Tapelegen auch einen Konsolidierungsschritt, das anschließende Aufheizen und Umformen des konsolidierten Tape-Layups sowie Beschnitt- und Fügeschritte.

Präzision beim Legeprozess

Für die Rotationsachse werden vier verschiedene Tapeformate benötigt. Eine Halbschale besteht aus 32 einzelnen, unidirektional verstärkten Tapes. Um die geforderte hohe Dynamik beim Legeprozess zu erreichen, wird ein schneller Knickarmroboter Kuka Agilus KR 6 eingesetzt. Die bedarfsgerechte Entnahme der Tapes aus den Magazinen erfolgt unabhängig vom eigentlichen Legeprozess, so dass die Ablagerate des Roboters nicht durch langsame Entnahmefahrten herabgesetzt wird.

Die Qualität des Tape-Layups hängt wesentlich von der Genauigkeit der Positionierung der Tapes ab. Wenn sich Tapes überlappen, tritt bei der Konsolidierung starkes Faserschwimmen auf, das heißt, die Fasern weichen seitlich aus, um lokale Dickenunterschiede im Tape-Layup auszugleichen. Werden die Tapes mit Abstand aneinandergelegt, entstehen beim Konsolidieren linienförmige Bereiche ohne Fasern, die eine verminderte Steifigkeit und Festigkeit haben und als Matrixgassen bezeichnet werden. Anders als bei duroplastischen Tape-Layups schließen sich die Spalte zwischen den Tapes beim Konsolidieren oft nicht vollständig, weil die Visko­sität der Thermoplastmatrix um Dekaden höher ist als beispielsweise bei einem Epoxidharz. Es ist daher essenziell, die Tapes trotz hoher Ablagerate präzise abzulegen. Oft werden Ablagegenauigkeiten mit Spaltbreiten oder Überlappungen von maximal 1,0 mm, teilweise sogar von unter 0,5 mm gefordert.

Die Maßabweichungen beim Ablegen der Tapes rühren teilweise von Ungenauigkeiten beim Zuschnitt beziehungsweise beim Stanzen der Tapes her. Die Tapestapel können zudem in den Magazinen nicht ganz exakt ausgerichtet werden, und die Mechanik bei der Vereinzelung sowie das Aufnehmen mit dem Legekopf können zu weiteren Positionsabweichungen führen. Vor allem Gestaltabweichungen, die schon bei den Zuschnitten vorhanden sind, lassen sich durch eine hohe Präzision nicht eliminieren. Vielmehr muss die Anlage Fehler so weit wie möglich erkennen und ausgleichen, damit die Tapes exakt und optimal zueinander ausgerichtet abgelegt werden. Dabei hat die Realisierung von minimalen Spaltbreiten beziehungsweise Überlappungen eine höhere Priorität als die exakte Außenkontur des Tape-Layups.

engel_beleuchtungErprobt wurden die direkte und indirekte Beleuchtung bei der Bildaufnahme. Die Beleuchtung ist ein Schlüsselfaktor für eine exakte Kantenerkennung.
Foto: Engel

Optische Messtechnik für hohe Präzision

Mit einer schnellen und hochauflösenden optischen Messeinrichtung kann die Ablegegenauigkeit der einzelnen Tapes wesentlich verbessert werden. Es wird entweder die Position der Tapes an der Aufnahmeposition, das heißt nach der Vereinzelung, oder die Position auf dem Legekopf ermittelt. Um die Lage der Tapes genau bestimmen zu können, müssen an der Aufnahmeposition oder am Legekopf Referenzelemente vorhanden sein, deren Lage zum Roboter-Koordinatensystem genau bekannt ist. Von dem Tape wird ein digitales Bild aufgenommen, das mithilfe einer Schwellwertmethode in ein Bild übersetzt wird, das die Inhalte in Segmente einteilt, wobei die Methode nach Otsu zum Einsatz kommt.

Durch weitere Berechnungen werden unter anderem Informationen zu den Kanten und zum Flächenschwerpunkt des Tapes in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem gewonnen.
Aus der Messung resultieren Korrekturwerte für die Position und die Winkellage, die für jedes einzelne Tape separat ermittelt, an die Robotersteuerung übergeben und bei der Ablage berücksichtigt werden. Einer der Schlüsselfaktoren für eine exakte Kantenerkennung ist die Beleuchtung bei der Aufnahme des Bilds.

Verschweißen der Tapelagen

Die erste Tapelage wird auf dem Ablagetisch mit Vakuum gehalten. Die weiteren Schichten werden auf die jeweils darunterliegende Tapelage punktuell angeschweißt. Sowohl mit Ultraschallsonotroden als auch mit elektrischen Heizstempeln lassen sich die Tapes in nur 0,2 s stoffschlüssig miteinander verbinden. Der wesentliche Vorteil der Heizstempel liegt in der sehr viel kleineren Bauform, die auch ein Mitführen mehrerer Heizstempel auf einem Legekopf zulässt.

0,2 Sekunden benötigen die Ultraschallsonotroden wie auch die elektrischen Heizstempel lediglich, um die Tapes stoffschlüssig miteinander zu verbinden

Fazit

Die Legetechnologie mit optischer Bildverarbeitung und Ablage im Pick-and-Place-Verfahren ist sehr flexibel einsetzbar. Es gibt keine Einschränkungen auf spezifische Tapebreiten. Vielmehr können die Tapezuschnitte beinahe beliebige Konturen aufweisen. Abweichungen, die beispielsweise aus der Tapeproduktion oder dem Zuschnittprozess resultieren, werden mithilfe der Bildverarbeitung erkannt und effektiv korrigiert, so dass ein qualitativ hochwertiges Tape-Layup für die Weiterverarbeitung entsteht.

Nach der Herstellung des Tape-Layups, die im Takt der Spritzgießverarbeitung erfolgt, soll nur noch ein Konsolidierungsschritt folgen. Im Pick-and-Place-Verfahren können Layups hergestellt werden, die exakt für ein spezifisches Bauteil passen, so dass sich ohne weiteren Beschnitt die Konsolidierung, das Aufheizen im IR-Ofen sowie die Umformung und die Funktionalisierung im Spritzgießwerkzeug anschließen können.

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Verschiebung  und Spannung
Die belastungsgerechte Auslegung der Rotationsachse basiert auf FEM-Berechnungen.
Foto: Prime Aerostructures

Projektierung von Compositeanlagen
Projektgeschäft Engel Composite Systems heißt der neu gegründete Teilbereich, der die Kunden von Engel bei der Projektierung und dem Serienstart von Fertigungsanlagen zur Herstellung von Faserkunststoffverbundbauteilen begleitet. Das 2012 gegründete Technologiezentrum für Leichtbau-Composites des Maschinenbauers fokussiert sich von nun an noch stärker auf die interdisziplinäre Entwicklung besonders wirtschaftlicher, großseriengeeigneter Verarbeitungsverfahren. Mit der Aufteilung zwischen dem konkreten Projektgeschäft und der Entwicklungsarbeit trägt Engel der steigenden Nachfrage nach integrierten Leichtbaulösungen Rechnung. Die Leichtbauexperten befassen sich mit allen derzeit zukunftsweisenden Compositetechnologien, von HP-RTM und SMC über die Verarbeitung von thermoplastischen Halbzeugen wie Organo­blechen und Tapes bis hin zu reaktiven Technologien wie der In-situ-Polymerisation (T-RTM). Mit der V-Duo bietet Engel eine gezielt für die Anforderungen der Compositeindustrie entwickelte eigene Maschinenbaureihe an.

Autor: Norbert Müller

Aufmacherbild: Engel