KUKA handhabt Faserverbundbauteile bei DLR

Das CFK Nord in Stade ist als hochmodernes und unternehmensübergreifendes Forschungszentrum für die Bauteilproduktion aus carbonfaserverstärktem Kunststoff entstanden. Einer der Nutzer ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR). Gemeinsam mit KUKA Industries entwickelte die DLR eine automatisierte Produktionseinrichtung zu Forschungszwecken.

Die Ausgangssituation

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) hat sich das Ziel gesetzt, effiziente Produktionstechnologien für CFK-Bauteile zu entwickeln. Auf einer neuen 45 Meter langen Produktionsstraße entstehen CFK-Bauteile - beispielsweise Spanten – voll automatisiert. Bisher ist es noch sehr teuer und mit hohem manuellem Aufwand verbunden, Bauteile für ein Flugzeug aus CFK herzustellen. Das DLR, als reine Forschungseinrichtung, möchte dies für künftige Flugzeuggenerationen ändern. 

CFK ist leicht und stabil, allerdings werden die hohen Anforderungen der Flugzeugbauer nur dann erreicht, wenn der gesamte Prozessablauf und damit die Qualität reproduzierbar ist. Denn im Gegensatz zu Aluminium kann CFK von sehr unterschiedlicher Qualität sein, wenn beispielsweise die Faserrichtungen nicht optimal angelegt sind oder durch Schnittkanten Feuchtigkeit in den Verbund eindringt. Daneben sieht man dem Material eventuelle mechanische Beschädigungen von außen nicht an. Es gilt bei der Herstellung somit höchste Genauigkeit walten zu lassen.

Die Aufgabe

Auf der Versuchsanlage werden endkonturnahe Volumenbauteile in Form von Spanten produziert, die in einem Flugzeug von innen den Rumpf stabilisieren. Es geht um die automatische Herstellung des textilen Vorformlings (Preform) sowie dessen Besäumung und spätere Tränkung mit flüssigem Epoxidharz. In einem vorgelagerten Prozess werden die benötigten unterschiedlichen Faser-Rohmaterialien von Rollen abgewickelt und mit einem Cutter (mit angetriebenem Rollmesser) vorkonfektioniert. Danach lagern die Rohlinge in entsprechenden Schubladen eines Speichersystems bis zur Verwendung. Die Sensorik war bei dem gesamten Projekt eine besondere Herausforderung, denn die gewünschte Produktqualität kann nur sichergestellt werden, wenn Lage und Faserwinkel exakt den Vorgaben entsprechen. Mit einer integrierten Wirbelstromsensorik, wird der Faserwinkelverlauf visualisiert und auswertet. Insgesamt bestehen die aktuell  gefertigten Bauteile in dieser Forschungsanlage aus bis zu 26 Lagen Carbonfasern.
Insgesamt bestehen die gefertigten Bauteile aus bis zu 26 Lagen Carbonfasern.
Die Anlage muss flexibel sein, denn es handelt sich um Forschungsaufträge und nicht um eine echte Serienproduktion. Es war von entscheidender Bedeutung, sowohl vom Anlagenkonzept als auch von Seiten der Programmierung möglichst frei zu sein. Die Werkzeugwechsel müssen schnell und einfach funktionieren und auch die Programmierung der Roboter sollte intuitiv sein. Die Studenten sollten nach kurzer Lernphase neue Aufgaben/Produkte auf der Anlage realisieren können. Das ist für den Praxiseinsatz ebenso relevant, denn ein mittelgroßes Verkehrsflugzeug verfügt über etwa 140 Spant-Segmente von denen kaum zwei identisch sind.

Die Lösung

Die Automatisierung durch KUKA Industries ist ein Drapierroboter der einen 2D-Zuschnitt entnimmt, um ihn in die gewünschte 3D Kontur umzuformen. Dazu verfügt er über einen Greifer, der stets nur einen Zuschnitt aufnimmt. Die Lage der Zuschnitte auf der Zwischenablage wird durch ein Bildverarbeitungssystem erfasst. Nach der Umformung legt der Drapierroboter den Preformling auf dem Werkzeug der Konsolidierungsstation ab. Das Werkzeug ist aus Aluminium konturgefräst und auf einem Unterbau befestigt, der eine Schnittstelle zum Schiebetisch der Konsolidierstation besitzt. Die Konsolidierstation besteht aus einer Membranpresse mit beweglichem Pressentisch. Durch Infrarotstrahlung wird der Preform aufgeheizt und der auf dem Textil befindliche Pulverbinder aufgeschmolzen, um das Lagenpaket zu stabilisieren. 
Mit Infrarotstrahlung wird der auf dem Textil befindliche Pulverbinder aufgeschmolzen, um das Lagenpaket zu stabilisieren
Nach diesem formenden Arbeitsschritt wird der konsolidierte Preform dann vom Verkettungsroboter in das Werkzeug der nachfolgenden Feinbesäumungsstation umgesetzt. Der Verkettungsroboter bewegt sich entlang einer hoch gelegten Linearachse, so dass maximale Bewegungsfreiheit in der Halle entsteht. Der Roboter verbindet die einzelnen Prozess-Stationen. die Bahnprogrammierung des entsprechenden Roboters offline auf Basis der CAD Daten des Bauteils und der Bahnprogrammierungssoftware fastCURVE aus dem Hause Cenit. Über eine entsprechende Schnittstelle ermöglicht die Steuerung Reis ROBOTstarV dabei eine flüssige, sehr exakte Bahn, da sie nicht nur „eckig“ von Punkt zu Punkt geteached wird. Somit lässt sich eine programmierte Bahn auch nachträglich um einen gewissen Betrag verschieben.
Die Bahnprogrammierung des entsprechenden Roboters erfolgt offline auf Basis der CAD Daten des Bauteils und einer Bahnprogrammierungssoftware. Über eine entsprechende Schnittstelle ermöglicht die Steuerung KRC ROBOTstar dabei eine flüssige, sehr exakte Bahn. Somit lässt sich eine programmierte Bahn auch nachträglich um einen gewissen Betrag verschieben. Durch optimale Schnittwerkzeugwahl kann man mit einem Ultraschallmesser ohne Beeinflussung des umliegenden Materials sehr genau schneiden.

Schon nach sehr wenigen Gesprächen wurde uns klar, dass das Obernburger Unternehmen die Automatisierung solcher Volumenbauteile nicht zum ersten Mal projektiert hat. Die Projektleiter waren in der Lage, die einzelnen Aspekte des Preformingprozesses sehr modular zu betrachten und auf Basis von Standardkomponenten ein schlüssiges Konzept vorzustellen.

Sven Torstrick, Projektleiter im Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie beim DLR
Greifertechnik zum Handling von CFK Bauteilen

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