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Automationslösung für ein Hightech-ProduktRennradrahmen aus Carbonfaser-Werkstoff

Die Rennräder des Schweizer Herstellers BMC sind für den Spitzensport bestimmt. Sie müssen in allen Fahreigenschaften sowie optisch hohe Ansprüche erfüllen. Die Rohre des leichten und stabilen Rahmens bestehen aus Carbon-­Compound­-Material. Zuvor wurden sie mit "Manufaktur­-Methoden" in Fernost gefertigt, genügten jedoch den hohen Qualitätsanforderungen nicht. Jetzt produziert sie BMC am heimischen Schweizer Standort - robotergestützt, automatisch und wettbewerbsfähig.

Automationslösung für ein Hightech-Produkt: Rennradrahmen aus  Carbonfaser-Werkstoff

Aus Kohlenstofffaser-­Verbundwerkstoff ist der Rahmen des hochklassigen Radrennsportgeräts "Impec" von BMC gefügt. Als Andy Rihs 2001 das Unternehmen übernahm, und richtete er die Produktstrategie neu aus. Die Fertigung der Carbonrahmen hatte BMC, ähnlich wie die meisten der Wettbewerber, wegen der niedrigeren Lohn­ und Fertigungskosten nach China vergeben. Doch er konstatierte gravierende Nachteile: Abhängigkeit vom chinesischen Zulieferer, Risiko des Know­how­-Verlusts sowie immer wieder auftretende Qualitätsprobleme.

Andy Rihs suchte ab 2005 nach einer Lösung für die automatisierte Produktion, die unter definierten Fertigungsbedingungen exakt reproduzierbare Produktqualität gewährleistet. Das Hightech­-Material Carbon sollte künftig mit moderneren Verfahren verarbeitet werden; die Produktion der Spitzenklasse­-Fahrradrahmen für den Weltmarkt sollte auch in Hochlohnländern wie der Schweiz zu realisieren sein. Der Unternehmer etablierte am Standort Grenchen einen neuen Industriestandard zum robotergestützten Bau von Carbonrahmen für Rennräder. Das Konzept richtete er konsequent nach dem Null­-Fehler­-Prinzip aus. Unterstützung holten sich die Techniker seines Unternehmens bei der 1995 im schweizerischen Burgdorf gegründeten Asic Robotics.

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Rohre mit Profil

Bis der Prozess reproduzierbare Ergebnisse lieferte, waren vier Jahre Entwicklungsarbeit und rund 40 Millionen Schweizer Franken (etwa 33 Millionen Euro) zu investieren. Für BMC hat sich der Einsatz nach eigenen Angaben gelohnt: Die weitere Entwicklung und Produktion hochwertiger Räder gestaltet sich effizienter und zu 100 Prozent im eigenen Haus, ohne das Risiko des Know­how­-Abflusses.

Beim Bau eines "perfekten" Rennrads gilt es zwei Welten zu verbinden - die mentale und physische des Radsportlers mit der technischen der "Rennmaschine". Das erfordert einen leichten Rahmen, der extrem agil reagiert und gleichzeitig die erforderliche Steifigkeit und Stabilität aufweist. Bei einem so optimierten Rahmen sind die einzelnen Rohre selten kreisrund, sondern weisen lastspezifische Profile und Wanddicken auf - je nach der im Rahmenverbund zu erfüllenden Aufgabe. Um diese lastspezifischen Komponenten herzustellen und anschließend verbinden zu können, entwickelte BMC neue Fertigungsverfahren. Zwei davon sind das Load Specific Weave (LSW) und das Shell Node Concept (SNC). Das LSW­-Verfahren ist ein automatischer Prozess und besteht aus den drei Arbeitsschritten Flechten, Verharzen und Ablängen der Rohre. SNC gewährleistet, dass die Rohrverbindungen an den Knotenpunkten des Rahmens im Betrieb maximale Steifigkeit und Stabilität aufweisen. Dazu werden jeweils zwei spritzgegossene Halbschalen aus einem neu entwickelten Carbon­-Compound­Material mit den Knotenpunkten verklebt. Die Innenflächen dieser Halbschalen sind so gestaltet, dass sie nach dem Verkleben einen maximalen Kraftschluss mit den Rohrknoten erzielen.

Den Transport der Werkstücke zwischen den einzelnen Roboter­-Arbeitsstationen übernimmt ein automatisiertes Transfersystem für Werkstückträger. Für jeden Rohrtyp gibt es eine begleitende Datenplakette, anhand derer jede Arbeitsstation den Rohrtyp mit einem Code­-Scanner identifiziert.

Die für den jeweiligen Prozess benötigten Parameter erhält die Arbeitsstation von einem PC oder Server. Zu diesen Daten gehören beispielsweise Flechtparameter, Harzeinspritzmenge, erforderliche Aushärtezeit, Parameter zur Drucküberwachung im Silikonkern sowie über das Mischungsverhältnis von Harz und Härter oder den Druck in der Harz­-Härter­-Leitung. Nach Abschluss jedes Prozesses speichert das System die realen ­Parameter der ­Maschinen für jedes Rohr auf dem Server. Das gewährleistet eine vollständige Rückverfolgbarkeit.

Mit dem Flechten starten

Den Auftakt zur Produktion eines Impec­-Rennrads bildet die Flechtanlage. Bei diesem technischen Novum handelt es sich um ein Flechtrad mit mehr als drei Meter Durchmesser. Es ist je nach zu fertigendem Rohrtyp mit 98 bis 128 Spulen bestückt, die die Rohre schlauchförmig aus dünnen Carbon­-Fäden flechten. Ein weiterer Blickfang dieser Arbeitsstation ist der Roboter IRB 4400 von ABB. Er nimmt den Positivkern des zu fertigenden Rohres von einem Werkstückträger und positioniert ihn im Zentrum des Flechtrads. Dieser Kern ist das formgebende Element und besteht aus Silikon mit einem glasfaserverstärkten Stabilisierungsdorn.

Nach Einlesen der Produktionsdaten beginnt das Flechtrad einen nahtlosen Tubus aus Carbonfasern um den Positivkern herum aufzubauen. Über die Vorschubgeschwindigkeit des Positivkerns, die Geschwindigkeit des Flechtrads und die Geometrie des Silikonkerns lässt sich die Ausrichtung der Fasern definieren. Die Wanddicke hängt von der Zahl der Flechtlagen ab. Ist die Carbonstruktur fertig geflochten, kappt eine Diamant­Trennscheibe den Tubus und der Roboter hängt ihn inklusive Positivkern zurück in den Werkstückträger, der dann die Verharzungsstation ansteuert.

Automatisch Verharzen

Hier arbeitet laut BMC die weltweit erste automatische Verharzungsanlage für Composite Werkstoffe. In ihrem Zentrum stehen die Negativformen aller für die unterschiedlichen Impec­-Rahmen erforderlichen Rohre. Das Handling in der Verharzungsanlage übernimmt ein zweiter IRB 4400. Er greift den umflochtenen Positivkern vom Werkstückträger und setzt ihn in die entsprechende Negativform ein. Die Spritzanlage schließt die Form und injiziert ein Zwei­Komponenten­Harz durch ein im Formboden integriertes Mischrohr. Das Verfahren basiert auf dem RTM-­Prozess (Resin Transfer Molding) und erzeugt unter kontrollierten Bedingungen hochwertige Rohre in puncto Steifigkeit und Finish. Das Aushärten des Formteils geschieht zeitgesteuert in der noch geschlossenen Form. Nach Ablauf der Aushärtezeit öffnet sich die Form, der Roboter entnimmt den Rohling und setzt ihn anschließend in den wartenden Werkstückträger ein. Der Werkstückträger transferiert den Rohling zur dritten und letzten Station des LSW­-Verfahrens, der Vorrichtung zum Ablängen.

Auf Länge bringen

Zum Schneiden auf Maß legt ein Industrieroboter IRB 2400 das ausgehärtete Rohr in eine Werkzeugaufnahme und entfernt den Positivkern. Anschließend fährt die Werkzeugaufnahme mit dem Rohr in den Schneidraum, wo Diamantsägen die Rohrenden auf den zehntel Millimeter genau abtrennen. Dazu ermittelten und programmierten die BMC­Experten für jede der 36 Varianten der Impec­-Rohre die Verfahrwege der Sägeachsen. Die fertigen Rohre kommen in ein Zwischenlager, bis ein neuer Produktionsauftrag zur Montage eines Rahmens vorliegt. Erst dann entnimmt ein Mitarbeiter dem Lager die für den spezifischen Rahmen erforderlichen Rohre und Anbauteile und gibt sie in eine "Kit­Box".

Rahmenknoten spritzgegossen

Die Produktion der für die Montage benötigten Halbschalen (Shells) für die Knotenpunkte ist von der Rohrfertigung unabhängig. Von hoher Bedeutung für die Qualität der Halbschalen ist ihre innere Gestaltung. Sie muss sich so an die Knotengeometrie anfügen, dass beim Verkleben der Shells mit den Rohren ein optimaler Kraftschluss entsteht. Das Material für die Shells ist ein Verbundwerkstoff mit hohem Carbonanteil. Er garantiert später die notwendige Festigkeit. Über Mold­-Flow­-Analysen haben die BMC­-Ingenieure die für den Spritzguss wichtigen Parameter optimiert.

Montage teilautomatisiert

Die Montage der Rahmen ist teilautomatisiert. Ein Werker setzt die spritzgegossenen Halbschalen in Spannvorrichtungen. Dann appliziert ein IRB 1600 den Zweikomponentenkleber punktgenau auf die dafür vorgesehenen Stellen der Halbschalen. Dazu ist der Roboter mit einem optischen Kontrollsystem ausgestattet. Es ermöglicht, die korrekte Positionierung der Halbschalen zu prüfen und programmgesteuert die richtige Menge an Kleber aufzutragen. Die am Roboterarm angebrachte Kamera prüft, ob an den vorgesehenen Stellen Kleber vorhanden ist. Das anschließende Positionieren von Halbschalen und Carbonrohren auf der Montageplatte geschieht manuell. Nach dem Justieren aller Teile fährt der Werker die komplett bestückte Montageplatte in einen Ofen zum Aushärten.

Lackieren und Tampondruck

Die Nass­-in­-Nass­-Lackierung der Rahmen nutzt eine Lackierkabine, in der ein IRB 580 die Spritzpistole führt. Der Sechs-­Achs­-Roboter kann nahezu jede menschliche Arm­ und Handbewegung nachvollziehen. Das Aufdrucken der Schriftzüge wie dem BMC-­Logo realisiert eine Tampondruckanlage.

Damit ist der "Swiss­-Made­-Rahmen" bereit, nicht nur optisch zu glänzen, sondern sich auch unter höchsten Belastungen des Profi­Rennsports zu beweisen.

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