Automatisierung CfK-Produktion

Bolzen auf CFK-Leichtbauteilen automatisch fixieren

Roboter als Kern der Automatisierungszelle.Leichtbau und Carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CfK) sind im Flugzeugbau Standard, nun verbreiten sie sich sukzessive auch im Fahrzeugbau. Der Verarbeiter ACE Advanced Composite Engineering setzt in der Serienfertigung von CfK-Strukturbauteilen für Sportwagen einen Roboter ein, um die asymmetrischen Bauteile prozesssicher mit Befestigungsbolzen zu versehen.

Kleines Bauteil hohe Wirkung – ein Konzept zum prozesssicheren Verkleben von Haltebolzen auf mehreren Varianten von CfK-Bauteilen war die Aufgabe der Automatisierer.

Dass leichte und hochfeste CfK-Strukturen im Fahrzeug erhebliche Gewichtssenkungen bewirken können, ist unstrittig. Deren Einsatz in großen Serien stellt jedoch einige Anforderungen. So ist die Automatisierung der verschiedenen Prozessschritte bei weitem nicht auf dem Stand der konventionellen Kunststoff- oder Blechfertigung. Um die Kosten und Prozesssicherheit kontinuierlich zu steigen, sind neue Lösungen erforderlich. ACE, entstanden aus einem früheren Geschäftsbereich von EADS/Dornier und seit mehreren Jahrzehnten aktiv in der Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe, suchte einen erfahrenen Automationspartner, der in der Lage ist, verschiedene Schritte der Serienfertigung von Strukturbauteilen für Fahrzeuge zu automatisieren und dabei sein Prozess-Know-how einzubringen. „Das Unternehmen Reis hat einen kompletten Auftrag als Generalunternehmer und in kurzer Zeit abgewickelt. Dazu gehörte auch ein umfassendes Dienstleistungspaket mit Offline-Programmierung der Anlage, was uns die Arbeit wesentlich erleichtert hat“, erklärt Benjamin Haller aus der Serienprozesstechnik bei ACE.

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Bolzen setzen auf mehreren Produktvarianten
Die Strukturbauteile aus CfK entstehen in einem vorgelagerten Fertigungsprozess bei ACE. Im Folgeschritt müssen auf den dreidimensionalen Körpern unterschiedliche Bolzen dauerhaft und exakt fixiert werden, die später unterschiedliche Baugruppen des Fahrzeugs halten. Die bis zu sechs Varianten sollten auf einer Fertigungslinie bestückt werden können. Reis hat dazu ein umlaufendes Werkstückträgersystem mit Kettenförderung entwickelt, das die Warenträger aufnimmt und gleichzeitig als Puffer dient, um den Prozess möglichst kontinuierlich laufen zu lassen.

Roboter im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“, das Bauteil wird an der Bolzenposition erwärmt.

Dazu legt ein Werker in der Zuführ- und Entnahmestation ein Rohbauteil auf den Bauteilträger und fixiert es mit Spannern. Sensoren detektieren das Schließen der Spanner, nur wenn alle Spanner geschlossen sind, nimmt die Anlage das Bauteil auf. Ein optisches Prüfsystem identifiziert die Werkstückvariante anhand der Kontur und startet das jeweilige Programm zum korrekten Setzen der Bolzen. Das soll hohe Prozesssicherheit an den teuren Bauteilen garantieren. Nach dem Vermessen folgt ein Werkzeugwechsel. Dem Roboter stehen nun, je nach benötigter Bolzenart, zwei Setzsysteme zur Verfügung, die er programmgesteuert auswählt.

Die Bolzen und das Setzsystem von Tucker hat ACE beigestellt. Die Verbindung zwischen Bolzen und Bauteil übernehmen die Bolzenflansche, auf die ein spezieller Klebstoff vorappliziert ist. Induktive Erwärmung des Bolzens lässt den Klebstoff binnen weniger Sekunden vernetzen, so dass direkt nach dem Abkühlen Endfestigkeit erreicht wird. Pro Bauteil werden bis zu 30 Bolzen geklebt. Der Roboter positioniert die Bolzen toleranzarm und senkrecht zur Oberfläche der dreidimensionalen Bauteile, um maximale Haftung und die spätere problemlose Weiterverarbeitung zu sichern. Wegen des hohen Anspruchs an den Arbeitsprozess, werden die Bolzen als Schüttgut in einer Kabine über der Anlage klimatisiert gelagert, vereinzelt und dem Roboter in zwei Übergabeeinheiten für den Klebevorgang zur Verfügung gestellt. Diese Anlagenauslegung garantiert nach Unternehmensangaben optimale und gleichbleibende Parameter im Prozess.

Roboterwerkzeug mit dem Setzsystem beim Bolzen kleben.

Programmerstellung outgesourct
Nicht zuletzt, weil diese Anlage die erste ihrer Art bei ACE ist, war das Angebot der Offline Programmierung beim Hersteller eine Arbeitserleichterung. „Wir brauchten kein Know-how aufzubauen und konnten uns sicher sein, dass die generierten Programme für den praktischen Einsatz funktionieren“, ergänzt Benjamin Haller. „Daneben erspart uns die Dienstleistung die Anschaffung der notwendigen Programmiersoftware.“

Folgender Ablauf hat sich bei der Inbetriebnahme der Anlage und bei einer Vorserienproduktion bei Reis bewährt und etabliert: ACE liefert den 3D-Datensatz jedes neuen Bauteils. Die Daten werden für die Offline-Programmierung aufbereitet, um danach mit Provis das Bauteilprogramm zu erstellen. In Abstimmung mit dem Kunden wird das Programm vor Ort auf die Anlage gespielt und ein Musterbauteil gefertigt. Diese Vorgehensweise ermöglicht den gezielten Bauteilstart mit entsprechendem Fachpersonal.

Blick über das Zuführsystem zur Arbeitsstation während der Vorserienproduktion.

Dieser etablierte Ablauf basiert auf den bereits im Vorfeld erbrachten Leistungen von Reis. Dazu gehört ein 3D-Simulationsmodell der Anlage, bestehend aus Bearbeitungsstation, Vorrichtung, Bauteil, Warenträger, Roboter, Bolzen sowie Werkzeuge und Messwerkzeuge. Diese waren Voraussetzung für die Bauteilprogrammierung und Vorabnahme der Anlage. Die Möglichkeit, alle im Rahmen der Vorabnahme produzierten Bauteile kurzfristig mit einem 3D-Digitalisierungs-Messsystem zu prüfen, lieferte die Sicherheit, ein optimal eingestelltes System mit der gewünschten Genauigkeit zu liefern. Eine Besonderheit der Programme ist die Option, fehlerhafte Teile zu „reparieren“. Dies betrifft Teile, bei denen – aus welchen Gründen auch immer – ein Bolzen fehlt. Ein Sensor überprüft das aufgespannte Teil und fügt fehlende Bolzen ein.

Ohne lange Vorlaufzeit
Mit der Lösung aus einer Hand inklusive Fördertechnik und Sensorik gegen Fehlbedienungen sieht ACE die richtige Entscheidung. Benjamin Haller: „Reis hat, nachdem wir unsere Wünsche erklärt haben, in kurzer Zeit Lösungsvorschläge und ein Anlagenlayout entwickelt, dass nicht nur Prozesserfahrung zeigt, sondern dass wir 1:1 übernehmen konnten. Besonders erfreulich war schließlich, dass die Genauigkeit der Bolzenfixierung bereits im ersten Probelauf so hoch war, dass nur noch in Details feinjustiert werden musste.“

Ein Protokoll aus der 3D-Vermessung für die Bauteilfreigabe.

Diese innovative Art der Fixierung und Bolzentechnik soll auch in anderen industriellen Anwendungen Einzug halten. Dazu können, neben der FvK-Verarbeitung auch Hersteller von Konstruktionseinheiten aus dünnen Blechen profitieren, bei denen Schweißen nicht möglich ist.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Stephan H. Gursky

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