CFK-Teile: Wann ist Schluss mit Handarbeit?
Um Flugzeuge leichter und sparsamer zu machen, werden immer mehr Bauteile aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt. Ihr Nachteil: Sie lassen sich bisher nur teilweise von Automaten fertigen. Es dominiert also immer noch die Handarbeit, was auf Kosten der Effektivität und Wirtschaftlichkeit geht. Deshalb eint der Wunsch nach einer umfassenden Automatisierung der einzelnen Fertigungsschritte weite Teile der Branche.
Etwa 80 bis 90 Prozent der CFK-Strukturen werden heute in konventioneller, teurer Prepreg-Autoklav-Technik hergestellt. Hier kommt ein mit duroplastischem Harz vorimprägniertes Faserhalbzeug (prepreg) zum Einsatz, das kühl zu lagern ist. Nach dem Konfektionieren muss es in Autoklaven unter Beaufschlagung mit Druck und Temperatur aushärten. Das macht das Verfahren teuer, denn es ist mit hohen Investitionskosten für den Autoklaven und erheblichen Kosten für das Halbzeug und dessen gekühlte Lagerung verbunden. Experten schätzen: Zurzeit kostet selbst ein kleines CFK-Bauteil für ein Flugzeug bis zu 100, ein Strukturteil pro Kilogramm Gewicht etwa 400 Euro. Vor diesem Hintergrund haben in den vergangenen Jahren technisch einfachere Verfahren stark an Bedeutung gewonnen.
Hier werden statt vorimprägnierter einfach trockene, formlabile CF-Textilien von der Rolle geschnitten und zu Vorformlingen (preforms) verarbeitet. Anschließend infiltriert man mit speziellen Verfahren die Formen mit Harz. Aber die Herstellung von CFK-Strukturen mit diesen Techniken ist derzeit ebenfalls stark von manuellen Arbeitsschritten geprägt. Und damit zwar immer noch kostengünstiger als die Produktion im teuren Autoklav, aber den Einsparungen durch das preiswertere Halbzeug und den günstigeren Lagerungs- und Prozesskosten stehen eben hohe Lohnkosten gegenüber. Da lohnt sich also ein Blick auf die Robotik. Denn Industrieroboter haben in den letzten Jahren kräftig dazugelernt und kommen nun für Jobs in Frage, in denen bisher nur Handarbeit zählte.
Roboterwerkzeuge enthalten heute leistungsfähige Mikrosensoren und -aktoren für das intelligente Erkennen, Greifen, Halten und Positionieren unterschiedlichster Materialien. Warum also nicht auch CFK-Teile damit herstellen? aerotec fragte dazu Otto Kellenberger, Key Technology Management bei der Kuka Roboter GmbH in Augsburg. Die gilt als kompetenter Automatisierungsspezialist in der Automobilindustrie. Und weitet in den letzten Jahren ihr Know-how auf Branchen aus, deren Anforderungen ähnlich komplex sind. „Automation auf der Basis von flexiblen und adaptiven Produktionssystemen ist der Schlüssel zu unseren Märkten von morgen. Die Kuka Roboter Group ist dabei erfolgreicher als viele andere Wettbewerber und konzentriert sich auf fortschrittliche Lösungen zur Automation unterschiedlichster industrieller Produktionsprozesse“ sagt Otto Kellenberger selbstbewusst und kann dies im Bereich der Luft- und Raumfahrt mit zwei beispielhaften Projekten untermauern.
In der Produktion mit Leichtbaumaterialien sind neue Fertigungstechniken anzuwenden, die Stückzahlen werden immer höher und die sind seiner Meinung nach kostengünstig nur durch innovative Robotertechnik in der Prozessautomatisierung zu erreichen. Eine Stoßrichtung dabei sind adaptive Produktionssysteme, wo eine größere Anzahl an kooperierenden Roboter ähnlich flexibel wirken, wie menschliche Mitarbeiter in Gruppenarbeitsprozessen. Kuka-Roboter können das, weil eine offene Steuerungsstruktur und eine eindrucksvolle Kinematik sie immer weiter in extrem sensible Handlingsbereiche vordringen lässt. Kuka hat zusammen mit kanadischen Forschungspartnern die Vorentwicklung geleistet und für Airbus ein adaptives Produktionssystem als Demonstrationsprojekt entwickelt. Hier legen zwölf kooperierende Roboter mit höchster Präzision und Wiederholgenauigkeit CFK-Stringer mit einer Länge von bis zu 32 Meter in Flügelvorformen oder Rumpfteile ein.
Otto Kellenberger: „Die Handhabung von so langen und biegsamen CFK-Teilen ist durch menschliche Arbeitskräfte nicht möglich, weil die kleinste Durchbiegung oder Verdrehung der Teile zu einer Beschädigung führen kann. Eine Positionierung der Werkstückkomponenten auf eine Genauigkeit von einem Millimeter ist auf diesen Längen durch menschliche Arbeit nicht denkbar.“ Und auch bei einem zweiten Projekt sind Kuka Roboter mit beeindruckender Performance involviert. Beteiligt am vom Freistaat Bayern und der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekt ‚CFK-Tex‘ sind das IWB Anwenderzentrum Augsburg der TU München und der Lehrstuhl für Softwaretechnik und Programmiersprachen an der Universität Augsburg. Als Projektträger fungiert die VDI/VDE Innovation & Technik GmbH.
Das IMA Ingenieurbüro Anton Abele + Partner GmbH Augsburg hat bei diesem Verbundprojekt ebenfalls eine wichtige Aufgabe übernommen. Bruno Haas als IMA Geschäftsführer sagt dazu: „Wir entwickeln ein flächiges Handhabungswerkzeug zum Absortieren der Zuschnitte mit beliebigen Konturen vom Schneidtisch und ein formflexibles Fügewerkzeug für das automatisierte, positionsgenaue Einlegen der großflächigen, trockenen CF-Textilien in dreidimensionale Formwerkzeuge.
“ Hört sich kompliziert an und das ist es auch. Denn die Struktur des Gewebes darf dabei keinesfalls verändert werden, da kleinste Abweichungen in der Gewebeausrichtung oder Dehnungen der trockenen Fasern nach dem Aushärten zu nicht tolerierbaren Schwachstellen im Bauteil führen. Für die Roboter musste also zunächst ein System entwickelt werden, mit dem ein nahezu flächiges Greifen durch eine Vielzahl von Mikrogreifern möglich wird. Ein Roboter mit dieser ‚Greifmatte‘ hebt die zweidimensionalen Zuschnitte mit einzeln anzusteuernden Unterdrucksaugern an und legt sie in ein prozessgesteuertes Lagersystem ab. Dann nimmt ein zweiter Roboter mit dem Fügewerkzeug, das ebenfalls mit Unterdruck saugt, die Zuschnitte auf und platziert sie nacheinander, der dreidimensionalen Geometrie der Vorform folgend, in einer abrollenden Bewegung ohne Verschieben, Stauchen oder Dehnen der einzelnen Fasern sowie des Faserverbundes in der Vorform ab.
Bruno Haas sagt: „Wir brauchten also zwei sehr leichte Werkzeuge, die eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Mikroaktoren integrieren und Roboter, die in beliebig vielen Verfahrschritten jeden gewünschten Punkt gemäß einem komplexen Legeschema ansteuern.“ Entsprechend anspruchsvoll war die Entwicklung des Steuerungskonzepts. Und davon konnte man sich letztes Jahr Ende Oktober auf der Composites Europe in Stuttgart überzeugen. Das hier vorgestellte Funktionsmodell wurde nach übereinstimmender Meinung der Branche als wichtiger Baustein für die Realisierung einer intelligenten Prozesskette zur wirtschaftlichen Herstellung von leichten Produkten aus Kohlefaserkunststoffen erkannt.
Dazu noch Mal Otto Kellenberger: „Das Ziel ist, die bisher reine Handfertigung zu automatisieren.“ Ein großes Potenzial der Kostenreduktion liegt, wie das ‚CFK-Tex‘-Projekt zeigt, in der robotergesteuerten Aufnahme der Lagezuschnitte und dem Lageaufbau in den Vorformen. Dabei ist es notwendig, eine vordefinierte Abfolge mit hoher Positioniergenauigkeit zu erreichen. Aber Kellenberger ist sicher: „Schon mit den bisher erreichten Ergebnissen bei der Automatisierung der CFK-Produktion können wir die Herstellungs- und hohen Qualitätskosten jetzt erheblich senken. Und das bei einer hohen Fertigungsgeschwindigkeit.“
Robert Wouters
Weitere Beiträge
→ CFK: Wo bleibt die Automatisierung?→ Diamant bezwingt CFK
→ Neuartiges Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe
→ Kleine Teile für große Vögel
→ Blisks und prismatische Teile effizient fertigen
