• Werkstoffe und Verfahren   CFK: Wo bleibt die Automatisierung?

CFK: Wo bleibt die Automatisierung?

Die Fertigung von Flugzeugstrukturen und -komponenten aus CFK (Kohlefaserverstärkter Kunststoff) braucht dringend Impulse. Noch immer dominiert hier die Handarbeit, was auf Kosten der Effektivität und Wirtschaftlichkeit geht. Die Maschinenhersteller schlagen sich zwar noch mit manchem Problem herum, es gibt jedoch Fortschritte im Detail: Eine Bestandsaufnahme von aerotec-Mitarbeiterin Dr. Barbara Stumpp.

CFK (Kohlefaserverstärkter Kunststoff) besitzt hohe Steifigkeit und Festigkeit, ist gut ein Drittel leichter als Aluminium, langlebig und korrodiert nicht. Auf der anderen Seite stehen hohe Material- und Herstellungskosten, wobei die letzteren allein etwa 44 Prozent der Gesamtkosten generieren. Den zukünftigen Bedarf an Verkehrsflugzeugen schätzt man auf 480 Flugzeuge pro Jahr, also 480 Rümpfe mit mehr als 40.000 Spanten, über 100.000 Stringer, 1920 Flügelhalbschalen, 480 Seitenleitwerke, 960 Höhenleitwerke und so weiter – mit der momentan Fertigungstechnik ist das kaum machbar.

Automatisiertes Ablegen beschleunigen

Etwa seit 1990 gibt es Fibreplacement-Maschinen (FPM) auf dem Markt. “In den letzten drei bis vier Jahren hat sich die Ablegegeschwindigkeit etwa verdoppelt”, wissen Michael Muser, Composite Business Manager bei Ingersoll und Manu Motilva, Chefentwickler beim spanischen Maschinenhersteller MTorres. Aber diese Leistung ist nicht beliebig steigerbar, denn das Material muss genau abgelegt werden. Momentan schafft man etwa 50 bis 60 Meter pro Minute.

Eine weitere Bremse ist das Schneiden der Tows (Faserbündel). Michael Muser behauptet: “MTorres und Ingersoll sind die einzigen, deren FPMs bei voller Fahrt genau schneiden und wieder zuführen können.” Auch – statt mit Linearmotoren – die Anlagen über schnellere Drehmomentmotoren anzutreiben bringt mehr Leistung. “100 m/min abzulegen schaffen wir im Labor, im nächsten Jahr wollen wir eine serienreife Maschine mit dieser Leistung anbieten”, kündigt Muser an.

Nur Maschinengeschwindigkeit ist aber auch nicht alles, schließlich läuft die Anlage nur zu 60 Prozent der gesamten Prozesszeit eines Bauteils. Den Werker mit seinen Qualitätschecks durch ein Online-Inspektionssystem zu ersetzen, was bei einigen FPMs schon verfügbar ist, spart Personalkosten und reduziert die Fertigungszeit weiter.

Zusätzliche Vorteile bringt ein auswechselbarer Legekopf. Er ist in 30 Sekunden auszutauschen, im Prozess braucht man dann insgesamt zwei bis drei Minuten für den Wechsel. “Mit dem Wechselkopf kann man im Prozess ohne großen Aufwand das Material wechseln, das bringt auch mehr Produktivität”, erläutert Muser. Bei MTorres hat man sich eine andere Lösung überlegt: den so genannten Autosplicer. “Um die Zahl der Maschinenstopps zu reduzieren, haben wir zwei Spulen pro Linie. Ist eine Spule leer, dann wird in fünf Sekunden automatisiert die nächste eingewechselt”, sagt Spezialist Motilva.

Und es gibt noch weitere Herausforderungen. Joachim Jäckl von MAG Cincinnati und Peter Vogeli, Entwicklungsingenieur bei ElectroImpact sind sich einig, dass mit höherer Prozesssicherheit bei der Verarbeitung klebriger Materialien und der besseren Handhabung biegeschlaffer Materialien noch mehr Produktivität realisierbar ist.

Klein und flexibel

Im Automobilbau hat man mit Robotern eine hohe Automatisierung erreicht, sie sind kompakt, leicht und kostengünstig und darum kombinierte man sie bei Coriolis Composites mit einem Legekopf. Clémentine Gallet, Geschäftsführerin von Coriolis Composites: “Bei uns werden die Tows über Röhren zum Legekopf geführt, darum ist der Kopf klein und kann kleine Strukturen und stark gekrümmte Bauteile bis zu einem Meter Radius legen.” Das roboterbasierte System ist gedacht für die Herstellung von Business- und Regionaljets, es ist kosteneffizient und serienreif.

Johann-Peter Scheitle, Mitarbeiter von Eurocopter und Leiter des Arbeitskreises Automation von Carbon Composites e.V. zeigt den wunden Punkt: “Die Nebenzeiten der FPMs wegen Störungen beim Ablegen sind noch enorm, da es sich um einen komplexen Prozess handelt.” Klebrigkeit und Inhomogenität der Prepregs erfordern einen großen Steuerungsaufwand und die Tows müssen gekühlt abgelegt, geschnitten, dann aufgeheizt und angedrückt werden, entsprechend viele Möglichkeiten für Maschinenstopps gibt es. “Im Herstellungsalltag dürfte die reale Ablage häufig nur ein Bruchteil der Angaben für die Fahrgeschwindigkeit der Hersteller betragen”, so Scheitle.

Empfindlich wie rohe Eier

Ausgehärtet ist CFK hart im Nehmen, aber davor empfindlich wie ein rohes Ei. Um hier Roboter einsetzen zu können, braucht man ganz neue Endeffektoren. “Unsere Entwicklung arbeitet mit ventilgesteuerten Saugern für eine fast berührungslose Handhabung, auch für luftduchlässige Materialien”, berichtet Dr. Hilmar Apmann von Premium Aerotec. Die Endeffektoren verfügen über eine integrierte Bilderfassung und ihre Abmessungen können der Ablegegeometrie angepasst werden. Und gegen das Festkleben haben sie eine spezielle Kunststoffbeschichtung. Auch Entformen können die Roboter. “Der Endeffektor verfügt über einen Kraft-Moment-Sensor, der ihn rechtzeitig stoppt, bevor das CFK-Material beschädigt werden kann, einen Werkzeugwechsler und ein Niederhaltesystem zum Entformen von Stringer-Preforms”, so Hilmar Apmann. “Die Spantherstellung ist in der Entwicklung, die robotergestützte Herstellung von Stringer und Fensterrahmen ist serienreif”. Als nächstes hat man sich die Positionierung von Stringern und Spanten mittels kooperierenden Robotern vorgenommen. Dazu bekommt der Endeffektor einen Messsensor, der mit dem hauseigenen InDoor-GPS kommuniziert, was eine Präzision von 0,2 mm ermöglicht.

Flaschenhals Autoklav

Um noch schneller und kostengünstiger zu werden, möchten viele gerne den Autoklaven überflüssig machen. Projektleiter Kai Fischer am IKV der RWTH Aachen skizziert: “Bei unserem Verfahren werden Preforms in ein spezielles Formwerkzeug gelegt und ein temporärer Fließspalt erzeugt. In den Fließspalt wird ein dünnflüssiges, hochreaktives Harz eingeleitet, das sich schnell und flächig über dem Preform verteilt und diesen imprägniert. Zum Erreichen von hohen Faservolumengehalten wird der Spalt mit einer Walkbewegung geschlossen und überschüssiges Harz aus dem Preform herausgepresst.” Der Clou: da das Werkzeug ständig auf 100 °C gehalten wird, fängt das Harz schon an zu vernetzen, wenn es in das Werkzeug gelangt. Das ist aber kein Problem, denn Imprägnieren und Komprimieren dauern gerade mal 14 Sekunden und das Aushärten dauert dann nochmals drei Minuten. Zum Vergleich: ein Bauteil mit dem gängigen Harzsystem RTM6 braucht 2 Stunden bei 180 °C. Das neue Harz, ein Zwei-Komponenten-Epoxi, ist aber noch nicht für die Luftfahrt qualifiziert. Die Fertigungsanlage am IKV ermöglicht einen automatisierten Prozessablauf für die Fertigung von Bauteilen mit 50 Prozent Faservolumengehalt in Taktzeiten von weniger als zehn Minuten.

Roboter können schon viel, nur für den Flugzeugbau müssen sie noch besser sehen lernen. “Nötig ist eine neue Sensorik für ein Handhaben mit Gefühl und der sicheren Navigation im Raum”, weiß Dr. Johann Bals vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik. Auch in absehbarer Zeit werden die Stückzahlen hier nicht so hoch sein, dass es sich lohnt, einen Roboter für nur eine Funktion hinzustellen. Die Roboter im Flugzeugbau müssen also flexibel wechselnde Aufgaben leisten können, “aber man kann auf Standardrobotern aufbauen”, so Bals. Zudem ist es nicht damit getan, einprogrammierte Bahnen abzufahren. Der Roboter muss sehen lernen, um seine Position zu überprüfen und notfalls zu korrigieren. Dazu braucht es leistungsfähige Sensoren und Steuerungen.

“Zur Überwachung der Qualität gibt es jede Menge Ansätze”, so Dr. Wolfgang Dudenhausen vom DLR-Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung. Infrarot und UV werden schon lange zum automatisierten Qualitätstest genutzt, Formerkennung und NDT (Non Destructive Testing) bei Delamination sind Stand der Technik. “Mit Ultraschall prüfen kann der Roboter. Das Ergebnis sind bunte Falschfarbenbilder. Das Problem ist, einen Schaden so zu definieren, dass ein Bildverarbeitungssystem ihn erkennt”, weiß Dudenhausen.

Weitere Beiträge

→ CFK-Teile: Wann ist Schluss mit Handarbeit?
→ Neuartiges Laserschneidverfahren für CFK-Werkstoffe
→ Diamant bezwingt CFK
→ Kostproben aus der Werkstoffküche
→ Russische United Aircraft Corporation startet Flugzeugfertigung mit Zerspan- und Composites-Anlagen von MAG