Verbundwerkstoffe: Spannung bis zum Fertigteil
Die automatisierte Verarbeitung von Verbundwerkstoffen hat so ihre Tücken. So ist es beispielsweise sehr wichtig, die richtige Spannung im Faserband zu halten, während es über die Form gelegt wird. Nur so kann sich die Maschine selbst auch an besonders anspruchsvolle Kompressionsbedingungen und extrem komplexe Oberflächenstrukturen anpassen. Das jedoch ist eine Herausforderung an die Steuerung des Systems.
Karbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFRPs) sind der Stoff, aus dem die Flugzeuge der Zukunft sind. Verbundstoffe sind jedoch derzeit kostenintensiver als die traditionell verwendeten Aluminiumlegierungen. Allerdings ermöglichen sie häufig Produktivitätsfortschritte bei der Konstruktion der Struktur, da zur Fertigung meist weniger Arbeitsgänge erforderlich sind. Außerdem liegt die Gewichtsersparnis normalerweise im Bereich von 20 Prozent, was einen erheblich geringeren Kraftstoffverbrauch zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Wartungsaufwand, wodurch weitere Einsparungen ermöglicht werden.
Um die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen zu automatisieren, setzt der spanische Hersteller M.Torres auf so genannte Bandschichtmaschinen. Sie basieren auf dem Konzept eines beweglichen Portal-Gerüsts. Dies ermöglicht einen sehr einfachen Zugriff, beispielsweise beim Hantieren mit den Teilen und den Formen. Außerdem wird das erneute Laden der Verbund-Bandspulen deutlich vereinfacht. Die Standard-Maschinenkonzeption legt Verbundbänder, in Epoxidharz eingearbeitete Karbonfasern, in Breiten von 150 mm oder 300 mm. Allerdings können alle Maschinemaße den Anforderungen des Anwenders angepasst werden, auch für die Fertigung von Verbundstoff-Tragflächenstrukturen mit über 30 Metern Länge.
Um den sehr komplexen Produktionsabläufe sowie den Anforderungen der Flugzeughersteller gerecht zu werden, benötigt die Maschine eine leistungsstarke Steuerung, die mit der Fanuc-CNC der Serie 300i gefunden wurde. Bei der Bandschichtung wird der Streifen auf eine konstante Temperatur erhitzt, bevor er geschnitten und gelegt wird. Bei Flächen mit komplexen Konturen muss nicht nur jede Struktur aus zahlreichen Schichten aufgebaut werden, sondern auch die Ausrichtung jeder einzelnen Schicht exakt den Design-Spezifikationen entsprechen. Bei Teilen, die über ihre Lebensdauer hinweg stark beansprucht werden, zum Beispiel bei Montagelöchern, sind zusätzliche Verstärkungsschichten mit vielen verschiedenen Ausrichtungen erforderlich. Das Band wird normalerweise in einer konturierten Form gelegt (Schichtung gemäß Netzform) oder auf einem ebenen Vakuumtisch (Schichtung flacher Formen, die später in einem Warmformgebungsprozess gebogen werden). Das komplexe Endprodukt wird anschließend in einem Autoklav platziert, wo es unter den erforderlichen Temperatur- und Druckbedingungen aushärtet.
Die Maschine (Typenbezeichnung TorresLayup) umfasst elf programmierbare Achsen. Angetrieben werden diese mittels Fanuc-Servomotoren der Alpha is und Beta is Serie. Dabei wird die X- und Y-Achse von einem Paar Motoren der Alpha is an jeder Seite angetrieben. Diese Motoren garantieren die notwendige Geschwindigkeit und Präzision.
Daneben wird eine exakte Kontrolle des Umkehrspiels und eine hohe Produktivität der Maschine bei Drehzahlen von bis zu 60 m/min an der Hauptmaschinenachse ermöglicht. Ein weiteres Antriebssystem sorgt für die Rotation des Kopfs (C-Achse), und ein weiterer Motor ermöglicht die Winkelausrichtung des Kopfs (A-Achse), so dass dieser exakt den Steigungen komplexer Formkonturen folgt. Mithilfe zweier angetriebener Ultraschallmesser an 4 der gesteuerten Achsen kann die Maschine auch komplexe Bandschnitte ausführen. Die kompakten Abmessungen der Servomotoren der Beta is Serie haben sich für diese Achsen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Schon in den ersten M. Torres Bandschichtmaschinen kamen Fanuc CNC-Steuerungen zum Einsatz. Je komplexer die Konzeption der Maschinen wurde, desto wichtiger wurde für die Spanier die Zusammenarbeit mit dem CNC-Hersteller.
José Angel Fernández, Leiter des Bereichs Automation Engineering bei M. Torres, erläutert eines der elementaren Konzeptionsmerkmale, die mit Hilfe von Fanuc gelöst werden konnten: „Es ist sehr wichtig, die richtige Spannung im Band zu halten, während es über die Form gelegt wird. so dass sich die Maschine selbst auch an besonders anspruchsvolle Kompressionsbedingungen und extrem komplexe Oberflächenstrukturen anpassen kann. Hierzu wird das Drehmoment des Fanuc Servomotors, der für den Vorschub des Bands von der Spule sorgt, von einer CNC-Steuerung der Serie 300i sorgfältig gesteuert und überwacht. Diese spezielle CNC-Funktionalität wurde von Fanuc in erfolgreicher Zusammenarbeit mit uns entwickelt.”
M. Torres hat mit den Entwicklern moderner CAD-Software für den Luftfahrtsektor eine eigene Software entwickelt, die die speziellen Antriebsanforderungen der Maschinen berücksichtigt. Dem Anwender steht somit bei der Konzeption neuer Teile bzw. deren Strukturen ein vollständig integriertes Softwarepaket zur Verfügung. Er kann seine Anforderungen bei der Bandschichtung exakt anpassen, oder Standardschritte für die Software auswählen, um die Struktur zu optimieren. Die Software ermöglicht dem Programmierer die Simulation, Analyse und Änderung aller Schichten vor der eigentlichen Erstellung des Teileprogramms mit dem Post-Prozessor. Dieses Teileprogramm kann direkt über eine Ethernet-Schnittstelle auf die Fanuc CNC-Steuerung der Serie 300i heruntergeladen werden.
„Der Bandschichtungsprozess selbst ist zwar sehr komplex,” ergänzt José Angel, „dennoch ist die Aufgabe des Maschinenbedieners sehr einfach. Mit der Konzeption einer speziellen Mensch-Maschine-Schnittstelle auf Windows-Basis haben wir für eine vereinfachte Bedienung gesorgt.” Der Bediener weist die Maschine zunächst an, drei markierte Fixpunkte auf der am Maschinenfundament befestigten Form zu finden. Die Achsen in den Steuerungsprogrammen werden dann automatisch auf diese Positionen abgestimmt, und das relevante Teileprogramm wird gestartet. Einige sehr komplexe Teile erfordern bis zu 180 Bandschichten. Sollte bei einem Arbeitsprozess eine neue 500-m-Bandspule erforderlich sein, wird der Kopf automatisch an einer leicht zugänglichen Position geparkt: Der Bediener braucht dann nur zwei Minuten, um das Magazin in Position zu bringen, eine neue 120-kg-Spule einzusetzen und die Maschine wieder zu starten.
Die CNC-Steuerung ist neben der Bandschichtmaschine fest installiert, während sich die Verstärker und die Motoren in einem beweglichen Gerüst befinden. Das Gerüst kann sich bis zu 30 oder 40 Meter von der CNC-Steuerung weg bewegen. Die Fanuc CNC-Steuerung 300i gibt Daten über ein bis zu 100 Meter langes Glasfaserkabel aus. Die Hochspannungsverkabelung wird dadurch erheblich vereinfacht, was zu Kosteneinsparungen bei den Komponenten führt und die Konstruktionszeit der Maschine verkürzt sowie die Lärmbelastung und das Risiko einer Beschädigung beim Bewegen des Gerüsts erheblich reduziert.
Weitere ausgefeilte Hilfssteuerungen sind ein Banddefekt-Lasererkennungssystem, mit dem die Maschine defekte Abschnitte des Bands beim Abrollen aussortieren kann. Um den beweglichen Kopf und das bewegliche Gerüst herum sind Abstandssensoren angebracht, die für eine hohe Sicherheit der Bediener sorgen. Zur Zeitersparnis und zum Vermeiden potenzieller Beschädigungen bei der Handhabung und Bewegung zwischen Maschinen ist die Torreslayup-Maschine mit einem abschließenden Ultraschall-Schneidsystem ausgestattet, über das nicht ausgehärtete Verbundteile direkt nach der Schichtlegung geschnitten werden.
Am Anfang stand Papier
M. Torres begann mit der Entwicklung und Fertigung automatisierter Maschinen für die Papier verarbeitende Industrie, die schon bald in die ganze Welt geliefert wurden. Vor zwanzig Jahren erschloss das Unternehmen den Bereich Luft- und Raumfahrt und begann 1999 mit der Entwicklung von 1500-kW-Windturbinen. Seit 2000 hat das Unternehmen Niederlassungen in den USA und Deutschland gegründet und sich mit seiner Erfahrung in der Verarbeitung von Verbundstoffen inzwischen auch im Schiffbau etabliert. Das Unternehmen ist heute für die meisten Flugzeughersteller im zivilen und militärischen Bereich tätig. Die Produktpalette umfasst Fräsmaschinen, Laserdünnschichtschneider und Schweißmaschinen, Verbundmaterial-Fertigungssysteme, Befestigungssysteme, flexible Werkzeugeinrichtungssysteme und individuell abgestimmte Aufspannvorrichtungen und Montagestraßen
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