Zwei Stäubli Roboter - Bild: Stäubli

Zwei Stäubli Roboter, ein FAST picker TP80 und ein sechsachsiger TX200 zählen zu den Schlüsselkomponenten in der Fiber Patch Placement-Zelle. Bild: Cevotec

Gewichtsreduktion hat bei der Automobilproduktion oberste Priorität. Sicherheits- und Komfortausstattungen haben die Fahrzeuggewichte in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter in die Höhe getrieben. Um den Verbrauch und damit den Schadstoffausstoß zu reduzieren, setzen die Fahrzeughersteller nun alles daran, diese Entwicklung umzukehren. Leichtbau ist angesagter denn je, doch entsprechende Werkstoffe und Fertigungsverfahren finden unter dem Diktat der Kosteneffizienz nur schwer Einzug in die Fabrikhallen.

Mit dem wegweisenden additiven Fertigungsverfahren Fiber Patch Placement, kurz FPP, kommt jetzt Bewegung in die Sache. In den vollautomatischen Anlagen von Cevotec aus Taufkirchen sorgen zwei Stäubli Roboter, darunter einer der weltweit schnellsten Vierachser, für bis dato unerreichten Output. Diese Anlagentechnik macht den Weg frei für die wirtschaftliche Produktion von Leichtbau-Serienteilen.

Fiber Patch Placement - Bild: Cevotec
Wie schnell, effizient und wirtschaftlich Fiber Patch Placement in der Praxis sein kann, beweist Cevotec mit der vollautomatischen Produktionsanlage SAMBA Pro. Bild: Cevotec

Aber der Reihe nach: Das Verfahren ist noch nicht überall bekannt und sollte vor dem Blick auf die technischen Detaillösungen kurz skizziert werden. Bei FPP handelt es sich um ein Legeverfahren, bei dem eine dreidimensionale Positiv- oder Negativform mit definierten Carbonfaserstreifen, den sogenannten Patches, belegt wird. Das Bauteil wird so ähnlich dem 3D Druck additiv, flexibel und automatisiert aus einzelnen, bebinderten Faserstreifen zusammengesetzt.

Der entscheidende Vorteil: Die Patches, die vollautomatisch aus flachem Faserband geschnitten werden, lassen sich völlig frei auf der Form positionieren. Durch die individuelle Faserorientierung jedes Patches entsprechend der Belastungen im Bauteil lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Preforms beachtlich steigern. Die Pluspunkte liegen auf der Hand: Signifikante Steigerung von Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig beachtlicher Gewichtsreduzierung.

Der entscheidende Vorteil: Die Patches, die vollautomatisch aus flachem Faserband geschnitten werden, lassen sich völlig frei auf der Form positionieren. Durch die individuelle Faserorientierung jedes Patches entsprechend der Belastungen im Bauteil lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Preforms beachtlich steigern. Die Pluspunkte liegen auf der Hand: Signifikante Steigerung von Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig beachtlicher Gewichtsreduzierung.

Leichtbauteile mit herausragender Festigkeit

Materialnutzungsgrad ohne Verschnittraten - Bild: Cevotec
Weiterer Vorteil des Verfahrens ist der hohe Materialnutzungsgrad ohne Verschnittraten. Bild: Cevotec

„Werden die lasttragenden Fasern in einem CFK Bauteil nicht belastungsgerecht ausgerichtet, ist der Abfall der mechanischen Kennwerte enorm. Bereits bei einer Abweichung von nur 15° zwischen Last- und Faserrichtung reduziert sich die Ausnutzung der Faserfestigkeit um über 80 Prozent“, verrät Cevotec CTO Felix Michl. Mit dem FPP-Verfahren des Unternehmens sind solche Nachteile gezielt zu vermeiden, da jeder einzelne Patch entlang von Kraftflüssen im Bauteil ausgerichtet werden kann.

Um die mechanischen Eigenschaften der Patchlaminate maximal auszunutzen, hat Cevotec mit Artist Studio eine leistungsstarke Software mit Schnittstellen zu gängigen FEM-Programmen entwickelt, mit der eine effiziente Laminatplanung und Anlagenprogrammierung einfach zu bewerkstelligen sind.

Die mächtigen Algorithmen dieser CAD-CAM Software berechnen die optimale Lage und Überlappung der Patches zueinander und schaffen so die Voraussetzung für eine gleichmäßig hohe Laminatqualität.

Ein weiterer Vorteil beim Fiber Patch Placement ist der hohe Materialnutzungsgrad. Die hohen Verschnittraten der klassischen textilen Verfahren von teilweise über 50 Prozent kennt diese Technologie nicht. Von dem zugeführten Faserband landen über die zugeschnittenen Patches 100 Prozent des Materials im Bauteil. Bei einem Werkstoff, der deutlich teurer ist als Aluminium oder Stahl, wird dies schnell zum entscheidenden Wirtschaftlichkeitsfaktor.

Innovative Roboteranlage für die Serienproduktion

Stäubli TX200 - Bild: Cevotec
Der große Stäubli TX200 übernimmt die präzise Handhabung der Form während der TP80 für das Auflegen der Patches zuständig ist. Bild: Cevotec

Wie schnell, effizient und wirtschaftlich Fiber Patch Placement in der Praxis sein kann, beweist Cevotec mit der vollautomatischen Produktionsanlage SAMBA Pro. Für die Realisierung dieser Zellen vertraut Cevotec auf die Kompetenz des erfahrenen Anlagenbauers Baumann. Die Spezialisten aus Amberg haben sich mit anspruchsvollen Automatisierungslösungen international einen Namen gemacht.

Da bei diesen Anlagen der Performance der Robotik eine entscheidende Rolle zukommt, entschied man sich für Hochleistungsroboter des Schweizer Anbieters Stäubli. In jeder Zelle arbeiten zwei Roboter: ein ultraschneller FAST picker TP80 sowie ein großer Sechsachser des Typs TX200. Somit stehen für die freie Positionierung der Patches insgesamt zehn Roboterachsen zur Verfügung.

Wie Fiber Patch Placement im Detail funktioniert, zeigt der Blick auf die Anlage. An Station eins stehen die Abwicklung des Carbonfaserbandes und dessen Zuführung zur automatischen Schneideinheit auf dem Programm. Hier schneidet ein Laser das Band mit höchster Präzision in Streifen. Anschließend übernimmt ein Bildverarbeitungssystem die geometrische Überprüfung der Patches. Alles Weitere ist Aufgabe der Roboter.

Im nächsten Schritt greift der FAST picker mit einem speziellen Vakuumgreifer den Carbonstreifen vom Band ab und fährt zu einem weiteren Kamerasystem, das Position und Orientierung des Patches am Greifer bestimmt. Noch während die Korrekturparameter durch die Bildverarbeitung errechnet werden, steuert der TP80 die ursprünglichen Zielkoordinaten an, korrigiert auf die finale Position und klebt den Patch auf. Während der Handhabung heizt der Greifer den Patch auf und aktiviert dadurch dessen bebinderte Seite, so dass eine sichere Anhaftung gewährleistet ist. Die Aufgabe des großen Sechsachsers TX200 besteht darin, die Form, die mit den Patches belegt wird, schnell, präzise und lagerichtig unter dem TP80 zu positionieren. Mit einer Reichweite von 2.194 mm und 100 kg Traglast kann der Roboter die Anforderungen optimal erfüllen.   

Know-how intensive Greiftechnik

Publikumsmagnet - Bild: Cevotec
Die innovative FFP-Zelle ist auf jeder Messe ein Publikumsmagnet. Bild: Cevotec

Eine Schlüsselrolle bei der Handhabung kommt dem formflexiblen Patch-Greifer von Cevotec zu. Ausgestattet mit einem Spezialschaumstoff passt sich der Greifer auch den komplexesten Oberflächen an. Selbst bei Winkeln über 90° und zweiachsig gekrümmten Oberflächen hinweg legt er die Patches passgenau und ohne Drapiereffekte ab. Dank der zehn Achsen der beiden Stäubli Roboter kann der Greifer auch bei sehr komplexen Bauteilen jede Stelle problemlos erreichen. Auch am Ende des Preforming-Prozesses geht es vollautomatisiert weiter: Die eigenstabilen Preforms werden automatisch vom Werkzeug gelöst und zum nächsten Verarbeitungsschritt übergeben.

„Die Performance der Stäubli Roboter ist entscheidend für den kompletten Prozess. Insbesondere der hohen Dynamik des TP80 ist es zu verdanken, dass wir Taktzeiten erreichen, die eine Serienproduktion ermöglichen. Dieser Speed bringt Flexibilität in das Fiber Patch Placement und macht diese Technologie sowohl für Klein- wie Großserien interessant“, betont Michl.

Anwendungsbereiche der Technologie sieht man bei Cevotec nicht nur in der Luft- und Raumfahrt, sondern zunehmend in der Automobilindustrie, wo hochfeste Leichtbauteile eine immer größere Rolle spielen. Dabei lassen sich durch patchbasierte Faserstrukturen die mechanischen Eigenschaften um bis zu 150 Prozent steigern. Weiterer Vorteil: die deutliche Gewichtreduzierung, die je nach Bauteil bei über 50 Prozent liegen kann und die Fahrzeughersteller beim Streben um geringeren Schadstoffausstoß ihrer Fahrzeuge signifikant unterstützen kann. Das macht Fiber Patch Placement zu einem Meilenstein für komplexe Performance-Bauteile in großen Stückzahlen.