Additive Fertigung: Fiber Patch Placement mit dem Roboter
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Additive Fertigung der nächsten Generation

Fiber Patch Placement mit dem Roboter

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Mit seinen Fiber Patch Placement-Anlagen schlägt ein bayerisches Technologieunternehmen ein neues Kapitel der additiven Fertigung auf. Das Verfahren überzeugt bei der Herstellung von geometrisch anspruchsvollen Leichtbauteilen mit Flexibilität und ist dank Hochleistungs-Robotik auch für die Serienproduktion geeignet. ❧ Ralf Högel

Automatisch, einfach, hochflexibel – das schätzen Anwender an additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck. Deshalb setzt sich dieses Verfahren in industriellen Anwendungen immer mehr durch. Der große Nachteil dabei: die langsamen Baufortschritte bei komplexen 3D-Geometrien. Beim Fiber Patch Placement, kurz FPP, sieht die Sache anders aus. In den vollautomatischen Anlagen von Cevotec aus Taufkirchen sorgen zwei Stäubli Roboter, darunter einer der weltweit schnellsten Vierachser, für bis dato unerreichten Output.

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.

„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

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 – sei es in der Elektronikmontage oder im Waferhandling – 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 einer nominalen Traglast von 100 kg kann der Roboter die Anforderungen optimal erfüllen.

Know-how intensive Greiftechnik

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 in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie aber auch in der Medizintechnik, im Sportartikelbereich und überall dort, wo hochfeste Leichtbauteile eine 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. Das macht Fiber Patch Placement zu einem Meilenstein für komplexe Performance-Bauteile in großen Stückzahlen.

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