Automatische Verarbeitung von Organoblechen

Die Kombination Tapelegen und Umformen verspricht eine werkstoffoptimierte Herstellung leichter, aber beanspruchungsgerechter Formteile aus so genannten Organoblechen mit einlagiger...

Anbieter zum Thema

Aachener Maschinenbau GmbH

GGB Heilbronn GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Die Kombination Tapelegen und Umformen verspricht eine werkstoffoptimierte Herstellung leichter, aber beanspruchungsgerechter Formteile aus so genannten Organoblechen mit einlagiger Torsionsverstärkung. Automationsgrad und Fertigungsgenauigkeit sind erhöht, die Zykluszeit verkürzt. Nun soll die Funktionalität und Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses mit Hilfe eines neuen Tapelegekopfs zur Verstärkung der Thermoplasthalbzeuge weiter erhöht werden.Der Verwendung von Theromoplasten mit Endlosfaserverstärkung für Strukturteile hat in vielen Branchen noch nicht richtig Fuß gefasst, zum Beispiel in der Automobilindustrie. Gründe dafür sind unter anderem die höheren Werkstoffkosten sowie mangelnder Entwicklungsstand der Fertigungsverfahren hinsichtlich Zuverlässgkeit und Automatisierungsgrad [1]. Außerdem erschwert die Weiterentwicklung von Metalllegierungen die Erschließung potenzieller Anwendungsbereiche. Eine der maßgeblichen Innovationen der letzten Zeit war die so genannte Tailored-Blanks-Technik, die einen beansruchungsgerechten, aber auch zugleich einen reduzierten Werkstoffeinsatz ermöglicht.Unter dem aus der Metallbranche stammenden Begriff Tailored Blanks versteht man das Fügen verschiedener Werkstoffe oder unterschiedlich dicker Halbzeuge. Dadurch kann der Werkstoffeinsatz reduziert und somit das Bauteil gewichtsoptimiert gefertigt werden. In der Metallbearbeitung kommt in der Regel dazu das Punkt- oder Stumpfschweißen zum Einsatz. Im Gegensatz dazu werden bei thermoplastischen Kunststoffen Verfahren zum Verschweißen der gesamten Kontaktfläche angewandt. Für diese gewichtsoptimierten thermoplastischen Strukturteile mit Endlosfaserverstärkung kommt als Verarbeitungsverfahren vorzugsweise das Stempelumformen in Betracht. Ausgangsprodukte sind dabei gewebeverstärkte Organobleche, auf die manuell thermoplastische Verstärkungsbleche aufgelegt und gemeinsam aufgeheizt werden. Während des Umformprozesses erfolgt das Fügen. Jüngste Weiterentwicklungen des Verfahrens zeigen, dass die Verstärkungsbleche bereits ins Werkzeug eingelegt, separat aufgeheizt und dann im Werkzeug gefügt werden können [2].Werkstoffoptimierung durch TapelegenIm Vergleich zur Metallverarbeitung ist beim Verarbeiten der Organobleche der geringere Grad an Flexibilität, Fertigungsgenauigkeit und Automation zu bemängeln. Aus diesem Grund bietet sich ein Hybridprozess aus Thermoplast-Tapelegen und Umformen an. Beim Tapelegen werden automatisiert unidirektional faserverstärkte Thermoplastbändchen auf ebene oder gekrümmte, flächige Strukturen richtungs- und positionsunabhängig abgelegt. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung großer funktions- und beanspruchungsgerechter Bauteile mit definierten Laminatdicken. Gemäß des Prozesses in Bild 1 kann zur Positionierung und Orientierung des Tapelegekopfs bei großflächigen Strukturen ein Mehrachsportalsystem oder ein 6-Achs-Knickarmroboter verwendet werden. Auf diesem Handlingautomaten sind sowohl die Spule für Bändchen als auch der Legekopf einschließlich der Aufheizvorrichtung montiert. Die wesentlichen Komponenten des Legekopfs sind neben der Aufheizvorrichtung das Andrücksystem, der Schneidemechanismus sowie die Bandvorschubeinheit.Beim Tapelegen wird zunächst das Bändchen mit Hilfe der Vorschubeinheit bis zur Andrückvorrichtung transportiert und der Legekopf auf eine meist drehbar gelagerte Werkzeugplattform aufgesetzt. Dann folgt das Aufheizen des Bändchens über die Schmelztemperatur während des Legeprozesses und das Ablegen auf die Werkzeugoberfläche oder dem Laminat unter Konsolidierungsdruck und somit die Online-Konsolidierung. Kurz vor Ende einer Bahn durchtrennt eine Schneidevorrichtung das Bändchen. Der Rest wird abgelegt und der Legekopf nach der Fertigstellung der Ablage von der Werkzeugplattform abgehoben.Im Rahmen einer strategischen Prozessanalyse wurde ein Portfolio zum Bauteilspektrum erarbeitet, anhand dem sich die Verfahrenseigenschaften insbesondere im Vergleich zu den übrigen Verarbeitungsverfahren für faserverstärkte Kunststoffe darstellen lassen [3]. Demnach eignet sich das Tapelegen für große Bauteile mit niedriger oder mittlerer Formkomplexität. Durch nahezu beliebige Faserpositionierung und -orientierung können Bauteile sehr beanspruchungsgerecht zum Beispiel mit Dickenabstufungen ausgelegt und hergestellt werden. Aufgrund des Prozessablaufs und der eher großflächigen Teile sind jedoch die Zykluszeiten hoch. Demnach liegen die herstellbaren Produkte im Hochpreissegment und besitzen niedrige jährliche Stückzahlen. Denkbar wäre zum Beispiel die Herstelleung folgender Bauteile:- In der Luftfahrtindustrie können durch Tapelegen Tragflächen und Rumpfteile hergestellt werden.- Potenzielle Anwendungen bei Windkraftanlagen sind Türme, Gehäuse und Rotorblätter.- Im Eisenbahnbau ist das Fertigen einer Außenverschalung denkbar.- Im Schiffbau kommen Bootsrümpfe, Bootsaufbauten und Verschalung in Betracht.In dieser Form ist das Thermoplast-Tapelegen folglich nur sehr eingeschränkt in Branchen wie dem Automobilbau anwendbar. Dort verwendete Strukturteile haben eine höhere Formkomplexität und hohe Stückzahlen. Diese Lücke lässt sich durch Kombination von Tapelegen und Umformen thermoplastischer Kunststoffe schließen. Während das Tapelegen für die beanspruchungsgerechte lokale Verstärkung eines flächigen Halbzeugs sorgt, kann durch Umformen die erforderliche Formkomplexität des Bauteils erzeugt werden.Genaue Faserausrichtung optimiert BelastbarkeitIn Bild 2 ist die mögliche Hybridprozesskette dargestellt. Als Ausgangsprodukt wird ein vollimprägniertes und konsolidiertes flächiges Halbzeug (Organoblech) verwendet. Dieses Halbzeug wird in der ersten Stufe entsprechend der Bauteilanforderung im Tapelegeprozess lokal verstärkt. Liegen im Organoblech die Verstärkungsfasern in der Regel als Gewebe vor, sind die beim Tapelegen eingesetzten Thermoplast-Tapes unidirektional endlosfaserverstärkt. Hierdurch können die Fasern mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in Richtung der Beanspruchung abgelegt werden. Damit lässt sich automatisch das spätere Bauteil optimiert verstärken.Im Vergleich zum manuellen Auflegen der Verstärkungslagen gewährleistet der Einsatz des Roboters eine höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie einen geringeren Zeitbedarf. Zusätzlich können die abgelegten Tapes nicht mehr verrutschen, weil die einzelnen Lagen der Tapes bereits mit dem Organoblech online konsolidiert werden. Anschließend durchläuft das lokal verstärkte Halbzeug eine Aufheizstrecke, zum Beispiel einen Infrarotofen, in der das Halbzeug bis auf über Schmelztemperatur erhitzt wird. Im aufgeschmolzenen Zustand folgt der direkte Transport in die Umformanlage. Dort wird das lokal verstärkte Organoblech umgeformt. Der Spannrahmen, der zum Induzieren der Membranspannung für das Umformen erforderlich ist, kann von Beginn bis Ende der Prozesskette als Halbzeugaufnehmer und Transportmittel verwendet werden. Aus diesem Grund ist lediglich die Beschickung und Entnahme des Spannrahmens manuell zu verrichten, der außerhalb der Prozesskette gerüstet werden kann.LokaleVerstärkung der OrganoblecheIm Rahmen erster Untersuchungen wurden am Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) GmbH, Kaiserslautern, gewebeverstärkte Organobleche aus Glasfasern und Polypropylen (GF/PP) lokal durch Tapelegen mit GF/PP-Tapes verstärkt und umgeformt. Dazu wurde ein am IVW entwickelter Tapelegekopf an einem 6-Achs-Knickarmroboter des Herstellers Kuka mit 125 kg Nutzlast betrieben (Bild 3a). Der Tapelegekopf hat pneumatisch gesteuerte Vorschub-, Schneid- und Andrückeinheiten. Als Aufheizsystem wird ein Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner verwendet. Die steuerungstechnische Vernetzung zwischen Tapelegekopf, Roboter und PC erfolgt mit Hilfe eines Feldbussystems. Das Bussystem macht die prozesstechnische Integration von Sensorik oder Aktuatorik sowie das Erfassen von Messdaten sehr einfach. Der ganze Prozess ist durch seine Auslegung leicht in Unternehmen integrierbar.Die eingesetzten Organobleche haben ein Faservolumengehalt von 35%. Diese wurden mit GF/PP-Tapes mit 50% Faservolumengehalt und einem Querschnitt von 0,4 mm 3 5 mm lokal verstärkt. In Bild 3b ist eine einlagige Kreuzverstärkung mit jeweils 50 mm Breite und 500 mm Länge dargestellt. Eine solche Verstärkung könnte beispielsweise zum gezielten Erhöhen der Torsionssteifigkeit vorgenommen werden. Die Ablegegeschwindigkeit betrug dabei etwa 8 m/min. Sie ist allerdings noch nicht optimiert.Kompakter Tapelegekopf mit eigener SPSDas lokal verstärkte Organoblech wurde nun in einem Spannrahmen mit Hilfe einer Stempelpresse bei 20 bar umgeformt (Bild 4a). Als Oberwerkzeug benutze man dabei einen Silikonstempel. Spätere Untersuchungen haben aber gezeigt, dass bei einlagigen Verstärkungen (hier 0,2 mm) ein Metallstempel weiterhin einsetzbar ist. Bild 4b zeigt das umgeformte Blech in der Draufsicht. Die lokalen Verstärkungen haben weder den Umformvorgang und die Gewebescherung behindert, noch sind die Verstärkungslagen verrutscht oder haben sich negativ auf die Bauteilqualität ausgewirkt. Die unidirektional faserverstärkten Tapes haben sich auch in den Sicken der Kontur angepasst.Die bisher demonstrierte Funktionalität und Zuverlässigkeit des Tapelegeverfahrens sind jedoch zukünftig weiter zu verbessern. So wurde am IVW im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms 2 in Zusammenarbeit mit dem Flugzeugbauer Airbus eine neue Evolutionsstufe des Thermoplast-Tapelegekopfes entwickelt, der im Vergleich zum Vorgänger folgende Vorteile hat:- Die Bauweise ist kompakter und hat eine höhere Steifigkeit.- Eine eigene SPS mit kompletter Feldbusanbindung ist integriert.- Die integrierte Sensorik verbessert erheblich die Steuerungsmöglichkeiten.- Die Funktionseinheiten sind weitestgehend mit Elektromotoren ausgestattet.- Eine drehbare Schneide ver-ringert den Verschnitt und verbessert dadurch das konturgenaue Ablegen.- Durch Verwendung eines Bandpuffers ist ein ungestörter Ablegeprozess möglich.Literatur[1]Beresheim, G., P. Mitschang und M. Neitzel: Neuste Entwicklungen beim Einsatz faserverstärkter Kunststoffe im Automobilbau. Tagungsband ,,The 2010 Plastic Car Body Vision". Berlin: TCI Verlags GmbH, Oktober 1999, S. 5-28.[2]Nowacki, J.: Prozessanalyse des Umformens und Fügens in einem Schritt von gewebeverstärkten Thermoplasten. Dissertation Universität Kaiserlautern 2001 (IVW-Schriftenreihe Band 24).[3]Beresheim, G., und andere: Thermoplast-Tapelegen - durch Weiterentwicklung der Thermoplast-Wickeltechnik zu neuen Produktpotentialen. 3. Internationale AVK-Tagung in Baden-Baden, 12. bis 13. September 2000. Arbeitsgemeinschaft Verstärkte Kunststoffe e.V., Frankfurt am Main.