Zerspanung Automatisches Schäften verbessert die FVK-Bauteilreparatur

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Faserverbundwerkstoffe sind nicht nur in der Automobil- und Luftfahrtindustrie auf dem Vormarsch. Die Materialeigenschaften überzeugen in vielen Anwendungsbereichen. Aber was passiert bei strukturellen Bauteilschäden? Bei Stahl- und Aluminiumteilen ist die Reparatur kleiner oder größerer Schäden kein Problem. Wie repariert man aber Strukturen aus Faserverbundkunststoff (FVK) schnell und sicher?

Qualität bei manuellen Verfahren ist nicht reproduzierbar

Man entfernt das schadhafte Material und klebt einen Patch auf die beschädigte Stelle. Was sich so einfach anhört, ist aber ziemlich kompliziert. Bei einer Stahl- oder Aluminiumstruktur könnte man die betroffene Sektion einfach austauschen. Geht es aber um integral gefertigte FVK-Strukturteile bei Automobilen oder Luftfahrzeugen, ist ein solches Vorgehen wirtschaftlich nicht vertretbar.

Also wird repariert – und das bisher meist von Hand mit allen Nachteilen manueller Verfahren: Die Qualität schwankt und ist nicht reproduzierbar. Außerdem dauert es meist ziemlich lang, bis die strukturellen Bauteileigenschaften gemäß den hohen sicherheitstechnischen Anforderungen der Luftfahrtbehörden auf diesem Weg wiederhergestellt sind.

Bundeswehr treibt Entwicklung aufgrund künftiger Anschaffen voran

Am Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe (Wiweb) in Erding bei München kennt man das Problem. Seit einigen Jahren untersucht dort der wissenschaftliche Mitarbeiter Dr.-Ing. Jens Holtmannspötter im Auftrag der Bundeswehr die Instandsetzung und Reparatur von FVK-Strukturen. Hintergrund: Die Bundeswehr betreibt mit dem Eurofighter, dem Unterstützungshubschrauber Tiger, dem Transporthubschrauber NH90 und dem kommenden Transportflugzeug A400M vier Luftfahrzeuge, die erstmals zum Großteil aus FVK bestehen.

Bereits vor einigen Jahren wurden deshalb im Rahmen einer Initiative erste systematische und reproduzierbare Reparaturversuche in der Bundeswehr durchgeführt, um eventuell auftretende Mängel und mögliches Verbesserungspotenzial aufzuzeigen. Nach Angaben von Holtmannspötter zeigte es sich, dass besonders bei der manuellen Vorbereitung von Reparaturstellen eine Optimierung der Reparaturprozesse notwendig ist.

So wurde im Jahr 2011 ein Projekt zur Automatisierung der Reparaturstellenvorbereitung angestoßen. Dazu hat man leistungsfähige Partner gesucht, um die zeitaufwendige manuelle Reparatur von FVK-Strukturen zu ersetzen. Vor allem das stufenweise Schäften der Reparaturstellen ist arbeitsintensiv. Das Ergebnis ist zu sehr von der ausführenden Person abhängig.

Lagengenaues Schäften ist Basis für erneuerte zugfeste Verbindung

Die Reparaturstelle und der aufzuklebende Patch müssen im Einklang mit den derzeitigen Vorschriften geschäftet werden, damit sich alle Lagen des Faserverbundes zugfest mit denen des Patchs verbinden lassen. Die Primacon Maschinenbau GmbH in Peißenberg hat deshalb als zentrale Komponente eines verbesserten Reparaturverfahrens die mobile Fräsmaschine PM3 entwickelt. Damit lassen sich die Standzeiten drastisch verkürzen und die Güte der Reparaturvorbereitung erheblich verbessern. Die Entwicklung wird auf der Fachtagung Carbon Composites 2012 am 22. November in Augsburg vorgestellt

Bei der Entwicklung handelt es sich um ein mobiles Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum, das mithilfe von Saugnäpfen und einer integrierten Vakuumerzeugung an der zu reparierenden Stelle angebracht wird. Laut Primacon-Geschäftsführer Erich Sendelbach digitalisiert die Maschine mithilfe eines Laserlinienscanners die Bauteiloberfläche. Danach kann die Schadstelle in einem vordefinierten Fräsverfahren lagengenau geschäftet werden.

Software sorgt für konturgenaues und automatisches Schäften

Zuvor wird von einer speziell für diese Anwendung entwickelten Software ein Fünf-Achs-Simultanprogramm erzeugt. Die Software Comp R (Composite Repair and Re-Work) stammt von der BCT GmbH in Dortmund. Sie sorgt dafür, dass nun das Schäften auf der Maschine konturgenau und automatisch erfolgt. Eine komfortable und einfache Benutzeroberfläche unterstützt das Einrichten der Maschine.

Für BCT lag – so Geschäftsführer Dr.-Ing. Claus Bremer – eine wesentliche Aufgabe bei der Softwareentwicklung darin, dass beliebige Patchmuster und Schäftungen auf der Maschine gefräst werden können. Die Geometrie der Schäftung oder Stufung wird durch Master-Fräsprogramme vorgegeben.

Generierung der Fräsbahnen ohne Nutzung von CAD-Daten

Für kreisrunde und rechteckige Patches bietet die Software einen integrierten NC-Bahngenerator. Sonderformen können mit konventionellen CAM-Paketen erzeugt und von der Software importiert werden. Die Software simuliert Schäftungen auf „unbekannten“ Bauteilgeometrien. Sie benötigt dazu keinerlei CAD-Daten.

Die von der Software generierten Fünf-Achs-Fräsprogramme werden geometrisch adaptiert und verlaufen konturparallel zur realen Geometrie des Schadensbereichs. Die Softwarelösung von BCT reduziert den Zeitaufwand erheblich und erhöht gleichzeitig die Bearbeitungspräzision bei der Reparaturvorbereitung.

Für die speziellen Anforderungen des automatisierten Verfahrens hat die Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, Bobingen bei Augsburg, die Geometrien der Fräser und die Bearbeitungsparameter optimiert. Die Werkzeuge sind auf hohe Standzeiten ausgelegt. Ihr Einsatz ermöglicht unter anderem eine erhebliche Verbesserung der zu verklebenden Oberflächen. So wird die Benetzung der Reparaturstelle durch den Klebstoff erhöht. Der klebtechnische Prozess gewinnt an Sicherheit.