Kuka Industries für CFK Automatisiert zum robusten CFK-Flugzeugbauteil

Faserverbundwerkstoffe sind bei Flugzeugbauern immer beliebter. Stabil und leicht, erfüllt CFK heute viele Konstrukteurswünsche. Die Serienfertigung bleibt aufgrund der hohen Anforderungen im Flugzeugbau eine Herausforderung. Nun soll die Forschung helfen.

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In Stade ist das CFK Nord als hochmodernes und unternehmensübergreifendes Forschungszentrum für die Produktion von Bauteilen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff entstanden. Einer der Nutzer ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR). In enger Zusammenarbeit mit Kuka Industries (durch die Zusammenführung der Reis-Gruppe mit einem Geschäftsbereich von Kuka Systems) entstand hier eine automatisierte Produktionseinrichtung zu Forschungszwecken.

Die Einrichtungen des DLR befinden sich in direkter Nachbarschaft zu Fraunhofer-Institut, Airbus und weiteren Unternehmen mitten im sogenannten CFK Valley, dem Herz der deutschen Forschung rund um diese Leichtbaumaterialien. Ziel des DLR ist es, effiziente Produktionstechnologien für CFK-Bauteile zu entwickeln. Deshalb werden hier auch Roboter eingesetzt. Auf einer neuen, 45 m langen Produktionsstraße entstehen CFK-Bauteile – beispielsweise Spanten – vollautomatisiert. Bisher ist es noch sehr teuer und mit hohem manuellen Aufwand verbunden, Bauteile für ein Flugzeug aus CFK herzustellen.

CFK-Leichtbauteile für die Luftfahrt in Serie fertigen

Das DLR als reine Forschungseinrichtung möchte dies für künftige Flugzeuggenerationen – beispielsweise des Nachbarn Airbus – ändern. „Ziel war es, eine Anlage aufzubauen, die möglichst flexibel ist, um sie an wechselnde Anforderungen anpassen zu können“, so Sven Torstrick, Projektleiter im Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie beim DLR. „Folglich suchten wir im Vorfeld nach Partnern, die entsprechende Erfahrungen mitbringen. Diese Erfahrungen sollten sich neben der Automatisierungstechnik insbesondere auch in den Bereich der Verarbeitungsprozesse erstrecken. Denn letztlich sollen die investierten Forschungsmittel am Ende praxisrelevante Ergebnisse liefern. Wir möchten Zulieferer in die Lage versetzen, künftig hochkomplexe Prozesse in der CFK-Fertigung zu automatisieren, ohne selbst intensive Grundlagenforschung leisten zu müssen. Aus diesem Blickwinkel sind wir ein Förderer des deutschen Mittelstands und arbeiten nicht im Elfenbeinturm der Wissenschaft.“

CFK ist leicht und stabil. So die Grundannahme. Allerdings werden die hohen Anforderungen der Flugzeugbauer nur dann erreicht, wenn der gesamte Prozessablauf und damit die Qualität reproduzierbar ist. Denn, so erklärt Sven Torstrick, im Gegensatz zu Aluminium kann CFK von sehr unterschiedlicher Qualität sein, wenn beispielsweise die Faserrichtungen nicht optimal angelegt sind oder durch Schnittkanten Feuchtigkeit in den Verbund eindringt. Daneben sieht man dem Material eventuelle mechanische Beschädigungen von außen nicht an. Es gilt also, bei der Herstellung höchste Genauigkeit walten zu lassen.

Wer bringt die nötigen Erfahrungen im Handling von Faserverbundwerkstoffen mit? Diese Frage beantwortete sich erst nach dem Anstoßen der ersten Ausschreibungen für Teilprojekte. Waren diese beispielsweise für die benötigten Öfen noch relativ einfach, so erhoffte sich das DLR in seinem recht offenen Lastenheft Anregungen und Ideen von potenziellen Zulieferern. In diesem Stadium bewarb sich damals Reis um den Auftrag der Prozessautomatisierung. „Schon nach sehr wenigen Gesprächen wurde uns klar, dass das Obernburger Unternehmen die Automatisierung solcher Volumenbauteile nicht zum ersten Mal projektiert hat“, ergänzt Sven Torstrick. „Die Projektleiter waren in der Lage, die einzelnen Aspekte des Preforming-Prozesses sehr modular zu betrachten und auf Basis von Standardkomponenten ein schlüssiges Konzept vorzustellen. So kümmerte sich der Automatisierungsspezialist darum, die notwendigen Zulieferpartner an Bord zu holen und gemeinsam mit ihnen eine durchgängige, zusammenhängende Lösung zu entwickeln.

Die herrschenden Herausforderungen und gangbare Lösungswege

Basis dafür war ein detailliertes Pflichtenheft, das sehr viel weiter ging als unser offenes Lastenheft zuvor. Darüber hinaus legte das Unternehmen sogar noch größten Wert darauf, mittels flexibler Layout-Elemente den Platz in der Halle möglichst effizient zu nutzen.“ Auf der Versuchsanlage werden endkonturnahe Volumenbauteile in Form von Spanten produziert, die in einem Flugzeug von innen den Rumpf stabilisieren. Wie entsteht nun ein solcher Spant? Bevor das vorgeformte Bauteil am Ende in einem Ofen zur Endfestigkeit „gebacken“ wird, sind vielfältige Schritte im Vorfeld erforderlich. Es geht um die automatische Herstellung des textilen Vorformlings (Preform) sowie dessen Besäumung und spätere Tränkung mit flüssigem Epoxidharz. In einem vorgelagerten Prozess werden die benötigten unterschiedlichen Faserrohmaterialien von Rollen abgewickelt und mit einem Cutter (mit angetriebenem Rollmesser) vorkonfektioniert. Danach lagern die Rohlinge in entsprechenden Schubladen eines Speichersystems bis zur Verwendung.

Vor der Endhärtung muss das Teil besäumt werden

Nun folgt die Automatisierung von Kuka: Ein als Drapierroboter bezeichnetes System entnimmt einen 2D-Zuschnitt, um ihn in die gewünschte 3D-Kontur umzuformen. Dazu verfügt er über einen Greifer, der stets nur einen Zuschnitt aufnimmt. Die Lage der Zuschnitte auf der Zwischenablage wird durch ein Bildverarbeitungssystem erfasst. Nach der Umformung legt der Drapierroboter den Preformling auf dem Werkzeug der Konsolidierungsstation ab. Das Werkzeug ist aus Aluminium konturgefräst und auf einem Unterbau befestigt, der eine Schnittstelle zum Schiebetisch der Konsolidierstation besitzt. Die Konsolidierstation besteht aus einer Membranpresse mit beweglichem Pressentisch. Durch Infrarotstrahlung wird der Preform aufgeheizt und der auf dem Textil befindliche Pulverbinder aufgeschmolzen, um das Lagenpaket zu stabilisieren.

Generell war die Sensorik beim gesamten Projekt eine besondere Herausforderung, denn die gewünschte Produktqualität kann nur sichergestellt werden, wenn Lage und Faserwinkel exakt den Vorgaben entsprechen. Dazu wurde eine von der Fraunhofergesellschaft entwickelte Wirbelstromsensorik in die Anlage integriert, welche den Faserwinkelverlauf visualisieren und auswerten kann. Insgesamt bestehen die aktuell in der Forschungsanlage gefertigten Bauteile aus bis zu 26 Lagen Carbonfasern. Sie werden in kompakten Paketen mit nur wenigen Lagen aufgelegt und später alle gemeinsam konsolidiert, sodass ein einziges Bauteil entsteht.

Nach diesem formenden Arbeitsschritt wird der konsolidierte Preform dann vom Verkettungsroboter in das Werkzeug der nachfolgenden Feinbesäumungsstation umgesetzt. Der Verkettungsroboter bewegt sich entlang einer hochgelegten Linearachse, sodass maximale Bewegungsfreiheit in der Halle entsteht. Der Roboter verbindet die einzelnen Prozessstationen. Die Feinbesäumung ist nötig, um schon vor dem endgültigen Backen des Bauteils die Endkontur zu fertigen. Der Grund ist, dass sich das nachträgliche Beschneiden eines ausgehärteten CFK-Bauteils negativ auf dessen Festigkeit auswirkt und die Schnitt- respektive Fräskanten deshalb in einem nachgeschalteten Prozess wieder versiegelt werden müssen. Ebenfalls führt die Preformfeinbesäumung zu einem stabileren Tränkungsprozess, da sich der Preform reproduzierbar und genau in die Form einlegen lässt. Die Feinbesäumung zeichnet sich nach Aussagen des DLR durch weitere Besonderheiten aus.

So erfolgt die Bahnprogrammierung des entsprechenden Roboters offline auf Basis der CAD-Daten des Bauteils und der Bahnprogrammierungssoftware fastcurve aus dem Hause Cenit. Über eine entsprechende Schnittstelle ermöglicht die Steuerung Reis Robotstar-V dabei eine flüssige, sehr exakte Bahn, da sie nicht nur „eckig“ von Punkt zu Punkt geteacht wird. Somit lässt sich eine programmierte Bahn auch nachträglich um einen gewissen Betrag verschieben. Auf Anraten von Dr. Volker Wünsch, Vertrieb Neue Technologien Kuka Industries, wurde für das Werkzeug zusätzlich ein Drehtisch vorgesehen, um durch diese weitere Achse auch sehr große Bauteile in der kompakten Zelle bearbeiten zu können. Zum Besäumen nutzt der Roboter ein Ultraschallmesser. Eine Absauganlage entfernt die Abschnitte über eine Düse, die vom Roboter geführt wird. Besonderheit des Ultraschallschnittes: Durch eine optimale Schnittwerkzeugwahl kann man mit einem Ultraschallmesser ohne Beeinflussung des umliegenden Materials sehr genau schneiden, sozusagen die sprichwörtliche Nuss in der Sahnetorte.

Hohe Flexibilität wird besonders groß geschrieben

Das fertig bearbeitete Bauteil wird anschließend ausgeschleust, erneut vom Handlingroboter aufgenommen und an den eigentlichen RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding) übergeben, in dem das Harz in eine geschlossene Form eingespritzt und unter Druck und Wärme ausgehärtet wird. Der nachgeschaltete Temperofen verfügt über zwei Etagen, um zwei Teile gleichzeitig verarbeiten zu können. Die Entnahme des fertigen Bauteils erfolgt dann wiederum durch den Verkettungsroboter.

Torstrick betont, wie wichtig es ist, eine möglichst flexible Anlage zu installieren. Denn da es um Forschungsaufträge geht und nicht um eine echte Serienproduktion, war es entscheidend, sowohl bei der Konzeption als auch bei der Programmierung, möglichst frei zu sein. Das heißt, Werkzeugwechsel müssen schnell und einfach funktionieren und auch die Programmierung der Roboter sollte intuitiv sein. Er hebt in diesem Zusammenhang die einfache Programmierumgebung hervor, die es auch Studenten nach sehr kurzer Lernphase gestattet, neue Aufgaben/Produkte zu realisieren. „Dies ist auch für den Praxiseinsatz relevant, denn ein mittelgroßes Verkehrsflugzeug verfügt über etwa 140 Spantsegmente, von denen kaum zwei identisch sind“, so Torstrick.

Das DLR hat im Forschungszentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie eine Profi-Anlagenumgebung aufgebaut, die den Zulieferern der Luftfahrt­industrie als Entscheidungshilfe vor einer Serienfertigung dient. Sie kann auch im Einzelfall die Frage beantworten, wo sich eine hundertprozentige Automatisierung lohnt. Da die automatisierte Produktion von faserverstärkten Kunststoffen unter diesen hohen Qualitätsanforderungen noch Neuland ist, ist man stolz darauf, durch die Prozess- und Automationserfahrung nun eine realistische Umgebung bieten zu können, die viele komplexe Prozesse abbilden und Praxisfragen beantworten kann. Laut Torstrick versetzt man Flugzeughersteller und Zulieferer so in die Lage, zielgerichtet eigene Anlagen aufzubauen, die alle Qualitäts- und Performance-Vorgaben erfüllen. Die Erkenntnisse aus Produkten für die Luftfahrtindustrie lassen sich natürlich auch auf andere Anwendungsfelder übertragen, wie beispielsweise die Automobilindustrie. MM

* Josephin Schmidt ist zuständig für Marketing und Unternehmenskommunikation bei der Kuka Industries GmbH in 86165 Augsburg, Tel. (08 21) 7 97-0, info.industries.de@kuka.com, www.kuka-industries.com

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