Faserverbund-Bauteile Die „mitdenkende“ Produktionszelle macht Compositeteile günstiger

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Der Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG ist das Zusammenspiel zwischen Hard- und Software gelungen, um eine ideale Produktionszelle für Preforms zu schaffen. Hier ist nun der Thinking für den Dezember!

Die flexible Produktionszelle für Preforms von Schmidt & Heinzmann schneidet mit optimiertem Nesting an mehreren Tischen materialspezifisch zu und legt diese Zuschnitte zykluszeitoptimiert und präzise auf dem Stack ab, heißt es genauer. Gleichzeitig reagiert die Anlage auf Änderungen im Ablauf und berechnet den sich entsprechend ändernden Bedarf an Compositehalbzeugen selbstständig. Mit Fug und Recht könne sie als Enabler für einen günstigeren Leichtbau mit faserverstärkten Composites per Resin Transfer Molding (RTM)bezeichnet werden. Deshalb erhält sie von der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg den monatlich vergebenen Thinking für den Dezember 2021.

Automatisierungsschub im Faserverbund-Leichtbau

Die Prozesskette für ein im RTM-Verfahren gefertigtes Leichtbauteil beginnt beim Zuschnitt einzelner Halbzeuge aus einem Verstärkungsfasergewebe. Manche Preforms bestehen aus bis zu 40 Lagen und aus vielen einzelnen dieser Zuschnitte. Mit letzteren baut man das Compositeteil so auf, dass die Faserorientierung der Zuschnitte die Belastungen im Einsatz optimal aufnehmen kann.

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Das Zuschneiden und das Stapeln der Zuschnitte werden bisher aber oft noch manuell erledigt, weil es sich um komplexe Arbeitsschritte handelt. Das Cutting-&-Stacking-Center von Schmidt & Heinzmann beherrscht kann aber nun nicht nur diese komplexen Prozessschritte übernehmen, sondern aufgrund des generischen Konzepts auch unterschiedliche Preforms herstellen – und das sogar gleichzeitig.

Die Anlage schneidet aus den typischen Fasergeweben (Glasfaser (GF), Carbonfaser (CF) oder Naturfaser (NF)) die einzelnen Lagen außerdem materialeffeffizient und präzise aus und stapelt sie bereits lastpfadgerecht zu Preform-Rohlingen – den sogenannten Stacks. Die Produktionszelle nutzt dazu einen Roboter mit Greifermodul, eine entsprechende Steuerung sowie mehrere Schneid- und einen Ablagetisch mit Ausschleusung der Zuschnitte, erklärt das Unternehmen.

Sehr materialsparende und exakte Compositeverarbeitung

Durch ein „intelligentes“ Nesting wird nach dem Übertragen der Bauteildaten ein optimierter Schneidplan für die einzelnen Schneidetische berechnet, heißt es weiter. So könne das zu verarbeitende Material effizient ausgenutzt werden. Der Verschnitt falle dabei also deutlich geringer aus.

Bisher wurde dazu entweder ein Schneidetisch mit Material aus einem Lager mit unterschiedlichen Faserwerkstoffen bedient, oder alle Lagen wurden auf einem langen Schneidetisch in der richtigen Reihenfolge übereinandergelegt, um dann durch alle Lagen hindurch ausgeschnitten zu werden. Beide Varianten seien aber ungenau beim Zuschnitt und verursachten viel Abfallmaterial.

Weil das Cutting-&-Stacking-Center aber mehrere Schneidetische hat, kann an jedem Tisch ein Material bevorratet und geschnitten werden. Ebenso wird zum Schneiden das exakt zum Material passende Schneidverfahren verwendet, wie der Hersteller betont. Möglich sind etwa Polygonklingen, Rundmesser oder Ultraschallklingen, um für saubere Schnittkanten zu sorgen.

Ein variabel änderbares Greifmodul übernimmt anschließend die Zuschnitte mit Nadeln, per Vakuum oder mittels Luftströmung, um sie präzise zum Stack zu stapeln.

Flotter mit adäquater Steuerung und Produktionsplaner

Alle Prozessschritte, betont Schmidt & Heinzmann, sind dabei automatisiert. Die Abläufe werden durch einen sogenannten evolutionären Algorithmus optimiert, die Randbedingungen für den reibungslosen Ablauf sind dabei ebenso variabel. Aber, macht der Thinking-Gewinner klar, ist nicht immer die Zykluszeit der entscheidende Parameter! Eine effiziente Materialausnutzung könne durchaus mal höher priorisiert sein. Verschiedene Sensoren sorgen in diesem Fall für einen stabilen Prozess, denn sie korrigieren bei Bedarf die Abläufe und Prozessparameter selbstständig.

Die Steuerungssoftware ist eine Eigenentwicklung des Unternehmens, die es ermöglicht, komplexere Bauteile bei gleichzeitig minimiertem Rohstoffeinsatz zu schaffen. Alles startet mit den CAD-Daten, dann wird der Nutzer Schritt für Schritt durch den Rüst- und Parametrisierprozess geleitet. Das Schöne sei, dass man nichts programmieren muss, merkt Dr. David Bücheler, der Leiter der Prozessabteilung bei Schmidt & Heinzmann, an.

Der integrierte Produktionsplaner überwache dabei den gesamten Prozess und optimiere die Abläufe für das Schneiden, das Handling und das Stacking im Rahmend der vorgegebenen Randbedingungen. Der digitale Produktionsplaner hat dabei auch den Vorrat an Fasergewebe an den einzelnen Schneidetischen im Blick sowie die Zeiten für das Nesting oder Nachfüllen, heißt es weiter. Der Roboter holt sich die passenden Zuschnitte dann auch in der richtigen Reihenfolge zum Ablegen. Das erhöht die Prozesssicherheit und sorgt für eine gleichbleibende Qualität der Stacks, so Bücheler.

So werden Composite-Leichtbauteile wettbewerbsfähiger

Mit dem Cutting-&-Stacking-Center eröffne Schmidt & Heinzmann den entsprechenden Zulieferbetrieben in den typischen Leichtbau-Anwendungsbranchen Automobil und Luftfahrt sowie der Sport- und Freizeitindustrie neue Perspektiven für wettbewerbsfähigere Leichtbauteile. Denn weil bei gleichem Gewicht der Teile ihre Herstellung deutlich günstiger werde, könne die Produktion der Leichtbauteile in Hochpreisländer zurückkehren. Die Herstellungskosten sinken im Vergleich zu einer halb automatisierten Herstellung erheblich: So können etwa 75 Prozent der Personalkosten eingespart werden. Die Anlage könne sich durchaus schon nach 1,5 Jahren amortisieren. Hinzu kommt, dass man durch die ideale Materialausnutzung Rohstoffkosten spart und Ressourcen schont.

Die ersten Anlagen zeigen schon, was sie können

Die erste ausgelieferte Zelle dient einem Tier 1 als Laboranlage zur Erforschung der Herstellung von Faserverbund-Blattfedern für die Automobilindustrie in der Großserie, wie betont wird. Solche Blattfedern aus Faserverbundkunststoff werden schon heute in Sportwagen wie dem Chevrolet Corvette oder dem Geländewagen Volvo XC 90 verbaut. Und die zweite ausgelieferte Zelle fertigt seit Kurzem Spoiler für den Airbus A320 bei Spirit Aero Systems. Aber auch die Sportartikelbranche mit ihrer typisch hohen Varianz der Produkte und gleichzeitig mittleren bis hohen Stückzahlen könne von einer solchen Produktionszelle durchaus profitieren. Denn in diesem Sektor zahle sich für potenzielle Anwender das flexible und skalierbare Konzept aus. Hier die Vorteile der Cutting-&-Stacking-Centers von Schmidt & Heinzmann noch einmal im Überblick:

• Kosteneffizienz: Die automatische Produktion verringert die Personalkosten des vorher weitgehend manuellen Prozesses um etwa 75 Prozent;

• Optimierte Zykluszeit: Ein in die Steuerung integrierter Produktionsplaner parallelisiert Abläufe;Qualitätsplus: Durch präzises Stacking per Roboter, materialspezifischem Cutting und wandlungsfähigem Greifer;

• Flexibilität: Die Anlage kann unterschiedliche Bauteile fertigen. Der Bediener wird ausgehend von den Produktdaten durch den Rüst- und Parametrisierungsprozess geleitet;

• „Intelligente“ Automatisierung: Die Steuerung korrigiert bei Bedarf Abläufe und Prozessparameter selbstständig;

• Materialeffizienz: Das optimierte Nesting und das Konzept mit einem Schneidetisch für jedes Material reduzieren den Verschnitt.

Und hier geht es noch zu einem interessanten Video über die Anlage.

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