Metav 2012 Premium Aerotec: Die CFK-Wertschöpfungskette im Griff

Redakteur: Kirsten Nähle

Der Trend zum Leichtbau und die positiven Materialeigenschaften Festigkeit und Steifigkeit forcieren in vielen Bereichen die Verwendung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Eine Spezialabteilung des Flugzeugteileherstellers Premium Aerotec entwickelt die industriellen CFK-Fertigungsanlagen. Für das Unternehmen und seine Entwicklung spielt auch die Metav im kommenden Jahr eine wichtige Rolle.

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Dr.-Ing. Hilmar Apmann, Leitung Konzepte und Technologie-Entwicklung bei Premium Aerotec, Varel: „Auch das Zerspanen haben wir zunächst simuliert, um einen Werkstückbruch zu vermeiden.“ (Bild: Presseagentur Fecht, Gelsenkirchen)
Dr.-Ing. Hilmar Apmann, Leitung Konzepte und Technologie-Entwicklung bei Premium Aerotec, Varel: „Auch das Zerspanen haben wir zunächst simuliert, um einen Werkstückbruch zu vermeiden.“ (Bild: Presseagentur Fecht, Gelsenkirchen)

„Unser Bereich Fertigungssysteme ist eine einzigartige Einheit innerhalb der Premium Aerotec“, erklärt Dr.-Ing. Hilmar Apmann, Leitung Konzepte und Technologie-Entwicklung bei Premium Aerotec in Varel. „Unser Produktportfolio bildet ein wichtiges Standbein des Gesamtunternehmens.“ Sein Bereich stellt Fertigungssysteme her, die nicht nur innerhalb des EADS-Konzerns ihre Anwendung finden.

Es ist eine Arbeit mit langjähriger Tradition, denn das Werk Varel produziert seit über 70 Jahren Fertigungssysteme für die Luftfahrt. Rund 200 Mitarbeiter entwickeln und bauen heute nicht nur Vorrichtungen und Montagesysteme für die Bauteilherstellung zur hochgenauen Montage von Flugzeugstrukturen, sondern auch Produktionssysteme für Anlagenbauteile in der Windkraft und für Automobilkomponenten sowie Fertigungssysteme für ein optimiertes Material- beziehungsweise Bauteilhandling oder beispielsweise Fertigungssysteme zum Fixieren von Bauteilen für die Zerspanung.

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Technisch führend in der Faserverbundtechnik

Eine besondere Rolle spielen Systeme zur Verarbeitung von CFK und sonstigen Verbundwerkstoffen, denn Premium Aerotec ist nach eigenen Angaben weltweit einer der führenden Zulieferer von Flugzeugbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Entsprechend viel Know-how haben die Spezialisten aufgebaut: Es entstehen Anlagen zur Teilefertigung, Komponentenmontage, Transportsysteme (etwa für den sicheren Lufttransport schwerer Flugzeugbauteile) und Automatisierungslösungen.

„Unser Einstieg in die Automatisierung begann vor wenigen Jahren“, sagt Apmann. Seitdem hat der Bereich unter anderem Systeme zum automatisierten Handhaben, Positionieren und Drapieren von Kohlefaser-Gelegen entwickelt, die mittlerweile auch Anwendung in der Automobilindustrie finden. In Varel werden individuelle Handhabungslösungen entwickelt.

Flugzeugbauer setzen auf CFK, GFK und Glare

Im Flugzeugbau kommen im Prinzip drei verschiedene Verbundwerkstoffe zum Einsatz: Neben Verbundwerkstoffen mit Kohle- oder Glasfasern (CFK/GFK) ist es außerdem Glare (hybrider Werkstoff aus Aluminium und Glasfaser). Für CFK spricht die sehr hohe Festigkeit, gerade bei extrem hoher Beanspruchung, demgegenüber stehen die hohen Materialkosten und die aufwendige Verarbeitbarkeit.

Bei Premium Aerotec in Varel entstand eine Vielzahl von Werkzeugen, mit denen nun Kunden auf der ganzen Welt ihre Bauteile herstellen. Ein Beispiel ist die so genannte „Backform“: eine Laminierklebevorrichtung, die beispielsweise für die Flügelschale des Airbus-Militärtransporters A400M 20,5 × 5,0 m misst.

Flugzeugbau erfordert höchste Präzision bei der Verbundwerkstoff-Verarbeitung

„Gerade die Fertigung von Flugzeugbauteilen erfordert natürlich höchste Genauigkeit “, erläutert Dr. Apmann. „Diese Ansprüche bilden sich als erstes in der Vorrichtung ab.“ Premium Aerotec bildet den kompletten Fertigungsprozess ab, von der Planung mit dem Kunden, Konstruktion, Fertigung, Vermessung bis hin zur Prototypfertigung und Bauteilqualifizierung.

Die „Backformen“ für große CFK-Bauteile (zum Beispiel für den A400M-Flügel) sind gefräste Schweißkonstruktionen, die aus Invar hergestellt werden. Diese austenitische, binäre Eisen-Nickel-Legierung mit einem besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten kommt dem von CFK sehr nahe.

Invar ist ein teurer Werkstoff, mit dem es zu haushalten gilt. Das ist eine Herausforderung an die Konstruktion. Das Bearbeiten (Verformen, Schweißen, Glühen, Fräsen und Schleifen) erfordert besondere Kenntnisse und Schutzmaßnahmen, denn Nickelstäbe sind toxisch. Je nach Größe und Auslegung der „Backformen“ fertigt sie Varel in einem Netzwerk aus Partnerfirmen.

Hohe Anforderungen an die „Backformen“

Die Anforderungen an die „Backformen“ (in der Regel für Aushärten unter Druck und Hitze im Autoklaven) sind bei allen wesentlichen Werten sehr hoch: so etwa bei Oberflächenrauheit Ra (< 1,0 µm), Wiederholgenauigkeit (< 0,5 mm), Durchbiegung (w<L/2000)) und Konturgenauigkeit (± 0,3 mm). Die Form muss wegen der Vakuumdichtigkeit sehr gut schließen und einen möglichst gleichmäßigen Aufheizzyklus bieten.

Die bis zu über 20 m langen Werkzeuge müssen möglichst leicht sein. Das hat einen positiven Effekt auf die Aufheizraten und Prozesszeiten und kommt auch der Hallenlogistik entgegen. Um die Formen von vornherein optimal beispielsweise mit entsprechenden Wärmeleitblechen auszulegen, führt Premium Aerotec aufwändige Simulationen durch (beispielsweise: FEM-Simulation für den Statiknachweis und CFD-Analyse für die Strömungssimulation zum Aufheizvorgang im Autoklaven). Für die Prozesssicherheit sorgen intelligente Werkzeuge mit Sensoren zum Überwachen von Temperatur und Vakuum.

Windkraftanlagenbau nutzt Erfahrungen in der Verbundwerkstoff-Verarbeitung

Die Erfahrungen aus dem Flugzeugbau nutzt Premium Aerotec, um nun auch Werkzeuge für die industrialisierte Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen zu entwickeln. „Durch den Einsatz von beheizten Toolings aus Stahl konnten wir im Vergleich zu GFK-Formen die Fertigungszeit halbieren“, freut sich der Fachmann. „Außerdem entstehen sehr viel genauere Bauteile.“

Derartige Erfolge sind aber auch nur möglich, weil die Kunden das Unternehmen in der Regel sehr frühzeitig – meist vor dem Festlegen der späteren Endkontur – an der Entwicklung des Fertigungsprozesses beteiligen. Dr. Apmann: „Wir schlagen bei Bedarf kleine Designveränderungen vor, die sich dann aufgrund unserer langjährigen Erfahrungen sehr positiv auf das Herstellverfahren auswirken. Diese Empfehlungen werden von unseren Kunden sehr gerne in Anspruch genommen.“

Für die Herstellung der RTM-Werkzeuge setzt Premium Aerotec auf Stahl oder Invar

Für kleinere Bauteile bietet sich das RTM-Verfahren an. Die Herausforderung bestand in der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem sich – bezogen auf CFK– große Stückzahlen herstellen lassen. Ein Beispiel aus der Praxis: Es sollen sich in der geschlossenen Form bis zu 100 Teile pro Tag automatisiert fertigen lassen –- mit niedrigen Zykluszeiten (kleiner zehn Minuten), in hoher Genauigkeit (Ra < 1,0 µm), exzellenter Oberflächengüte und unter hohem Injektionsdruck (bis zu 100 bar). „Weil es sich um Außenbeplankungen handelt, benötigen wir eine perfekte Oberfläche“, meint Apmann.

Vor dem Bau führt das Unternehmen eine exakte Thermalanalyse durch. Außerdem erhalten die temperierbaren RTM-Werkzeuge Sensoren (Überwachen von Temperatur, Vakuum, Füllstand und Verschluss), um den Prozess sicher regeln zu können. Zum Herstellen der RTM-Werkzeuge setzt Premium Aerotec den Werkstoff Stahl St52 oder Invar ein. Eine wichtige Rolle spielt auch hier die Automatisierung: Ein Roboter übernimmt an der Umformpresse das Handling und die Positionierung der Bauteile.

Außenkontur wird abschließend gefräst

Die abschließende Bearbeitung der Außenkontur führte Premium Aerotec zunächst testhalber auf einer CNC-Fräsmaschine durch. „Auch das Zerspanen haben wir zunächst simuliert, um einen Werkstückbruch zu vermeiden“, sagt der Fachmann. „Ein Roboter wird im nächsten Schritt das mechanische Bearbeiten der Außenkontur übernehmen, weil wir bei ihm mehr Freiheitsgrade haben.“

Auf Fachmessen tauschen Dr. Apmann und sein Team Erfahrungen und Anregungen mit anderen Spezialisten aus. Hier werden auch Entwicklungen und Bedarfe des Marktes diskutiert. Eine wichtige Rolle spielt hier sicherlich die Metav 2012 in Düsseldorf. Dr. Apmann: „Die Metav vereint ein breitgefächertes Angebot an branchenübergreifender Fachkompetenz im Maschinen- und Werkzeugbau. Das ist eine gute Möglichkeit, das eigene Netzwerk auszubauen und möglicherweise auch Kooperationen zu schließen. Premium Aerotec ist immer interessiert, nach neuen Möglichkeiten der Geschäftsentwicklung zu schauen wie beispielsweise im Bereich der Oberflächenbearbeitung und Umformtechnik und damit kundenorientierte Lösungen zu schaffen.“

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