Integrierte Prozesskette Automatisches Verlegen von thermoplastischen Tapes

Integrierte Prozesskette von der Entwicklung bis zur Fertigung: Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (FVK) gewinnen im Leichtbau – beispielsweise für die Luftfahrt- oder Automobilindustrie – zunehmend an Bedeutung. Schließlich bieten sie hohe Potenziale an Gewichts- und damit auch Energieersparnis.

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

SWMS Systemtechnik Ingenieur- ges. mbH

Automatisierte Fertigungsverfahren für FVK-Bauteile blieben bisher Sondermaschinen vorbehalten. Diese sogenannten Tapeleger (Fiber Placement Systeme) tragen duroplastische Materialien in Tapes (Streifen) auf die Fertigungsmittel auf. In einem Autoklaven müssen die Bauteile anschließend über viele Stunden aushärten.

Thermoplastische Tapes eröffnen dagegen die Möglichkeit, Bauteile in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen, da sie innerhalb von Sekunden aushärten. Solche Tapes verarbeiten jetzt Roboter, die Bauteilmodelle und Roboterprogramme von der TapelegeStation der SWMS Systemtechnik GmbH aus Oldenburg erhalten.

Thermoplastische Tapes vereinigen positive Eigenschaften mit effizienter Verarbeitung

Die Vorteile faserverstärkter Kunststoffe liegen in ihrem elastischen Verformungsverhalten bei einer hohen dynamischen Belastbarkeit. Sie besitzen ebenso hohe Steifigkeiten wie Festigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht. Eine zusätzliche Gewichtsreduktion lässt sich bei Verbundwerkstoffen durch das belastungsgerechte Anordnen der Verstärkungsfasern eines Bauteils erzielen.

Thermoplastische Faserverbundkunststoffe wie beispielsweise Polyethen, Polypropylen und Nylon sind strapazierfähig, lassen sich unter Temperatureinfluss erneut verformen und härten innerhalb von Sekunden aus. Sie besitzen die gleichen Eigenschaften wie duroplastische Kunststoffe, bringen aber zusätzliche Vorteile mit.

• Umweltfreundlich: recyclingfähig und ohne Lösungsmittelzusatz
• Variabel: Faservolumenanteil von 0 bis 70 Prozent und große Anzahl möglicher Faser-Matrix-Kombinationen
• Belastbar: hohe Schlagzähigkeiten.

Ein neues Fertigungsverfahren bietet die Möglichkeit, thermoplastischen Tapes bereits beim Verlegen Energie zuzuführen. Ein Laser, der zwischen Tape und Bauteil ausgerichtet ist, bringt das Tape auf Schmelztemperatur. Anschließend trägt eine angewärmte Andruckrolle das Tape auf die Oberfläche auf.

Das Konzept der Tapelegestation

Die elementare Forderung an eine TapelegeStation bildet die Abdeckung des gesamten Prozesses von der Entwicklung eines Bauteils bis zu dessen Fertigung. Dieser Prozess besteht typisch aus den Schritten

• Berechnung und Generierung der Legepfade anhand des Bauteils und unter Berücksichtigung des verwendeten Tapes,
• grafische Darstellung des zu erwartenden Legeergebnisses und
• Generierung eines fertigungsgerechten NC-Programms für die Roboterzelle.

Grundlegende Aufgaben der TapelegeStation liegen also in der

• Erzeugung der zu generierenden Legepfade auf Basis der technischen Randbedingungen,
• Vermessung der Bahnen, beispielsweise auf Ausrichtung, Position und Spaltmaße,
• Berücksichtigung technologischer Einflüsse wie Temperatur und Anpressdruck auf die Geometrie des Tapequerschnitts und der
• visuellen Darstellung des Modells, der Legepfade und Bahnen sowie der Auswirkungen der geometrischen und technologischen Parameter.

Anschließend erzeugt die TapelegeStation anhand der generierten Bahnen automatisch das NC-Programm.

Um ein hohes Maß an Flexibilität zu gewährleisten, lassen sich mit der Anwendung unterschiedliche thermoplastische Materialien verarbeiten und beliebige Fertigungsmittel mit einer beliebigen Anzahl an Lagen belegen. Darüber hinaus besitzt sie eine konfigurierbare Ausgabe, so dass sich aus den einmal erzeugten Pfaden Programme für verschiedene Robotertypen oder Roboter an verschiedenen Standorten erzeugen lassen.

Vom Modell zum fertigen Bauteil

Um die gesamte Prozesskette optimal abzudecken, ist CATIA V5 in die TapelegeStation eingebunden.

Zunächst erzeugt oder lädt der Anwender ein Modell des zu fertigenden Bauteils in CATIA. Dort definiert er den mit Tapes zu belegenden Bereich und speichert das Bauteil. An diesem Punkt setzt die TapelegeStation an. Auf Basis des erzeugten Modells und der zu belegenden Fläche kann der Anwender eine ganze Reihe von Parametern frei definieren, die die Software als Grundlage für die automatische Pfaderzeugung verwendet.

• Die Winkel, in denen die Bahnen gelegt werden sollen
• Die Strategie beim Legen des Tapes, um die Pfaderzeugung den Produktionsgegebenheiten über die Angabe fertigungstechnischer Parameter anzupassen
• Das Spaltmaß zwischen den Bahnen, da Material und Roboter unterschiedliche Einflüsse ausüben können
• Das Aufmaß, das Bahnen über die zu belegende Fläche hinaus verlängert, um Fertigungsfehler durch eine Ablösung vom Fertigungsmittel zu verhindern
• Den Versatz, wenn mehrere aufeinanderfolgende Lagen im gleichen Lagewinkel zu legen sind.

Sind alle Parameter vorgegeben, wird die automatische Pfaderzeugung gestartet, das Ergebnis in CATIA V5 dargestellt und das zugehörige Roboterprogramm gespeichert. Es steuert alle Funktionen, die der Roboter zur Fertigung des Bauteils auszuführen hat:

Mitführen des Tapes, Zuführen des Tapes zur Arbeitsfläche, gleichzeitiges Legen mehrerer Tapes, automatisches Schneiden und Anbinden des Tapes, Aufschmelzen des abzulegenden Tapes, Konsolidieren des Tapes mittels der gewärmten Andruckrolle und Erfassen aller relevanten Prozessparameter.

Simulation für mehr Sicherheit

Simulationen stellen virtuelle Maschinen dar, deren Verhaltensweisen denen einer realen Maschine entsprechen. So lassen sich Analysen und Prüfungen bereits in der Planungsphase kostengünstig durchführen und eventuelle Fehler frühzeitig im Konstruktionsprozess erkennen und vermeiden. Deshalb beinhaltet die TapelegeStation optional ein Simulationsmodul, das Taktzeiten ermittelt, Erreichbarkeiten analysiert, auf mögliche Kollisionen prüft, Prozesszeiten errechnet und eine kurze Einfahrzeit für die NC-Programme gewährleistet.

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