Vier Forschungspartner haben es sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen eines „Zero-Waste“-Projekts eine neue Presstechnik für die Herstellung von nachhaltigen Faserverbundlösungen zu entwickeln.

Für die Herstellung der Versuchsbauteile kam eine von Engel entwickelte SMC-Fertigungszelle mit einer Maschine des Typs Engel v-duo 700 und einem Knickarmroboter easix KR35 zum Einsatz

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Forschungsprojekt zeigt Recyclingpotenzial für Composite-Leichtbau auf

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Kohlenstofffasern / -matten

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzprägen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Bruchmechanische Prüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Harzsysteme für Composite-Herstellung

UD-Tapes

Presswerkzeuge, Kunststoff

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Pressen von Kunststoffen

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

„Zero-Waste“-Konzept für Carbon-SMC

Thermoplastischen Tapes wird Großes zugetraut. Sie sollen die nächste Generation der thermoplastischen Composites prägen. Dazu muss das Legen der Tapes hochgenau erfolgen. Allerdings darf die Tapeverarbeitung nicht zu aufwendig werden, damit die Wirtschaftlichkeitsrechnung aufgeht. Durch Kombination hochpräziser Steuerungssoftware mit Kameratechnik beim Tapelegen leistet Engel einen wichtigen Beitrag für den Durchbruch dieser Technologie.

Für eine hohe Fertigungseffizienz wird eine Tapelegezelle vorzugsweise mit zwei Robotern und einer Kamerastation ausgerüstet

Softwarebasiertes Tapelegen mit Kamera bereitet thermoplastischen Composites den Weg

Kameras

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Automatisierungstechnik

Optische Mess- und Prüfverfahren

Blick fürs Essenzielle

Mit der Herstellung von Demoteilen für Pkw-Türmodule im sogenannten organomelt-Verfahren unternimmt Engel im Bereich des thermoplastbasierten Composite-Leichtbaus den nächsten Schritt in Richtung Großserie. Die Fertigungszelle ist die weltweit erste, die drei unterschiedlich dicke Organobleche mittels IR-Strahlung aufheizt, umformt und im selben Prozessschritt im Spritzgießverfahren eine hochwertige Sichtoberfläche ausformt.

Die lastgerechte Auswahl der Organobleche ermöglicht es, die unterschiedliche Belastung der einzelnen Bauteilbereiche gezielt zu berücksichtigen

Thermoplastische Composites mit höchster Effizienz lastgerecht fertigen

Spritzgießwerkzeuge

Handling, Handhabungstechnik

Industrieroboter

Montagetechnik

Knickarmroboter

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Wie dünn darf’s denn sein?

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV).

Laminatverstärkung filamentgewickelter Drucktanks. Die Ausprägung der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst.

Neue Anwendungen und Kunden für die automatisierte Produktion von Faserverbundbauteilen

Greifer

Inspektionssysteme

Verstärkung im Anflug

Thermoplastische Spritzgießbauteile können durch lokale Endlosfasern in Verbindung mit metallischen Lasteinleitungselementen gezielt verstärkt werden. Dadurch sind sie für strukturelle Anwendungen wie Querlenker und Getriebeträger geeignet.

Roboterbasiertes Faserwickeln von komplexen Spritzgießeinlegern: Mit flächigen Verstärkungshalbzeugen lassen sich die komplexen Konturen nicht oder nur mit hohem Aufwand drapieren 

Lokale Endlosfaserverstärkung durch die 3D-Skelett-Wickeltechnik

Leichtbau

Thermoplaste

Dreidimensionale Faserskelette

Die Digitalisierung bietet die Möglichkeiten größere Stückzahlen zu niedrigeren Kosten zu fertigen und lässt sich auf die Produktion von Faserverbundbauteilen gut anwenden.

Der automatisierte Kitting-Prozess integriert die Produktionsschritte Nesting, Schneiden, Etikettierung und Kitting in eine einzelne Fertigungszelle

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Digitalisierung senkt Kosten und Materialverschnitt und steigert die Effizienz

Automatisiert zu Faserverbundbauteilen

Mit seiner Tapelegeanlage Fiberforge und der vollautomatischen SMC-Schneid- und Paketieranlage hat Dieffenbacher zwei Lösungen im Programm, die den Materialverbrauch bei der Produktion von Carbon- und SMC-Bauteilen erheblich reduzieren.

Materialeffiziente Carbon- und SMC-Bauteilproduktion

Wickert sieht im Pressenbau momentan vier Trends. Dazu gehören der vermehrte Einsatz produktivitätssteigernder Automationslösungen und zusätzlicher Injektionseinheiten für eine flexible, breit angelegte Fertigung. Darüber hinaus rechnet der Maschinenbauer damit, dass in Zukunft verstärkt Thermoplaste verarbeitet werden, und sieht ein Potenzial beim Einsatz von Naturfasern und Naturharzen.

Composite-Presse für die Forschung: Wickert entwickelte für Wissenschaftler an der TU Chemnitz eine hochflexible Viersäulen-Oberkolbenpresse, die umfassende Freiheiten und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet

Die Nachfrage nach Composites wird auch in Zukunft steigen

Pressen

Maschinen für die spanlose Fertigung

Duroplaste

Hochleistungskunststoffe

Naturmaterialien

Trends in der Composite-Fertigung

Gedanklich und in der Wertzuschreibung bilden Verpackungsartikel und High-Tech-Bauteile oft Gegensätze. Außer man betrachtet gebrauchte Verpackungen als wertvolle Rohstoffe. KraussMaffei zeigt auf der K 2019 ein Konzept für einen geschlossenen Materialkreislauf und macht die Kunststoffverarbeitung nachhaltig.

Zunächst ein Eimer oder ein anderes Kunststoffprodukt, dann Rohstoff für die weitere Verarbeitung: Das geschredderte Post-Industrial-Material

KraussMaffei demonstriert den Kreislauf vom Produkt über das Upcycling zum neuen Produkt

Smart Factory

Energieeffizienz

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Steuern, Regeln

Software

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Laserbeschriftung

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Rückverfolgbarkeit, Traceability

Qualitätsmanagement

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Zerkleinerungsmaschinen

Greifer für die Kunststofftechnik

Spritzgießmaschinen

Kunststoff-Rezyklat

Compoundieren

Heute Verpackung, morgen Rohstoff

Komponentenanbieter Nonnenmann präsentiert auf der Fakuma 2021 ein flexibles und universell einsetzbares Leichtbau Vakuum-Greifersystem aus Kunststoff.

Das neue Vakuum-Greifersystem aus Kunststoff von Nonnenmann ermöglicht eine flexible Automatisierung im Baukastenprinzip

Messe Fakuma

Vakuum-Greifersystem aus Kunststoff

Für Fertigungsverfahren, mit denen sich Leichtbauteile in Großserien kosteneffizient herstellen lassen, gibt es einen wachsenden Bedarf.

Laserstrukturieren: Laserstrahlung hoher Intensität verdampft lokal Metall und erzeugt dabei Mikrostrukturen mit Hinterschneidungen. Auf der so vorbehandelten Oberfläche können faserverstärkte Kunststoffe durch mechanische Verkrallung gut haften (© Fraunhofer ILT)

Lasergestütztes Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von Hybridbauteilen

Laserstrukturieren

Verbindungstechnik, hybride

Verbindungstechnik Verfahren

Lasertechnik

Schnüre, Bänder, Tapes

Karosseriebauteile lokal verstärken

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat ein Rohr entwickelt, das nur noch eine dünne Funktionsschicht aus Edelstahl enthält und durch eine Umwicklung aus glasfaserverstärktem Kunststoff stabil bleibt. Das Fertigungsverfahren wurde ursprünglich für die Automobilindustrie entwickelt und wird nun beim Bau des europäischen Einstein-Teleskop verwendet.

Die Hybridrohre aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einer dünnen Funktionsschicht aus Edelstahl. üssen extremen Bedinungen standhalten.

Technik Trend

Hybridrohre aus GFK und Edelstahl

Nach 2019 veranstaltete der Maschinenbauer Engel am 6. Mai 2021 zum zweiten Mal seinen „Lightweight Future Day“, diesmal als Online-Format. Der Titel war durchaus programmatisch zu verstehen.

Der Fahrzeuginnenraum ist eine wahre Spielwiese für Leichtbauwerkstoffe, Lacke und hauchdünne Kunststofffolien

Zweite Auflage des Engel Lightweight Future Day

Doriat, Clemens, Dr.

Sekundärfasern

Fasern

Spritzgießmaschinen, allgemein

Crashtüren, Bio-Kindersitze und Schweizer Finnen

Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen spart im Betrieb von Automobilen und Flugzeugen Energieressourcen ein. Den Einsparungen stehen jedoch häufig höhere Verbräuche in der Produktion gegenüber. Deshalb rückt die Nachhaltigkeit bei der Fertigung verstärkt in den Fokus. Eine entsprechende Nachhaltigkeitsbetrachtung für die Verarbeitung von thermoplastischen UD-Tapes zu funktionsintegrierten Bauteilen hat das Forschungsinstitut Neue Materialien Bayreuth durchgeführt.

Bild 1. Leichtbau vs. konventionelle Bauweise: Schematische Darstellung des Energiebedarfs für Leichtbaulösungen im Vergleich zu konventionellen Lösungen in der Herstellung sowie anschließenden Nutzungsphase.

Die Umweltauswirkungen der Produktion von FVK-Bauteilen bewerten

Faserverarbeitung

Kunststofffasern

Wie nachhaltig ist Leichtbau wirklich?

Das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung erhält 1 Mio. Euro EU-Fördergelder und plant damit eine neue Extruderlinie sowie eine Faseranlage zu realisieren.

Thüringens Wirtschaftsminister Wolfgang Tiefensee (r.) übergibt TITK-Direktor Benjamin Redlingshöfer den Förderbescheid über 1,04 Millionen Euro.

Neuer Schub für Entwicklung nachhaltiger Werkstoffe

Tapes prägen die nächste Generation der thermoplastischen Composites. Das Legen der Tapes muss zugleich hochgenau und wirtschaftlich erfolgen. Einen dritten Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung seiner Tape-Legezelle setzt Engel auf die Vereinfachung der Bedienung.

Tapes prägen die nächste Generation der thermoplastischen Composites. Das Legen der Tapes muss zugleich hochgenau und wirtschaftlich erfolgen. Einen dritten Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung seiner Tape-Legezelle setzt Engel auf die Vereinfachung der Bedienung. Hierzu trägt das CAD-basierte Tapelegen bei, das Engel erstmalig in einer Kundenanlage umgesetzt hat. Weitere neue Features sind die Pyrolysefunktion zur Reinigung der Schweißelemente sowie der modulare Übernahmekopf fürs Handling der Halbzeuge.

Die Genauigkeit beim Tapelegen entscheidet über die Belastbarkeit des Composite-Bauteils. Stand der Technik ist das kamerabasierte Tapelegen, das Engel vor zwei Jahren präsentierte. Die Kameratechnik macht es möglich, die Position und Orientierung von vorkonfektionierten Composite-Halbzeugen wie UD-Tapes automatisiert zu erkennen, um sie vor der Ablage exakt auszurichten. Hierzu müssen die Geometrien aller verwendeten Tapes einzeln übernommen werden, was einen erheblichen Programmieraufwand erfordert. Genau hier setzt die neue Entwicklung von Engel an. Beim CAD-basierten Tapelegen werden die Geometrien über CAD-Dateien übermittelt. Dies reduziert den Programmieraufwand und vereinfacht die Bedienung der Tape-Legezelle (Bild 1). Ein weiterer Vorteil ist, dass der Betreiber die Anlage schneller auf eine neue Geometrie umstellen kann.

Nachdem das Halbzeug vom Übernahmekopf aufgenommen wurde, bewegt es der Roboter zur Prüfstation. Mit der Bildaufnahme und der Auswertesoftware wird das Tape am Übernahmekopf lokalisiert. Da die Reihenfolge, in der die Tapes abgelegt werden sollen, in der Legeanleitung, dem sogenannten Plybook, definiert ist, weiß das System, welche Geometrie es suchen muss. Die Geometrien, die pro Lage verwendet werden, werden der Auswertesoftware in einem CAD-File bekannt gegeben. Das File zeigt die Tapes so, wie sie abgelegt werden sollen (Bild 2).

Ablageposition automatisch exakt bestimmen

Das Bildverarbeitungsprogramm nutzt eine Mustersuche, um einen spezifischen Punkt – üblicherweise den Schwerpunkt des Halbzeugs – in Bezug zur Halbzeuggeometrie zu setzen. Die Lage und Orientierung dieses Punkts bilden die Basis für die Berechnung der Ablageposition. Wurden bislang die Tapes Kante auf Kante abgelegt, muss die Ablageposition jetzt nur noch anhand des jeweiligen Schwerpunkts ausgerichtet werden.

Roboter und optisches Messsystem  werden miteinander kalibiriert

Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Technologie ist die Möglichkeit, die Qualität des Halbzeugs noch vor der Verarbeitung zu prüfen. So lässt sich zum Beispiel mit der Mustersuche feststellen, wie weit die Kontur mit den CAD-Daten übereinstimmt. Darüber hinaus ist es vorstellbar, die Halbzeuge auf ihre Homogenität zu untersuchen und solche mit zum Beispiel Matrixgassen oder ähnlichen Fehlern auszusortieren. Halbzeuge, die die Qualitätsvorgaben nicht erfüllen, können auf diese Weise frühzeitig aus dem Prozess ausgeschleust werden, was unnötige Ausschusskosten vermeidet.

Wichtig für das CAD-basierte Tapelegen ist, dass Roboter und optisches Messsystem miteinander kalibriert werden. Dank Hand-to-Eye-Kalibrierung macht Engel auch diesen Arbeitsschritt sehr einfach. Die Kalibrierung erfolgt beim Start der Anlage, indem der Übernahmekopf an mehrere Positionen bewegt und jeweils ein Bild aufgenommen wird. Da zum Zeitpunkt der Bildaufnahme die Position des Handlings bekannt ist, kann die Software auf Basis der Bilddaten ein gemeinsames Koordinatensystem errechnen.

Engel hat das neue CAD-basierte Tapelegen in Zusammenarbeit mit einem Werkstoffspezialisten entwickelt. Dort ist die neue Technologie für die Entwicklung und Herstellung innovativer Composite-Materialien bereits im Einsatz.

EInzelne Lagen werden miteinander zum Stack verschweißt

Nach dem Ablegen der Tapes werden die einzelnen Lagen punktuell miteinander verschweißt, um am Ende einen Stack zu erhalten, der zu einer soliden Platte konsolidiert werden kann. In der neuesten Generation der Tape-Legezelle kommen dafür Schweißelemente mit Pyrolysefunktion zum Einsatz. Ziel dieser Entwicklung ist es, über einen langen Zeitraum eine hohe Schweißqualität sicherzustellen. Bei jedem Schweißvorgang können an der Oberfläche des Schweißelements geringfügige Verschmutzungen entstehen (Bild 3). Diese Schmutzschicht kann sich immer weiter aufbauen und in der weiteren Folge als thermischer Isolator wirken. Dadurch wird die Wärme schlechter auf das Halbzeug übertragen. Es resultiert eine geringere Schweißqualität, sodass sich die Festigkeit der Schweißpunkte reduzieren kann.

Pyrolyse: Schweißelemente automatisiert reinigen

Wie stark der Schweißstempel verschmutzt, hängt sehr stark von der Matrix des Halbzeugs sowie den verwendeten Schweißparametern ab. Entsprechend erfordert jede Anwendung einen individuellen Reinigungsturnus. Bislang war die Reinigung ein manueller Prozess. Mit der neuen Pyrolysefunktion wird die Reinigung automatisiert, was die Bedienung der Anlage vereinfacht und zudem Zeit spart.

Um den Reinigungsprozess zu starten, erhöht das System für eine kurze Zeitspanne die Temperatur an der Schweißstempeloberfläche. Innerhalb von nur wenigen Sekunden steigt die Temperatur auf über 600 °C an, womit alle Ablagerungen pyrolysiert werden. Fast ebenso schnell kühlt sich das Schweißelement wieder auf Arbeitstemperatur ab. Insgesamt dauert die automatisierte Reinigung weniger als eine Minute.

Neben der einfacheren Bedienung ist die Steigerung der Kosteneffizienz ein wichtiges Entwicklungsziel. Hierzu trägt der von Engel neu entwickelte modulare Übernahmekopf bei. Um mit den Robotern die Tapes aufzunehmen, waren bislang produktspezifische Übernahmeköpfe erforderlich. Vergleichbar mit einem Werkzeug beim Spritzgießen, benötigte jedes Produkt seinen eigenen Übernahmekopf.

Mehr Flexibilität bei wechselnden Tapegeometrien

Auf dem modularen Übernahmekopf sind nun die wichtigen Funktionselemente wie Vakuumsauger und Schweißstempel in einem Lochraster angeordnet und flexibel positionierbar (Titelbild). Produktspezifisch ist nur noch die Belichtungsfolie. Diese sitzt auf einer Platte, die sich mit wenigen Schrauben fixieren und somit sehr einfach auswechseln lässt (Bild 4). Der modulare Übernahmekopf erhöht damit sowohl die Kosteneffizienz als auch die Flexibilität, da der Anwender schnell von einer Tapegeometrie auf eine andere wechseln kann.

Engel Austria GmbH  

https://www.engelglobal.com

Ausgabenartikel KU03-22

Bild 2. Auf Basis von CAD-Daten bestimmt die Steuerung der Knickarmroboter automatisch die optimale Ablageposition für die Tapes. Die Reihenfolge ist im sogenannten Plybook definiert.

Der neue modulare Übernahmekopf der Tape-Legezelle erhöht sowohl die Kosteneffizienz als auch die Flexibilität. Die Funktionselemente können dank eines Lochrasters individuell platziert werden.

Bild 1. Das CAD-basierte Tapelegen vereinfacht den Aufbau von Stacks aus UD-Tapes. Die neue Technologie wird bereits für die Entwicklung und Herstellung innovativer Composite-Erzeugnisse eingesetzt.

Bild 3. Die Schmutzschicht nimmt mit der Anzahl der Schweißungen zu, bis sich die Schweißqualität verschlechtert. Die turnusmäßige Pyrolyse stellt eine dauerhaft hohe Schweißqualität sicher.

Bild 4. Die Belichtungsplatte des modularen Übernahmekopfs lässt sich durch das Lösen von wenigen Schrauben sehr einfach austauschen.

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Paul Zwicklhuber, M Sc, ist Teamleiter im Technologiezentrum für Leichtbau-Composites der Engel Austria GmbH, St. Valentin/Österreich; <a href="mailto:paul.zwicklhuber@engel.at">paul.zwicklhuber@engel.at</a> Dr.-Ing. Norbert Müller ist Bereichsleiter Globale Anwendungstechnik der Engel Austria GmbH, Schwertberg/Österreich; <a href="mailto:norbert.mueller@engel.at">norbert.mueller@engel.at</a>