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Automatisierungslösungen bei der Herstellung von Faserverbund-Preforms - Teil 2

Dieser Fachbeitrag vom iwb Anwenderzentrum Augsburg wird in zwei Teilen präsentiert. In diesem zweiten Teil wird der Aufbau sowie die Ansteuerung der Werkzeuge, eine Zusammenfassung sowie ein Ausblick vorgestellt.

• Aufbau und Ansteuerung der Werkzeuge
  1. Aufbau und Handhabungswerkzeug
  2. Ansteuerung Handhabungswerkzeug
  3. Aufbau Montagewerkzeug
  4. Ansteuerung Montagewerkzeug
• Zusammenfassung
• Ausblick

 

3) Aufbau und Ansteuerung der Werkzeuge

 

3.1) Aufbau und Handhabungswerkzeug

 

Die Konzeption eines Greifsystems zum automatisierten Handhaben von technischen Textilien basiert maßgeblich auf der Auswahl eines einzusetzenden Wirkprinzips, welches dessen Wirkungsweise, Gestaltung und auch Leistungs-fähigkeit dominiert (HESSE ET AL. 2004). Aus der Literatur lassen sich vielfältige Möglichkeiten entnehmen wie die zum Greifen notwendige Haltekraft auf formlabile und textile Handhabungsgüter aufgebracht werden kann (MONKMAN 1995; SELIGER ET AL. 2003; STEPHAN 2001; TAYLOR 1995). Letztlich zeigt eine umfassende Analyse unterschiedlichster, sowohl am Markt verfügbarer als auch innovativer Ansätze, dass sich das Prinzip Niederdruckflächensaugen am besten für die Greifaufgabe eignet (REINHART ET AL. 2009). Hierbei werden hohen Volumenströme durch eine perforierte Blende erzeugt, welche zu kleinen Differenzdrücken und somit zum erforderlichen Kraftschluss mit dem Textil führen. Neben Wirtschaftlichkeit und Flexibilität hinsichtlich der Greiffläche und der aufzubringenden Haltekraft, bietet das Prinzip den maßgeblichen Vorteil die Werkstoff- und Strukturintegrität der hochwertigen textilen Halbzeuge aufrecht zu erhalten (STRAßER 2010). Durch den unterdruckbasierten Greifvorgang können somit beispiels¬weise die hohen Qualitätsansprüche einer Fertigung von sicherheitsrelevanten Flugzeugstrukturen eingehalten werden.

 

Abbildung 4: Gesamtsystem – 3D-CAD-Modell und realisierter Greifer im Versuchsaufbau am iwb Anwenderzentrum Augsburg.

Auf der Basis des ausgewählten Prinzips ist die Konzeption und Konstruktion des Greifsystems durchzuführen. Abbildung 4 zeigt das modulare Werkzeugkonzept, wobei der End-Effektor aus einer Matrix von 15 (5x3) identischen Modulen besteht. Die Gesamtabmessung der Greiffläche ergibt sich somit bei einer Auflösung der Haltepunkte bzw. Öffnungen von 25 mm zu 2200 x 1200 mm2, wobei insgesamt 4320 Aktoren zum Einsatz kommen.

 

 

Abbildung 5: Explosionszeichnung und Schnitt eines Greifer-Moduls.

Abbildung 5 zeigt detailliert den Aufbau und die Wirkungsweise eines Greifermoduls auf. Die Aktorik besteht hierbei aus bistabilen Hubmagneten mit einem Kunststoffpfropfen zum Verschluss der einzelnen Bohrungen der Abschlussplatte, wodurch eine selektive Greiffläche erzeugt werden kann. Diese Elemente sind zwar kostengünstig in der Anschaffung und auch im Betrieb, jedoch stellt die hohe Anzahl an zu betätigenden Einheiten (4320 Stück) neben der Regelung des Unterdrucks einer automatisierten Verarbeitung verschiedenster Konturen des Handhabungsguts hohe Anforderungen an die einzusetzende Steuerungstechnik.

 

3.2) Ansteuerung Handhabungswerkzeug

 

Die Steuerungstechnik wird in drei Module eingeteilt, um eine aufgabenspezifische Strukturierung des Gesamtsystems zu ermöglichen (EHINGER ET AL. 2010). Eine übergeordnete Software errechnet die notwendige Greiferposition und -orientierung, die zu öffnenden Bohrungen (Greiferkonfiguration) sowie den notwendigen Unterdruck und gibt diese über ein Echtzeit-I/O-System an das Anschlusssystem für die notwendigen Aktoren und Sensoren weiter (vgl. Abbildung 6). Aufgrund der Anzahl an Aktoren und der Notwendigkeit die Flachbaugruppen in die Greifermodule zu integrieren, wird das Anschlusssystem selbst entwickelt und hinsichtlich der Geometrie und Funktion auf die Anforderungen angepasst. So können durch eine Baugruppe jeweils 36 Hubmagneten mit Leistung und Daten versorgt werden.

 

 

Abbildung 6: Struktur des Steuerungssystems und entwickelte Flachbaugruppen (Anschlussmodul).

 

3.3) Aufbau Montagewerkzeug

 

Für die Erstellung einer Preform ist es notwendig, die bereits vereinzelten Zuschnitte vom Lagerungssystem zu aufzunehmen und zu dem Formwerkzeug zu transportieren. Anschließend wird das Textil auf das Formwerkzeug drapiert. Hierfür muss es dreidimensional verformt und durch Wärmeeinbringung positionsgenau fixiert werden. Die Herausforderung liegt darin, die ehemals manuellen Tätigkeiten des Greifens, Drapierens und Fixierens als technische Funktionalitäten sinnvoll in dem Montagewerkzeug zu integrieren. Analog zum Handhabungswerkzeug wird auch beim Montagewerkzeug das Wirkprinzip des Niederdruckflächensaugens für das Greifen der Textilien verwendet. Da das Textil hier jedoch bereits vereinzelt vorliegt, muss zum Greifen des Zuschnitts nicht jedes Saugloch selektiv aktiviert werden. Anstatt dessen werden Drapiermodule eingesetzt, in welchen Saugbereiche in einer Saugkammer zusammengefasst sind. Die Saugkammer kann über einen Hubmagnet geöffnet bzw. verschlossen werden. Die äußerste Schicht des Drapiermoduls besteht aus einem Schaumstoff mit Durchgangsbohrungen, welcher den Zuschnitt durch eine passive Verformung an das Formwerkzeug andrückt (REINHART ET AL. 2010A). Die Drapiermodule sind am Umfang eines Trägerrohrs montiert, welches an der Achse 6 eines Roboters angebracht ist. Über eine Dreheinführung, welche an der Achse 5 befestigt ist, wird der zum Greifen der Textilien notwendige Luftstrom zum Vakuumerzeuger geleitet (siehe Abbildung 7).

 

 

Abbildung 7: Aufbau des Montagewerkzeugs zum automatisierten Performen.

Um der vorherrschenden Variantenvielfalt gerecht zu werden, ist das Montagewerkzeug modular aufgebaut. Je nach Größe des Formwerkzeuges und des Zuschnittes kann es mit einem bis maximal drei Segmenten in der Länge variabel gestaltet werden. Zudem ist es möglich das Werkzeug mit einer reduzierten Anzahl an Drapiermodulen am Umfang zu betreiben. Über eine abrollende Bewegung auf dem Aufnahmetisch kann das konturvariante Textil über ein zeilenweises Schalten der entsprechenden Hubmagneten aufgenommen und anschließend zum Formwerkzeug transportiert werden. Dort wird das Textil über eine Aktivierung der aufliegenden Heizfelder auf dem Formwerkzeug fixiert. Gleichzeitig wird die komplette Reihe der aufliegenden Saugfelder zeilenweise deaktiviert, bevor das Werkzeug zur nächsten Reihe verfahren kann. Der beschriebene Vorgang des Erwärmens und Loslassens wird solange wiederholt, bis die komplette Lage abgelegt ist. Noch nicht fixierte Bereiche des Textils kann das Montagewerkzeug in einer nachgelagerten Drapierbewegung erwärmen und somit vollständig fixieren. Die Preform eines industriellen Referenzbauteils konnte mit Hilfe des Montagewerkzeuges bereits automatisiert erstellt werden. Abbildung 8 zeigt das Drapierergebnis am Beispiel des Diaphragm, welches eine Komponente der Ladeklappenführung des A380 dargestellt.

 

 

Abbildung 8: Drapierergebnis am Referenzbauteil Diaphragm.

 

3.4) Ansteuerung Montagewerkzeug

 

Das Montagewerkzeug, welches aus drei Segmenten mit jeweils 36 Drapiermodulen pro Segment besteht, beinhaltet insgesamt 108 bistabile Verschlussaktoren, welche durch entsprechende Ansteuerungssignale die Positionen „offen“ oder „geschlossen“ einnehmen können. Hinzu kommt, dass jedes Drapiermodul mit einer regelbaren Heizschicht ausgestattet ist, so dass die Aufgabe darin besteht 108 Verschlussaktoren sowie 108 Temperaturregelschleifen des Montagewerkzeugs anzusteuern. Die Konfiguration der Heiz- und Saugfelder soll dabei variabel durch die Vorgabe Bedieners je nach Kontur und Materialeigenschaft des Zuschnittes einstellbar sein. Hierfür ist in Abbildung 9 schematisch das Ansteuerungskonzept des Montagewerkzeuges dargestellt.

Über eine entsprechende Benutzeroberfläche (GUI) kann der Bediener zum einen Parameter für den Betrieb (z. B. Heiztemperatur und Unterdruck) einstellen und zum anderen die benötigte Greif- und Heizkonfiguration vorgeben. Über eine TCP/IP-Schnittstelle werden diese Daten an einen Programmable Automation Controller (PAC) gesendet und dort an den I/O-Karten als Stellsignale ausgegeben. Um dem modularen Aufbau des Montagewerkzeuges gerecht zu werden, besitzt jedes Segment eine Steuerplatine und zwölf Leistungsplatinen und kann unabhängig von den anderen Segmenten betrieben werden. Die Steuersignale des PAC bestehen aus Zeilen- und Spaltensignalen zur Ansteuerung der jeweiligen Verschlussaktoren und Heizfelder. Die Zeilen- und Spaltensignale werden anschließend auf der Steuerplatine ausgewertet und als Signale zur Ansteuerung der jeweiligen Kammern an die Leistungsplatine weitergeleitet. Bedingt durch den konstruktiven Aufbau des Montagewerkzeuges werden drei Kammern in einer Zeile eines Segmentes mit einer Leistungsplatine angesteuert. Auf den Leistungsplatinen befinden sich die Schaltelemente der Aktoren und der Heizfelder sowie die Messschaltungen zur Temperaturerfassung des Heizfeldes.

 

 

Abbildung 9: Ansteuerungskonzept Montagewerkzeug. 

 

4) Zusammenfassung

 

Vor dem Hintergrund eines wachsenden Bedarfs und einem branchenübergreifenden Einsatz ist die Entwicklung von neuartigen Automatisierungslösungen unumgänglich. Vor diesem Hintergrund wurden am iwb Anwenderzentrum Augsburg erstmalig roboterbasierte Endeffektoren für eine automatisierte Erstellung von Vorformlingen realisiert, welche einen maßgeblichen Beitrag zur wirtschaftlichen Herstellung leisten.

Zum einen wurde hierfür ein Handhabungswerkzeug entwickelt, welches in der Lage ist, konturvariante Zuschnitte automatisiert abzusortieren und in ein Lagerungssystem zu vereinzeln. Hierbei werden gezielt bestimmte Bereiche eines Niederdruckflächensaugers auf Basis von CAD Daten des Zuschnitts aktiviert bzw. deaktiviert. Zur Ansteuerung des modular aufgebauten Werkzeuges müssen über 4000 in einer Matrix angeordneten Verschlussaktoren geschalten werden.

Zum anderen wurde zur Automatisierung der bisher manuellen Preformerstellung ein Montagewerkzeug entwickelt. Die bereits vereinzelten, konturvarianten Zuschnitte werden vom Lagersystem aufgenommen, auf das Formwerkzeug drapiert und dort positionsgenau durch Wärmeeinbringung fixiert. Durch eine selektive Aktivierung von einzelnen Saug- und Heizfeldern ist es möglich in mehreren Drapierbewegungen auch komplexere Vorformlinge zu erstellen. Zur Ansteuerung des Montagewerkzeuges kann der Bediener über eine entsprechende Benutzeroberfläche die Saug- und Heizkonfiguration vorgeben.

Durch die Validierung der Werkzeuge an einem industriellen Referenzszenario konnte erstmalig der komplette Herstellungsprozess automatisiert abgebildet und eine sinnvolle Verkettung der einzelnen Teilprozesse ermöglicht werden. Durch den flexiblen und modularen Werkzeugaufbau sind die vorgestellten Systeme in der Lage konturvariante Zuschnitte aus unterschiedlichen trockenen Halbzeugen zu einer Preform zu verarbeiten.

 

5) Ausblick

 

Weiterführende Arbeiten im Bereich der automatisierten Handhabung zielen darauf ab, das vorgestellte System zum Absortieren einer breiten Auswahl an formlabilen Materialien zu nutzen. Durch entsprechende Tests sollen Prozessparameter für verschiedenste Materialien eruiert und in einen Methodenbaukasten gebündelt werden. Zur Steigerung der Prozesssicherheit befasst sich ein weiterer Forschungsaspekt in diesem Zusammenhang mit einer automatisierten Schnittprüfung. Dadurch soll ein unvollständiges Durchtrennen der einzelnen Filamente während des Schneidprozesses prozesssicher erkannt und beseitigt werden. Für die Einbindung des Montagewerkzeuges in eine automatisierte Produktionsumgebung ist es notwendig, die Ansteuersignale auf die Roboterbahn zu synchronisieren. Die derzeitige manuelle Eingabe der Steuersignale während des Drapiervorgangs durch den Bediener soll daher durch eine aufgabenorientierte Bahnplanung ersetzt werden. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt hinsichtlich Nachverfolgbarkeit und Prozesssicherheit stellt die Integration einer Inline-Qualitätskontrolle dar. Dadurch können Fehler im Lagenaufbau bereits direkt am Entstehungsort erkannt und ggf. noch korrigiert werden.

 

Danksagung

 

Diese Veröffentlichung entstand im Rahmen des Forschungsprojektes CFK-Tex, welches von der Europäischen Union und dem Freistaat Bayern gefördert wird. Als Projektträger fungiert die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH. Neben den beiden Forschungseinrichtungen iwb Anwenderzentrum Augsburg (TU München) und dem ISSE (Universität Augsburg) sind folgende Industriepartner am Projekt beteiligt: Premium AEROTEC GmbH, Eurocopter Deutschland GmbH, KUKA Roboter GmbH, IMA A. Abele + Partner GmbH und topcut-bullmer GmbH.

 

Autoren:

Prof. Dr. Gunther Reinhart, M. Sc. Claudia Ehinger, Dipl.-Ing.(FH) Gerhard Straßer

 

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