Automatisierungskonzepte zur Herstellung faserver stärkter Thermoplastbauteile

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1 FERTIGUNG AUTOMATISIERUNG Automatisierungskonzepte zur Herstellung faserver stärkter Thermoplastbauteile Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen bieten eine hohe Festigkeit bei äußerst geringem Gewicht und damit Vorzüge, die insbesondere im Fahrzeugbau immer stärker gefragt sind. Für die Serienfertigung von langfaserverstärkten Thermoplastbauteilen hat KraussMaffei verschiedene pro duktorientierte Automatisierungskonzepte entwickelt, realisiert und validiert. Diese ermöglichen sehr kurze Zykluszeiten für große Stückzahlen. Autoren DR.-ING. MESUT CETIN ist Produkt- und Projektmanager Leichtbau bei der KraussMaffei Automation GmbH in Oberding-Schwaig. Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen entsprechen dem Trend unserer Zeit. Sie bieten eine hohe Festigkeit bei äußerst geringem Gewicht und damit Vorzüge, die im Fahrzeugbau immer stärker gefragt sind. Faserverstärkte Bauteile können in sogenannten Flüssigharz-Imprägnierverfahren oder auch durch Umformung von faserverstärkten Halbzeugen hergestellt werden. Wobei bei beiden Ansätzen jeweils duromere oder thermoplastische Matrixsysteme Einsatz finden [1]. Die Auswahl einer geeigneten Technologie für schalenförmige Bauteile hängt in der Regel von vielen unterschiedlichen Kriterien ab. Beschränkt wird die Wahl der Technologie jedoch durch die geforderten Stückzahlen, die Bauteilkomplexität sowie durch die geforderten mechanischen Eigenschaften [2]. CHRISTIAN HERRMANN ist Entwicklungsingenieur Leichtbau bei der KraussMaffei Automation GmbH in Oberding-Schwaig. Bild 1 Prozessablauf des FiberForm-Verfahrens ( KraussMaffei) STEFAN FENSKE ist Technologiemanager FiberForm & IMC bei der KraussMaffei Technologies GmbH in München-Allach. 38 lightweight.design

2 Im Hinblick auf die Herstellung von schalenförmigen faserverstärkten Serienbauteilen in hohen Stückzahlen, wie sie im Fahrzeugbau gefordert werden, ist eine kurze Zykluszeit von besonderer Bedeutung. Die von KraussMaffei entwickelte FiberForm- Technologie eignet sich hierfür besonders. Bei diesem Verfahren werden das Thermoformen von Organoblechen, also plattenförmigen Halbzeugen mit Endlosfasern aus Glas, Carbon oder Aramid, die in eine thermoplastische Matrix, etwa aus Polyamid (PA) oder Polypropylen (PP) eingebettet sind, und das Spritzgießen in einem Prozess kombiniert. Die erreichbaren Zykluszeiten entsprechen typischen Spritzgießprozessen. Gleichzeitig bietet die Technologie die Möglichkeit der Implementierung metallischer Inserts bei hohen Gestaltungsfreiheiten und kurzen Zykluszeiten. Der Herstellungsprozess umfasst sechs Schritte, Bild 1. Das vorkonfektionierte Halbzeug wird mit einem Greifersystem aufgenommen (1) und der Infrarot-Heizstation zugeführt (2). Anschließend erfolgt die Übergabe des Einlegers in das Spritzgießwerkzeug (3) sowie das Umformen (4) und Hinterspritzen (5) mit anschließender Entnahme des nachbearbeitungsfreien Bauteils (6). Verglichen mit Bauteilen, die rein aus kurzfaserverstärktem oder nicht faserverstärktem Spritzgießmaterial bestehen, bieten solche mit integrierten Organoblechen deutlich bessere mechanische Eigenschaften. Der Einsatz des Verfahrens fordert für Bauteile mit unterschiedlichen Größen und Anwendungen, wie beispielsweise im Automobilbau, auch produktorientierte Automatisierungskonzepte. Dies betrifft vor allem die Aufheiztechnologie, die Positionierung der Heizstation sowie die Auswahl der Automatisierungskinematiken. Tabelle 1 Automatisierungskonzepte zur Serienfertigung von faserverstärkten Thermoplastbauteilen für unterschiedliche Größen faserverstärkter Halbzeuge ( KraussMaffei) Heizprinzip Position der Heizstation Automatisierungskinematik Halbzeuggröße (b h) [mm] *: Feste Werkzeugaufspannplatte Charakteristisch für die dargestellten großserientauglichen Automatisierungslösungen ist die Positionierung einer Infrarot- Heizstation oberhalb der festen Werkzeugaufspannplatte. Dadurch lassen sich sehr kurze Transferwege zum Einlegen des aufgeheizten Organoblechs in das Werkzeug realisieren. Dies führt zu sehr kurzen Transferzeiten des Organoblechs in das Werkzeug und ermöglicht dadurch eine Serienfertigung von Bauteilen. Der kurze Transferweg vermeidet auch eine zu starke Abkühlung des aufgeheizten Organoblechhalbzeugs. Als Konzept Lineareinheit mit zwei Kinematiken (LRX 250 TwinZ) Infrarot-Technologie Oberhalb der FWAP* Lineareinheit mit zwei Kinematiken (LRX 500 TwinZ) Zwei Knickarmroboter Heizprinzip wird die Infrarottechnik eingesetzt. Die Vorteile der Infrarot-Heiztechnik liegen gegenüber konvektiven Systemen in den geringeren Investitionskosten und der höheren Leistungsdichte der Infrarotstrahler, wodurch sich deutlich kürzere Aufheizzeiten realisieren lassen. Je nach Halbzeugdicke erfolgt das Aufheizen einseitig oder beidseitig. Die Infrarot-Heizfläche richtet sich nach der Halbzeuggröße und der entsprechenden Spritzgießmaschine, kann aber auch individuell nach den Bedürfnissen des Kunden angepasst werden. Automatisierungslösungen Für den beispielhaften Einsatz der Fiber- Form-Leichtbautechnologie in der Automobilindustrie wurden verschiedene Fahrzeugkomponenten hinsichtlich ihrer Größe und Stückzahl untersucht, woraufhin produktorientierte Automatisierungskonzepte entwickelt wurden, Tabelle 1 und Bild 2. Bild 2 Produktbeispiele für faserverstärkte Thermoplastbauteile mit dazugehörigem Produktionskonzept am Beispiel für Automobilbauteile ( KraussMaffei) 10. Jahrgang lightweight.design 39

3 FERTIGUNG AUTOMATISIERUNG Als Automatisierungskinematik sind jeweils zwei voneinander entkoppelte Robotereinheiten definiert. Dadurch lassen sich das Aufheizen des Organoblechs und die Entnahme des Fertigteils zeitlich voneinander entkoppeln, was zu einer weiteren Verkürzung der Zykluszeiten führt. Bedingt durch die unterschiedlichen Bauteilgrößen unterscheiden sich die Roboterkinematiken hinsichtlich ihrer Bewegungsfreiheiten und ihrer Traglasten. In Konzept 1, Bild 3, und Konzept 2, Bild 4, ist die Automatisierungskinematik durch eine Lineareinheit mit zwei Kinematiken zur Materialzuführung und Fertigteilentnahme (Kinematik 1 mit Zweifachgreifer) und zum Aufheizen und Einlegen des Bild 3 Anlagenkonzept zur Serienfertigung von faserverstärkten Thermoplastbauteilen für Halbzeuggrößen 350 mm 350 mm (Konzept 1); Seitenansicht oben, Draufsicht unten ( KraussMaffei) Halbzeugs (Kinematik 2, Einfachgreifer) gekennzeichnet. Während die Kinematik 1 das faserverstärkte zentrierte Halbzeug aus der Materialbereitstellung entnimmt, erfolgt parallel die Umformung und Hinterspritzung des Halbzeugs im Werkzeug (1. Zyklus). Bevor die Kinematik 2 ein neues aufgeheiztes Halbzeug dem Werkzeug zuführen kann, wird das Fertigteil von der Kinematik 1 entnommen. Anschließend übergibt die Kinematik 1 das zuvor gegriffene Halbzeug an die Kinematik 2. Diese führt das Halbzeug in die Infrarot-Heizstation und übergibt dieses nach Erreichen einer materialspezifischen Schmelztemperatur dem Werkzeug, sodass ein neuer Zyklus beginnen kann (2. Zyklus). In Konzept 3, Bild 5, hingegen erfolgen die Materialbereitstellung und die Fertigteilentnahme durch den Knickarmroboter 1 und das Aufheizen und das Einlegen des Halbzeugs in das Werkzeug durch den Knickarmroboter 2. Der Prozessablauf ist bis auf die Halbzeugübergabe identisch. Aufgrund der großen Halbzeuggröße ( 1350 mm 850 mm) erfolgt die Übergabe über eine Zentrierstation. Mit produktorientierten Automati sierungskonzepten zu geringen Zykluszeiten für faserverstärkte Thermoplastbauteile. Je nach Anforderungen an den Prozess und an das Bauteil können zusätzliche modulare Einheiten zur Qualitätssicherung hinzugefügt werden. Dazu zählen } eine Eingangskontrolle des Organo blechzuschnitts (Kontur, Faserorien tierung) } eine Kontrolle des Aufheizvorgangs (Temperaturverteilung des aufgeheizten Organoblechs vor der Werkzeugumformung) } eine Fertigteilkontrolle (Gewicht, lokale Faserorientierung, Positionierung des Organoblechzuschnitts) sowie } die Rückverfolgung einzelner Qualitätsgrößen und produktspezifischer Prozessdaten durch einen QR-Code. Bild 4 Anlagenkonzept zur Serienfertigung von faserverstärkten Thermoplastbauteilen für Halbzeuggrößen 850 mm 850 mm (Konzept 2); Seitenansicht oben, Draufsicht unten ( KraussMaffei) Umsetzung und Validierung Eine Validierung der entwickelten Automatisierungskonzepte erfolgte auf der Messe K-2016 in Düsseldorf am Beispiel einer kompakten FiberForm-Produktionszelle zur beispielhaften Herstellung eines Prototyps für einen Halter, Bild 6 (Konzept 1). 40 lightweight.design

4 Bild 5 Anlagenkonzept zur Serienfertigung von faserverstärkten Thermoplastbauteilen für Halbzeuggrößen 1350 mm 850 mm (Konzept 3); Seitenansicht oben, Draufsicht unten ( KraussMaffei) So konnte das komplette System auf einer Fläche von lediglich circa 18 m2 realisiert werden und besteht aus } einer Spritzgießmaschine CX 300, } einem Linearroboter LRX 250 der TwinZ-Baureihe mit zwei mechanisch entkoppelten X-Achsen auf einer gemeinsamen Z-Achse, } einer Infrarot-Heizstation sowie } einer QR-Code Druckereinheit. Wie oben beschrieben, können durch die Entkopplung der Prozessschritte kurze Zykluszeiten und Transferzeiten erreicht werden (siehe Prozessvideo). Weiterhin wird durch die Positionierung der Materialbereitstellungseinheit, des QR-Code Druckers und des Transportbands innerhalb der Spritzgießzelle der notwendige Bewegungsweg der Robotereinheiten minimiert, wodurch sehr kurze Zykluszeiten erreicht werden. Eine zusätzliche Schutzeinhausung ist folglich nicht mehr notwendig, was sich positiv auf den Platzbedarf der Produktionszelle sowie auf den Transport auswirkt. Vor dem Hintergrund zunehmend intelligenter Verknüpfung von Produktionszellen und lückenloser Dokumentation (Industrie 4.0) über den gesamten Herstellungsprozess werden Qualitätsgrößen und produktspezifische Prozessdaten jedes einzelnen Bauteils im Prozess erfasst und in Gewicht runter schrauben Nutzen Sie Potenziale für die Gewichtsreduzierung und Kosteneinsparung durch den konsequenten Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in Kombination mit adäquaten Fügetechniken. Wir unterstützen Sie bei der Analyse Ihrer Anwendungsbereiche im Hinblick auf mögliche Gewichtsreduzierungen durch den Einsatz innovativer Materialien und Verbindungstechniken. EJOT Qualität verbindet EJOT GmbH & Co. KG Industrial Division 10. Jahrgang lightweight.design 41

5 FERTIGUNG AUTOMATISIERUNG Bild 6 FiberForm-Anlage (Konzept 1) zur Verarbeitung von Organoblechhalbzeugen der Größe 350 mm 350 mm (b h) ( KraussMaffei) Bild 7 Rückverfolgung produktspezifischer Prozessdaten anhand eines QR-Codes am Fertigteil ( KraussMaffei) Echtzeit im System (Produktgedächtnis) abgelegt und ausgewertet. Die Auswertung erfolgt durch den DataXplorer, der pro Zyklus eine Datei erstellt, in der frei wählbare Prozessdaten gespeichert werden. Der DataXplorer ist damit ein Werkzeug, um produktspezifische Prozessdaten zu erfassen, zu analysieren und zu dokumentieren. Auf die produktspezifischen Prozess daten kann letztlich über einen QR-Code am Bauteil zugegriffen werden, Bild 7. Als produktspezifische Prozessdaten können hier neben der Aufheizkurve und dem Druck- Bild 8 Multifunktionsstringer für eine Skibindung ( KraussMaffei) 42 lightweight.design

6 We make connections worldwide. Zeit-Verlauf des Spritzgießprozesses weitere Bauteildaten (beispielsweise: Anwendung [-], Material [-]) sowie Prozessdaten (beispielsweise: Aufheizrate [ C/s], Aufheizzeit [s], Transferzeit [s], Schmelztemperatur des Halbzeugs [ C], Plasitifizierstrom [g/s], maximaler Spritzdruck [bar]) dokumentiert werden. Zusammenfassung Die von KraussMaffei entwickelten produktorientierten Automatisierungskonzepte, Bild 1, Bild 2 und Bild 3, gewährleisten eine Serienfertigung von langfaserverstärkten Thermoplastbauteilen in sehr kurzen Zykluszeiten für große Stückzahlen. Gründe hierfür sind die Auswahl der Infrarottechnologie als Aufheizprinzip, die Positionierung der Infrarot-Heizstation oberhalb der festen Werkzeugaufspannplatte, sowie die optimierte Auswahl der Automatisierungskinematiken für unterschiedliche Bauteilgrößen. Alle dargestellten Konzepte wurden bereits von KraussMaffei für Kunden in Serienreife umgesetzt. Neben den beispielhaften Produkten aus der Automobilbranche bietet die FiberForm- Technologie auch ein hohes Leichtbaupotenzial für Komponenten aus dem Bereich Verpackung und Logistik sowie Sport und Freizeit. Letzteres wurde am Beispiel eines Multifunktionsstringers, Bild 8, in der Touren- Skibindung mit der Bezeichnung Kingpin von der Firma Marker Deutschland, Penzberg, in Zusammenarbeit mit der Firma S&W, Hebertshausen, umgesetzt [3]. Die Fiberform-Technologie ermöglicht hierbei definierte mechanische Eigenschaften und Funktionsintegration in nur zwei Prozessschritten (Thermoformen und Spritzgießen) in einer in einer Spritzgießmaschine. Literaturhinweise [1] Henning, F.; Moeller, E.: Handbuch Leichtbau Methoden, Werkstoffe, Fertigung. Carl Hanser Verlag, 2011 [2] AVK Industrievereinigung verstärkte Kunststoffe e.v.: Handbuch Faserverbundkunststoffe: Grundlagen: Verarbeitung, Anwendungen. 3. Aufl. Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag, 2010 [3] Weber, J.: Komfortabel bergauf und bergab FiberForm fährt mit. AHEAD das Kundenmagazin von KraussMaffei, Ausgabe , KraussMaffei, München. Online: media/files/kmdownloadlocal/de/d_km_ahead. pdf. Letzter Zugriff: Januar 2016 The trade journal for adhesives and sealings technologies. As a printed version and as an emagazine right at your desk. Incl. free access to the online specialist articles archive since More information: Jahrgang lightweight.design 43