Intelligente Handhabungstechnologie für textile Kohlenstofffaserhalbzeuge

Intelligente Handhabungstechnologie für textile Kohlenstofffaserhalbzeuge Dipl.-Ing. Frederic Förster 1. Symposium lightweight SOLUTIONS, Hannover 28.11.2013 wbk Institut für Produktionstechnik KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.wbk.kit.edu

Agenda Intelligente Handhabungstechnologie für textile Kohlenstofffaserhalbzeuge Motivation Stand der Forschung und Technik Problemstellung & Lösungsansätze Zusammenfassung & Ausblick 2 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Motivation FVK am Standort Deutschland Die Produktion Faserverstärkter Kunststoffe (FVK) hat große Relevanz für den Produktionsstandort Deutschland. Automobilindustrie Luftfahrtindustrie Windenergieindustrie Ressourcenschonende Prozesse und effiziente Automatisierung Hohe Lohnkosten erfordern effizient automatisierte Produktionsprozesse Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit des Produktionsstandorts Deutschland [BIE-08], [STR-11], [HEN-08], [HER-00], [SCH-12] 3 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Motivation Automatisierte Handhabung am Beispiel des RTM-Prozesses Der Resin-Transfer-Moulding-Herstellungsprozess für endlosfaserverstärkte Kunststoffe besteht aus mehreren, sich ergänzenden Prozessschritten. Als Ausgangsmaterial werden trockene textile Halbzeuge verwendet. Bereitstellung & Zuschnitt Preforming Infiltration Magazinierung Stapelaufbau Nachbearbeitung Handhabungsschritte Wirtschaftlichen Herstellung FVK erfordert Automatisierung des Gesamtprozesses Herausforderungen hierbei: Automatisierung der Handhabungsschritte [BIE-08], [JIN-04], [SEL-03], [FLE-12], [FLE-13], [JIN-04], [SCH-12] 4 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Motivation Eigenschaften textiler Halbzeuge vs. Handhabbarkeit Bereitstellung & Zuschnitt Preforming Infiltration Magazinierung Stapelaufbau Nachbearbeitung Handhabbarkeit Verschiebefestigkeit Verschiebefestigkeit Verschiebefestigkeit Luftdurchlässigkeit Luftdurchlässigkeit Luftdurchlässigkeit Eigenschaften der textilen Halbzeuge ändern sich entlang des Prozessverlaufes Mit zunehmendem Prozessverlauf wird eine automatisierte Handhabung begünstigt [REI-10], [REI-11], [FLE-13], [FLE[12], [CHE-11] 5 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Motivation Handhabungsoperation im Herstellungsprozess Bereitstellung & Zuschnitt Preforming Infiltration Magazinierung Stapelaufbau Nachbearbeitung Abräumen CNC-Cutter (ein- & mehrlagig) Vereinzeln vom Stapel Stapelhandling (mehrlagig) Preformhandling (einlagig) Handling FVK (einlagig) Hoher Anforderungslevel Niedriger Anforderungslevel Bedingt durch Halbzeugeigenschaften und Handhabungsaufgaben sind die Anforderungen an die Handhabungstechnik vor dem Preformingprozess am höchsten. [BIE-08], [JIN-04], [SEL-03], [FLE-12], [FLE-13], [JIN-04], [REI-10] 6 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Motivation Anforderungen an die Handhabungstechnik Anforderungen an die Handhabungstechnik leiten sich ab aus den Bereichen: Halbzeuge, Umwelt & Wirtschaft und dem Produktionsprozess. Halbzeuge Umwelt & Wirtschaft Produktionsprozess Flexibilität bzgl. versch. Halbzeuge Schadenfreier Zugriff Anschaffungskosten Energieeffizienz Rüstzeit Umwelteinflüsse Prozesssicherheit Vereinzeln Ein- & Mehrlagig Greifen Ausreichende Haltekräfte Basierend auf den Anforderungen erfolgt die Auswahl eines Greifers für die Handhabung trockener, textiler Kohlenstofffaserhalbzeugen. [REI-10], [REI-11], [FLE-12], [FLE-13], [STE-06], [STE-01], [SEL-03] 7 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Stand der Forschung und Technik Bewertung verschiedener Greifer Nadelgreifer Niederdruckflächensauger Bernoullisauger Elektrostatik- Greifer Gefrier-Greifer Schadenfreier Zugriff Materialflexibilität Anschaffungskosten Energieeffizienz Rüstzeit Umwelteinfluss Prozesssicherheit Vereinzeln Mehrlagiges Greifen x x x Haltekraft Es existiert kein Greifer der ohne nachteilige Auswirkungen automatisierte Handhabungsaufgaben vor dem Preforming ausführen kann. [FLE-12], [FLE-13], [STR-11], [STE-06] 8 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problemstellung Niederdruckflächensauger Von den am Markt verfügbaren Greifern bietet der Niederdruckflächensauger das größte Potential Er besitzt physikalische Voraussetzungen zur Ausführung der Handhabungsoperationen Vereinzeln und Mehrlagiges Greifen Problemstellung Einem effizienten Einsatz in automatisierten Prozessketten stehen entgegen: Schlechte Energieeffizienz Schlechte Prozesssicherheit Vereinzeln Greifen (singlelayer) Mehrlagigem (multilayer) Geringe Flexibilität Für einen wirtschaftlichen, automatisierten Einsatz sind die Energieeffizienz, die Prozesssicherheit und die Flexibilität deutlich zu steigern. 9 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Energieeffizienz Ursachen und Lösungsansatz Ursachen Globale Druckluftversorgung für alle Greifer in einem Greifsystem (globale Saugenergie) Keine dynamische Anpassung der Saugenergie während des Handhabungsvorganges (Reaktion auf Störungen) Lösungsansatz Kräfte am Greifer Minimierung der Saugenergie durch Regelung der Anpresskraft Dezentrale Anpassung der Saugenergie an den jeweiligen Handhabungsvorgang Sensorik zur Messung der Anpresskraft erforderlich! 10 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Energieeffizienz Messung der Anpresskraft F A Halbzeug fällt ab Sicherheit Führungsgröße (14,5 Ω 0,4 N) Elektrode (außen) Elektrode (innen) Messprinzip Kontaktwiderstand Strom I C-Faser Fremdschicht Elektrode Kontaktkraft F N Kontaktwiderstand: Engewiderstand:, Anpresskraft F A ist umgekehrt proportional zu R Kont Verlauf der Kontaktwiderstandskurve ist halbzeugspezifisch 11 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Energieeffizienz Regelung der Anpresskraft Fazit Drucklufteinsparung bis zu 70% Betriebskosteneinsparung 100 /pro Greifer /pro Jahr Geräuschreduktion Kostengünstige Sensorik Gewichtskraftunabhängigkeit Einstellbarkeit Quer- & Normalkräfte Dynamisch auftretende Prozess- und Störkräfte können in Normal- und Querrichtung kompensiert werden. 12 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Prozesssicherheit Ursachen und Lösungsansätze Problem Greifen singlelayer Greifen multilayer Vereinzeln Ursache Fehlende Prozessüberwachung Prozesskräfte & Störeinflüsse vs. statische Saugleistung Fehlende Prozessüberwachung Interlaminare Kräfte vs. statische Saugleistung Globale Einstellung der Saugleistung Lösungsansatz Sensorielle Überwachung der Anpresskraft Dynamische Regelung der Anpresskraft Kontinuierliche Überwachung der Halbzeug-Lagenanzahl Dezentrale Regelung der Anpresskraft, so dass nur eine Halbzeug-Lage gegriffen werden kann 13 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Prozesssicherheit Lösungsansatz Multilayer-Greifen Kontinuierliche Überwachung des Unterdrucks p U Unterdruck p U in der Saugkammer ist direkt abhängig von der Anzahl der gegriffenen Halbzeuglagen n HZ Die kontinuierliche Überwachung des Unterdrucks und eine daraus abgeleitet zielgerichtete Beeinflussung der Saugenergie gestaltet den mehrlagigen Greifprozess prozesssicher Fazit Überwachte, prozesssichere, mehrlagige Handhabung textiler Halbzeuge wird durch dieses Vorgehen ermöglicht Die Überwachung der Prozessgröße Unterdruck p U erfolgt mittels eines herkömmlichen Differenzdrucksensors 15 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Prozesssicherheit Lösungsansatz Vereinzeln 1 HZ-Lage mehrere HZ-Lagen Bereich R Kont,min - R Kont,max Funktion Vereinzelung Anzahl der HZ-Lagen am Greifer abhängig von Saugleistung Luftdurchlässigkeit der HZ Die Abhängigkeiten Saugleistung Anpresskraft Kontaktwiderstand ermöglichen die Identifizierung eines Regelbereiches für Singlelayer- Handhabung Innerhalb dieses Bereiches kann eine prozesssichere Vereinzelung erfolgen! Bereich der Anpresskraft F A zur prozesssicheren Vereinzelung ist abhängig vom Halbzeugtyp. 17 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Schlechte Prozesssicherheit Lösungsansatz Vereinzeln Fazit Durch die Kompensation der Gewichtskraft genau einer HZ- Lage, ist es physikalisch ausgeschlossen eine zweite HZ- Lage durch die bereitgestellte Saugenergie zu greifen! Wiederholbares, prozesssicheres Vereinzeln textiler Kohlestofffaserhalbzeuge wird dadurch möglich! Bereich der Anpresskraft F A zur prozesssicheren Vereinzelung ist abhängig vom Halbzeugtyp. 18 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Geringe Flexibilität Ursachen und Lösungsansatz Ursachen Empirische Ermittlung der Betriebsparameter zur Durchführung der Handhabungsoperationen Greifen (Singlelayer/ Multilayer) und Vereinzeln Hohe Rüstzeiten Variierende Halbzeugeigenschaften Lösungsansatz Selbsttätige Ermittlung aller erforderlicher Betriebsparameter während eines definierten Kalibrierungsvorganges Ermittlung erfolgt durch die bereits im Greifer integrierte Sensorik Erforderliche Betriebsparameter energieeffiziente Handhabung prozesssicheres Vereinzeln Führungsgröße R Kontakt Vereinzelungsbereich R Kont,min - R Kont,max prozesssicheres Multilayer Greifen Kennlinien n HZ p U p N 20 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Problem: Geringe Flexibilität Ermittlung von Betriebsparametern Kalibrierungsvorgang Unterschiedliche Kalibrierungsvorgänge zur Ermittlung relevanter Parameter möglich Kalibrierung muss nur an einem Greifer des Greifsystems mit dem zu handhabenden Material erfolgen Dauer Kalibrierungsvorgang max. 30 s Fazit Enorme Zeitersparnis bei der Umstellung auf einen neuen textilen Halbzeugtyp Nach der Kalibration kann der Greifer für die energieeffiziente Handhabung und für das Ausführen der spezifizierten Handhabungsoperationen verwendet werden. 21 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Zusammenfassung & Ausblick Integriertes Greifsystem Regelung der Saugenergie Adaptionseinrichtung Selbstkonfiguration Regelgröße Saugenergie HZ-Lagenanzahl Regeleinrichtung / Intelligenz Aktorik Niederdruckflächensauger Textiles Halbzeug Sensorik Messgrößen F A, p U Anpresskraft F A Saugkammerdruck p U Kontinuierliche Überwachung Integration aller Komponenten zu einer integrierten Komponente vorgesehen. 22 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Zusammenfassung & Ausblick Intelligenter Niederdruckflächensauger Durch das dargestellte Vorgehen wurde ein intelligenter Niederdruckflächensauger entwickelt der den Anforderungen einer automatisierten Handhabung trockener, textiler Kohlestofffaserhalbzeugen genügt. Energieeffizient Prozesssicher Selbstkalibrierend Vorstellung des intelligenten Greifers als reales Produkt in 2014 geplant. 23 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik

Vielen Dank Dipl.-Ing. Frederic Förster Akademischer Mitarbeiter Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) wbk Institut für Produktionstechnik Kaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Tel.: +49 (0) 721 608 41674 frederic.foerster@kit.edu Fax: +49 (0) 721 608 45005 http://www.wbk.kit.edu 24 09.12.2013 wbk Institut für Produktionstechnik