Die Herstellung von hochfesten und gleichzeitig sehr leichten Produkten aus Kohlenstofffaser­kunststoff (CFK) hat sich in den letzten Jahren für viele Firmen zu einer notwendigen Kern­kompe­tenz gegenüber den Wett­bewer­bern ent­wickelt. Neben der Luft- und Raumfahrt-Branche, die derzeit der Hauptanwender der Technologie ist, steigt auch in vielen anderen Industriebranchen, wie bei­spiels­weise der Automobil- und der Sportgeräteindustrie, die Be­deutung des Fertigungs-Know-Hows bei CFK Produkten.

Trotz der dargestellten Vorteile von CFK-Werkstoffen sowie einer erhöhten Relevanz in der Verwendung limitieren derzeit vor allem die hohen Fertigungskosten eine weitere Verbreitung sowie einen effizienter Einsatz derartiger Strukturen. Besonders die Anwendung der konventionellen Prepreg-Autoklav-Technik, bei welcher ein mit duroplatischem Harz vorimprägniertes Faserhalbzeug (prepreg) nach dem Konfektionieren in Autoklaven unter Besaufschlagung mit Druck und Temperatur ausgehärtet wird und mit welcher derzeit ca. 80 bis 90% der CFK-Strukturen hergestellt werden, führt zu hohen Investitions-, Halbzeug- und Lagerungskosten (z.B. Kühlung) und beeinflusst deshalb die Kostensituation negativ. Vor diesem Hintergrund haben in den vergangenen Jahren innovative Injektionsverfahren stark an Bedeutung gewonnen. Hierbei werden nicht-vorimprägnierte, trockene, formlabile CFK-Textilien zu sogenannten Vorformlingen (preform) verarbeitet und anschließend in speziellen Verfahren mit Harz infiltriert. Die Herstellung von CFK-Strukturen mittels derartiger Technologien ist derzeit jedoch noch stark von manuellen Arbeitsschritten geprägt, was positive Kosteneffekte durch preiswertere Halbzeuge und günstigere Lagerungs- sowie Prozesskosten relativiert (siehe Abbildung).

Daher ergibt sich neben weiteren Aspekten hinsichtlich Qualitätssicherung und Prozessverkettung der Wunsch nach einer umfassenden Automatisierung der einzelnen Fertigungsschritte. Vor allem das Absortieren der Zuschnitte aus trockenen CFK-Textilien vom Schneidtisch sowie deren Ablage in die Legeform (Drapieren) zur Erzeugung des Vorformlings stehen hier im Fokus der Bestrebungen.

Im Projekt "Automatisiertes Konfektionieren von trockenen CFK-Textilien in 3D-Formwerkzeuge" beschäftigt sich das iwb Anwen­derzentrum Augsburg in Zusammen­arbeit mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft daher mit der Ent­wick­lung eines Handhabungs­kon­zeptes für die Produktion von CFK Bauteilen mit­tels intelligenter Mikro­sys­temtechnik. Der Fokus der Unter­suchungen liegt dabei auf den Pro­zessen des Handhabens von groß­flächigen, trockenen CFK-Tex­tilien. Die ausgewählten Bauteile sind durch große Abmessungen sowie drei­dimen­sio­nale Frei­formflächen ge­­kenn­zeichnet. Im Rah­men des Pro­jek­­tes werden daher Roboter­systeme mit

• einem flächigen Handhabungswerk­zeug zum Absortieren (Ent­fernen der Zuschnitte vom Schneidtisch) der CFK-Textilien nach dem Schneidprozess und dem innerbetrieblichen Transport von großflächigen, trockenen CFK-Textilien und
• einem formflexiblen Lege­werk­zeug zum automatisierten (Ein)Legen von großflächigen, trocken­en CFK-Textilien in dreidimen­sionale Form­werkzeuge entwickelt.

Beide Roboterwerkzeuge enthalten Mikro­sensoren und -aktoren für das intelligente Erkennen, Greifen, Halten und Positionieren der CFK-Textilien.

Durch die prototypische Umsetzung einer automatisierten Technologie zum Hand­­haben und Legen der formlabilen CFK-Textilien wird somit auf Basis industrienaher Prozess­anforderungen die grund­­legende Systemtechnik entwickelt.

Projektstuktur und Partner

Die prototypische Umsetzung des automatisierten Handhabens und Legens erfolgt anhand einer entsprechenden Versuchsumgebung am iwb Anwenderzentrum Augsburg und beinhaltet folgende Vorgehensweise:

• Anforderungsermittlung und -strukturierung
• Entwurf der Wirkprinzipien zum Greifen und Verformen der CFK-Textilien
• Konzeption, Entwicklung und Realisierung der Roboterwerkzeuge
• Entwicklung einer geeigneter Steuerungsarchitektur sowie Realisierung und Vernetzung der Teilmodule
• Aufbau und Inbetriebnahme der prototypischen Versuchsumgebung