Neustart der Rückwand:One-Stop, Abschleppen auf CFK-Teil

„Das ist ein kontinuierlicher Prozess, der vollständig automatisiert ist“, sagt Ufer. „Wenn es aus irgendeinem Grund notwendig ist, die Linie zu stoppen, reagiert das Gerät automatisch. So wird beispielsweise die IR-Heizung sofort ausgeschaltet und eingefahren, um eine Beschädigung des Bandes durch Überhitzung zu vermeiden. Es gibt Hunderte solcher Details in der Ausrüstung und der digitalen Steuerung, die diese Technologie ermöglicht.“

Schritt 2: Das Spread-Tow-Band wird dann konsolidiert, während es unter Spannung durch mehrere Rollen läuft.

Nach dem Auftragen des Bindemittels wird die Bandkonsolidierung erreicht, indem es unter Spannung durch mehrere Walzen läuft (Schritt 2). Ufer erklärt, dass dies auch einen Puffer für die Leitung einbaut. „Wir haben eine Einheit, die den kontinuierlichen Zugfluss der Faser unterbricht und einen Übergang zum Pulsformat des Bandschneid- und -platziermechanismus ermöglicht.“ Dieser Gantry-basierte Mechanismus schneidet die Bänder auf maßgeschneiderte Längen und legt sie in vorgegebenen Winkeln von 0-360° auf einen Drehtisch (Schritt 3). Jeder Tailored Stack, bestehend aus 6 bis 19 Lagen Tape, hat eine Dicke von jeweils 1,5 bis 3,7 mm.

Schritt 3: Der VRA schneidet dann das Band und legt bis zu vier Stücke gleichzeitig auf einen Drehtisch, wobei sowohl die Bandlänge als auch der Ausrichtungswinkel innerhalb des Laminatstapels angepasst werden (z. B. 45°/90°/30°).

Voith hat vier VRA-Linien installiert (siehe Eröffnungsfoto), und obwohl jede bis zu vier 50 mm breite Bänder gleichzeitig aufträgt, weist Ufer darauf hin, dass „die Linien einen modularen Ansatz haben, sodass sie 10 oder mehr Bänder gleichzeitig aufbringen können Zeit. Es hängt von der Teilegröße und der Produktionsrate ab.“

Zur Automatisierung gehört die Qualitätsprüfung. Scans der Bänder und Vorformlinge werden mit einem Zurückweisungsalgorithmus verglichen. „Die 100-prozentige Abtastung des Tapes durch den VRA gewährleistet die richtige Faserverteilung für die gesamte Produktionslinie“, erklärt Ufer. „Außerdem setzen wir Thermografie und Lasersensoren ein, um die Preforms an ausgewiesenen Stellen zu prüfen.“ Der VRA kann dann auf alle erkannten Probleme reagieren. „Wenn ein Band nicht richtig ist“, sagt er, „schneidet der VRA die mangelhafte Länge aus und produziert ein anderes, um es zu ersetzen.“ Zur Rückverfolgbarkeit wird ein QR-Code auf dem fertigen Preform platziert. (QR-Codes werden gegenüber Radio Frequency Identification (RFID)-Tags bevorzugt, da sie angeblich dem Harzinjektionsprozess besser standhalten.)

Formen, Formen und Montage

Der 2D-Stack verlässt den VRA und wird in den Umform-, Form- und Montagebereich der Produktionslinie transportiert. Die erste Presse, in die es eingesetzt wird, geliefert vom Composites-Automatisierungsspezialisten FILL (Gurten, Österreich), formt den 2D-Bandstapel mit Hitze und Druck zu einem 3D-Preform (Schritt 4). Ufer erklärt, dass die Presse aufgrund der unterschiedlichen Dicke und Form des Vorformlings den aufgebrachten Druck anpassen kann, während sie einzelne Bereiche des im Umformwerkzeug eingespannten Vorformlings stanzt. ALPEX Technologies (Mils bei Hall, Österreich) fertigte die Matched-Steel-RTM-Formen nach einem Entwurf von Voith Composites. „Wir haben den Werkzeug- und Pressprozess virtuell entwickelt“, sagt Ufer. „Obwohl keine eigentliche Testschleife erforderlich war, haben wir die Simulationsmodelle vor der Bearbeitung des A8 an anderen Formen und Teilen validiert und verifiziert Produktionswerkzeuge für die Rückwand. Diese Simulation des Formgebungsprozesses lief direkt in die reale Produktion ein und half dabei, die Optimierung zu beschleunigen.“

Schritt 4 :Der Bandstapel wird in eine Presse transportiert, wo er in die endgültige 3D-Teilform geformt wird.

Die Presse hält einige Sekunden, um das Pulverbindemittel zu reagieren und die Form zu fixieren, was zu einer stabilen Vorform führt, die dem Faserwaschen während der Harzinjektion widerstehen kann. „Die Binderpartikel dienen auch dazu, die Fasern auseinander zu halten, um den Harzfluss während der RTM zu verbessern“, bemerkt Ufer. „Dies ist hilfreich, da es keine Nähte in der Vorform gibt, die den Harzfluss unterstützen, sodass diese Binderpartikel als Mikroströmungskanäle wirken.“

Der geformte Vorformling wird anschließend per Roboter in eine CNC-Zelle der EiMa Maschinenbau GmbH (Frickenhausen, Deutschland) überführt, wo ein Ultraschallmesser die äußere Endkontur besäumt. Anschließend wird es robotisch in eine RTM-Presse (Schritt 5) von ENGEL (Schwertberg, Österreich) eingelegt. Alle Roboter der Linie werden von KUKA Robotics (Augsburg, Deutschland) geliefert.

Schritt 5: Der geformte Vorformling wird in eine 350-kN-Presse eingelegt und mit Ultra-RTM geformt.

Das RTM-Verfahren zum Formen des A8 Rückwand ist die gleiche, die im Audi Leichtbauzentrum für den bisherigen R8 entwickelt wurde Rückwand, als Ultra-RTM bezeichnet. Es ermöglicht das Formen großer Teile durch schnelles Spritzen bei niedrigem Druck. Im Vergleich zu den für HP-RTM typischen 140 bar ist der In-Mold Resin-Injection-Druck beim Ultra-RTM des Audi A8 Rückwand <15 bar, noch weniger als beim R8 . Dadurch werden statt 2.500 kN Presskraft nur noch 350 kN benötigt. Daher kann eine kleinere, kostengünstigere Presse verwendet werden, um qualitativ hochwertige Teile mit hohem Faservolumen herzustellen.

Das Epoxidharz VORAFORCE 5300, ein Dreikomponentensystem inklusive Entformung, härtet in 90-120 Sekunden bei 120°C aus und hat eine Verarbeitungsviskosität von 20 cps. Für den A8 Rückwand wird ein 1,3 kg schwerer Harzschrot in den Preform eingespritzt, gefolgt von einer 120-sekündigen Aushärtung.

Das ausgehärtete Teil wird robotergesteuert entformt und zur Bearbeitung von Ausschnitten in eine geschlossene CNC-Fräszelle geladen. Anschließend wird das Frästeil in einen Waschautomaten gegeben, um Reste von CFK-Staub zu entfernen.

Die gewaschene Rückwand wird in eine mit zwei Robotern ausgestattete Montagezelle überführt. Der erste Roboter legt das Formteil in einen Nietautomaten, der die beim Nieten aufgebrachte Kraft dokumentiert. Dies ist Teil der Fertigungsintelligenz, die in den Gesamtprozess integriert ist, und wird dem digitalen Verarbeitungsprotokoll jedes Teils (d. h. dem digitalen Faden) hinzugefügt. Anschließend wird das Teil in den Bonding-Bereich bewegt und ein zweiter Roboter bereitet die Bonding-Bereiche mit einem automatisierten Lösungsmittelwisch vor. Derselbe Roboter trägt dann den schnell härtenden Zweikomponenten-Polyurethan-Strukturklebstoff Dow BETAFORCE 9050M auf (Schritt 6), der mit dem Dreikomponenten-Epoxidharz kompatibel ist. Das Teil wird als nächstes für einen kurzen Klebstoffhärtungszyklus in einen Ofen gelegt.

Schritt 6: BETAFORCE Polyurethan-Klebstoff wird für verklebte Anbauteile roboterartig aufgetragen und dann in einem kurzen Ofenzyklus ausgehärtet.

Diese Produktionslinie hält eine 5-Minuten-Zykluszeit für das fertige Teil ein und der aktuelle Bedarf an Teilen kann in einer oder zwei 8-Stunden-Schichten gedeckt werden. Ein 3D-Laserscanning-Gerät wird regelmäßig verwendet, um die 3D-Form und die Abmessungen des Teils zu überprüfen. Fertige Teile werden dann für den Versand an den Audi A8 vorbereitet Endmontagelinie in Neckersalm, Deutschland, ca. 3 Autostunden entfernt (Schritt 7).

Schritt 7: Das fertige Teil wird dann für den Versand an die Audi A8 Endmontagelinie vorbereitet.

Direkte Glasfaserplatzierung =zukünftige Flexibilität

Bei all den getätigten Investitionen ist es überraschend zu erfahren, dass Voith Composites dieses Geschäft nicht zugesichert hat, sondern das Unternehmen die Entwicklung abgeschlossen hat und sich dann an einem wettbewerbsorientierten Ausschreibungsverfahren beteiligt hat, um die Produktion zu gewinnen. „Wir konnten die von Audi definierten Teilekostenziele sowie die Qualitäts- und Teileleistungsanforderungen erfüllen“, sagt Ufer. Dies war keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass sich einige Unternehmen um das Programm bewarben.

Voith Composites hat mehrere Teile seines Verfahrens patentieren lassen. „Der VRA hat die Industrialisierung durch Direct Fiber Placement [DFP] von Bändern demonstriert, die durch ein hochoptimiertes Layup sowohl Ausschuss als auch Materialverbrauch reduziert“, sagt Ufer. Es verwendet auch die kostengünstigsten Materialien – unbehandelte Schwerkabel und Pulverbindemittel. Sein Verfahren der zweiten Generation ersetzt Pulverbindemittel durch direktes Auftragen von Harz, wodurch mehr Prozessschritte entfallen. Das Unternehmen hat jedoch andere DFP-Verfahren entwickelt, darunter den Voith Longfiber Preformer und Voith Prepreg Winding.

„Wir setzen neue Maßstäbe bei Kohlefaserbauteilen für die automobile Großserienfertigung“, sagt Voith Composites-Geschäftsführer Dr. Lars Herbeck. „Die von uns aufgebaute Smart Factory hebt die automatisierte Fertigung von CFK-Bauteilen auf ein neues Effizienz- und Flexibilitätsniveau, das nahezu jede Form sowie individuelle Losgrößen umfasst.“ Dies ist in der Tat, wohin die Branche steuert.