Revolutionierung der Composite-Fertigung: Addcomposites' leichtes AFP-XS-Tool

 

„Unser Ziel ist es, die Barrieren für die Composite-Fertigung zu reduzieren“, sagt Addcomposites CEO Pravin Luthada. Addcomposites hat ein automatisiertes Faserablagewerkzeug (AFP) entwickelt, das auf jeden bestehenden Roboterarm montiert werden kann.

Das AFP-XS ist käuflich erwerbbar, aber auch mietbar. Es ist leicht, wiegt leer 6,5 kg, und kompakt. „Wir versenden es in einer Box, die ungefähr so groß ist wie ein Desktop-Computertower“, sagt Luthada. „Die Ersatzschneidklingen und Verbrauchsmaterialien sind auch in der Mietkosten enthalten.“

Meiner Meinung nach hat dies ein hohes Potenzial für Disruption und ist auch fast unvermeidlich, da die Industrie in Richtung Industry 4.0 intelligente Produktionslinien und Fabriken voranschreitet. Wir sehen bereits solche Linien durch Airborne's Partnerschaft mit SABIC und das Factory 4.0 Testlab an der Swinburne University etabliert. Wir beobachten auch, wie AFP und 3D-Druck zusammenwachsen und die Kombination mehrerer Prozesse in einzelne automatisierte Systeme oder Zellen (z. B. AFP und Filamentwickeln, CNC-Bearbeitung, Laseroberflächenbehandlung und Fügen usw.) stattfindet, um neue Flexibilität, Multifunktionalität und Geschwindigkeit zu erreichen. Wenn Addcomposites seinen Weg geht, könnten große, teure AFP-Zellen bald der Vergangenheit angehören.

 

Leidenschaft für zugängliche Composite-Fertigung

Die Vision für Addcomposites' AFP-XS-Toolkopf entstand vor einigen Jahren, während sein CEO für die Indian Space Research Organization (ISRO) arbeitete. Insbesondere Indien ist einer der am schnellsten wachsenden Märkte für Composites, und doch „gibt es meines Wissens keine AFP-Systeme in Indien“, sagt Luthada. „Bei ISRO haben wir eine Ausschreibung für ein automatisiertes System zur Composite-Herstellung, hauptsächlich Laminate und Sandwichstrukturen für Satelliten und Trägerraketen, veröffentlicht, aber alle erhaltenen Antworten waren zu teuer. ISRO war in seinen Weltraumprogrammen recht erfolgreich, stellte aber die meisten seiner Composite-Produkte weiterhin per Handlage her.“

So entstand Luthadas Leidenschaft für die Entwicklung zugänglicher Composite-Fertigung. „Auf dem Weg zur Gründung von Addcomposites baute und installierte ich Faserwickelmaschinen und 3D-Drucksysteme für Kunststoffe und Keramik.“ Als er nach Finnland zog, um seinen Master an der Aalto University bei Helsinki zu machen, konnte Luthada ein Forschungsprojekt starten, um Automatisierung in Composites zugänglicher zu machen. „Aalto ist nicht so stark in Composites, aber sehr stark in digitaler Fertigung, dank des offenen Innovationsökosystems in Finnland“, erklärt er. „Wir konnten neu beginnen und das gesamte Design des AFP-Toolkopfs neu denken, um zu erforschen, wie man die Kosten so niedrig wie möglich halten kann.“

 

„Wir sind das Problem einfach anders angegangen als aktuelle Lieferanten“, sagt Luthada. „Während sie große, teure, eigenständige Zellen bauen, haben wir ein Tool entwickelt, das Plug-and-Play in bestehende Infrastruktur passt – nämlich jeden Roboterarm. Damit müssen unsere Kunden nicht in eine weitere Zelle investieren.“ Dennoch war das Team nicht bereit, Luftfahrtqualität zu opfern. Luthada merkt an, dass der AFP-XS-Toolkopf robust ist, mit hochwertigen Teilen gebaut. „Unser Hauptaufwand lag in Software und Steuerung.“

 

Offenes und anpassbares Ökosystem für Composites 4.0

„Wir begannen zu untersuchen, wie man Offline-Programmiersoftware entwickelt“, fährt er fort. „Wir sprachen mit Dassault Systèmes und Autodesk, unter anderen, aber die Systeme wären für unsere Kunden zu teuer geworden. Also schauten wir uns an, welche Open-Source-Softwaresysteme es gab. Der Gewinner? Rhino 3D. „Es ist für eine einmalige Lizenzgebühr von etwa 1.000 Euro erhältlich“, sagt Luthada. „Es ermöglicht auch visuelle Programmierung, was es einfacher macht, benutzerdefinierte Änderungen im Programm zu skripten, zum Beispiel das Erstellen eines Bewegungsplans basierend auf der domänenspezifischen Sprache jeder Maschine.“

„Obwohl wir versuchen, bereits die meisten Bedürfnisse des Nutzers abzudecken“, fährt er fort, „wurde die Software so gestaltet, dass Bediener in die Steuerung eingreifen und auf die Daten zugreifen können. Das Verbinden und Steuern der aktuell verfügbaren AFP/ATL (Automatisiertes Bandlegen) Werkzeuge mit einer bestehenden Bewegungsplattform wie einem Roboterarm oder einer CNC-Maschine ist meist recht herausfordernd. ATL/AFP-Lieferanten beschränken typischerweise die I/O (Eingabe/Ausgabe) des Werkzeugs. Wir entschieden uns jedoch für EtherCAT-Steuerungen, die wie ein Hochgeschwindigkeitszug aus Informationen funktionieren, der ständig zwischen den I/O-Ports des Roboterarm-Controllers und dem Werkzeug verkehrt. Daten werden an jeder Station basierend auf vorgegebenen Befehlen gesammelt oder abgeladen, um vollen Zugriff, Feedback und Kontrolle der zwischen Roboter und AFP-XS-Tool übertragenen Informationen zu gewährleisten. Dieser Ansatz ermöglicht Echtzeitsteuerung und -kommunikation für Industry-4.0-Anwendungen.“

Luthada merkt an, dass dieses Ökosystem der Offenheit viel Flexibilität bietet. „Wir ermöglichen sehr hohe Zugänglichkeit, sodass jeder, der mit CAM (Computer Aided Manufacturing) arbeitet, es in seine Roboterplattform integrieren kann. Zum Beispiel können Sie den AFP-XS an Inline-Überwachungssysteme oder an einen robotergestützten Filamentwickler anpassen.“ Er merkt an, dass Automatisierungsanbieter erkannten, was das Unternehmen mit seiner ersten Pressemitteilung anbot (siehe „Addcomposites introduces plug & play AFP/ATL“). „Eine Reihe von ihnen meldete sich bei uns, um unser System in ihre Fertigungszellen-Angebote zu integrieren.“ Noch wichtiger, so Luthada: „Unser Design macht es auch einfach, mit diesem System zu starten und es laufen zu lassen.“

Der AFP-XS nutzt die Addpath-Software, eine offene Plattform basierend auf Rhino 3D.
QUELLE | Addcomposites

 

Materialien und Spezifikationen

Der AFP-XS-Toolkopf kann Trockenfaser und Prepreg-Bänder in Breiten von 5 mm bis 20 mm verarbeiten. „Während wir den Toolkopf entwickelten, haben wir ihn für jedes Material optimiert“, erklärt Luthada. „Wir begannen zuerst mit Trockenfaser, arbeiten aber jetzt mit Thermoset-Prepreg und niedrigtemperatur-Thermoplast-Prepreg, also Materialien mit einer Tg unter 200 °C, wie PLA und Polyamid. Beim Verarbeiten von Thermoplast-Bändern verbessern wir das System für In-situ-Konsolidierung (ISC).“ Er sagt, das Unternehmen werde bald eine gute Menge an Daten basierend auf einem ISC-Thermoplast-Band-Projekt haben, das es seit einiger Zeit durchführt. „Wir testen auch Out-of-Autoclave (OOA) Thermoset-Prepreg Ende dieses Monats.“

Bezüglich des Toolkopfs entwickelte Addcomposites jede Komponente mit dem Ziel, Kosten niedrig zu halten, aber Luftfahrtqualität zu erreichen. „Wir haben unseren eigenen Schneider entwickelt“, sagt Luthada. „Es brauchte viele Iterationen, aber er ist extrem leicht, sehr kompakt und robust. Wir erfüllen derzeit -0/+2 mm Genauigkeit, arbeiten aber daran, noch engere Toleranzen zu erreichen.“

Das geringe Gewicht aller Komponenten ist entscheidend. „Das Gewicht des Toolkopfs beträgt weniger als 10 kg, variiert nur danach, wie viel Faser der Nutzer auf der Spule laden möchte“, sagt Addcomposites Business Development Manager James Kuligoski. Zuvor Qualitätsingenieur bei Hexcel, fügt er hinzu: „Dies hilft, die Größe des benötigten Roboters zu minimieren und damit Geräte- und Betriebskosten zu reduzieren.“

Zur Beheizung verwendet der AFP-XS derzeit Infrarot und Heißluft. „Wir verwenden keine Laser, weil sie zu teuer sind und höhere Betriebs- und Wartungskosten haben“, merkt Kuligoski an. Das ist ein Grund, warum höher temperaturbeständige Thermoplaste noch in F&E sind. Addcomposites erforscht jedoch auch andere Heiztechnologien, die Leistung bieten, aber erschwinglich sind.

 

AFP als Hardware-as-a-Service (HaaS)

Addcomposites bietet den AFP-XS zum Kauf, aber auch zur Miete zu Preisen von 2.000 bis 3.000 Euro pro Monat, abhängig von der Mietdauer. „Unsere Idee war, dass selbst als kleines Start-up oder Forschungsgruppe das Werkzeug gemietet werden könnte, um beim Produktionsdesign zu helfen“, erklärt Luthada. „Sie haben Ihre FEA und Teiledesign bereit, müssen aber nun für die Fertigbarkeit optimieren. Der Designer kann über unsere Website eine Simulation der Teilefertigung anfordern. Das Unternehmen kann das Werkzeug dann so lange mieten, wie es benötigt, und es in einen vorhandenen Roboter einstecken. Wir können auch bei lokalen Roboterlieferanten helfen, falls nötig. Wenn sie fertig sind, können sie das Gerät entweder zurückgeben oder zu einem reduzierten Preis kaufen.“

Bis Anfang 2020 möchte Addcomposites dieses Programm in jedes EU-Land ausrollen, beginnend mit Frankreich, Deutschland, Polen und dem Vereinigten Königreich. „Nächstes Jahr wollen wir 20 Tools in Europa und den USA platzieren“, sagt Luthada.

Addcomposites hat den AFP-XS bereits für Entwicklungsarbeiten in der Raumfahrtindustrie in Finnland eingesetzt und mit einem weiteren finnischen Unternehmen zusammengearbeitet, das Thermoplast-Bänder entwickelt. Es hat gerade ein Fertigungsautomatisierungsprojekt mit dem größten Composite-Hersteller Finnlands abgeschlossen und führt erste Pilotarbeiten für ein Unternehmen in den USA durch.

„Unser Markt umfasst Universitäten und Forschungszentren, aber auch kleine bis mittlere Unternehmen, die derzeit Composites per Handlage herstellen und Erfahrung in AFP und Automatisierung sammeln wollen“, sagt Kuligoski. „Wir können Versuche durchführen und die Maschine dabei filmen, wie sie die Teile fertigt. Sie können das Werkzeug dann nach dem Sehen in Aktion an ihren Produkten mieten und/oder kaufen.“

 

Wie schneidet es ab?

Luthada räumt ein, dass der Output des AFP-XS-Toolkopfs noch nicht so hoch ist wie der der großen Zellen, die derzeit von AFP-Systemlieferanten verkauft werden. „Aber wir verlieren keine Ablagegeschwindigkeit“, kontert er. „Die Materialien, die wir verarbeiten, sind die gleichen. Wir sehen viel bessere Ergebnisse mit Bändern, die geringe Variation aufweisen, genau wie alle anderen. Was die Qualität der endgültigen Laminate betrifft, gibt es keinen Unterschied.“ Da das Unternehmen diese endgültigen Laminate nicht selbst imprägniert oder aushärtet, sondern die Ausrüstung für Hersteller liefert, sammelt es noch Laminatdaten. Mit mehreren Programmen, die nun abgeschlossen werden, merkt er an, dass diese Daten bald auf der Addcomposites-Website veröffentlicht werden.

„Wir starteten das Forschungsprojekt an der Aalto University 2017 und gründeten Addcomposites 2018“, sagt Luthada. „Wir haben so viel gelernt, indem wir mit einer Reihe von Herstellern zusammenarbeiteten, und entwickeln den AFP-XS weiter. Diese Verbesserungen werden an alle Nutzer ausgerollt, sobald sie getestet und bewiesen sind. Derzeit funktioniert das System mit Kuka-Robotern und wird gerade mit ABB und Universal Robots validiert.“

„Wir glauben, Composites sind die Zukunft für fortschrittliche Fertigung“, sagt Kuligoski, „und wir sind leidenschaftlich daran interessiert, intelligente, automatisierte Produktion für alle Composite-Hersteller auf erschwingliche Weise zu bringen.“

Besuchen Sie Addcomposites auf der Composites Europe, 9.–12. September (Stuttgart, Deutschland) und bleiben Sie dran für weitere Updates von CW.