Automatisiertes Preforming: Teil 7 – Wie Fill Gesellschaft die Ski-Produktion revolutionierte

Dies ist der finale Teil einer siebenteiligen Serie über Preforming. Für mehr zu dieser Serie siehe die Links unten.

Automatisierungs-Case-Histories

Fill's erste Maschinen wurden entwickelt, um die Ski-Produktion für Fischer zu automatisieren. Heute braucht es 25 % der Arbeiter, um 80 % des ursprünglichen jährlichen Produktionsvolumens herzustellen. Skier sind ein Hybrid-Design, das Schichten aus Glas- und/oder Kohlefaserverbund, Holzkernen, Stahlkanten und mehreren Kunststofftypen umfasst.

Fill hat mehrere Generationen automatisierter Ausrüstung für die Produktion von Verbundski geliefert.

BMW

Als BMW die i3, i8 und neuen 7er-Modelle entwickelte – die alle kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) nutzen – lieferte Fill eine Reihe von Automatisierungslösungen.

Composite-Monocoques

Fill entwickelte auch eine einzigartige Produktionslinie für Mubea CarboTech, die CFK-Monocoques für zwei verschiedene Automodelle fertigen kann: den Volkswagen VW XL1 und den Porsche 918 Spyder. Diese automatisierte Linie umfasste mehrteilig betätigte Formwerkzeuge, Hochdruck-RTM-Presse (HP-RTM), Nachhärtungs- und Bearbeitungsfähigkeiten.

Automatisiertes Legen

Für automatisiertes Legen hat Fill Systeme für verschiedene Materialien entwickelt, einschließlich Trockengewebe bis 3 m Breite (für Hochvolumenproduktion bei BMW). Das SpeedLayer 800 automatische Spar-Cap-Lagesystem für Windradblätter legt unidirektionales Kohlefaser-Prepreg bis 800 mm Breite mit einer angegebenen Rate von 1,5 m/s und Genauigkeit von ±1,5 mm ab. Es kann 600-kg-Prepreg-Rollen handhaben und integriert Prozessvalidierung und Qualitätssicherungsfunktionen.

Das Low-Cost Flexible Integrated Composite Process (LOWFLIP) Projekt war eine 3-jährige (Okt 2013–Okt 2016) EU-finanzierte Initiative, die Fill und neun weitere Partner umfasste, mit dem Ziel, Prepreg-Legen für Out-of-Autoclave (OOA) gehärtete Transportstrukturen zu automatisieren. Es umfasste drei Demonstratoren:

• 2,5 × 2,9 m Frontwand für LKW-Auflieger
• 1,2 m langer automobilen Querträger
• 1,0 × 1,2 m versteiftes Haut-Flugzeug-Heckkonus-Panel

„Wir nutzten elektrischen Widerstandsheizung, um das Werkzeug auf 120 °C zu heizen“, erinnert sich Wilhelm Rupertsberger, Leiter von Fill's Competence Center for Composites and Plastics. „Das Material war während des automatisierten Legens immer unter Spannung“, fügt er hinzu, „und wir erreichten faltenfreies Drapieren direkt auf das Werkzeug. Wir bauten einen menschlichen Prozess, aber einen, der Roboter nutzt, um Wiederholbarkeit zu verbessern.“

Von Multi-Layup zum Multilayer-System

Fills Multi-Layup-System wurde für die Produktion von automobilen Body-in-White (BIW)-Teilen wie Heckwänden und unteren Stoßfängersteifern mit Thermoplastbändern entwickelt. Es war vorgesehen, dass diese Teile überformte Rippen und andere Merkmale enthalten, sodass der Legenzyklus für das Preform dem nachfolgenden Spritzgusszyklus entsprechen musste.

Mein JEC 2017 Post-Show-Blogpost beinhaltete ein Video des Multi-Layup-Systems, das Bänder von mehreren Rollen zuführte und alle für eine Lage benötigten Bänder simultan platzierte, statt seriell nacheinander. Damit erreichte es eine Zykluszeit von 10–15 Sekunden pro Lage.

Fill hat das System nun weiter modifiziert und in Multilayer umbenannt. Es führt, schneidet und platziert bis zu 16 Bänder in Breiten bis 50 mm (je 0,01–0,04 mm dick) auf einen rotierenden Tisch. Das Bandlegebett kann Bauteile bis 1,6 × 1,6 m produzieren. Bänder werden mit einer Geschwindigkeit von ca. 500 m²/hr aufgebracht – alle 12–15 Sekunden wird eine vollformatige Bauteillage für ungefähr 1-minütigen Zyklus pro fertiges Preform aufgebracht. Lagen werden nicht vollständig konsolidiert, sondern durch thermisches Verbinden verbunden. Wenn eine Spule leerläuft, wird sie automatisch gewechselt, ohne die Maschine anzuhalten.

Fertige Preforms werden dann in einer Presse konsolidiert. „Wir haben Multilayer mit einer automatisierten Konsolidierungspresse und Engel-Spritzgusszelle integriert, die zusammen einen 1-minütigen Zyklus liefern“, sagt Rupertsberger. Fill erhielt einen Auftrag für das erste Multilayer-System von der Swinburne University of Technology (Melbourne, Australien) Anfang dieses Jahres und wird die Ausrüstung erstmals live auf der JEC World 2019 (12.–14. März, Paris, Frankreich) demonstrieren.

RTM-Pressen und Adaptive Injektion

Fill hat mehrere RTM-Pressen geliefert, einschließlich HP-RTM-Pressen an SGL Composites.

Mit Airbus Operations (Stade, Deutschland) und dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen hat Fill eine innovative adaptive Injektionseinheit für RTM entwickelt, zunächst für Aerocomposite-Strukturen. Bevor RTM-Teile in Flugzeugen fliegen dürfen, müssen sie einen zeit- und kostenaufwändigen Qualitätssicherungsprozess (QA) durchlaufen. Um diesen zu verkürzen, wurden RTM-Formwerkzeuge mit Sensoren ausgestattet, die QA inline während der Produktion ermöglichen. IKV, Airbus und Fill haben diese Sensoren nun in das Injektionssystem integriert, wodurch die Notwendigkeit entfällt, jedes einzelne Formwerkzeug auszustatten. Mit Einwegkartuschen, ähnlich wie Kolbeninjektionssysteme in typischen RTM-Systemen, ist die adaptive Injektionseinheit mit einer Sensorbox ausgestattet, die folgende Daten in situ messen und aufzeichnen kann:

• Temperatur
• Druck
• Harzviskosität
• Vernetzungsdichte des Harzsystems
• Glasübergangstemperatur (Tg)

Während die Qualität der geformten Teile sichergestellt wird, können diese Daten auch zur Steuerung und Regelung des Injektionsprozesses genutzt werden. Dieses Industry-4.0-adaptive Injektionssystem wird für Aerocomposites entwickelt und auch auf andere Branchen wie Automotive ausgeweitet.

Heißdrapformung (Hot Drape Forming)

In den jüngsten Tour-Artikeln über Hochleistungsverbunde in Israel stellten Sara Black und ich fest, dass die meisten Unternehmen Heißdrapformung nutzen. Tatsächlich sagte unser Tourguide Jonathan Hulaty bei Elbit Cyclone: „Ich weiß nicht, wie man diese Art von High-Rate-Prepreg-Teileproduktion ohne Heißdrapformung macht“, bezogen auf Träger und Stützen für Boeing-787-Montagen. Heißdrapformer (HDF) werden auch von FBM und Israel Aerospace Industries als unverzichtbar angesehen. Fill liefert seit Jahren HDF-Systeme, einschließlich mehrerer Einheiten in Produktion bei FACC. Es handelt sich im Grunde um Vakuumformsysteme, ausgestattet mit Infrarot- oder anderen Heizelementen und einer wiederverwendbaren Silikonkautschukmembran, um Prepreg-Lagen auf ihren Werkzeugen vor der Aushärtung zu erwärmen und zu komprimieren – zu entlüften. HDF wird ein Schlüsselelement in der vollständigen Aerocomposites-Produktionskette.

Industry-4.0-Produktionszellen für CFK

Ende 2013 begann Fill mit der Entwicklung eines Produktionssystems für die Herstellung von CFK-Stringern, die zur Versteifung von Airbus-A320-Landeklappenschalen dienen, in Zusammenarbeit mit dem Tier-Lieferanten. Nach Installation reduzierte dieses System erfolgreich die Anzahl der Stationen, verbesserte den Produktionsfluss und die Benutzerfreundlichkeit. Es umfasst:

• Automatische Formwerkzeuglagerung
• HDF-Station
• Pressen-Drehen-Hebestation, wo Laminate zu Stringern verarbeitet werden

Ein System der zweiten Generation für die gleichen Teile wurde 2017 in Betrieb genommen. Während das erste System auf Optimierung einzelner Stationen fokussierte, zielte dieses spätere System darauf ab, manuelle Aufgaben zu minimieren und die gesamte Werkzeuglogistik zu integrieren. Drei Schlüsselentwicklungsbereiche ermöglichen diesem System der zweiten Generation hohe Reproduzierbarkeit und signifikant gesteigerte Produktivität:

• Manuelle Entnahme und Lagerung von Formwerkzeugen werden durch vollautomatische Werkzeugrückführung ersetzt, was Logistikprozesszeiten verkürzt. Dies reduzierte den Platzbedarf um mehr als 50 %.
• Weitere Automatisierung von Teilprozessen reduzierte unproduktive Zeiten.
• Industry-4.0-Digitalisierung aller Aufzeichnung und Berichterstattung. Von Fill entwickelte Software ermöglicht Visualisierung des Prozesses zu jeder Zeit und Aufzeichnung der Historie jedes Bauteils entlang der gesamten Prozesskette. Sensoren erkennen Verfügbarkeit von Werkzeugen und Materialien, um Engpässe zu vermeiden und Nachbestellungen zu verbessern.

Fill arbeitet nun an einem System der dritten Generation für Landeklappenschalen für den Airbus A350-900. Es umfasst ebenfalls Werkzeuglager, Membranformung (HDF), Pressen-Drehen-Hebestation und automatische Werkzeugrückführung, wurde aber um ein Transportsystem für Autoklavwerkzeuge erweitert, das vorherige manuelle Transportfahrzeuge und Elektroschlepper durch fahrerlose Transportsysteme (FTS/AGVs) ersetzt. Fill arbeitet bereits an zukünftigen Systemen, um die Mensch-Maschine-Kollaboration weiter zu verbessern.

Accubot

Schon bevor die Verbundindustrie ihren künftigen Bedarf an Mehrfachoperations-Arbeitszellen artikulierte, entwickelte Fill bereits erste Prototypen, die es Accubot nennt. Die Idee war, einen präzisen Roboter mit Lasertracker für räumliche Kompensation sowie direkte externe Messsysteme zu entwickeln. Dieser Roboter könnte Funktionen mit Endeffektoren wechseln und wäre nicht nur eine zerstörungsfreie Prüfzelle (NDT), sondern auch eine Bearbeitungszelle. Accubot-Anwendungen umfassen:

• Bohren
• Nieten
• NDT – Ultraschall mit Squirter
• NDT – Röntgen
• NDT – Computertomographie

FlexHyJoin

Fill ist Mitglied des EU-finanzierten Projekts Flexible Production Cell for Hybrid Joining (FlexHyJoin). Dieses 3-Jahres-Programm zielt darauf ab, einen vollautomatisierten Pilotprozess für das Fügen von metallischen Halterungen/Beschlägen mit Thermoplastverbunden in Automobilanwendungen durch Kombination von Laserfügen und Induktionsfügen zu entwickeln. Fill entwarf und baute die automatisierte Zelle einschließlich Software und Integration der verschiedenen Technologien.

Fills Forschung und Entwicklung geht weiter. Das Unternehmen versteht, dass innovative und intelligente Produktionssysteme erforderlich sind, um die Fertigung von Verbundteilen wirtschaftlicher und für höhere Volumen geeignet zu machen. Und es ist verpflichtet, diese Systeme entsprechend dem Maßstab und den spezifischen Bedürfnissen seiner Kunden zu entwickeln.