Large Area Robot – Flexibel automatisierte Produktion großflächiger Faserverbundstrukturen durch mobile Fertigungseinrichtung (LAR)

1. Zusammenfassung
Innerhalb dieses Projekts wurde ein mobiles Robotersystem [LAR] zur automatisierten Herstellung großflächiger Faserverbund-Strukturen entwickelt.
2. Projektziele
Mit Hilfe eines innovativem Steuerungs- und Regelungskonzeptes wurde ein mehrstufiges modulares System erarbeitet und umgesetzt. Dieses System erlaubt es auf der einen Seite mit geringem Aufwand komplex geformte Bauteile herzustellen, auf der anderen Seite kann dieses System durch eine Änderung von System-Parametern an verschiedene Szenarien angepasst werden. Die Roboteranlage wurde als schienengeführtes Fahrzeug konzipiert. Dabei orientiert sich die Anlage selbständig an der Formposition und der Formgeometrie und bietet gleichzeitig höchste Präzision bei der Handhabung großflächiger textiler Faserhalbzeuge bieten.
3. Problemstellung
Die Herstellung großflächiger Verbundstrukturen erfolgt zurzeit überwiegend in manuellen Fertigungsprozessen, die durch große und schwere Hallenkräne unterstützt werden. Dabei werden die vorkonfektionierten textilen Faserhalbzeuge als Bahnenware von einer am Kran hängenden Halbzeugrolle abgewickelt und händisch in das Formwerkzeug drapiert. Großflächige Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in der Windkraftanlagenindustrie, maritimen Industrie (Rumpfbau) oder der Chemieindustrie (Behälterbau). Ein typisches Anwendungsbeispiel für einen manuellen, kranunterstützten Fertigungsprozess ist die Herstellung von Blattgurten für Rotorblätter, wie sie in Windenergieanlagen eingesetzt werden. Die Blattgurte nehmen die auftretenden Längskräfte innerhalb des Blattes auf und dienen somit als wichtiges Strukturelement. Für die Qualität des gesamten Blattes wird ein hoher Anspruch an die Fertigung der Blattgurte im Bezug auf die Genauigkeit sowie Reproduzierbarkeit gestellt. Fehler bei der Fertigung, insbesondere bei der Positionierung bzw. beim Drapieren der verstärkenden Textilien, haben einen direkten Einfluss auf die Belastbarkeit der Rotorblätter. Da trockene textile Gelege nur bedingt verschiebestabil sind, kann es zu ungewollter Faserverschiebung bei der Ablage des Halbzeugs kommen. Eine Verschiebung der Fasern weg von der Kraftflussrichtung, verändert die mechanischen Kennwerte des Bauteils. Die gewünschten Bauteileigenschaften können nicht mehr erzielt werden, was eine Minderung der Bauteilqualität bewirkt.
Der zweckentfremdete Einsatz von Hallenkränen bei der Ablage von Faserhalbzeugen in großflächige Formwerkzeuge, führt zu einer sehr ungenauen Ablage der textilen Faserbahnen. Diese Arbeitsweise erzeugt ein hohes Maß an Materialverschnitt und erhöht die Arbeitsrisiken für die Mitarbeiter. Die Ablageungenauigkeiten werden daher bereits bei der Konstruktion von Vorhabensbeschreibung: Rotorblättern berücksichtigt und mit zusätzlichen Faserlagen gegen Bruch abgesichert. Diese zusätzlichen Faserlagen erhöhen die Bauteilmasse. Der Einsatz eines präzisen Faser-Ablagesystems kann die Bauteilqualität erhöhen. Gleichzeitig kann der Produktionsprozess im Hinblick auf Prozess- und Arbeitssicherheit verbessert werden und zu einer erhöhten Produktionskapazität, beispielsweise durch optimierte Prozesszeiten, führen. Der Einsatz des LAR führt durch ressourceneffiziente Arbeitsweise zu einer Senkung des Energiebedarfs und Materials pro Bauteil..
4. Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Mit Hilfe des LAR lassen sich neben wirtschaftlicher auch wissenschaftlichtechnologische Vorteile für anwendungsnahe Forschung erzielen. Der LAR bietet die Möglichkeit einer einfachen und schnellen Umrüstung der Produktionsmittel. Verschiedene Produktionsprogramme, die sich insbesondere in der Bauteillänge unterscheiden, können so mit ein und demselben System bearbeitet werden. Die direkte Orientierung des LAR an der Lage und Geometrie der Form, führt zu einer erheblichen Reduktion des Aufwands für die Formausrichtung. Durch enge Ablagetoleranzen kann der Materialverschnitt minimiert werden, was zur Einsparung von Material und Reduzierung der Nachbearbeitungszeit führt. Erkenntnisse dieser Themengebiete lassen sich ebenfalls auf andere Anwendungen im Zusammenhang mit automatisierten Produktionssystemen anwenden.

• mz robolab GmbH
• Universität Bremen
• Worthmann Maschinenbau GmbH