KUKA hanteert onderdelen van vezelcomposiet bij DLR

CFK Nord in Stade is ontstaan als zeer modern onderzoekscentrum voor de productie van koolstofvezel versterkte kunstofcomponenten voor verschillende bedrijven. Een van de gebruikers is het Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR). Samen met KUKA ontwikkelde DLR een geautomatiseerde productievoorziening voor onderzoeksdoeleinden.

De uitgangssituatie

Het Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) wou een effici?nte productietechnologie ontwikkelen voor onderdelen van koolstofvezelcomposiet. Op een nieuwe, 45 m lange productielijn ontstaan onderdelen van koolstofvezelcomposiet – zoals spanten – volledig geautomatiseerd. Momenteel is het maken van onderdelen van koolstofvezelcomposiet voor vliegtuigen nog heel duur en komt er veel handwerk bij kijken. DLR, een pure onderzoeksinstelling, wil hier voor toekomstige vliegtuiggeneraties verandering in brengen.

Koolstofvezelcomposiet is licht en stabiel, maar de hoge eisen van vliegtuigbouwers worden alleen gehaald als het complete proces en daarmee de kwaliteit reproduceerbaar is. In tegenstelling tot aluminium loopt de kwaliteit van koolstofvezelcomposiet namelijk erg uiteen, bijvoorbeeld doordat de richting van de vezels niet optimaal uitgelijnd is of er door de snijranden vocht binnendringt in het composiet. Daarnaast zijn eventuele mechanische beschadigingen van het materiaal aan de buitenkant niet zichtbaar. Daarom is bij de productie uiterste nauwkeurigheid geboden.

De opgave

Op de testinstallatie worden near-net-shape-componenten in de vorm van spanten geproduceerd, waarvan grote aantallen worden gebruikt om de romp van een vliegtuig van binnenuit te stabiliseren. Het gaat om de automatische productie van de voorvorm (preform) van textiel, evenals de randafwerking en de latere doordrenking met vloeibare epoxyhars. In een voorafgaand proces worden de verschillende benodigde ruwe vezelmaterialen van rollen afgerold en met een cutter (met aangedreven rolmes) voorgesneden. Daarna worden de stukken tot gebruik bewaard in de laden van een opslagsysteem. Het sensorsysteem vormt bij het gehele project een speciale uitdaging, omdat de gewenste productkwaliteit alleen kan worden gewaarborgd als de positie en de hoek van de vezels exact overeenkomt met de voorschriften. Met een ge?ntegreerd wervelstroomsensorsysteem wordt het verloop van de vezelhoeken gevisualiseerd en geanalyseerd. In totaal bestaan de onderdelen die momenteel in deze onderzoeksinstallatie worden geproduceerd uit tot wel 26 lagen koolstofvezels.

In totaal bestaan de gefabriceerde onderdelen uit tot wel 26 lagen koolstofvezels.

De installatie moet flexibel zijn, het gaat immers om onderzoeksopdrachten en niet om een echte serieproductie. Een hoge mate van vrijheid, zowel in het installatieconcept als in de programmering, was van doorslaggevend belang. Het wisselen van gereedschap moet snel en eenvoudig functioneren en ook het programmeren van de robots moet intu?tief mogelijk zijn. Na een korte leerfase moeten studenten nieuwe producten op de installatie kunnen realiseren. Ook dat is voor het gebruik in de praktijk relevant, want een middelgroot verkeersvliegtuig beschikt over circa 140 spantsegmenten, die vrijwel allemaal anders zijn.

De oplossing

De automatisering door KUKA bestaat uit een robot, die een gesneden 2D-onderdeel pakt om het tot de gewenste 3D-contour om te vormen. Daartoe beschikt hij over een grijper die telkens slechts één stuk pakt. De positie van de gesneden stukken op het tussenstation wordt door een beeldverwerkingssysteem geregistreerd. Na het omvormen legt de robot het voorgevormde stuk op het gereedschap van het consolidatiestation. Het gereedschap is contour gefreesd uit aluminium en bevestigd op een onderstel dat verbonden is met de schuiftafel van het consolidatiestation. Het consolidatiestation bestaat uit een membraanpers met beweegbare perstafel. Met infraroodstraling wordt het voorgevormde stuk verwarmd en het poeder bindmiddel dat zich op het textiel bevindt gesmolten, om het laminaat te stabiliseren.

Met infraroodstraling wordt het poederbindmiddel dat zich op het textiel bevindt gesmolten, om het pakket lagen te stabiliseren

Na deze vormende stap wordt de geconsolideerde voorvorm door de robot overgeheveld naar het gereedschap van het volgende station voor de fijne randafwerking. De robot verplaatst zich langs een hoog aangelegde lineaire as, zodat er maximale bewegingsvrijheid ontstaat in de hal. De robot verbindt de afzonderlijke processtations. De programmering van de baan van de betreffende robot vindt offline plaats op basis van de CAD-gegevens van het onderdeel en de baanprogrammeersoftware fastCURVE van Cenit. Via een interface maakt de sturing Reis ROBOTstarV daarbij een vloeiende, zeer nauwkeurige baan mogelijk, omdat deze niet alleen "hoekig" van punt naar punt wordt geteacht. Zo kan een geprogrammeerde baan ook achteraf nog met een bepaalde waarde worden verschoven.
De programmering van de baan van de robot vindt offline plaats op basis van de CAD-gegevens van het onderdeel en baanprogrammeersoftware. Via een interface maakt de besturing KRC ROBOTstar daarbij een vloeiende, zeer nauwkeurige baan mogelijk. Zo kan een geprogrammeerde baan ook achteraf nog met een bepaalde waarde worden verschoven. Door selectie van het optimale snijgereedschap kan zeer nauwkeurig worden gesneden met een ultrasoon mes zonder het omliggende materiaal te be?nvloeden.

Al na enkele gesprekken was ons duidelijk dat het bedrijf uit Obernburg zich niet voor het eerst bezighield met de automatisering van dergelijke grote aantallen onderdelen met kleine verschillen. De projectleiders waren in staat de afzonderlijke aspecten van het proces van voorvormen zeer modulair te bekijken en op basis van standaardcomponenten een sluitend concept te presenteren.

Sven Torstrick, projectleider in het Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie bij DLR

Grijpertechniek voor het hanteren van onderdelen van koolstofvezelcomposiet

Vind een KUKA systeempartner in uw buurt

Vind hier de passende partner voor uw sector of uw probleem.