KUKA hanterar fiberförstärkta komponenter hos DLR

CFK Nord i Stade uppstod som ett toppmodernt och företagsövergripande forskningscentrum för tillverkning av komponenter av kolfiberförstärkt plast. En av användarna är det tyska centret för luft- och rymdfart (DLR). Tillsammans med KUKA utvecklade DLR en automatiserad produktionsanläggning för forskningssyften.

Utgångssituationen

Det tyska centret för luft- och rymdfart (DLR) har satt upp ett mål om att utveckla effektiva produktionstekniker för komponenter av kolfiberförstärkt plast. På en 45 meter lång produktionsväg skapas komponenter av kolfiberförstärkt plast (t.ex. spant) med fullständig automatisering. Tillverkningen av komponenter för ett flygplan av kolfiberförstärkt plast är i dagsläget mycket dyr och kräver en hel del manuellt arbete. Som renodlad forskningsanläggning avser DLR att ändra på detta inför framtida flygplansgenerationer.

Kolfiberförstärkt plast är lätt och stabil, men flygplansbyggarnas höga krav uppnås inte förrän hela processen och därmed även kvaliteten går att reproducera. I motsats till aluminium kan kolfiberförstärkt plast vara av väldigt varierande kvalitet, t.ex. om fibrernas riktningar inte är optimala eller om det tränger in fukt i föreningen på grund av skärkanter. Eventuella mekaniska skador går heller inte att upptäcka på materialet utifrån. Därför är det viktigt att största möjliga noggrannhet råder vid tillverkningen.

Uppgiften

På försöksanläggningen tillverkas volymkomponenter med nära färdig form som spant, vilka används för att stabilisera flygplanskroppen inifrån. Här handlar det om en automatisk tillverkning av den textila förformen (preform) samt dess kantrenskärning och senare doppning i flytande epoxiharts. I en förlagrad process lindas de olika fiberråmaterialen upp från rullar och förkonfektioneras med en skärare (med driven rullkniv). Sedan lagras råstyckena i motsvarande lådor i ett behållarsystem fram till att de används. Under hela projektet var sensoriken en speciell utmatning, eftersom det bara går att säkerställa önskad produktkvalitet när läget och fibervinkeln överensstämde exakt med de föreskrivna värdena. Med hjälp av en integrerad virvelströmssensor visualiseras och utvärderas fibervinkelförloppet. Sammanlagt består de aktuella slutkomponenterna i denna forskningsanläggning av upp till 26 lager karbonfiber.

Sammanlagt består slutkomponenterna av upp till 26 lager karbonfiber.

Anläggningen måste vara flexibel, då den ska användas för forskningsändamål och inte någon serietillverkning. Det var av stor betydelse att vara största möjlighet frihet för själva anläggningskonceptet och för programmeringen. Verktygsbytet måste fungera snabbt och enkelt och även robotprogrammeringen måste vara intuitiv. Efter en kort inlärningsfas ska studenterna vara kapabla att förverkliga nya uppgifter/produkter på anläggningen. Detta är viktigt även för den praktiska tillämpningen, eftersom ett medelstort trafikflygplan har ca 140 spantelement som allihop ser olika ut.

Lösningen

Automatiseringen från KUKA är en draperingsrobot som läser ett 2D-snitt och omvandlar det till önskad 3D-kontur. Till sin hjälp har den en gripare som alltid tar upp ett snitt åt gången. Snittens läge sparas och registreras av ett bildbehandlingsprogram. Efter omformningen lägger draperingsroboten de förformade styckena på konsolideringsstationens verktyg. Verktyget är konturfräst av aluminium och sitter fast på en underkonstruktion som har ett gränssnitt till konsolideringsstationens skjutbord. Konsolideringsstationen består av en membranpress med rörligt pressbord. Förformen värms upp och det pulverbaserade bindemedlet på textilen smälts med en infraröd stråle för att lagren ska stabiliseras.

Det pulverbaserade bindemedlet på textilen smälts med en infraröd stråle för att lagren ska stabiliseras

Efter detta formgivande arbetssteg placeras den konsoliderade förformen i den efterföljande finkantrenskärningsstationens verktyg av sammansättningsroboten. Sammansättningsroboten förflyttar sig längs med en högt placerad linjäraxel, vilket ger maximal rörelsefrihet i produktionshallen. Roboten förbinder de enskilda processtationerna, banprogrammeringen av motsvarande robot offline på grundval av komponentens CAD-data och banprogrammeringsmjukvaran fastCURVE från Cenit. Via ett motsvarande gränssnitt möjliggör styrningen Reis ROBOTstarV en smidig och mycket exakt bana, eftersom den inte bara lärs in ”kantigt” från punkt till punkt. På så sätt kan en programmerad bana förskjutas en aning i efterhand.
Banprogrammeringen av motsvarande robot sker offline på grundval av komponentens CAD-data och banprogrammeringsmjukvaran. Via ett motsvarande gränssnitt möjliggör styrningen KRC ROBOTstar en smidig och mycket exakt bana. På så sätt kan en programmerad bana förskjutas en aning i efterhand. Tack vare det optimala valet av snittverktyg går det att skära med en ultraljudskniv med mycket hög precision, utan påverkan från intilliggande material.

Redan efter några få samtal insåg vi att det Obernburg-baserade företaget hade projekterat automatiseringar för sådana volymkomponenter mer än en gång. Projektledarna kunde ta hänsyn till de olika aspekterna av förformningsprocessen var för sig och med hjälp av standardkomponenter presentera ett övertygande koncept.

Sven Torstrick, projektledare på centret för lättviktsproduktionsteknik på DLR

Griparteknik för hantering av komponenter av kolfiberförstärkt plast

KUKA systempartner finns över hela världen

Här hittar du rätt partner för din bransch eller ditt problem.