Bei der CFK-Bearbeitung können Roboter punkten - Krauss Maffei

Produktion
Fräsen von CFK-Serienteilen
Maximale Kosteneffizienz und Flexibilität bei der Nachbearbeitung von CFK-Serienteilen ist nur mit robotergeführten Zerspanwerkzeugen
möglich.
Bild: Krauss-Maffei
Zerspanung
Bei der CFK-Bearbeitung
können Roboter punkten
Wesentlich für die effiziente CFK-Bearbeitung in Roboterfräszellen ist die
Kombination von Seriell- und Parallelarmkinematik. Sie bietet einen guten
Kompromiss bezüglich Flexibilität und Steifigkeit. Die Fräsergebnisse sind
optimierbar, trotz niedriger Investitionen gegenüber CNC-Portalmaschinen.
Jörg Rommelfanger, Udo Hafer und Markus Betsche
Der Markt für kohlefaserverstärkte
Kunststoffe (CFK)
wächst rasant. Für die kommenden
Jahre prognostizieren
Experten ein Wachstum in Höhe
von 13 bis 15%. Die Vorteile
liegen auf der Hand: beispielsweise im Hinblick
auf eine Gewichtsersparnis von 20 bis
60% im Vergleich zu Aluminium. Kein
Wunder, dass die Automobilbauer (OEM)
sehr an CFK-Bauteilen interessiert sind. Speziell
der Automobilbau stellt aber aufgrund
der zu erwartenden Stückzahlen von 50.000
bis 80.000 Einheiten pro Jahr extreme Ansprüche
an die Herstellungsverfahren und
den Automatisierungsgrad in der Prozesskette.
Ebenso nimmt die Komplexität der
Bauteile deutlich zu. So werden mittlerweile
diffizile, dreidimensionale Karosserieteile
aus CFK hergestellt.
Erforderliche Endbearbeitung
bei gängigen Verfahren für CFK
Seit Jahrzehnten beschäftigt sich Krauss-
Maffei mit den unterschiedlichen Phasen der
Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten
Kunststoffen (FVK) entlang der gesam-
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Produktion
ten Prozesskette: von der Projekt- und Entwicklungsphase
über den Produktionsanlauf
bis hin zur Herstellung erster Serienbauteile.
Das schließt auch – als Ergänzung – den Bau
fertigungsspezifischer Werkzeuge ein. Außerdem
deckt Krauss-Maffei die Nach- und
Endbearbeitung sowie die Bauteilprüfung
ab. Seit dem Jahr 2005 existiert am Standort
Viersen ein Kompetenzzentrum speziell für
den Werkzeug- und Anlagenbau (Beschnittaufgaben).
Dort beschäftigen sich rund 65
Mitarbeiter primär mit den Themen Stanzen
und flexibles, robotergestütztes Fräsen von
Kunststoffbauteilen.
Bei den momentan gängigen CFK-Herstellungsverfahren
für Großserienbauteile,
wie dem Nasspress- oder dem RTM-Verfahren
(Resin Transfer Molding), fallen diverse
Aufgaben hinsichtlich der Endbearbeitung
an. Gründe dafür sind der Anguss und der
Austrieb des Harzes aus den Entlüftungsöffnungen.
Sowohl die Finishbearbeitung in
Form des umlaufenden Besäumens als auch
das Einbringen diverser Funktionsöffnungen
bilden dabei die Kernaufgaben. Einschlägige
Beschnittlösungen für FVK-Bauteile existieren
bereits seit Jahren am Markt. Mittlerweile
kann der Kunde zwischen einer Vielzahl
von Anbietern von CNC-Maschinen für die
Fräsbearbeitung auswählen.
Industrieroboter bietet hohes Maß an
Flexibilität und Kosteneffizienz
Der Anspruch von Krauss-Maffei ist jedoch,
dem Kunden die flexibelste wie auch kosteneffizienteste
Anlagentechnik für die Großserie
zu bieten. Mit dieser Aufgabenstellung
landet man unausweichlich bei der Nachbearbeitung
mit robotergeführten Zerspanwerkzeugen.
Gerade beim Fräsen von Kunststoffteilen
im Automobilinterieurbereich hat
sich der Industrieroboter schon lange etabliert
und die CNC-Maschine weitestgehend
verdrängt.
Allerdings sind die Anforderungen an die
Bearbeitung von Faserkunststoffen deutlich
Dipl.-Ing. Jörg Rommelfanger ist Leiter Robotersysteme
bei der Krauss-Maffei Technologies GmbH
in Viersen. Udo Hafer leitet dort den Bereich Technik
Tooling Technologies. Markus Betsche ist Pressesprecher
Marke Krauss-Maffei am Hauptstandort
München. Weitere Informationen: Jörg Rommelfanger,
Krauss-Maffei Automotive Component
Systems, 41751 Viersen, Tel. (0 21 62) 1 02 08-29,
joerg.rommelfanger@kraussmaffei.com
Kinematikkombination
Aufgrund der Kombination aus
Seriell- und Parallelarmkinematik
sorgt der Industrieroboter für
Flexi bilität und Genauigkeit bei
der Bauteilbearbeitung.
Bild: Krauss-Maffei
Guter Kompromiss
Die Kombination aus serieller und paralleler Kinematik gibt dem Manipulator mehr Steifigkeit,
ohne dass große Einbußen bei der Flexibilität hingenommen werden müssen.
anspruchsvoller. In der Regel wird eine
Bahngenauigkeit von ±0,2 mm bezüglich der
Endgeometrie verlangt sowie eine Bearbeitung
komplexer 3D-Bauteilgeometrien, wie
sie bei modernen Strukturbauteilen im Fahrzeugbereich
zu finden sind. Die Wanddicken
der CFK-Bauteile mit hohem Faservolumenanteil
(bis 60%) liegen im Bereich von 2 bis
6 mm.
Arbeiten mit Standardrobotern
im Hunderstelmillimeterbereich
Das ist eine Aufgabe, bei der ein Standard-
Industrieroboter reproduzierbar bis
Bild: ABB
auf einige Hundertstelmillimeter genau die
Bauteile bearbeiten muss. Nur so lässt sich
eine Bauteilmaßgenauigkeit im Zehntel-
Millimeterbereich (plus/minus) erzielen.
Folglich wird bei der Festlegung der Fräsbahn
immer eine Korrekturschleife vorgesehen,
die aufgrund der mittlerweile am
Markt verfügbaren 3D-Programmier- und
-Simulationstools einfach umgesetzt und
optimiert werden kann. Mittels gekoppelter
Messtechnik lassen sich Bahnkorrekturen
sogar vollständig automatisiert
durchführen.
Außerdem gibt es heutzutage
vollständige CAD/
CAM-Schnittstellen zum
Industrieroboter. Im Schnittstellenbereich
kristallisieren sich aktuell
zwei Entwicklungsrichtungen am Markt heraus.
Zum einen implementieren einige Roboterhersteller
Softwarepakete in ihre Steuerungen,
um standardisierte CNC-Programme
einlesen und verarbeiten zu können.
Zum anderen integrieren renommierte
CAD/CAM-Softwarehersteller die Roboterkinematiken
und den Postprozessor in ihre
Systeme. Beides sind begrüßenswerte Tendenzen,
weil viele Kunden wegen der gewohnten
CNC-Programmierung immer
noch der Bearbeitung mit Industrierobotern
und deren Programmierung kritisch gegenüberstehen.
Guter Kompromiss bei Kombination
aus Seriell- und Parallelarmachsen
Ein weiterer entscheidender Faktor für die
Präzision bei der Fräsbearbeitung von FVK-
Bauteilen liegt in der Steifigkeit des Manipulators
– zusätzlich zu dessen theoretischer
Genauigkeit. Seit dem Jahr 2008 finden daher
im Kompetenzzentrum von Krauss-
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Produktion
Maffei mit großem Erfolg Versuchsprojekte
für OEM-Unternehmen und Zulieferer statt.
Die Erfahrung von Krauss-Maffei basiert
inzwischen auf mehreren Hundert Bauteilen,
die mit verschiedensten Roboterkinematiken
bearbeitet wurden – aber auch mit
CNC-Portalfräsmaschinen, die im Technikum
üblicherweise dem Werkzeugbau zur
Verfügung stehen.
Die Ergebnisse zeigen, dass nicht jede Roboterkinematik
den hohen Steifigkeitsansprüchen
genügt. Beim Roboterengineering
besteht vielmehr die primäre Aufgabe bei
der Konzeption eines Fräsroboters für die
Serienfertigung darin, die passende Kinematik
für die Anforderung der jeweiligen
Anwendung auszuwählen. So ermöglicht
eine serielle Sechs-Achs-Kinematik zwar
größtmögliche Freiheitsgrade, doch oft nicht
die nötige Steifigkeit, um die erforderliche
Bearbeitungsgenauigkeit zu erzielen. Im Gegensatz
dazu haben Parallelachskinematiken,
wie sie beispielsweise bei Hexapoden
zur Anwendung kommen, eine sehr gute
Steifigkeit. Ihnen mangelt es jedoch oftmals
an der nötigen Flexibilität, wie der klassischen
CNC-Portalfräse.
Fräskopf mit Absaugung
Die im Fräskopf integrierte Absaugung
vermeidet zuverlässig die Verschmutzung
von Bauteil und Fräszelle.
Guter Kompromiss ist der Verbund
aus Seriell- und Parallelarmkinematik
Einen guten Kompromiss bietet daher die
Kombination von Seriell- und Parallelarm-
Kinematik. Sie gibt dem Manipulator mehr
Steifigkeit, ohne dass große Einbußen bezüglich
der Flexibilität in Kauf genommen
werden müssen. Diese Kinematikkombination
überzeugt zudem durch eine deutlich
höhere Dynamik bei großer positioneller
Umorientierung des Fräswerkzeuges im Vergleich
zu den Versuchen auf einer CNC-
Bild: Krauss-Maffei
Portalfräsmaschine. Die von manchem Roboterhersteller
speziell für die mechanische
Bearbeitung optimierte und standardisierte
Parallelachskinematik integriert Krauss-
Maffei in eine als mobile Zelle ausgeführte
Fräsanlage der Baureihe Routing-Star. Das
finale Anlagenkonzept rund um den Roboter
ergibt sich aus Parametern wie Bauteildimension,
Materialzusammensetzung und
den erforderlichen Stückzahlen.
Für die Bearbeitung von FVK-Bauteilen
rüstet Krauss-Maffei die Roboterfräszellen
zusätzlich mit speziellen Ausstattungspaketen
aus. Sie beinhalten zum Beispiel automatische
Werkzeugwechselmagazine für Bohrund
Fräswerkzeuge unterschiedlicher Radien
sowie eine am Fräskopf mitgeführte
Span- und Staubabsaugung. Dieses Absaugsystem
ist extrem kompakt ausgeführt, um
eine nahezu vollständige 3D-Fähigkeit in der
Bearbeitung sicherzustellen. Unterdruck
und Volumenstrom werden exakt auf das
anfallende Spanvolumen abgestimmt. Die
einzelnen Komponenten widerstehen dem
abrasiven Verhalten von FVK-Stäuben.
Dieses Absaugsystem verhindert eine Ansammlung
von FVK-Stäuben innerhalb der
Anlage, was eine bessere Einstufung hinsichtlich
der Atex-Richtlinie mit sich bringt.
Eine Installation vermeidet zugleich Diskussionen
über die Gesundheitsgefährdung der
Maschinenbediener, wie sie bei anfallendem
Staub mit kleinen, lungengängigen Partikelgrößen
in der Luft sicherlich geführt werden
müsste.
Flexible Fräszelle für die Serie
Das Anlagenkonzept rund um den Roboter ergibt sich aus Parametern wie Bauteildimension,
Materialzusammensetzung und den erforderlichen Stückzahlen.
Bild: Krauss-Maffei
Automatische Vorschubanpassung
bei unterschiedlichen Wanddicken
Ein weiteres Ausstattungsfeature ist ein am
Roboterflansch montierbarer und in die
Bahnplanung integrierter 6D-Kraft-Momenten-Sensor.
Diese Sensorik ermöglicht eine
automatische Vorschubanpassung bei der
Bearbeitung von FVK-Bauteilen mit stark
unterschiedlichen Wanddicken. Ziel dabei
ist es, eine möglichst hohe Gleichmäßigkeit
im Fräsprozess zu erlangen und die Prozessparameter
ans Optimum zu führen. Dieses
System lässt sich sowohl permanent in
den Prozess integrieren als auch als Einrichthilfe
zum Einfahren des Prozesses nutzen.
Weil damit die Prozesskräfte protokolliert
werden können, liefert es als positiven Nebeneffekt
sehr gute Erkenntnisse für die
Hersteller von Zerspanwerkzeugen. Es hilft
bei der Optimierung der Standzeiten.
In den bereits vorgestellten Versuchsreihen
wurden von Krauss-Maffei letztendlich
enorme Vorschubgeschwindigkeiten (bis
200 mm/s) bei CFK-Bauteilwanddicken bis
10 mm und langen Werkzeugstandzeiten
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erzielt. Zum Schluss erhielt man Standzeiten
von über 1000 m Bearbeitungslänge mit einem
einzigen Werkzeug bei einer geforderten
Fertigungsgenauigkeit im Bereich von
±0,1 mm. Je nach Qualitätsanforderung bezüglich
Delamination und Faserausriss lassen
sich diese Ergebnisse in einem Arbeitsgang
oder in zwei Arbeitschritten (Schruppund
Schlichtbearbeitung) erreichen.
Bild: Hufschmied
Wellenförmige Beschnittlinien
werden vollständig beseitigt
Die beschriebene Roboterfräszelle eliminiert
Welligkeiten in der Beschnittlinie vollständig
bei Verwendung dafür geeigneter Werkzeuge.
Solche Werkzeuge werden beispielsweise
von der Hufschmied Zerspanungssysteme
GmbH, Bobingen, entwickelt. Welligkeiten
in der Beschnittlinie resultieren oft
aus dem Bahnverhalten falsch ausgewählter
Kinematiken.
Für mechanische CFK-Bearbeitungsaufgaben
ist die Auswahl der Roboterkinematik
entsprechend der Aufgabenstellung entscheidend.
Eine Kombination aus Seriellund
Parallelarmkinematik bietet hinsichtlich
der Flexibilität und der Steifigkeit einen guten
Kompromiss. Im Vergleich zu CNC-
Portalfräsmaschinen hat sie bezüglich der
Investition enorme Vorteile. Die Bearbeitungsgenauigkeit
ist für den Großteil der
Anwendungen ausreichend. Eine CAD/
CAM-Software und eine intelligente Kraftsensorik
helfen, die Bearbeitungsergebnisse
Optimierte
Ergebnisse
Mit der richtigen Kinematik
und hochwertigen Zerspanwerkzeugen
gelingt eine saubere
Bearbeitung von CFK-Bauteilen in Serie.
zu optimieren. Sie sorgen für die Einhaltung
der erforderlichen Randbedingungen bei der
Bearbeitung von Großserienteilen. Nachbearbeitungszellen
der Baureihe Routing-Star
empfehlen sich als weiteres Modul für automatisierte
Fertigungslösungen bei CFK-
Leichtbauteilen.
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