Automatisiertes Legen von CFK-Bahnen

 

Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Institut für C-Techniken und Institut für Informationsverarbeitung in der Kunststofftechnik

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) spielen heute vor allem in der Luft- und Raumfahrt eine wichtige Rolle. Ihr Vorteil liegt in sehr guten Festigkeitswerten bei einem geringen Eigengewicht. Die manuelle Fertigung faserverstärkter Bauteile ist aber sehr aufwändig.
Eine Möglichkeit der automatischen Verarbeitung bei hoher Qualität liegt im maschinellen Tapelegen. Vorimprägnierte Faserbänder (Tapes) werden dabei mit Hilfe eines Roboters , in diesem Fall ein Mitsubishi RV3SB, z. T. in mehreren Bahnen gleichzeitig auf einer Grundfläche abgelegt und durch Wärmeeinbringung zu einem Bauteil verbunden.
Die Software TapeStation, die von Studenten der Jade Hochschule in Zusammenarbeit mit der Firma SWMS Systemtechnik in Oldenburg entwickelt wurde, ist eine CAD-integrierte Lösung zur Generierung, Visualisierung, Analyse und Optimierung solcher Tape-Bahnen. Das System arbeitet mit einem dreidimensionalen CAD-Model des zu fertigenden Bauteils und erlaubt die Modellierung von Tape-Bahnen auch auf gekrümmten Oberflächen. Die Strategie der Bahnverläufe kann flexibel gewählt werden. Die Gesamtleitung hatte dabei Prof. Dr.-Ing. Ludger Wolters, Sprecher des Instituts für C-Techniken im Fachbereich Ingenieurwissenschaften.
Für die Demonstration des Systems auf der Hannover Messe 2011 wurde eine Kooperation mit dem Institut für Informationsverarbeitung in der Kunststofftechnik (Direktor: Prof. Dr.-Ing. Christoph Wunck) eingegangen, das einen 6-Achsen-Knickarmroboter vom Typ Mitsubishi RV3SB sowie einen 3D-Drucker vom Typ HP Designjet Color zur Verfügung stellte.
Das System arbeitet in einer ersten Ausbaustufe in Kombination mit dem CAD/CAM-System CATIA V5, wird aber künftig jedoch auch in andere CAD/CAM-Systeme integriert. Aus den berechneten Tape-Bahnen lässt sich abschließend ein Roboterprogramm in Sprachformaten, u.a. auch in MELFA-BASIC-IV, verschiedener Roboterhersteller ausgeben. Das Programm kann dann auf dem jeweiligen Roboter direkt ausgeführt werden. Das System TapeStation unterstützt somit die Offline-Programmierung als Verbindung zwischen virtueller und realer Fertigung.
Da die Tapes sehr teuer sind, wurde für die Entwicklung und Demonstration ein Endeffektor, d.h. eine Roboter-Hand, für den Roboter Mitsubishi RV3SB entwickelt, der mit bis zu vier Stiften die Tape-Bahnen nachzeichnen kann. Die Stifte sollten dabei mit den Handsteuerungssignalen (Hand 1 -4) des Roboters angesprochen und über einen eigenen Controller die Servomotoren der Stifthülsen gesteuert.

Endeffekotor MitsubishiDer Endeffektor sollte bis zu vier Bahnen gleichzeitig zeichnen können und die Stifte mussten einzeln ansteuerbar sein. Die verschiedenen Entwicklungsversionen der Endeffektoren wurden mit einem 3D-Color-Drucker aus ABS-Material hergestellt. Ein Endeffektor besteht dabei aus 15 Teilen.

 

 

 

Die Stifthülsen, der bewegliche Teil, sind nur ein wenig angeschliffen, mit Zahnstangen versehen und durch Servomotoren aus dem Modellbaubereich angetrieben worden. Für alle Verschraubungen wurden Gewindehülsen eingeklebt. Die Herstellung eines kompletten Endeffektors hat dabei nur ca. 2 Tage gedauert. Mit anderen Herstellungsverfahren wäre das nicht so schnell, kostengünstig und unkompliziert möglich gewesen.
Die am Projekt beteiligten Studenten hatten für diese Aufgaben komplexe Probleme im Bereich Robotik zu lösen. Ein Problem war das Anpassen der unterschiedlichen Koordinatensysteme der CAD-Software und der Roboter. Auch die Ansteuerung des Endeffektors über die Handsteuerung wurde in Eigenentwicklung erfolgreich gelöst. Die Steuerung der Servomotoren wurde mit einem Embedded System auf ARDUINO-Basis realisiert.
Das gesamte System ist auf der Hannover Messe 2011 vom 4. Bis 8.4. 2011 präsentiert worden und lief die gesamte Zeit über völlig problemlos.

Die Projektbeteiligten:

Gesamtleitung: Prof. Dr. Ludger Wolters, Fachbereich Ingenieurwissenschaften
Systemprogrammierung: Marc Loegel, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, ehemaliger Student, mittlerweile Mitarbeiter der SWMS Systemtechnik Ingenieurgesellschaft mbH
Konstruktion: Student Dominik Brost, Fachbereich Ingenieurwissenschaften
Steuerungsprogrammierung: Student Denis Ostermann, Fachbereich Ingenieurwissenschaften
Betreuung: Dipl.-Ing. Werner Meyer, Fachbereich Ingenieurwissenschaften
Dipl.-Wirtsch.-Inf. Uwe Bachmann, Fachbereich Management, Information, Technologie