anwenderreportage

Stäubli FAST picker TP80: Fiber Patch Placement mit dem Roboter

Mit seinen Fiber Patch Placement-Anlagen schlägt ein bayerisches Technologieunternehmen ein neues Kapitel der additiven Fertigung auf. Das Verfahren überzeugt bei der Herstellung von geometrisch anspruchsvollen Leichtbauteilen mit Flexibilität und ist dank Hochleistungsrobotik auch für die Serienproduktion geeignet.

Wie schnell, effizient und wirtschaftlich Fiber Patch Placement in der Praxis sein kann, beweist Cevotec mit der vollautomatischen Produktionsanlage SAMBA Pro, die auf jeder Messe ein Publikumsmagnet ist.

Wie schnell, effizient und wirtschaftlich Fiber Patch Placement in der Praxis sein kann, beweist Cevotec mit der vollautomatischen Produktionsanlage SAMBA Pro, die auf jeder Messe ein Publikumsmagnet ist.

Shortcut

Aufgabenstellung: Umsetzung einer schnellen, effizienten und wirtschaftlichen Fiber Patch Placement-Lösung.

Lösung: Anlage mit zwei Hochleistungsrobotern von Stäubli: einem ultraschnellen FAST picker TP80 und einem großen TX200 Sechsachser.

Vorteil: Insgesamt zehn Roboterachsen für die freie Positionierung der Patches, hoher Output, dank Hochleistungsrobotik ist das FPP-Verfahren nun auch für die Serienproduktion geeignet.

Automatisch, einfach, hochflexibel – das schätzen Anwender an additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck. Deshalb setzt sich dieses Verfahren in industriellen Anwendungen immer mehr durch. Der große Nachteil dabei: die langsamen Baufortschritte bei komplexen 3D-Geometrien. Beim Fiber Patch Placement, kurz FPP, sieht die Sache anders aus. In den vollautomatischen Anlagen von Cevotec aus Taufkirchen bei München sorgen zwei Stäubli Roboter, darunter einer der weltweit schnellsten Vierachser, für bis dato unerreichten Output.

Zwei Stäubli Roboter, ein FAST picker TP80 und ein sechsachsiger TX200 zählen zu den Schlüsselkomponenten in der Fiber Patch Placement-Zelle: Der TX200 übernimmt die präzise Handhabung der Form während der TP80 für das Auflegen der Patches zuständig ist.

Zwei Stäubli Roboter, ein FAST picker TP80 und ein sechsachsiger TX200 zählen zu den Schlüsselkomponenten in der Fiber Patch Placement-Zelle: Der TX200 übernimmt die präzise Handhabung der Form während der TP80 für das Auflegen der Patches zuständig ist.

Infos zum Anwender

Cevotec ermöglicht es Herstellern, komplexe Faserverbund-Bauteile in hoher Stückzahl und Qualität zu fertigen – durch intelligente Prozessautomation auf Basis der Fiber Patch Placement Technologie. Mit der SAMBA Series bietet Cevotec individuell konfigurierbare Fertigungsanlagen für eine automatisierte Faserablage an, die besonders für anspruchsvolle 3D Bauteile und komplexe Faserarchitekturen geeignet ist.
www.cevotec.com

Additive Fertigung der nächsten Generation

Bei FPP handelt es sich um ein Legeverfahren, bei dem eine dreidimensionale Positiv- oder Negativform mit definierten Carbonfaserstreifen, den sogenannten Patches, belegt wird. Das Bauteil wird so ähnlich dem 3D-Druck additiv, flexibel und automatisiert aus einzelnen, bebinderten Faserstreifen zusammengesetzt. Der entscheidende Vorteil: Die Patches, die vollautomatisch aus flachem Faserband geschnitten werden, lassen sich völlig frei auf der Form positionieren. Durch die individuelle Faserorientierung jedes Patches entsprechend der Belastungen im Bauteil lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Preforms beachtlich steigern. Es lässt sich eine signifikante Steigerung von Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig beachtlicher Gewichtsreduzierung erreichen.

„Werden die lasttragenden Fasern in einem CFK Bauteil nicht belastungsgerecht ausgerichtet, ist der Abfall der mechanischen Kennwerte enorm. Bereits bei einer Abweichung von nur 15° zwischen Last- und Faserrichtung reduziert sich die Ausnutzung der Faserfestigkeit um über 80 %“, verrät Cevotec CTO Felix Michl. Mit dem FPP-Verfahren des Unternehmens sind solche Nachteile gezielt zu vermeiden, da jeder einzelne Patch entlang von Kraftflüssen im Bauteil ausgerichtet werden kann.

Ein großer Vorteil des FPP-Verfahrens ist der hohe Materialnutzungsgrad ohne Verschnittraten.

Ein großer Vorteil des FPP-Verfahrens ist der hohe Materialnutzungsgrad ohne Verschnittraten.

Hoher Materialnutzungsgrad

Um die mechanischen Eigenschaften der Patchlaminate maximal auszunutzen, hat Cevotec mit Artist Studio eine leistungsstarke Software mit Schnittstellen zu gängigen FEM-Programmen entwickelt, mit der eine effiziente Laminatplanung und Anlagenprogrammierung einfach zu bewerkstelligen sind. Die mächtigen Algorithmen dieser CAD-CAM Software berechnen die optimale Lage und Überlappung der Patches zueinander und schaffen so die Voraussetzung für eine gleichmäßig hohe Laminatqualität.

Ein weiterer Vorteil beim Fiber Patch Placement ist der hohe Materialnutzungsgrad. Die hohen Verschnittraten der klassischen textilen Verfahren von teilweise über 50 % kennt diese Technologie nicht. Von dem zugeführten Faserband landen über die zugeschnittenen Patches 100 % des Materials im Bauteil. Bei einem Werkstoff, der deutlich teurer ist als Aluminium oder Stahl, wird das schnell zum entscheidenden Wirtschaftlichkeitsfaktor.

Additive Fertigung der nächsten Generation: Bei FPP handelt es sich um ein Legeverfahren, bei dem eine dreidimensionale Positiv- oder Negativform mit definierten Carbonfaserstreifen, den sogenannten Patches, belegt wird.

Additive Fertigung der nächsten Generation: Bei FPP handelt es sich um ein Legeverfahren, bei dem eine dreidimensionale Positiv- oder Negativform mit definierten Carbonfaserstreifen, den sogenannten Patches, belegt wird.

Innovative Roboteranlage für die Serienproduktion

Wie schnell, effizient und wirtschaftlich Fiber Patch Placement in der Praxis sein kann, beweist Cevotec mit der vollautomatischen Produktionsanlage SAMBA Pro. Für die Realisierung dieser Zellen vertraut Cevotec auf die Kompetenz des erfahrenen Anlagenbauers Baumann aus Amberg (D) und dessen internationale Expertise bei anspruchsvollen Automatisierungslösungen – sei es in der Elektronikmontage oder im Waferhandling.

Da bei diesen Anlagen der Robotik-Performance eine entscheidende Rolle zukommt, hat man sich für Hochleistungsroboter des Schweizer Anbieters Stäubli entschieden. In jeder Zelle arbeiten zwei Roboter: ein ultraschneller FAST picker TP80 sowie ein großer Sechsachser des Typs TX200. Somit stehen für die freie Positionierung der Patches insgesamt zehn Roboterachsen zur Verfügung.

An Station eins stehen die Abwicklung des Carbonfaserbandes und dessen Zuführung zur automatischen Schneideinheit auf dem Programm. Hier schneidet ein Laser das Band mit höchster Präzision in Streifen. Anschließend übernimmt ein Bildverarbeitungssystem die geometrische Überprüfung der Patches. Alles Weitere ist Aufgabe der Roboter. Der FAST picker greift mit einem speziellen Vakuumgreifer den Carbonstreifen vom Band ab und fährt zu einem weiteren Kamerasystem, das Position und Orientierung des Patches am Greifer bestimmt. Noch während die Korrekturparameter durch die Bildverarbeitung errechnet werden, steuert der TP80 die ursprünglichen Zielkoordinaten an, korrigiert auf die finale Position und klebt den Patch auf. Während der Handhabung heizt der Greifer den Patch auf und aktiviert dadurch dessen bebinderte Seite, sodass eine sichere Anhaftung gewährleistet ist.

Die Aufgabe des großen Sechsachsers TX200 besteht darin, die Form, die mit den Patches belegt wird, schnell, präzise und lagerichtig unter dem TP80 zu positionieren. Mit einer Reichweite von 2.194 mm und einer nominalen Traglast von 100 kg kann der Roboter die Anforderungen optimal erfüllen.

Know-how intensive Greiftechnik

Eine Schlüsselrolle bei der Handhabung kommt dem formflexiblen Patch-Greifer von Cevotec zu. Ausgestattet mit einem Spezialschaumstoff passt sich der Greifer auch den komplexesten Oberflächen an. Selbst bei Winkeln über 90° und zweiachsig gekrümmten Oberflächen legt er die Patches passgenau und ohne Drapiereffekte ab. Dank der zehn Achsen der beiden Stäubli Roboter kann der Greifer auch bei sehr komplexen Bauteilen jede Stelle problemlos erreichen. Auch am Ende des Preforming-Prozesses geht es vollautomatisiert weiter: Die eigenstabilen Preforms werden automatisch vom Werkzeug gelöst und zum nächsten Verarbeitungsschritt übergeben.

„Die Performance der Stäubli Roboter ist entscheidend für den kompletten Prozess. Insbesondere der hohen Dynamik des TP80 ist es zu verdanken, dass wir Taktzeiten erreichen, die eine Serienproduktion ermöglichen. Dieser Speed bringt Flexibilität in das Fiber Patch Placement und macht diese Technologie sowohl für Klein- wie Großserien interessant“, betont Felix Michl.

Anwendungsbereiche sieht man bei Cevotec in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie aber auch in der Medizintechnik, im Sportartikelbereich und überall dort, wo hochfeste Leichtbauteile eine Rolle spielen. Dabei lassen sich durch patchbasierte Faserstrukturen die mechanischen Eigenschaften um bis zu 150 % steigern. Ein weiterer Vorteil ist die deutliche Gewichtreduzierung, die je nach Bauteil bei über 50 % liegen kann. Das macht Fiber Patch Placement zu einem Meilenstein für komplexe Performance-Bauteile in großen Stückzahlen.

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