Leichtbau-Produktionszelle „denkt mit“

Beim „Cutting & Stacking Center“ der Firma Schmidt & Heinzmann ist das Zusammenspiel zwischen Hard-und Software gelungen. Die flexible Produktionszelle für Preforms schneidet mit optimiertem Nesting an gleich mehreren Tischen materialspezifisch zu. Die Zuschnitte werden außerdem zykluszeitoptimiert und präzise auf dem Stack (Stapel) abgelegt. Gleichzeitig reagiert die Produktionszelle auf Änderungen im Ablauf und berechnet diesen bei Bedarf neu. So wird sie zum Enabler für kosteneffizienten Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen – und erhielt deshalb den „ThinKing“ im Dezember 2021.

Zu den Begrifflichkeiten: Die „Preform“ (auch Vorformling genannt) bezeichnet bei der Herstellung von Composite-Bauteilen einen Zwischenschritt vor der Fertigstellung des eigentlichen Bauteils und kann durch unterschiedliche Prozesse erreicht werden. Aus dem Fasergewebe werden individuelle Lagen ausgeschnitten und zu einer endkonturnahen dreidimensionalen Form zusammengestellt. Mithilfe einer Automatisierung gelingt dies schneller, günstiger und flexibler: Der Verschnitt kann reduziert werden und die Lagenorientierung fällt präziser aus. Das Ziel lautet, die Material- und Lohnkosten möglichst gering zu halten. Beim optimierten „Nesting“ das durch Künstliche Intelligenz unterstützt werden kann, kommt es auf die bestmögliche Anordnung der Zuschnitte an.

Um welche Aufgaben geht es?

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg (BW) verleiht regelmäßig einen Preis für herausragende Leichtbau-Innovationen. Mit diesem Label wird besonderen Produkten oder Dienstleistungen im diesem Bereich eine Plattform gegeben. Sie rücken damit in den Blickpunkt des öffentlichen Interesses und erlangen mehr Aufmerksamkeit.

Die Besonderheiten der aktuellen Entwicklung mit ihren Vorteilen auf einen Blick:

• Kosteneffizienz: Die automatisierte Produktion verringert die Personalkosten des (vorher weitgehend manuellen) Prozesses um etwa 75 Prozent.
• Optimierte Zykluszeit: Ein in die Steuerung integrierter Produktionsplaner parallelisiert Abläufe.
• Verbesserte Qualität: Präzises Stacking dank Robotik, materialspezifischem Cutting und wandlungsfähigem Greifer.
• Flexibilität: Die Anlage kann unterschiedliche Bauteile fertigen. Der Bediener wird ausgehend von den Produktdaten durch den Rüst- und Parametrisierprozess geleitet.
• Intelligente Automation: Die Steuerung korrigiert bei Bedarf Abläufe und Prozessparameter selbstständig.
• Materialeffizienz: Optimiertes Nesting und das Konzept mit einem Schneidetisch für jedes Material reduzieren den Verschnitt.

Die Prozesskette für ein im RTM (Resin Transfer Molding)-Verfahren gefertigtes Leichtbau-Teil beginnt, wie erläutert, beim Zuschnitt aus dem Fasergewebe. Manche Preforms bestehen aus bis zu 40 Lagen und vielen einzelnen dieser Zuschnitte, deren Faserorientierung im Bauteil sich nach den Lastpfaden aus dem Teiledesign richtet. Beim Harzinjektionsverfahren werden die Preforms anschließend in ein Formwerkzeug eingelegt, mit Reaktionsharz (einem Harz-Härter-Gemisch) durchtränkt – und das Bauteil entsteht mit der Aushärtung der Matrix (des Harzes).

Kosteneffizienter Leichtbau dank flexibler Prozessgestaltung

Das Zuschneiden und das Stapeln werden bisher vielfach noch manuell erledigt, da es sich um komplexe Arbeitsschritte handelt. Doch das Cutting & Stacking Center von Schmidt & Heinzmann beherrscht nicht nur diese komplexen Prozessschritte, sondern kann dank generischem Ansatz auch unterschiedliche Preforms – sogar zeitgleich – herstellen. Die Anlage schneidet aus verschiedenen Fasergeweben – möglich sind beispielsweise Glasfaser, Carbonfaser oder Naturfaser – die einzelnen Lagen rohstoffeffizient und präzise zu und stapelt sie anschließend lastpfadgerecht zu Preform-Rohlingen („Stacks“). Dazu besteht die Produktionszelle aus einem Roboter mit Greifermodul, einer Steuerung sowie mehreren Schneid- und einem Ablagetisch mit Ausschleusung.

Material sparender Zuschnitt ist gewährleistet

Durch ein intelligentes Nesting wird nach dem Übertragen der Bauteildaten ein optimierter Schneidplan für die einzelnen Schneidetische berechnet. So kann das jeweilige Material effizient ausgenutzt werden, der Verschnitt fällt deutlich geringer aus. Bisher wurde dazu entweder ein Schneidetisch aus einem Materiallager mit unterschiedlichen Faserwerkstoffen bedient, oder alle Lagen wurden auf einem langen Schneidetisch in der richtigen Reihenfolge übereinandergelegt, um dann durch alle Lagen hindurch ausgeschnitten zu werden. Beide Varianten verursachen einen hohen Verschnittanteil sowie Ungenauigkeiten beim Zuschnitt.

Da das Cutting & Stacking Center aber über mehrere Schneidetische verfügt, kann an jedem Tisch jeweils ein Material bevorratet und geschnitten werden. Ebenso wird zum Schneiden die exakt zum Material passende Cutting-Technologie verwendet. Möglich sind Polygonklingen, Rundmesser oder Ultraschallklingen. Das sorgt für saubere Schnittkanten.

Ein variables Greifermodul greift nun die Zuschnitte mit Nadeln, Vakuum oder durch Luftströmung und stapelt sie präzise zum Stack.

Präzises Abstapeln – hoher Automationsgrad

Alle Prozessschritte sind vollständig automatisiert. Die Abläufe werden durch einen evolutionären Algorithmus optimiert, die Randbedingungen für den optimalen Ablauf sind ebenso variabel. Nicht immer ist die Zykluszeit der entscheidende Parameter – eine effiziente Materialausnutzung kann höher priorisiert sein. Verschiedene Sensoren sorgen dann für einen stabilen Prozess und korrigieren bei Bedarf die Abläufe und Prozessparameter selbstständig.

Die Steuerungssoftware ist eine Eigenentwicklung der Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG. Sie erst macht komplexere Bauteile bei gleichzeitig minimiertem Rohstoffeinsatz möglich. „Wir starten mit den CAD-Daten. Dann wird der Nutzer Schritt für Schritt durch den Rüst- und Parametrisierprozess geleitet. Ein großer Vorteil ist, dass der Anwender selbst nichts programmieren muss“, erklärt Dr. David Bücheler, Leiter der Prozessabteilung bei Schmidt & Heinzmann. Der integrierte „Produktionsplaner“ überwacht den gesamten Prozess und optimiert die Abläufe für Schneiden, Handling und Stacking entlang der vom Nutzer vorgegebenen Randbedingungen.

Nicht immer ist die schnellste Zykluszeit das Ziel. Der digitale Produktionsplaner hat den Vorrat an Fasergewebe an den einzelnen Schneidetischen ebenso im Blick, wie die Zeiten für das Nesting oder Nachfüllen. Der Roboter holt sich die passenden Zuschnitte in der richtigen Reihenfolge zum Ablegen. Das erhöht die Prozesssicherheit und sorgt für eine gleichbleibende Qualität der Stacks.

Neues Potenzial für wettbewerbsfähige Leichtbauteile

Mit der innovativen Lösung eröffnet der Anbieter Zulieferbetrieben in den typischen Leichtbau-Anwendungsbranchen – wie dem Automobilbau und der Luftfahrt sowie der Sport- oder Freizeitbranche – neue Möglichkeiten, wettbewerbsfähige Leichtbauteile herzustellen. Denn durch die erhebliche Kostenreduktion bei gleichem Gewicht kann dank der neuen Anlage die Produktion der Leichtbauteile in Hochpreisländer zurückkehren.

Die Bauteil-Herstellungskosten sinken im Vergleich zu einer halbautomatisierten Herstellung erheblich. So können etwa 75 Prozent der Personalkosten eingespart werden. Eine Amortisierung der Investition ist in etwa 18 Monaten möglich. Zudem werden durch die ideale Materialausnutzung Rohstoffkosten gespart und Ressourcen geschont.

Anwendungsbeispiele aus Fahrzeug- und Flugzeugbau

Die erste ausgelieferte Zelle dient einem Tier 1 als Laboranlage zur Erforschung der großserienfähigen Herstellung von Faserverbund-Blattfedern für die Automobilindustrie. Derartige Blattfedern werden schon heute in Sportwagen wie der „Chevrolet Corvette“ oder dem Geländewagen von „Volvo XC 90“ verbaut. Die zweite ausgelieferte Zelle fertigt seit wenigen Monaten Spoiler für den „Airbus A320“ durch Spirit Aero Systems. „Aber auch die Sportartikelbranche mit hoher Varianz der Produkte und gleichzeitig mittleren bis hohen Stückzahlen könnte von einer solchen Produktionszelle profitieren“, ist sich Dr. David Bücheler sicher. Hier zahlt sich für potenzielle Anwender das flexible und skalierbare Konzept aus.

Seit über 40 Jahren entwickelt und produziert Schmidt & Heinzmann innovative maßgeschneiderte Produktionsanlagen und Automatisierungslösungen für die faserverstärkte Kunststoffindustrie. Das Produktportfolio umfasst:

• Schneidsysteme für Fasern aller Art,
• SMC-Produktionsanlagen,
• Faserspritzanlagen,
• Bondinganlagen für automatisierte Klebeprozesse,
• Automatisierte Cutting- und Stackinganlagen,
• Preforminganlagen für die automatisierte Herstellung von Formlingen,
• Automatisierungen für das Composite-Zuschnitts-und Bauteilhandling,
• kundenspezifische Sonderlösungen.

Mit Stammsitz in Bruchsal und weiteren Niederlassungen in den USA und China erwirtschaftete das Unternehmen mit über 130 Mitarbeitern im Jahr 2020 einen Umsatz von ca. 20 Millionen Euro.

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