Bauteilherstellung

Faserverbundbauteile aus dem Thermoformprozess

Eine Möglichkeit, Fahrzeuggewicht zu verringern, gelingt durch den Einsatz von Faserverbundkunststoffen. Im Rahmen des Forschungsprojekts ProVorPlus wurde eine Methode zur systematischen Entwicklung eines automatisierten Thermoformprozesses für Faserverbundstrukturen mittels aktiver Materialführung entwickelt.

Der Handhabungsprozess bis zur finalen Formgebung gliedert sich in die Phasen Greifen/Handhaben, Übergabe/Fixierung im Materialführungssystem und das Vorformen durch das Materialführungssystem. © Leibniz Universität

Ziel des Forschungsprojekts an der Leibniz Universität Hannover war es, Automatisierungshemmnisse wie beispielsweise die roboterunterstütze Handhabung der formlabilen FVK-Zuschnitte (Organobleche), die meist auch noch großflächig sind und komplizierte Formen annehmen können, zu überwinden. Organobleche bestehen aus einem Thermoplast-Glas- oder Kohlenstofffasergewebeverbund, welcher für die Verarbeitung aufgeschmolzen wird. Da das Organoblech nach der Erwärmung eine rasche Abkühlung an der Umgebungsluft erfährt und die Formgebung vor dem Wiedererreichen des Schmelzpunkts erfolgen muss, ist eine schnelle Prozesszeit von ungefähr 15 bis 20 Sekunden einzuhalten. Anderenfalls behindert die erstarrende Thermoplastmatrix den Drapierprozess (Umformprozess eines Textils), was zu Qualitätseinbußen oder Ausschuss führt.

Eine weitere Herausforderung ist, dass FVK bereits unter geringer Belastung früh zur Faltenbildung neigen und nachfolgend zu Ausschuss beim Verpressen führen. Am Institut für Montagetechnik wurde daher ein aktives Materialführungssystem für die automatisierte Verarbeitung von Organoblech entwickelt. Es besteht aus einem festen Unterrahmen, auf dem drei elektrische Antriebseinheiten befestigt sind. Die Antriebe sind über Gelenkketten mit einem beweglichen Oberrahmen verbunden. Dadurch ist es möglich, diesen für eine Drapierbewegung zu heben, zu senken und zu verkippen. In den Oberrahmen können servo-pneumatische Antriebe mit Zwei-Backen-Parallelgreifern befestigt werden. Diese Krafteinleitungselemente (KEE) induzieren eine Membranspannung in das Fasergewebe, um Falten während der Umformung und im Fertigteil zu verhindern. Durch eine hohe Modularität lässt sich das System an verschiedene Zuschnitts- und Formwerkzeuggeometrien anpassen. Die Anzahl und die Position der KEE werden dabei aufgabenspezifisch simulationsgestützt angepasst und über die Steuerung parametriert.

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In der Prozesskette einer automatisierten Großserienproduktion von Leichtbauteilen aus Organoblech erfolgt zunächst eine Erwärmung des Organoblechs im Ofen. Anschließend wird der formlabile Zuschnitt durch einen Robotergreifer gegriffen und in die Umformstufe transferiert. Zur Minimierung der Abkühlung in der Greifkontaktzone ist der Robotergreifer mit beheizbaren Nadelgreifern von Schmalz ausgerüstet. In der Umformstufe wird das formlabile Organoblech an das Materialführungssystem übergeben. Dabei werden die KEE zuerst im Positionierbetrieb für die Organoblechübergabe aus dem Robotergreifer angesteuert und anschließend für die Vorformbewegung (Phase 3) auf Kraftregelbetrieb umgeschaltet, um die benötigte Membranspannung einzuleiten. In Phase 4 wird unter Aufrechterhaltung der Membranspannung durch die KEE das Formwerkzeug geschlossen und das Organoblechformteil unter Druck konsolidiert.

Für die Berechnung der Materialführungskonfiguration wurde ein FEM-basiertes Modell für den Drapierprozess entwickelt, mit dem für spezifische Bauteilgeometrien die erforderliche Anzahl und Positionen der KEE bestimmt werden. Mittels dieser Drapiersimulationen kann ebenso die zu erwartende Produktqualität, zum Beispiel anhand des Kriteriums der Faserverlaufsgüte, oder eventuell auftretende Fehlstellen, wie Faltenbildung und Faserreißer, vorhergesagt werden.

Umgesetzt wurde der Thermoformprozess mit aktiver Materialführung im Verbundprojekt ProVorPlus am Beispiel einer Batterieunterschale für ein plug-in Hybridfahrzeug. Der Fertigungsprozess wurde dabei zweistufig ausgelegt. Zuerst erfolgt der Drapierprozess der Organoblechschale gefolgt von einem Spritzgussprozess. Nach der Drapierung der Batterieschalengeometrie wird diese für die Weiterverarbeitung im anschließenden Spritzgussprozess besäumt. Im Spritzgießwerkzeug werden dann weitere Formelemente in Form von Rippen im Tunnel-, Flansch und Bodenbereich angespritzt. Anschließend wird eine Aluminium Stützstruktur für die Batteriemodule in und ein Crashrahmen auf die Leichtbau-Batterieunterschale montiert.

Mit Hilfe der aktiven Materialführung und der simulationsgestützten Ermittlung einer geeigneten Materialführungsstrategie gelang es, fehlstellenfreie Exemplare der geometrisch komplexen Batterieunterschale in kurzer Taktzeit herzustellen, die im Vergleich zur Monomaterialvariante aus Aluminiumdruckguss um 22 Prozent leichter ist.

Das Projekt ProVorPlus wurde mit Partnern aus dem Hochschulbereich und der Industrie in der Open Hybrid LabFactory in Wolfsburg durchgeführt. Gefördert wurde dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Forschungscampus „Open Hybrid LabFactory“ und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Für den Inhalt dieser Publikation sind die Autoren verantwortlich.

S. Ibrahin/as


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) © MHI e.V.

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.


Lehrstuhl Montagetechnik (match) der Leibniz Universität Hannover © Lehrstuhl Montagetechnik (match) der Leibniz Universität Hannover

Kurz erklärt: Der match
Der Lehrstuhl Montagetechnik (match) der Leibniz Universität Hannover wurde 2013 von Prof. Dr. Annika Raatz gegründet. Seitdem werden Ideen für die automatisierte und robotergestützte Montage und Handhabung in der Produktion verfolgt. Die Forschungsschwerpunkte sind in den Bereichen Kollaborative Montage, Soft Material Robotic Systems, Handhabungs- und Steuerungstechnik sowie Präzisionsmontage angesiedelt.
www.match.uni-hannover.de

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