Produkte im Einsatz

ACE: Bolzen auf CFK-Leichtbauteilen automatisch fixieren

Dieser PR-Bericht wird Ihnen bereitgestellt von Reis.

Leichtbau und Carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) haben ihren Siegeszug im Flugzeugbau begonnen und verbreiten sich nun sukzessive auch im Fahrzeugbau. Das Unternehmen ACE Advanced Composite Engineering GmbH (ACE), Immenstaad am Bodensee, ist einer der Spezialisten für solche Faserverbundwerkstoffe mit entsprechenden Erfahrungen aus dem Flugzeugbau. Erstmals in der ACE Unternehmensgeschichte der Serienfertigung von CFK Strukturbauteilen für Sportwagen werden diese über einen Roboter mit den notwendigen Befestigungsbolzen versehen. Besondere Herausforderungen waren Prozess-Sicherheit sowie die Programmierung der asymmetrischen Teile.

Roboter im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“, Bauteil wird an der Bolzenposition erwärmt. (Foto: Reis)

Roboter im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“, Bauteil wird an der Bolzenposition erwärmt. (Foto: Reis)

Es geht mehr denn je darum, beim Fahrzeugbetrieb Energie zu sparen und die Performance zu erhöhen, besonders bei Sportwagen. Um Gewicht zu sparen, finden Faserverbundwerkstoffe den Weg in Fahrzeuge. Das reicht vom Sportwagen bis zu vergleichsweise leichten Elektrofahrzeugen. Die ACE GmbH blickt bereits auf 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von entsprechenden Leichtbaustrukturen zurück, denn das Unternehmen ging aus einem früheren Geschäftsbereich von EADS/Dornier hervor. ACE ist nach DIN ISO 9001 und EN 9100 zertifiziert.

Blick in das Fördersystem von der Bearbeitungsseite, Musterbauteil wurde gefertigt. (Foto: Reis)

Blick in das Fördersystem von der Bearbeitungsseite, Musterbauteil wurde gefertigt. (Foto: Reis)

„Im Projekt suchten wir einen erfahrenen Automationspartner, der in der Lage ist, unsere Serienfertigung von Strukturbauteilen für Fahrzeuge zu automatisieren und dabei gleichzeitig sein Prozess-Knowhow einzubringen“, erklärt Benjamin Haller aus der Serienprozesstechnik bei ACE. „Wir fanden mit Reis einen Profi, der uns die notwendige Sicherheit des Prozesses garantieren konnte. Die Spezialisten haben den kompletten Auftrag schließlich als Generalunternehmer und in sehr kurzer Zeit abgewickelt. Insbesondere das umfassende Dienstleistungspaket mit einer Offline-Programmierung der Anlage hat uns die Arbeit wesentlich erleichtert.“

Bolzen setzen auf unterschiedlichen Produktvarianten

Die Strukturbauteile aus Carbonfaser-verstärktem Kunststoff entstehen in einem vorgelagerten Fertigungsprozess bei ACE. Im Folgeschritt müssen auf den dreidimensionalen Körpern unterschiedliche Bolzen dauerhaft und exakt fixiert werden, an denen später unterschiedliche Baugruppen eines Fahrzeugs befestigt werden. Da es insgesamt bis zu sechs Varianten gibt, sollte über Warenträger sichergestellt werden, dass sie alle auf derselben Fertigungslinie bestückt werden können.

Anlage mit klimatisierter Kabine, „Maßgeschneidert“ für das Hallensegment bei ACE. (Foto: Reis)

Anlage mit klimatisierter Kabine, „Maßgeschneidert“ für das Hallensegment bei ACE. (Foto: Reis)

Die Reis GmbH & Co. KG Maschinenfabrik, Obernburg, hat dazu ein umlaufendes System mit Kettenförderung vorgeschlagen und entwickelt, das die Warenträger aufnimmt und damit gleichzeitig als Puffer dient, um den Prozess möglichst kontinuierlich laufen zu lassen. Dazu legt ein Werker in der Zuführungs- und Entnahmestation ein Rohbauteil auf den Bauteilträger und fixiert es mittels Spannern. Das Schließen der Spanner wird mit Sensoren überwacht und nur, wenn alle Spanner geschlossen sind, nimmt die Anlage das Bauteil auf. Die Warenträger werden in der Folge nacheinander dem Roboter in der Bearbeitungsstation zugeführt. Um die Bolzen sicher an den entsprechenden Stellen aufzusetzen, nutzt er zunächst ein Werkzeug mit optischen Sensoren, welche das Bauteil allein anhand seiner Kontur erkennen und dem entsprechenden Programm zuordnen. Dies garantiert höchste Prozesssicherheit an den teuren Bauteilen. Nach dem Vermessen erfolgt ein Werkzeugwechsel. Dem Roboter stehen nun je nach benötigter Bolzenart zwei Setzsysteme zur Verfügung, die er programmgesteuert auswählt.

Roboter im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“, Bauteil wird an der Bolzenposition erwärmt. (Foto: Reis)

Roboter im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“, Bauteil wird an der Bolzenposition erwärmt. (Foto: Reis)

Die Bolzen und das Setzsystem der Stanley Engineered Fastening – Tucker GmbH, Gießen, wurden von ACE beigestellt. Die Verbindung zwischen Bolzen und Bauteil erfolgt über den Flansch eines jeden Bolzens, auf den ein spezieller Klebstoff vorappliziert ist. Induktive Erwärmung des Bolzens lässt den Klebstoff binnen weniger Sekunden vernetzen, so dass direkt nach dem Abkühlen Endfestigkeit erreicht wird. Pro Bauteil werden bis zu 30 Bolzen geklebt. Der Roboter setzt die Bolzen mit höchster Präzision an die entsprechenden Stellen. Schließlich muss jeder Bolzen auf dem dreidimensionalen Teil stets senkrecht zur Oberfläche positioniert werden, um maximale Haftung zu garantieren. Wegen des hohen Anspruchs an den Arbeitsprozess, werden die Bolzen (Schüttgut) in einer über der Anlage befindlichen Kabine klimatisiert gelagert, in Systemen vereinzelt und dem Roboter in zwei Übergabeeinheiten für den Klebevorgang zur Verfügung gestellt. Diese Anlagenauslegung garantiert eine optimale und gleichbleibende Parameterumsetzung, die für diesen Prozess vorgegeben wurde.

Programmerstellung outgesourct

Roboterwerkzeug mit einem Setzsystem der Stanley Engineered Fastening – Tucker GmbH, im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“. (Foto: Reis)

Roboterwerkzeug mit einem Setzsystem der Stanley Engineered Fastening – Tucker GmbH, im Arbeitsprozess „Bolzen kleben“. (Foto: Reis)

Nicht zuletzt, weil die Roboteranlage von Reis die erste ihrer Art bei ACE ist, war die Offline Programmierung bei Reis in Obernburg eine echte Arbeitserleichterung. „Wir brauchten kein Spezialknowhow aufzubauen und konnten uns sicher sein, dass die generierten Programme für den praktischen Einsatz perfekt funktionieren“, ergänzt Benjamin Haller. Daneben erspart uns die Dienstleistung von Reis die Anschaffung der notwendigen Offline-Programme ProVis und RobOffice.“

Folgender Ablauf hat sich bei der Inbetriebnahme der Anlage und bei einer Vorproduktion im Hause Reis bewährt und etabliert: ACE liefert den 3D-Datensatz eines jeden neuen Bauteils. Die Daten werden für die Offline-Programmierung aufbereitet, um danach mit ProVis das Bauteilprogramm zu erstellen. In Abstimmung mit dem Kunden wird danach das Programm vor Ort in die Anlage integriert und ein Musterbauteil gefertigt. Diese Vorgehensweise ermöglicht einen gezielten Bauteilstart mit dem entsprechenden Fachpersonal.

Für einen hohen Anspruch, eine optimal ausgeführte Klebung, der Erfolg einer leistungsfähigen Zusammenarbeit. (Foto: Reis)

Für einen hohen Anspruch, eine optimal ausgeführte Klebung, der Erfolg einer leistungsfähigen Zusammenarbeit. (Foto: Reis)

Der vorstehend skizzierte Ablauf basiert auf den bereits im Vorfeld erbrachten Leistungen von Reis. Dazu gehört insbesondere ein 3D-Simulationsmodell der Anlage, bestehend aus Bearbeitungsstation, Vorrichtung, Bauteil, Warenträger, Roboter, Bolzen sowie Werkzeuge und Messwerkzeuge. Diese waren Voraussetzung für die Bauteilprogrammierung und Vorabnahme der Anlage bei Reis.

Die Möglichkeit, alle im Rahmen der Vorabnahme produzierten Bauteile kurzfristig mit einem 3D-Digitalisierungs-Messsystem (vollflächiges Scannen der Bauteiloberfläche) zu vermessen, gab Reis die Sicherheit, dem Kunden ACE ein optimal eingestelltes System mit der gewünschten Genauigkeit zu liefern.

Reparaturprogramm – der Roboter überprüft das Bauteil

Für die Bauteilfreigabe ein Protokoll aus der 3D-Vermessung. (Abb.: Reis)

Für die Bauteilfreigabe ein Protokoll aus der 3D-Vermessung. (Abb.: Reis)

Eine weitere Besonderheit der Programme ist die Option, auch fehlerhafte Teile zu „reparieren“. Dies betrifft Teile, bei denen – aus welchen Gründen auch immer – ein Bolzen fehlt. Ein Sensor überprüft dann das aufgespannte Teil und fügt fehlende Bolzen ein.

Fazit

Die Verantwortlichen bei ACE zeigen sich überzeugt von der Wahl des Systempartners Reis. So kam beispielsweise die Idee des Fördersystems mit Pufferbereich ebenso von Reis, wie die Sensorik gegen Fehlbedienung. Benjamin Haller: „Reis hat, nachdem wir unsere Wünsche erklärt haben, innerhalb kürzester Zeit Lösungsvorschläge und ein hervorragendes Anlagenlayout entwickelt, dass nicht nur Prozesserfahrung zeigt, sondern dass wir auch 1:1 übernehmen konnten. Besonders erfreulich war schließlich, dass die Genauigkeit der Bolzenfixierung bereits im ersten Probelauf so hoch war, dass nur noch in Details feinjustiert werden musste.“

Diese innovative Art der Fixierung und Bolzentechnik wird nach Ansicht von Willi Schlau, Projektleiter bei Reis, auch in anderen Bereichen der Industrie Einzug halten, wie beispielsweise Konstruktionseinheiten aus dünnen Blechen, bei denen Schweißen nicht möglich ist.

www.ace-composite.de
www.reisrobotics.de