Fiber Patch Placement ist das besonders effiziente Produktionsverfahren zur automatisierten Herstellung geometrisch komplexer Faserverbundbauteile. Das Verfahren kommt überall da zum Einsatz, wo Bauteile leicht und fest sein müssen, zum Beispiel in Luftfahrt, Automobilindustrie und Maschinenbau, aber auch medizinische Geräte oder Sportartikel können aus definierten Faserstücken, sogenannten Patches, hergestellt oder mit ihnen verstärkt werden.
Bauteile aus Carbon- bzw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffen (CFK) in Autos oder Flugzeugen
tragen erheblich zur Ressourceneffizienz moderner Fortbewegung bei. Sie sind leicht, eröffnen neue
Konstruktionsfreiräume und lassen platz- und materialsparende Funktionsintegrationen zu. Doch
die Herstellung vor allem von komplex geformten CFK-Bauteilen ist oft ressourcenintensiv, ineffektiv
und damit auch teuer. Stand heute werden die meisten dieser Bauteile manuell gefertigt. Dafür werden
textile Fasermatten in Formwerkzeuge gelegt und anschließend mit einem flüssigen Kunststoff imprägniert
und ausgehärtet. Beim Formen komplexer Geometrien verziehen sich die Fasern jedoch und die Matten werfen Falten. Zudem wird viel von dem wertvollen Rohmaterial verschnitten, landet also im
Abfall.
Das Münchner Unternehmen Cevotec umgeht diese Problematik mit dem Fiber Patch Placement Verfahren: Mit Hilfe industrieller Fertigungsanlagen und einer eigenen CAD-CAM Software werden
komplex
geformte Bauteile in hohen Stückzahlen vollautomatisiert aus kleinen Stücken zusammen gesetzt. Cevotec bringt damit Industrie 4.0 Technologie in den Faserverbund und erhielt dafür unter anderem
von Bayern Kapital und dem High-Tech Gründerfonds ein Millioneninvestment für die Entwicklung und Markteinführung.
Die patch-basierte Produktion besteht aus einem durchgängig vernetzten Prozess vom virtuellen Design bis hin zum Faserbauteil. Cevotecs einfach zu bedienende CAD-CAM-Software ARTIST STUDIO
vereint zwei für den digitalen Entwicklungsprozess wichtige Module: PATCH ARTIST erstellt patch-basierte
Hochleistungslaminate auf Basis eines CADModells. Proprietäre Algorithmen optimieren die Patch-Überlappungen und erhöhen so die mechanischen Eigenschaften der Laminate. MOTION ARTIST
nutzt diese Laminatarchitektur für eine automatische und kollisionsfreie Offline-Programmierung der interagierenden Roboter, die die Faser-Patches schnell und präzise auf die berechneten
Positionen ablegen. Der gesamte Produktionsprozess wird in der Software simuliert und geprüft, bevor das Maschinenprogramm an die Produktionsanlage SAMBA übertragen wird. Das verkürzt die
Produktentwicklung und die Produktionsvorbereitung deutlich und ermöglicht eine schnelle Erstellung neuer Produktionsdaten bei Anpassungen im Faserlaminat.
Die Fertigungsanlage SAMBA erlaubt die integrale Herstellung von komplexen 3D-Bauteilen ohne zusätzliche Umformprozesse. Die Patches werden dabei vollautomatisch aus einem flachen Faserband geschnitten und mit Hilfe von zwei Robotern und einem flexiblen Patchgreifer positionsgenau auf einem Formwerkzeug aufgebracht. Güte und Positionierung der einzelnen Patches werden von Präzisionskameras überwacht und in einem Qualitätsprotokoll festgehalten. Durch die individuelle Orientierung jedes Patches entsprechend der Belastungen im Bauteil werden die mechanischen Eigenschaften der Bauteile um bis zu 150% gesteigert. Durch die additive Fertigung werden zudem bis zu 30 % Material eingespart. Dies garantiert den effizienten Einsatz der kostbaren Kohlenstofffasern im Bauteil und in der Produktion. Cevotec erklärt den Produktionsprozess anschaulich in einem Video:
http://cevotec.com/fpp-technologie/.
Dank seiner Skalierbarkeit erfüllt das Fertigungssystems nahezu jede Produktionsanforderung. In der SAMBA Scale Version verarbeiten die Fertigungszellen bis zu 15 kg Fasern pro Stunde, kombiniert zu Fertigungsstraßen werden Trockenfaserdurchsätze von bis zu 100 kg pro Stunde erreicht. Die Geschwindigkeit bleibt auch bei sehr hoher Bauteilkomplexität konstant. SAMBA Pro, der flexible „Alleskönner“ unter den Produktionsanlagen, fertigt komplex geformte Halbzeuge mit einer Geschwindigkeit von 1 Patch pro Sekunde (2-3 kg Trockenfasern pro Stunde) und eignet sich durch kurze Rüstzeiten und ein Werkzeug-Schnellwechselsystem besonders für die flexible, hochvolumige Chargenfertigung von Bauteilen. SAMBA Step hingegen ist perfekt auf die Erfordernisse von Kleinserien, Prototypenbau und Forschung ausgerichtet, auch in der Preisgestaltung. Ein flexibler Automationsgrad ermöglicht die Anpassung auf die Bedürfnisse von Entwicklern.
Aktuell liegt der Fokus auf der Verarbeitung von Trockenfasertapes sowohl aus Kohlenstoff- als auch aus Glasfasern. Dass 2018 auch die Verarbeitung von vorimprägnierten Faserbändern (Prepreg
Tapes) für den industriellen Einsatz verfügbar sein wird, ist ein weiterer Beleg dafür, dass Fiber Patch Placement alle Voraussetzungen erfüllt, um eine Spitzenposition in der additiven
Herstellung von Faserverbundbauteilen
einzunehmen.
Thorsten Gröne
Managing Director
Cevotec GmbH
089 2314 165 51
thorsten.groene@cevotec.com
www.cevotec.com
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