Perfektes Gespann für den Leichtbau

Bereits seit Jahren treibt Dieffenbacher die wirtschaftliche Herstellung von Faserverbundwerkstoffen in der Serienproduktion voran. Der Maschinen- und Anlagenbauer entwickelte nun in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ICT eine Produktionslinie, die endkonturnahe Gelege aus neuartigen Leichtbau-Werkstoffen herstellt und diese im Anschluss zu einem umformbaren Laminat konsolidiert.
Herausforderung

Enge Zusammenarbeit

Bereits seit über 25 Jahren und in den verschiedensten Projekten arbeitet Dieffenbacher inzwischen mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (Fraunhofer ICT) zusammen.

Schnellste Tapelegeanlage der Welt

Ulf Könekamp, Bereichsleiter der Business Unit Industry Automation bei Dieffenbacher, erklärt: „Uns verbindet mit dem Fraunhofer ICT eine langjährige und intensive Partnerschaft, daher arbeiten wir inzwischen für jede Entwicklung im Bereich Kunststoff und Faserverbundwerkstoffe mit ihm als unabhängiges Forschungsinstitut zusammen.“ So geschah das bei der Weiterentwicklung der Tapelegeanlage Fiberforge und auch bei der Neuentwicklung der Fibercon, mit der einzelne Tapegelege mithilfe von Vakuum ohne Lufteinschlüsse stoffschlüssig miteinander verbunden (konsolidiert) werden.

Im Ergebnis konnte die bestehende Maschine zur schnellsten Tapelegeanlage der Welt optimiert werden. Fiberforge fertigt endkonturnahe Tapegelege aus endlosfaserverstärkten UD-Tapes. Dabei werden die glas- oder carbonfaserverstärkten Tapes von Spulen abgerollt, zugeschnitten und auf einem Rundtisch nach einem definierten Muster abgelegt. Pro Tape dauert dieser Vorgang lediglich eine Sekunde. Dank des endkonturnahen Ablegens der einzelnen Tapes können weniger als fünf Prozent Materialverschnitt erreicht werden. Die Fiberforge kann insgesamt vier Spulen aufnehmen, wodurch nicht nur Tapes aus verschiedenen Materialien, sondern auch mit unterschiedlichen Dicken und Breiten innerhalb eines Tapegeleges verarbeitet werden können.

Dr. Sebastian Baumgärtner, Gruppenleiter Thermoplastverarbeitung am Fraunhofer ICT, zeigt auf, was der Materialmix für Vorteile hat: „Durch die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien innerhalb eines Tapegeleges und seiner anschließenden Konsolidierung entsteht ein völlig neuer Werkstoff, durch den sogar Metalle wirtschaftlich substituiert werden können. Und gerade für die Kunden aus der Automobil- oder Luftfahrtbranche ist es ein enormer Wettbewerbsvorteil, wenn sie leichte, aber trotzdem extrem beanspruchbare Faserverbundwerkstoffe einsetzen können, wo bislang zum Beispiel Aluminium im Einsatz war.“ Seit inzwischen einem Jahr steht die Fiberforge in ihrer weiterentwickelten Form zu Forschungszwecken im Fraunhofer ICT in Pfinztal. Sie wird aber auch bereits als Lösung zur Großserienfertigung lokal verstärkter thermoplastischer Bauteile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie genutzt. Größte Herausforderung bei der Fiberforge war die Steuerung und Koordination ihrer insgesamt 27 Achsen und das reibungslose Zusammenspiel aller Komponenten.

Die Besonderheit der Fibercon ist das I/O-System Siplus HCS4300, das die Infrarotstrahler präzise ansteuert, so dass die Temperatur zum Konsolidieren exakt gehalten wird.
Dr. Sebastian Baumgärtner, Gruppenleiter Thermoplastverarbeitung am Fraunhofer ICT

Vakuumunterstützte Konsolidierung der Tapegelege

Aufgrund der intensiven Analyse der kompletten Prozesskette vom UD-Tape zum finalen thermoplastischen Faserverbundbauteil identifizierte das Fraunhofer ICT im Zuge seiner Forschungsarbeit einen Flaschenhals-Prozess, wie Baumgärtner erklärt: „Das Konsolidieren des Tapegeleges ist ein notwendiger Schritt, um eine hohe Qualität des finalen Bauteils und eine reproduzierbare Umformung der Tapes zu erreichen. Wir haben verschiedene Technologien näher untersucht, letztendlich allerdings unsere eigene Technologie der Vakuumkonsolidierung entwickelt.“ Als ergänzende Prozesslinie zur Fiberforge entwickelte Dieffenbacher im vergangenen Jahr darauf basierend die großserientaugliche Fibercon.

 

Mit ihr werden die von der Fiberforge gelieferten Tapegelege zum endkonturnahen Laminat konsolidiert. Dank der Vakuumunterstützung werden Lufteinschlüsse und Fehlstellen im Material minimiert und Oxidationsprozesse unterdrückt, was zu einer ausgezeichneten Qualität des Laminats führt. Bislang gibt es noch keine andere Anlage auf dem Markt, die nach diesem Funktionsprinzip und auf eine so einfache, aber trotzdem reproduzierbare Weise die Tapegelege konsolidieren kann. Bei der Fibercon liegt die Zykluszeit bei ca. 30 Sekunden, je nach Art und Dicke der Materialien des Tapegeleges. Auch bei der Fibercon müssen alle Komponenten reibungslos zusammenarbeiten – von der Steuerung und den I/O-Systemen über die Antriebstechnik bis zu einem modernen Bedienkonzept.    

Kunde

Kompetenter Partner im Bereich Composites

1873 gegründet ist Dieffenbacher bis heute ein unabhängiges Familienunternehmen, geführt in der fünften Generation.    

Mit über 1.700 Mitarbeitern und 16 Produktions- und Vertriebsstandorten weltweit gilt Dieffenbacher mit Hauptsitz im baden-württembergischen Eppingen als einer der führenden Hersteller von Pressensystemen und kompletten Produktionsanlagen für die Holzwerkstoff-, Recycling-, Automobil- und Luftfahrtindustrie. Auf die letzten beiden Branchen hat sich die Business Unit Composites bei Dieffenbacher spezialisiert und ist hier nicht nur kompetenter Ansprechpartner in Sachen Pressen und Produktionsanlagen. Sie ist auch an der Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen beteiligt.

Lösung

Perfektes Zusammenspiel aller Komponenten

Im Hinblick auf das richtungsweisende Thema Industrie 4.0 bedurfte es bei der Fiberforge und der Fibercon eines zuverlässigen Partners im Bereich der Steuerungs- und Automatisierungstechnik. Dieffenbacher vertraute auch hier auf die langjährige Partnerschaft mit Siemens.
Die 27 Achsen der Fiberforge werden mit SIMATIC S7-1517TF gesteuert: Die integrierten Motion Control-Funktionalitäten sorgen für eine exakte Positionierung der Tapes selbst bei hohen Geschwindigkeiten.
Ulf Könekamp, Bereichsleiter der Business Unit Industry Automation bei Dieffenbacher

Mit der Technologie-CPU SIMATIC S7-1517TF funktionierte die Steuerung der 27 Achsen der Fiberforge einwandfrei: Die integrierten Motion Control-Funktionalitäten sorgen für eine exakte Positionierung der Tapes selbst bei hohen Geschwindigkeiten. Zudem ist eine Projektierung in TIA Portal sowohl bei SIMATIC S7-1517TF als auch bei den weiteren verbauten Systemen wie SINAMICS S120, SIMOTICS S Servomotoren oder dem rundum IP65 geschützten SIMATIC Panel PC Pro problemlos möglich. Ein weiterer großer Vorteil, der für Siemens als Systemlieferant sprach, ist die Skalierbarkeit der SIMATIC S7-1500. Somit können Maschinenautomatisierung, Technologie und Sicherheitsfunktionen in einer Steuerung realisiert werden.

Auch bei der Fibercon hat sich Dieffenbacher für eine durchgängige Lösung von Siemens entschieden: Neben SIMATIC S7-1517F sind unter anderem die Heizungssteuerung SIPLUS HCS4300, SINAMICS S120, SIMOTICS S Servo- und Servogetriebemotoren und SIMATIC HMI Comfort Panel im Einsatz. Auch hier ist bei allen Systemen ein einfaches Engineering in TIA Portal möglich.

Das Herzstück der Fibercon ist das I/O-System für Heizapplikationen SIPLUS HCS4300, das die Infrarotstrahler der Fibercon präzise ansteuert. Dies hat den Vorteil, dass sie die optimale Temperatur zum Konsolidieren der Tapegelege sehr schnell erreichen und diese auch exakt halten. „Das trägt zu einer hohen Qualität des Endprodukts bei“, wie Baumgärtner weiß. Da es außerdem digital an die Steuerung angebunden ist, kann dank der Visualisierung leicht ein Temperaturprofil erstellt werden.

Kundenvorteile

Der perfekte Lieferant

Die Steuerung- und Automatisierungslösung aus einer Hand bietet nicht nur zahlreiche Vorteile beim Betrieb der Anlagen, sondern auch beim Warten und der Ersatzteillieferung.
Unsere Maschinen haben eine lange Lebensdauer und es ist wichtig, dass defekte Komponenten auch nach Jahren noch liefer- und austauschbar sind. Deshalb ist Siemens für uns der perfekte Lieferant.
Felix Manger, Entwicklungsingenieur der Business Unit Composites bei Dieffenbacher

Komplette Prozesslinie für die Großserienfertigung

Felix Manger ist Entwicklungsingenieur der Business Unit Composites bei Dieffenbacher und bereits seit vielen Jahren für die Weiterentwicklung der Fiberforge in engem Kontakt mit dem ICT. Er erklärt, worauf es außerdem ankam: „Viele Kunden legen Wert darauf, dass die in den Anlagen verbauten Komponenten aus einer Hand kommen. Dadurch liefern wir ihnen ein konsistentes Automatisierungskonzept, dass sich besser betreiben und besser warten lässt. Außerdem haben unsere Maschinen eine lange Lebensdauer und es ist wichtig, dass defekte Komponenten auch nach Jahren noch liefer- und austauschbar sind. Deshalb ist Siemens für uns der perfekte Lieferant.“

 

Nachdem mit der Entwicklung der Fibercon nun eine Weiterverarbeitung der Tapegelege aus der Fiberforge möglich war, lag für Dieffenbacher der nächste Schritt für die beiden Anlagen auf der Hand: Sie wurden zur Tailored Blank Line kombiniert. Hiermit bietet der Maschinenbauer eine Lösung zur Großserienfertigung lokal verstärkter thermoplastischer Bauteile. Zusammen mit nachgeschalteten Systemen wie Handling Roboter und Umformpressen, ermöglicht die Produktionslinie die Herstellung von mehr als einer Million Bauteilen pro Jahr. Auf lange Sicht gesehen sieht Dieffenbacher ein wichtiges Ziel in der industriellen Produktion für die Tailored Blank Line, wie Felix Manger erklärt: „In der Zukunft soll ein Datenaustausch erfolgen, der es ermöglicht ein Tapegelege automatisiert zwischen Fiberforge und Fibercon zu transferieren in der es anschließend konsolidiert wird. Dieser Datenaustausch stellt der  Fibercon alle notwendigen Prozessdaten zur Verfügung, zum Beispiel die Temperaturen und Zeiten sowie alle Daten zur Qualitätssicherung. Im Sinne des Digitalisierungs-Gedankens werden dadurch sehr schnelle Produktwechsel ermöglicht und diese Prozesse können dann ohne einzelne Maschinenbediener ablaufen.“ An dieser intelligenten Verkettung wird heute schon zusammen mit dem ICT gearbeitet.    

Referenzen

Mehr Effizienz – dank perfekt zugeschnittener Lösungen