Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV
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Automatisierte Prepreg-Ablage bei der Produktion von Schalenbauteilen eines Hubschraubers | Projekt »ProAir«

Prepreg-Ablage mit hohem Automatisierungsgrad

Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Werkstoff, der insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automotive-Branche zum Einsatz kommt. Das Rohmaterial, welches meist aus Carbonfasern besteht, wird zu Hochleistungsbauteilen geformt, die größten Belastungen standhalten. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts »ProAir« wurde dafür ein hochautomatisierter Prozess entwickelt, der beispielsweise die Herstellung großformatiger Schalenbauteile für den Hochgeschwindigkeits-Helikopter »Racer« ermöglichte.

Der Herstellungsprozess basiert dabei auf dem sogenannten Automated Fiber Placement (AFP). Jene Entwicklung stellt einen wesentlichen Meilenstein dar, weil einerseits die Bauteilherstellung mittels manueller Prepreg-Ablage bei großen Stukturen zunehmend schwieriger wird und sich andererseits die Automatisierung bei geringen Losgrößen als nicht wirtschaftlich darstellt.

Video zum Automated Fiber Placement bei Helikopter Seitenschalen

Hochautomatisierter Fertigungsprozess auf Basis des Automated Fiber Placement-Verfahrens

Im Rahmen des Förderprogramms wurde am Fraunhofer IGCV eine effiziente Prozesskette auf Basis des Automated Fiber Placement-Verfahrens (AFP) entwickelt, wodurch die großformatigen Schalenbauteile des Racers in einem hochautomatisierten Prozess hergestellt werden konnten. Neben der Entwicklung von Szenarien zur kostengünstigen Herstellung von Teilstrukturen des neuen Hubschraubers wurden dabei folgende Ziele verfolgt:

  • Systematische Analyse der einzelnen Szenarien und Priorisierung bzw. Ausschluss
  • Abbildung des Materialflusses und Flexibilisierung der Produktionskette
  • Validierung der Wirtschaftlichkeit und des ökologischen Impacts

Im Hinblick auf die Herstellung der Schalenbauteile lag die zentrale Herausforderung neben der geometrischen Größe und Komplexität der Bauteile vor allem darin, die Integration von diskreten Sandwichkernen zu bewerkstelligen. Um auch in den Bereichen der Kernrampen eine hohe Laminatqualität zu erzielen, wurde der Legeprozess durch Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen optimiert. Die Referenzkurven ließen sich dabei über Templates lokal anpassen. Dadurch konnte die CAD-basierte Programmierung der Roboterablagepfade als zentrales Element des Manufacturing Engineering Prozesses weiterentwickelt werden.

Fertigungsschritte des AFP Prozesses
© Fraunhofer IGCV
Fertigungsschritte des AFP Prozesses

Ökonomische und ökologische Effizienz durch AFP-Fertigungsverfahren

Im Rahmen der Prozessentwicklung wurde neben den technischen Aspekten ein besonderes Augenmerk auf die ökonomische sowie ökologische Effizienz des neuartigen Fertigungsverfahrens gelegt. In diesem Kontext wurden verschiedene Prozesskettenszenarien entwickelt und anhand relevanter Performance Indikatoren systematisch bewertet. Daraus ergaben sich folgende Vorteile im Vergleich zum Handlaminieren:

  • Umweltfreundliches Verfahren: Verbesserung des ökologischen Fußabdrucks um 8 bis 15 Prozent
  • Effizientes Verfahren: Verringerung des CFK-Produktionsabfalls von 45 auf 20 Prozent
  • Wirtschaftliches Verfahren: 20 Prozent Kosteneinsparungen durch automatisierte Fertigung
  • AFP-Legen ist rentabel ab 12 Bauteilsätzen pro Jahr

Nach der Herstellung der fliegenden Bauteile wurden für die Flugfreigabe des Demonstrators charakteristische Materialkennwerte ermittelt. Neben diesen Permit-to-flight Tests wurden weitere Studien zur Charakterisierung von Sandwichkernverbunden durchgeführt, um diverse Kombinationen aus Kernmaterial und Fertigungsprozess zu bewerten.

Ein Blick in die Zukunft: Automatisierung in weiteren Prozessschritten

Im Hinblick auf zukünftige Forschungsaspekte steht neben der Implementierung optimierter Faserarchitekturen zur Erschließung des vollen AFP/UD-Materialpotenzials die Automatisierung verbleibender manueller Schritte (Einlegen der Kerne, Zwischenkompaktierschritte etc.) im Fokus. Einen weiteren wichtigen Forschungsaspekt stellt die Automatisierung der Konstruktion und der Fertigungstechnik (Template-basierte Programmierung) dar. Zahlreiche weitere Anwendungsfälle mit Automatisierungspotenzial sind denkbar – den zukünftigen Herausforderungen möchten wir gemeinsam mit Ihnen begegnen!

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