Ob im Laufschuh oder im Automobilbau – Kunststoffkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen sind gefragt. Bionisch optimierte Verstärkungsstrukturen machen die Kunststoffteile besonders leicht, stabil und langlebig. Um solche bionischen Faserverbundstrukturen (FVK) künftig effizient und in Großserie herstellen zu können haben Dr. Thomas Rettenwander und Johannes Mandler, die beiden Gründer des österreichischen Start-ups Fibionic GmbH, ein höchst innovatives Verfahren entwickelt.
„Unser Ziel war es, ein möglichst effizientes Produktionsverfahren für Faserverbundstrukturen zu entwickeln und damit den bionischen Designansatz in die Großserienproduktion zu bringen“, erklärt Dr. Thomas Rettenwander, der sich bereits in seiner Dissertation mit Auslegungsmethoden zur Berechnung bionischer Faserverbundstrukturen beschäftigt hat. Gemeinsam mit dem Automatisierungsexperten Johannes Mandler hat er diese Ideen mit dem Fibionic Fiber Placement, kurz FFP, in nun ein großserientaugliches Verfahren überführt.
Bis zu 50 Mal schneller
Das Revolutionäre: Im Gegensatz zu anderen Verfahren positioniert Fibionic alle Rovings einer Lage auf einen Schlag, innerhalb von nur 1,5 Sekunden. Damit ist FFP bis zu 50 Mal schneller als herkömmliche Verfahren, bei denen einzelne Rovings aufgestickt oder einzelne Tapestücke abgelegt werden. Dank eines ebenfalls neu entwickelten parallelisierbaren Konsolidierverfahrens lassen sich Halbzeuge im Minutentakt produzieren.
Die ultrakurzen Taktzeiten ermöglichen es, einen durchgängigen Produktionsprozess, vom Roving bis zum umgeformten Halbzeug auf einer Fläche von nur 15 Quadratmeter abzubilden. Johannes Mandler: „Unsere FFP-Anlagen lassen sich somit direkt in eine Spritzgusslinie integrieren. Und wir kommen mit Werkzeugkosten aus, die bis Faktor 10 unter denen konventioneller Verfahren liegen.“
Präziser und schneller Roboter
Der entscheidende Unterschied zu bekannten Verfahren liegt darin, dass beim FFP alle zur Verarbeitung ausgewählten Hybridgarne zeitgleich verarbeitet werden. Die Garnspulen für jeden Roving befinden sich aufgereiht in einem Gatter an der Stirnseite. Im ersten Schritt werden die Rovings von einer eigens entwickelten Mechanik exakt in der benötigten Länge in die Anlage gezogen und zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. Im nächsten Schritt müssen alle Rovings einer Lage zeitgleich in einem Werkzeug positioniert und ausgerichtet werden.
Alle weiteren taktzeitentscheidenden Handhabungsschritte obliegen einem Sechsachsroboter TX2–90XL von Stäubli. Der schnelle und präzise Roboter entnimmt die ausgerichteten Rovings mit einem speziellen Multifunktionsgreifer aus dem Werkzeug und legt sie auf einer Handlingplatte ab. Mit höchster Dynamik wiederholt der Sechsachser diesen Vorgang, bis die gewünschte Lagenanzahl erreicht ist.
Komplexes Mehrfachgreifsystem
Um das komplette Aufgabenspektrum abzudecken, hat Johannes Mandler den Roboter mit einem komplexen Mehrfachgreifsystem ausgestattet. Damit kann der TX2–90XL auch die fertig bestückte Platte mit den abgelegten Rovings greifen und in der Konsolidierstation ablegen. Ist das abgekühlte Halbzeug nach dem Konsolidieren von der Handlingplatte gelöst, übernimmt der Roboter deren Rückführung in die Ausgangsposition. Zu guter Letzt erfolgt der Randbeschnitt des 2D-Bauteils unter Einhaltung sehr enger Toleranzen und erst ganz zum Schluss das abschließende Thermoformen zum finalen Halbzeug.
„Ohne die beeindruckende Performance des Stäubli Roboters hätten wir unser Verfahren in dieser Form und mit diesen kurzen Taktzeiten nicht realisieren können. Der Sechsachser erfüllt die hohen Geschwindigkeits- und Präzisionsanforderungen unserer Handlingoperationen mit Bravour“, lobt Johannes Mandler. „Andererseits sind wir vom Stäubli Kundensupport und der offenen Herangehensweise gegenüber Start-ups begeistert.“ Dass Stäubli der FFP-Technologie von Fibionic großes Potential attestiert, unterstreicht die Verleihung des Best-Awards in der Kategorie Start-up beim Partner Event Austria.
Fördermittel und Innovationspreise
Mittlerweile darf sich Fibionic über weitere Innovationspreise ebenso freuen wie über staatliche Fördergelder, hier vor allem über das Seedfinancing – Deep Tech des AWS (Austria Wirtschaftsservice). Kein Wunder: Immerhin handelt es sich beim Fibionic fiber placement nach Aussage seiner Entwickler um die welt-weit erste großserientaugliche Technologie zur Produktion von lastpfadoptimierten Verstärkungs-strukturen aus Endlosfasern. Dabei ermöglicht es FFP, das Bauteilgewicht um bis zu 50 Prozent zu reduzieren und somit die Produktperformance signifikant zu verbessern.
Auch in Sachen Nachhaltigkeit kann diese Technologie punkten: Da Verstärkungsfasern im Lastfluss in Bauteilen eingebracht werden, kann das Potential des Materials optimal ausgenutzt werden, was den Materialeinsatz signifikant reduziert. Außerdem erlaubt die Fibionic-Technologie eine Produktion nahezu ohne Fertigungsabfälle. Und: Durch das geringe Gewicht der Fibionic Strukturen sind auch im Betrieb signifikante Energieeinsparungen und damit verbunden CO2-Reduktionen garantiert. Zu guter Letzt sind die thermoplastischen FKV am Ende ihres Lebenszyklus recycelbar.
„Somit kann unsere FFP-Technologie über alle Lebenszyklen hinweg einen Beitrag zu nachhaltigeren Produkten leisten. Der vielleicht größte Vorteil für unsere Kunden besteht aber darin, dass wir dank des geringen Materialeinsatzes und der schnellen, gut automatisierbaren Fertigung bionische Verstärkungsstrukturen besonders kostengünstig anbieten können“, so Dr. Thomas Rettenwander abschließend.
Stäubli Tec-Systems GmbH
https://www.staubli.com/de/de/robotics.html
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