Nähroboter für Carbonfasermatten

 
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für das automatisierte Vernähen von Carbonfasermatten mit einer Lagendicke von bis zu 60 mm und einer Nähgeschwindigkeit von über 1 Stich/s; Entwicklung eines neuen Nähkopf angepasst an die spezifischen Anforderungen von CF-Textilien...
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Nähroboter für Carbonfasermatten

Entwicklung des neuen Nähkopfs für das automatisierte Vernähen von CF-Lagenaufbauten und Auslegung des Antriebskonzepts der Nähmaschine anhand der geforderten Prozessparameter

Die A. Liersch GmbH wird als ersten innovativen Kern die Entwicklung des neuen Nähkopfs für das automatisierte Vernähen von CF-Lagenaufbauten übernehmen. Dabei werden die spezifischen, durch die Materialeigenschaften und angestrebte Lagendicke sehr hohen Anforderungen (Eindringtiefen und Kräfte) der neuen CF-Textilien untersucht, die entsprechenden Komponenten des Nähkopfs konstruiert und das Antriebskonzept dafür ausgelegt. Die nähkopfinterne Steuerung wird programmiert und in Zusammenarbeit mit den Partnern die Anbindung an den Manipulator (Software-Schnittstellen und Befestigung des Nähkopfs) entwickelt. Dabei stellen vor allem das Gewicht des Nähkopfs und die auftretenden Vibrationen als Störfaktoren für die Genauigkeit eine Herausforderung dar.
Im zweiten innovativen Kern wird das Unternehmen die Erforschung der Verfahrensparameter hinsichtlich der Fadenverarbeitung und der Nähnadel übernehmen und die Komponenten des Nähkopfs entsprechend auslegen. Dies beinhaltet Maschinenhub, Schlingaufnahme und Schlinghub des Fadens, Anzugs- und Eindringkraft, Eindringtiefe, Ablenkung der Nadel und eine evtl. Beschichtung oder Geometrieanpassung der Nadel. Ein wesentlicher Entwicklungsinhalt ist dabei auch eine Bemessungsmethode für den Verbrauch des Fadens, anhand dessen der Nähvorgang überwacht werden kann. Dazu wird auch die entsprechende Sensorik zur Bestimmung der Eindringkraft, der Nadelablenkung und der Fadenspannung entwickelt und integriert.
Darüber hinaus wird die A. Liersch GmbH den vollständigen Nähkopf als Prototyp konstruieren und fertigen sowie anhand der Testergebnisse hinsichtlich einer hohen Prozessstabilität, Nahtqualität und schnellen Verarbeitungszeit optimieren.

Ausgangssituation
Über zahlreiche Wachstumsbranchen hinweg sind Hightech-Werkstoffe mit hoher Leistungsfähigkeit und geringem Gewicht eines der wichtigsten Entwicklungsziele, nicht nur in der Automobilindustrie, der Luftfahrt, im Maschinenbau und in der Windkraft, sondern auch in der Infrastruktur, der Marine, der Medizintechnik und im Sport- und Freizeitsektor. Faserverbundwerkstoffe sind daher weltweit im Fokus von Forschung und Entwicklung, vor allem da deren Potential, sowohl was die Eigenschaften, die Materialien und den Herstellungsprozess angeht, bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist.
Faserverbundwerkstoffe (FVW) sind Mehrphasen- oder Mischwerkstoffe, die im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten, den verstärkenden Fasern (z. B. Kohle-, Glas- oder Keramikfasern) sowie einer formgebenden, bettenden Matrix (z. B. Kunststoffe, Keramik, Beton oder Metalle), bestehen (vgl. Abbildung 1). Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Gesamtwerkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden beteiligten Einzelkomponenten. So zeichnen sich FVW durch hohe Festigkeit, Steifigkeit und oft hervorragende Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit bei gleichzeitiger niedriger Dichte aus. Durch die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und die Möglichkeit komplexer Formgebung werden FVW heutzutage sehr vielfältig eingesetzt, vor allem aber für den Leichtbau.

Aktuelle Problematik
In der Praxis werden für die Herstellung derartiger FVW-Bauteile aufgerollte CF-Matten eingesetzt, die zu der benötigten Form drapiert (Preforming) und dann mit dem Matrixwerkstoff in verschiedenen Verfahren (Handlaminieren, Vakuuminfusion, Autoklavverfahren etc.) verarbeitet werden. Die Verbindung dieser Lagenaufbauten im Preforming zu großen, dicken und komplexen Strukturen stellt jedoch aktuell ein Problem dar und ist mit automatisierter Nähtechnologie derzeit nicht möglich. Gängige Nähköpfe erreichen weder die notwendige Einstichtiefe noch die erforderlichen Kräfte, die zur Produktion von hochbeanspruchten Strukturen mit den entsprechenden Stabilitätsanforderungen für die Luft- und Raumfahrt nötig sind.
Derzeit findet das Vernähen mit Hilfe eines einfachen Roboterarms mit konventionellem Nähkopf und Dicken des zu vernähenden Lagenaufbaus von 5-6 mm, maximal 10 mm, statt. Die Dicke der einzelnen Lagen beträgt dabei jeweils unter einem Millimeter. Dickere Geflechtmatten und Lagenaufbauten ab einer Stärke von 10 mm, die für mechanisch stark beanspruchte Strukturen nötig sind, können nicht verarbeitet werden. Die Platzierung der Fasermatten erfolgt händisch und muss mit hoher Genauigkeit erfolgen, um Fehler in der Verarbeitung zu vermeiden. Ebenso muss die Bewegung des eingesetzten Roboters für jede Anwendung und für jedes Bauteil aufwändig von Hand programmiert werden. Für das Verfahren ist kein Monitoring vorhanden, d.h. es wird sehr langsam genäht (ca. 1 Stich alle 2 Sekunden) und der Prozess muss ständig von einem Mitarbeiter überwacht werden. Dies liegt vor allem daran, dass der verwendete CF-Nähfaden sich in der nicht dafür ausgelegten Fadenführung verheddert oder zu hohen Zugkräften ausgesetzt ist und dadurch abreißt. Dies passiert sehr häufig, sprich in der Regel alle 1-2 Minuten bzw. nach etwa 50 Stichen, und erfordert immer ein manuelles Eingreifen. Diese Faktoren machen den Prozess äußerst zeitaufwändig, sodass die Produktionsdauer von komplexen Bauteilen aktuell bei bis zu einer Woche liegen kann, was hohe Prozesskosten und eine enorme Personalbindung zur Folge hat. Eine Automatisierung des Vernähens von CF-Lagenaufbauten zu 3D-Preforms ist mit dem aktuellen Stand der Technik nicht möglich.

 

Die Entwicklung

Als grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung des Nähkopfs wird in diesem Schritt die benötigte Linearkraft für die Nähmaschine ermittelt. Diese wird für die folgende Auslegung und Dimensionierung der Komponenten benötigt, wobei im weiteren Projektverlauf eine Anpassung an die Forschungsergebnisse der TUM für die zielgerichtete Entwicklung des Nähkopfs vorgenommen wird. Beim Tufting von CF-Halbzeugen ist es unerlässlich, dass der Nähkopf mit einer konstanten Kraft auf das Nähgut drückt, damit dieses vorkompaktiert wird und es zu einer Stichbildung kommen kann. Aktuell wird eine konstante Kraft von ca. 50 N als ausreichend erachtet, um das Textil in Position zu halten und die Stichbildung bei einer Eindringtiefe von mindestens 60 mm zu gewährleisten. Dies soll in praktischen Versuchen mit einem provisorischen Nähkopf verifiziert werden.

Basierend auf der Voruntersuchung wird in diesem Schritt das Antriebskonzept des Nähkopfs entwickelt. Das Bewegungsdesign der Nadel wird erarbeitet und den Anforderungen des CF-Vernähens angepasst. Entscheidend sind dabei die Berechnung der Kinematik des Koppelgetriebes und die mathematische Modellierung der Nadelbewegung. Die angestrebte Bewegung der Nähnadel ist eine achtförmige Koppelkurve, beispielhaft dargestellt in Abbildung 7. Dabei ist aber zu beachten, dass im Unterschied zu der Abbildung beim Tufting ein möglichst senkrechter Einstich bei gleichzeitigem Vorschub der Maschine um eine Stichlänge nötig ist, weshalb die Kinematik entsprechend angepasst wird. Das kinematische Schema des Getriebes lässt sich in ein Vektornetz überführen, in dem alle beweglichen Maschinenelemente Vektoren zugeordnet sind (vgl. Abbildung 7 rechts). Basierend darauf werden Maschengleichungen aufgestellt und in Abhängigkeit von Faktoren wie den Maßen des Getriebes, der Position des Nadelöhrs oder der Größe des Antriebs gelöst. Aufgrund des neuen Materials mit vollkommen anderen Eigenschaften müssen diese und die folgenden Entwicklungen von Grund auf neu durchgeführt werden.

Basierend auf der ermittelten Kinematik werden dann der Nähkopf und das Getriebe entwickelt. Die Auslegung der Komponenten erfolgt so, dass diese die Durchführung der errechneten Nadelbewegung ermöglichen. Die geeignete Getriebeart, z. B. Räder-, Kurven- oder Kurbelgetriebe, wird festgelegt. Die Kennzahlen des Koppelgetriebes, wie Übersetzung, Antriebsleistung oder Antriebsgeschwindigkeit, werden festgelegt und geeignete Antriebsaggregate analysiert und ausgewählt. Die Antriebs- und Abtriebsachsen werden ausgelegt und die Gliederlängen berechnet. Anschließend wird der vollständige Nähkopf mit allen weiteren Komponenten, wie Bauraum, Befestigungen von Nadel und Getriebekomponenten, Gehäuse mit Verschraubungen, Leitungen usw. konstruiert.

Im nächsten Schritt erfolgt die Entwicklung der Elektronik und der Software der Motoransteuerung der Nähmaschine. Die Elektronik wird passend für die geforderten Kräfte je nach Nadelstärke, die gewählte Übersetzung, Antriebsleistung und -geschwindigkeit ausgelegt. Die Reaktionszeit wird auf die angestrebte Nähgeschwindigkeit von über 1 Stich/Sekunde angepasst. Anschließend erfolgt die Entwicklung der nähmaschineninternen Steuerungssoftware, die alle Bewegungen des Nähkopfs steuert. Dies beinhaltet die Steuerung der Eindringkraft und Bewegung der Nadel, der Ausrichtung des Nähkopfs, des Fadenverbrauchs und der Anzugskraft. Weiterhin werden Systeme zur Bestimmung der Kraft über die Leistungsaufnahme des Motors und zur Errechnung der übermittelten Kraft auf die Linearführung sowie zur Berechnung der Pufferspannung, die für den nächsten Stich bereitgestellt werden muss, Kraft entwickelt. Diese Schritte müssen in Echtzeit durchgeführt werden, weshalb auf eine möglichst effiziente Programmierung zu achten ist.

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Die A. Liersch GmbH wird als ersten innovativen Kern die Entwicklung des neuen Nähkopfs für das automatisierte Vernähen von CF-Lagenaufbauten übernehmen. Dabei werden die spezifischen, durch die Materialeigenschaften und angestrebte Lagendicke sehr hohen Anforderungen (Eindringtiefen und Kräfte) der neuen CF-Textilien untersucht, die entsprechenden Komponenten des Nähkopfs konstruiert und das Antriebskonzept dafür ausgelegt. Die nähkopfinterne Steuerung wird programmiert und in Zusammenarbeit mit den Partnern die Anbindung an den Manipulator (Software-Schnittstellen und Befestigung des Nähkopfs) entwickelt. Dabei stellen vor allem das Gewicht des Nähkopfs und die auftretenden Vibrationen als Störfaktoren für die Genauigkeit eine Herausforderung dar.
Im zweiten innovativen Kern wird das Unternehmen die Erforschung der Verfahrensparameter hinsichtlich der Fadenverarbeitung und der Nähnadel übernehmen und die Komponenten des Nähkopfs entsprechend auslegen. Dies beinhaltet Maschinenhub, Schlingaufnahme und Schlinghub des Fadens, Anzugs- und Eindringkraft, Eindringtiefe, Ablenkung der Nadel und eine evtl. Beschichtung oder Geometrieanpassung der Nadel. Ein wesentlicher Entwicklungsinhalt ist dabei auch eine Bemessungsmethode für den Verbrauch des Fadens, anhand dessen der Nähvorgang überwacht werden kann. Dazu wird auch die entsprechende Sensorik zur Bestimmung der Eindringkraft, der Nadelablenkung und der Fadenspannung entwickelt und integriert.
Darüber hinaus wird die A. Liersch GmbH den vollständigen Nähkopf als Prototyp konstruieren und fertigen sowie anhand der Testergebnisse hinsichtlich einer hohen Prozessstabilität, Nahtqualität und schnellen Verarbeitungszeit optimieren.

Ausgangssituation
Über zahlreiche Wachstumsbranchen hinweg sind Hightech-Werkstoffe mit hoher Leistungsfähigkeit und geringem Gewicht eines der wichtigsten Entwicklungsziele, nicht nur in der Automobilindustrie, der Luftfahrt, im Maschinenbau und in der Windkraft, sondern auch in der Infrastruktur, der Marine, der Medizintechnik und im Sport- und Freizeitsektor. Faserverbundwerkstoffe sind daher weltweit im Fokus von Forschung und Entwicklung, vor allem da deren Potential, sowohl was die Eigenschaften, die Materialien und den Herstellungsprozess angeht, bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist.
Faserverbundwerkstoffe (FVW) sind Mehrphasen- oder Mischwerkstoffe, die im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten, den verstärkenden Fasern (z. B. Kohle-, Glas- oder Keramikfasern) sowie einer formgebenden, bettenden Matrix (z. B. Kunststoffe, Keramik, Beton oder Metalle), bestehen (vgl. Abbildung 1). Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Gesamtwerkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden beteiligten Einzelkomponenten. So zeichnen sich FVW durch hohe Festigkeit, Steifigkeit und oft hervorragende Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit bei gleichzeitiger niedriger Dichte aus. Durch die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und die Möglichkeit komplexer Formgebung werden FVW heutzutage sehr vielfältig eingesetzt, vor allem aber für den Leichtbau.

Aktuelle Problematik
In der Praxis werden für die Herstellung derartiger FVW-Bauteile aufgerollte CF-Matten eingesetzt, die zu der benötigten Form drapiert (Preforming) und dann mit dem Matrixwerkstoff in verschiedenen Verfahren (Handlaminieren, Vakuuminfusion, Autoklavverfahren etc.) verarbeitet werden. Die Verbindung dieser Lagenaufbauten im Preforming zu großen, dicken und komplexen Strukturen stellt jedoch aktuell ein Problem dar und ist mit automatisierter Nähtechnologie derzeit nicht möglich. Gängige Nähköpfe erreichen weder die notwendige Einstichtiefe noch die erforderlichen Kräfte, die zur Produktion von hochbeanspruchten Strukturen mit den entsprechenden Stabilitätsanforderungen für die Luft- und Raumfahrt nötig sind.
Derzeit findet das Vernähen mit Hilfe eines einfachen Roboterarms mit konventionellem Nähkopf und Dicken des zu vernähenden Lagenaufbaus von 5-6 mm, maximal 10 mm, statt. Die Dicke der einzelnen Lagen beträgt dabei jeweils unter einem Millimeter. Dickere Geflechtmatten und Lagenaufbauten ab einer Stärke von 10 mm, die für mechanisch stark beanspruchte Strukturen nötig sind, können nicht verarbeitet werden. Die Platzierung der Fasermatten erfolgt händisch und muss mit hoher Genauigkeit erfolgen, um Fehler in der Verarbeitung zu vermeiden. Ebenso muss die Bewegung des eingesetzten Roboters für jede Anwendung und für jedes Bauteil aufwändig von Hand programmiert werden. Für das Verfahren ist kein Monitoring vorhanden, d.h. es wird sehr langsam genäht (ca. 1 Stich alle 2 Sekunden) und der Prozess muss ständig von einem Mitarbeiter überwacht werden. Dies liegt vor allem daran, dass der verwendete CF-Nähfaden sich in der nicht dafür ausgelegten Fadenführung verheddert oder zu hohen Zugkräften ausgesetzt ist und dadurch abreißt. Dies passiert sehr häufig, sprich in der Regel alle 1-2 Minuten bzw. nach etwa 50 Stichen, und erfordert immer ein manuelles Eingreifen. Diese Faktoren machen den Prozess äußerst zeitaufwändig, sodass die Produktionsdauer von komplexen Bauteilen aktuell bei bis zu einer Woche liegen kann, was hohe Prozesskosten und eine enorme Personalbindung zur Folge hat. Eine Automatisierung des Vernähens von CF-Lagenaufbauten zu 3D-Preforms ist mit dem aktuellen Stand der Technik nicht möglich.

 

Die Entwicklung

Als grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung des Nähkopfs wird in diesem Schritt die benötigte Linearkraft für die Nähmaschine ermittelt. Diese wird für die folgende Auslegung und Dimensionierung der Komponenten benötigt, wobei im weiteren Projektverlauf eine Anpassung an die Forschungsergebnisse der TUM für die zielgerichtete Entwicklung des Nähkopfs vorgenommen wird. Beim Tufting von CF-Halbzeugen ist es unerlässlich, dass der Nähkopf mit einer konstanten Kraft auf das Nähgut drückt, damit dieses vorkompaktiert wird und es zu einer Stichbildung kommen kann. Aktuell wird eine konstante Kraft von ca. 50 N als ausreichend erachtet, um das Textil in Position zu halten und die Stichbildung bei einer Eindringtiefe von mindestens 60 mm zu gewährleisten. Dies soll in praktischen Versuchen mit einem provisorischen Nähkopf verifiziert werden.

Basierend auf der Voruntersuchung wird in diesem Schritt das Antriebskonzept des Nähkopfs entwickelt. Das Bewegungsdesign der Nadel wird erarbeitet und den Anforderungen des CF-Vernähens angepasst. Entscheidend sind dabei die Berechnung der Kinematik des Koppelgetriebes und die mathematische Modellierung der Nadelbewegung. Die angestrebte Bewegung der Nähnadel ist eine achtförmige Koppelkurve, beispielhaft dargestellt in Abbildung 7. Dabei ist aber zu beachten, dass im Unterschied zu der Abbildung beim Tufting ein möglichst senkrechter Einstich bei gleichzeitigem Vorschub der Maschine um eine Stichlänge nötig ist, weshalb die Kinematik entsprechend angepasst wird. Das kinematische Schema des Getriebes lässt sich in ein Vektornetz überführen, in dem alle beweglichen Maschinenelemente Vektoren zugeordnet sind (vgl. Abbildung 7 rechts). Basierend darauf werden Maschengleichungen aufgestellt und in Abhängigkeit von Faktoren wie den Maßen des Getriebes, der Position des Nadelöhrs oder der Größe des Antriebs gelöst. Aufgrund des neuen Materials mit vollkommen anderen Eigenschaften müssen diese und die folgenden Entwicklungen von Grund auf neu durchgeführt werden.

Basierend auf der ermittelten Kinematik werden dann der Nähkopf und das Getriebe entwickelt. Die Auslegung der Komponenten erfolgt so, dass diese die Durchführung der errechneten Nadelbewegung ermöglichen. Die geeignete Getriebeart, z. B. Räder-, Kurven- oder Kurbelgetriebe, wird festgelegt. Die Kennzahlen des Koppelgetriebes, wie Übersetzung, Antriebsleistung oder Antriebsgeschwindigkeit, werden festgelegt und geeignete Antriebsaggregate analysiert und ausgewählt. Die Antriebs- und Abtriebsachsen werden ausgelegt und die Gliederlängen berechnet. Anschließend wird der vollständige Nähkopf mit allen weiteren Komponenten, wie Bauraum, Befestigungen von Nadel und Getriebekomponenten, Gehäuse mit Verschraubungen, Leitungen usw. konstruiert.

Im nächsten Schritt erfolgt die Entwicklung der Elektronik und der Software der Motoransteuerung der Nähmaschine. Die Elektronik wird passend für die geforderten Kräfte je nach Nadelstärke, die gewählte Übersetzung, Antriebsleistung und -geschwindigkeit ausgelegt. Die Reaktionszeit wird auf die angestrebte Nähgeschwindigkeit von über 1 Stich/Sekunde angepasst. Anschließend erfolgt die Entwicklung der nähmaschineninternen Steuerungssoftware, die alle Bewegungen des Nähkopfs steuert. Dies beinhaltet die Steuerung der Eindringkraft und Bewegung der Nadel, der Ausrichtung des Nähkopfs, des Fadenverbrauchs und der Anzugskraft. Weiterhin werden Systeme zur Bestimmung der Kraft über die Leistungsaufnahme des Motors und zur Errechnung der übermittelten Kraft auf die Linearführung sowie zur Berechnung der Pufferspannung, die für den nächsten Stich bereitgestellt werden muss, Kraft entwickelt. Diese Schritte müssen in Echtzeit durchgeführt werden, weshalb auf eine möglichst effiziente Programmierung zu achten ist.

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