Lehrstuhl für Betriebswissenschaften und Montagetechnik der Technischen Universität München Automatisierte Montage von Faserverbund-Vorformlingen Claudia Anna Ehinger Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung eines akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Zäh Prüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Drechsler Die Dissertation wurde am 01.06.2012 bei der Technischen Universität München ein- gereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 25.09.2012 angenommen. Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissen- schaftliche Mitarbeiterin am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswis- senschaften (iwb) der Technischen Universität München. Mein besonderer Dank gilt den beiden Leitern des Instituts, Herrn Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart und Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh, für die wohlwollende Förderung und die großzügige Unterstützung meiner Arbeit. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, dem Leiter des Lehrstuhls für Carbon Composites der Technischen Universität München, möchte ich mich für die Übernahme des Korreferats und die sorgfältige Durchsicht meiner Arbeit sehr herzlich bedanken. Darüber hinaus gilt mein Dank allen Kollegen/-innen und Projektpartnern, mit denen ich während meiner Zeit am Institut zusammenarbeiten durfte und die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unterstützt haben. Allen Studierenden, die ich während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin betreut habe und die mich bei der Umsetzung dieser Arbeit unterstützt haben (siehe Kapi- tel 11), möchte ich meinen besonderen Dank für ihre geleistete Arbeit ausspre- chen. Weiterhin bedanke ich mich ganz besonders bei meinen Eltern und meinem Mann Toni für ihre Geduld und immerwährende Unterstützung in allen Belan- gen. Sie haben mir den notwendigen Rückhalt für die Erstellung dieser Arbeit gegeben. Augsburg, im Mai 2012 Claudia Ehinger Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1  Einleitung .............................................................................................. 1  1.1  Bedeutung der Faserverbundtechnologie vor dem Hintergrund aktueller Entwicklungen ........................................................................................ 1  1.2  Grundlagen der Faserverbundtechnologie .............................................. 3  1.3  Motivation und Ziel der Arbeit ............................................................... 6  2  Situationsanalyse .................................................................................. 9  2.1  Automatisierungshemmnisse .................................................................. 9  2.2  Stand der Forschung und Technik ........................................................ 12  2.2.1  Allgemeines ...................................................................................... 12  2.2.2  Möglichkeiten der Bauteilklassifizierung ........................................ 13  2.2.3  Greif- und Montagesysteme für formlabile Bauteile ....................... 15  2.2.3.1  Handhabungssysteme für ebene, formlabile Bauteile................ 16  2.2.3.2  Abrollende Greif- und Drapiersysteme ...................................... 19  2.2.3.3  Systeme zur dreidimensionalen Verformung und Montage von formlabilen Bauteilen ................................................................. 23  2.2.4  Planungswerkzeuge und -methoden für die Montage von formlabilen Bauteilen ........................................................................................... 31  2.2.5  Realisierung einer durchgängigen Prozesskette ............................... 34  2.2.6  Fazit .................................................................................................. 37  2.3  Präzisierung der Aufgabenstellung ....................................................... 40  2.4  Systemeingrenzung ............................................................................... 41  I Inhaltsverzeichnis 3  Anforderungen an eine automatisierte Montage von Faserverbund-Preforms .................................................................... 43  3.1  Allgemeines .......................................................................................... 43  3.2  Technische Anforderungen ................................................................... 44  3.3  Wirtschaftliche Anforderungen ............................................................ 46  4  Methodik zur Realisierung einer automatisierten Montage von Faserverbund-Preforms .................................................................... 49  4.1  Angestrebtes Zielszenario und abgeleitete Arbeitsschwerpunkte ........ 49  4.2  Methodik zur automatisierten Montage von Faserverbund-Preforms .. 51  4.3  Referenzszenario .................................................................................. 53  4.4  Vorgehen zur Realisierung eines Montagewerkzeuges ........................ 55  4.4.1  Geometrische Analyse des Lagenaufbaus ........................................ 55  4.4.2  Anforderungsgerechte Auswahl eines Werkzeugkonzepts .............. 59  4.4.2.1  Entwicklung neuartiger Montagewerkzeuge ............................. 59  4.4.2.2  Konzeption modularer Montagewerkzeuge .............................. 66  4.4.2.3  Absicherung mit Hilfe von Funktionsmustern .......................... 68  4.4.2.4  Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Montagewerkzeuges . 70  4.4.2.5  Auswahl eines passenden Montagewerkzeuges ........................ 72  4.4.3  Festlegung der Drapierstrategie ....................................................... 74  4.4.4  Aufgabenspezifische Gestaltung eines Montagewerkzeuges .......... 77  4.4.5  Festlegung der Anlagenperipherie ................................................... 82  4.5  Vorgehen zur rechnergestützten Offline-Programmierung des Montagewerkzeuges ............................................................................. 84  4.5.1  Notwendigkeit der aufgabenorientierten Bahnplanung ................... 84  4.5.2  Definition von Legekurven .............................................................. 85  II Inhaltsverzeichnis 4.5.3  Umsetzung der aufgabenorientierten Bahnplanung ......................... 87  4.6  Zusammenfassung und Diskussion ....................................................... 90  5  Versuchsanlage zur automatisierten Montage von Faserverbund- Preforms ............................................................................................. 93  5.1  Allgemeines .......................................................................................... 93  5.2  Realisierung des Montagewerkzeuges für einen automatisierten Fertigungsprozess ................................................................................. 94  5.2.1  Konzeption des Montagewerkzeuges ............................................... 94  5.2.2  Konzeptabsicherung mit Hilfe von Funktionsmustern ..................... 95  5.2.2.1  Versuchsziele ............................................................................. 95  5.2.2.2  Funktionsmuster zur Überprüfung des zylinderförmigen Basiskonzepts ............................................................................. 96  5.2.2.3  Ergänzendes Funktionsmuster zum Drapieren von konkaven Winkeln ...................................................................................... 99  5.2.2.4  Zusammenfassung der Versuchsergebnisse ............................. 101  5.2.3  Auslegung ausgewählter Einzelkomponenten ................................ 102  5.2.3.1  Drapiereinheit .......................................................................... 102  5.2.3.2  Trägereinheit ............................................................................ 105  5.2.4  Strömungssimulation des Gesamtkonzepts .................................... 106  5.2.4.1  Allgemeines ............................................................................. 106  5.2.4.2  Vorversuche an einer prototypischen Drapiereinheit .............. 106  5.2.4.3  Strömungssimulation ausgewählter Submodule ...................... 111  5.2.4.4  Auswahl eines Vakuumerzeugers ............................................ 113  5.2.5  Umsetzung eines roboterbasierten Endeffektors ............................ 116  5.2.5.1  Mechanischer Aufbau .............................................................. 116  5.2.5.2  Sensorintegration ..................................................................... 117  III Inhaltsverzeichnis 5.2.5.3  Ansteuerungstechnik ............................................................... 120  5.3  Aufbau einer Versuchsanlage ............................................................. 122  5.3.1  Komponenten der Versuchsanlage ................................................. 122  5.3.2  Simulative Absicherung der Versuchsanlage................................. 124  5.4  Umsetzung der aufgabenorientierten Bahnplanung zur rechnergestützten Offline-Programmierung des Montagewerkzeuges ............................................................................................................ 127  5.4.1  Allgemeines .................................................................................... 127  5.4.2  Erstellung der Lege- und Aufnahmekurven ................................... 128  5.4.3  Assistentenunterstützte Offline-Programmierung des Montagewerkzeuges ....................................................................... 130  5.4.3.1  Aufgaben der Programmierumgebung .................................... 130  5.4.3.2  Programmablauf zur aufgabenorientierten Bahnplanung ........ 131  5.4.3.3  Besonderheiten bei der Bahngenerierung ................................ 135  6  Praxisbeispiel und technische Bewertung anhand von industriellen Referenzbauteilen ............................................................................ 141  6.1  Allgemeines ........................................................................................ 141  6.2  Untersuchung der Prozessphasen ....................................................... 142  6.2.1  Aufnahme und Transport ............................................................... 142  6.2.2  Drapieren ........................................................................................ 144  6.3  Positioniergenauigkeit ........................................................................ 147  6.4  Prozesszeitbestimmung ...................................................................... 149  6.5  Lautstärkemessung ............................................................................. 150  6.6  Energieverbrauch ................................................................................ 151  6.7  Weiterführende Untersuchungen ........................................................ 152  IV Inhaltsverzeichnis 7  Wirtschaftliche Bewertung des Gesamtsystems ........................... 155  7.1  Allgemeines ........................................................................................ 155  7.2  Betrachtete Szenarien und Annahmen ................................................ 156  7.3  Wirtschaftliche Bewertung ................................................................. 160  7.4  Fazit ..................................................................................................... 162  8  Schlussbetrachtung .......................................................................... 163  8.1  Zusammenfassung .............................................................................. 163  8.2  Ausblick .............................................................................................. 165  9  Literaturverzeichnis ........................................................................ 169  10  Anhang .............................................................................................. 189  10.1  Technische Anforderungen ................................................................. 189  10.2  Auswahl von Wirkprinzipien .............................................................. 189  10.3  Aufbau einer Drapiereinheit und Variationsmöglichkeiten der integrierten Submodule ....................................................................... 195  10.4  Spezialgeometrien ............................................................................... 195  10.5  Bewertung der Basiskonzepte ZF und MRD gemäß VDI 2225 ......... 196  10.6  Exemplarische Nachdrapierwerkzeuge ............................................... 197  10.7  Versuchsergebnisse des zylinderförmigen Funktionsmusters ............ 197  10.8  Bewertungsergebnisse des Funktionsmusters zum Drapieren von konkaven Winkeln .............................................................................. 198  10.9  Erfassung der Heizfeldtemperatur ...................................................... 198  10.10  Drapierstrategie der Referenzbauteile Spant und Diaphragm ............ 199  10.11  Schritte des Drapierassistenten ........................................................... 200  10.12  Datenblatt einer Beispiellage .............................................................. 202  V Inhaltsverzeichnis 10.13  Materialabhängige Standardparameter für die Prozessphasen ........... 203  10.14  Positioniergenauigkeit beim Drapieren einer ebenen Lage des Referenzbauteils Panel ....................................................................... 203  10.15  Taktzeitabschätzung ........................................................................... 204  10.16  Abschätzung des Wiederbeschaffungswertes ..................................... 205  11  Verzeichnis betreuter Studienarbeiten .......................................... 207  VI