Die nach wie vor üblichen Schablonen zum manuellen Ausrichten flächiger Materialien bei der Herstellung von Verbundwerkstoff-Teilen erfüllen nur noch bedingt die hohen Anforderungen in der Industrie. Die häufig komplexen Formen mit hohen Maßhaltigkeits- und Qualitätsanforderungen erfordern enormen manuellen Aufwand nicht nur für das Ausrichten, sondern auch das Einmessen und die Handhabung der meist unhandlichen Schablonen. Darüber hinaus ist die Herstellung der Schablonen aufwändig und kostspielig. Denn für jede neue Form muss auch eine neue Schablone gefertigt werden. Zudem verschleißen Schablonen mitunter schnell und binden wegen ihrer Größe und Form viel Lagerkapazität. Dies ist gerade in der Entwicklungs- und Prototypen-Phase, in der häufig Änderungen vorgenommen werden müssen, unwirtschaftlich und zeitraubend. Die Produktion flächiger Bauteile mit Hilfe von Schablonen ist aufwändig und wenig flexibel. Und bei fehlerhaft verlegten Matten entsteht bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen grundsätzlich Ausschuss, denn nach dem Verbacken ist das teure Bauteil unbrauchbar.

Laserprojektionen ersetzen manuelle Arbeitsschritte

Die Laserprojektoren von LAP ersetzen die umständlichen Schablonen, indem sie komplexe Konturen millimetergenau auf die Arbeitsfläche projizieren. Um die Kontur auf der Fläche darzustellen, lenken zwei drehbare, softwaregesteuerte Spiegel den Laserstrahl ab. Der Laserpunkt bewegt sich mit sehr hoher Geschwindigkeit auf der Arbeitsfläche, so dass der Eindruck einer geschlossenen Linie entsteht. Die notwendigen Informationen entnimmt das System den CAD-Daten. Speziell für die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen hat der Hersteller das Laserprojektionssystem Concrete Pro entwickelt. Ein Projektionssystem umfasst im Wesentlichen einen oder mehrere Projektoren und einen Rechner mit der Projektionssoftware. Die Software kann selbstständig betrieben oder über eine Schnittstelle in die Maschinensteuerung eingebunden werden. In den meisten Fällen sind die Laserprojektoren senkrecht über der Arbeitsfläche an einer Montagevorrichtung oder an der Decke montiert. Durch die kompakte Bauform, das niedrige Gewicht und die integrierte Schwenkhalterung können die wartungsarmen Projektoren fast überall eingesetzt werden.
Für die präzise 1:1-Projektion ist eine Kalibrierung notwendig. Sie stellt den exakten Bezug zwischen der Projektorposition und der Projektionsfläche her. Dafür scannt das System die so genannten Targets. Das sind Reflektoren, die sich an vorher vermessenen Punkten befinden. Daraus errechnet das System die Lage des Projektors zur Projektionsfläche. Nach der Installation ist nur einmalig eine manuelle Grundkalibrierung notwendig. Im Alltagsbetrieb überprüft das System die Kalibrierung innerhalb weniger Sekunden automatisch. Das schließt Bedienfehler aus und ermöglicht dauerhaft höchste Präzision und Reproduzierbarkeit.
Bei der Entwicklung der Laserprojektoren hat der Hersteller großen Wert auf den komfortablen Einsatz gelegt. So ist ein Projektorwechsel, etwa zur Wartung oder für ein Hardware-Upgrade, mittels nur einer Schraube möglich. Fachpersonal ist dafür nicht notwendig. Das gelieferte Austausch- oder Ersatzgerät passt weiterhin in die bestehende Halterung, ist genauso schnell montiert und kalibriert sich automatisch selbst. Typischerweise dauert der gesamte Vorgang nur wenige Minuten.

Mehr Prozesssicherheit durch Laserprojektionen

LAP ist der einzige Hersteller von Laserprojektoren, die drei Farben gleichzeitig abbilden können. Dadurch lassen sich bestimmte Bereiche hervorheben, die besonders beachtet werden müssen. Durch den Wechsel der Farbe von Rot nach Gelb oder Grün kann das System ebenso signalisieren, welche Teile die Facharbeiter noch bearbeiten müssen, welche Teile in Arbeit oder bereits fertig sind. Hilfreich ist es aber auch, die Farbe zu wählen, bei der die Kontur auf dem Grundmaterial am besten zu sehen ist. Die zweite Farbe (etwa Rot) kann beispielsweise die Umrisse von Aussparungen nach dem Bestücken der Schalungselemente anzeigen, ob sich diese am richtigen Platz befinden. Und die dritte Farbe kann beispielsweise eine Teilenummer angeben.
Die zum Projektionssystem zugehörige Software Pro-Soft weist eine Reihe von arbeitserleichternden Funktionen auf: Übernahme der CAD-Daten, Übergabe der Steuersignale an den Projektor, Digitalisieren von Bauteilen, automatische Kalibrierung und natürlich die Visualisierung der Konturen. Die Software kann sogar komplette Arbeitsabläufe steuern und kontrollieren. Dieses besondere Feature erweist sich vor allem bei komplexen Arbeitsvorgängen wie der Herstellung von Verbundwerkstoffen als eine enorme Entlastung der Anwender. Außerdem ist es ein komfortables und verlässliches Qualitätssicherungs-Werkzeug. Die speziellen Systeme bei der Software für Verbundmaterialien projizieren die exakte Position der jeweiligen Matten oder Teile und eine eindeutige Identifikationsnummer. Schrittweise leitet das System die Arbeiter durch die Produktion der Verbundwerkstoffe und vergisst keine Teile. Zudem werden die einzelnen Arbeitsschritte dokumentiert.

Prozessoptimierung in der Flugzeugherstellung

Der Flugzeughersteller Airbus beispielsweise optimiert mit solchen Laserprojektoren die Effizienz der Fertigung von carbonfaserverstärkten Bauteilen für Flügel, Rumpf und Leitwerk des neuen Airbus A350 XWB. Erstmals verwendet der Flugzeughersteller hier carbonfaserverstärkte Werkstoffe auch für Komponenten des Rumpfes und der kompletten Flügel. Das reduziert das Gewicht und somit den Treibstoffverbrauch der über 65 Meter langen Flugzeuge mit einer Spannweite von mehr als 60 Metern erheblich. Insgesamt 220 Laserprojektionssysteme hat Airbus bestellt.
Beim Aufbau von Carbonfaserteilen projizieren die Laserstrahlen die Lage der einzelnen Carbonfasermatten. Das spart Zeit und Geld, weil das Ausrichten der Teile mit den unhandlichen Schablonen und das umständliche Einmessen entfallen. Zusätzlich kann die korrekte Lage und Ausrichtung der Carbonfasermatten überprüft werden. Nach dem Legen der Matte zeigt die zweite Farbe, ob sie auch korrekt positioniert ist. So lassen sich Fehler in der Produktion quasi ausschließen.
In der Fertigung leiten die Projektoren die Mitarbeiter Schritt für Schritt durch den gesamten Aufbau der Bauteile. Wie in einem elektronischen Plybook (Schichtenbuch) werden die einzelnen Arbeitsschritte wie das Positionieren der Carbonfasermatten oder das exakte Markieren von Rippenstrukturen, Honeycombs und anderen Einbauelementen in der richtigen Reihenfolge angezeigt. Alle Elemente befinden sich somit zur richtigen Zeit am richtigen Ort, geprüft und dokumentiert.
Für die Bearbeitung großer Teile eignet sich das Multi Head-System. Mehrere Projektoren, deren Arbeitsbereiche überlappen, überspannen die gesamte Länge. Der Größe der Arbeitsplätze beziehungsweise Bauteile sind somit nahezu keine Grenzen gesetzt. Das Multitasking-Feature der Projektionssoftware macht es möglich, für unterschiedliche Arbeitsgruppen jeweils die Kontur anzuzeigen, mit der sie gerade arbeiten. Dabei können alle Teams vollkommen unabhängig voneinander agieren.

Anwendung bei Fertigung von Rotorblättern

Ähnlich wie beim Flugzeugbau nutzen auch Hersteller von Rotorblättern leichte und hochfeste Materialien wie zum Beispiel Glasfasermatten. Für Rotorblätter mit einer Länge von bis zu 65 Metern ist das Multi Head-System eine Arbeitserleichterung, denn damit lassen sich die Rotorblätter auf ganzer Länge millimetergenau und mit höchster Reproduzierbarkeit herstellen. Dafür wurde LAP als Hersteller der Laserprojektionssysteme als erstes Unternehmen vom Germanischen Lloyd für die optische Projektion bei der Herstellung von Rotorblättern zertifiziert. Konkret ging es um die digitale Laserschablone Composite Pro für Verbundwerkstoffe. Für die Anwender dieser Projektionssysteme bedeutet das ein weiteres Plus an Sicherheit im Prozess.

Kosteneffizienz
Schnellere Fertigung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen

Laserprojektionssysteme erzeugen Punkte, Linien, Kreuze oder beliebig geformte Umrisse wie maßstabsgerechte Formen aus CAD-Daten, und zwar mit sehr hoher Genauigkeit. Die gut sichtbaren roten oder grünen Laserlinien werden genutzt, um Produkte oder flächige Bauteile wie Carbon- oder Glasfasermatten zu platzieren oder auszurichten. Die langsame und fehleranfällige Arbeit mit Schablonen wird
dadurch überflüssig –  und sie müssen auch nicht mehr hergestellt, gelagert und verwaltet werden. Zusätzlich optimiert die Laserprojektion die Arbeitsabläufe (Kontrolle von Arbeitsschritten, Ply-Placement-Verification) und verbessert die Qualität durch sofortige optische Kontrolle. Die Laserprojektionen vermindern also den Zeitbedarf und ermöglichen eine effizientere Nutzung von Material und Maschinenzeiten. So senken sie die Kosten bei gleichzeitig erhöhter Genauigkeit und Qualität. Ein wichtiger Einsatzbereich dieser Laserprojektionssysteme liegt in der Fertigung von Carbon- oder Glasfaserbauteilen in der Luftfahrt- und Fahrzeugindustrie, in der Produktion von Rotorblättern für Windenergieanlagen oder im Bootsbau.

 

Autor

Über den Autor

Thomas Lübke