Der Rohstoff Carbonfaser wird nicht ohne Grund manchmal als Schwarzes Gold bezeichnet. Er ist teuer, die Weiterverarbeitung zu Gelegestrukturen und schließlich zu carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen (CFK) aufwändig und in Teilen Handarbeit. Deshalb finden sich CFK-Konstruktionen bislang nur in Anwendungen, für die eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht essenziell ist und bei denen die Kosten nachrangig sind. Derzeitige Haupteinsatzgebiete für Kohlenstofffaser sind daher Formel-1-Bolide, Flugzeuge, Schnellboote, Rotorblätter für besonders große Windräder, Satellitenpanels und die Medizintechnik.

Allerdings wandelt sich der Markt gerade grundlegend. Verantwortlich dafür sind Fortschritte, die in den vergangenen Jahren über die gesamte Prozesskette zur Herstellung von Faserverbundstoffen hinweg erzielt wurden. Es spricht vieles dafür, dass das Schwarze Gold und der damit möglich gewordene Leichtbau die Zukunft der Transport- und Logistikindustrie maßgeblich bestimmen wird.

Zu den Schrittmachern unter den Anlagenbauern gehört der renommierte Textilmaschinenhersteller Liba Maschinenfabrik. Auf Basis bewährter Maschinentechnik hat das Traditionsunternehmen die Copcentra MAX 5 CNC für eine besonders wirtschaftliche Produktion textiler Multiaxialgelege aus Kohlenstofffaser entwickelt.

Die Maschine legt Tapes aus gleich ausgerichteten und gespreizten Carbonfasern (Rovings), die entweder direkt an der Maschine oder offline gefertigt wurden, und ordnet sie zu Schichten mit unterschiedlicher Faserausrichtung (multiaxial) an. Die Tape-Stücke werden dabei an ihren Enden von Klemmen festgehalten, die auf zwei Ketten installiert sind. Diese übernehmen den Transport des zwischen 50 und 150 Zoll breiten Geleges durch die etwa 35 Meter lange Anlage.

Hohe Qualität bei hoher Produktivität

Wurden auf diese Weise bis zu sieben Faserlagen übereinander erzeugt, durchläuft das Gelege eine Verfestigungsstation. Dort werden die Schichten im Nähwirken mit Kettfäden vernäht und dann noch ein Stück in den Klemmen fixiert durch die Anlage transportiert, um negative Rückwirkungen auf den Nähvorgang zu verhindern. Danach wird der Rand des Geleges abgeschnitten. Die Ware wird aufgerollt und der in den Klemmen zurückbleibende Abfall abgesaugt. Die Verarbeitung von exakt passend zugeschnittenen Tapes ist maßgeblich für die hohe Effizienz der Multiaxial-Schußeintragsmaschine. Damit wird gegenüber dem sonst üblichen Endlosverfahren vermieden, dass das Tape vor jedem Richtungswechsel während des Legeprozesses ein Stück im Bereich der Klemmen geführt wird, das dann später beim Beschneiden der Ränder als Abfall verloren gehen würde. Dadurch geht die Anlage wesentlich sparsamer mit dem Rohstoff Carbonfaser um als konventionelle Anlagen.
Bei der Herstellung von Kohlenstofffaser-Gelegen sind hohe Produktivität, ein sicherer Fertigungsprozess und eine kontinuierlich hohe Fertigungsqualität gefordert. Für den Einsatz im großen Maßstab ist aber auch eine extreme Flexibilität der Produktionsanlage gefragt, um auf neue oder spezifische Anforderungen eingehen zu können.

Das Unternehmen hat daher eine breite Palette unterschiedlicher Maschinenmodule entwickelt. Dazu zählen Online- und Offlinesysteme zur Fertigung von Carbonbändern, Legebarrensteuerungen mit Linearmotor und Module zur Anfertigung von Null-Grad-Lagen sowie Beschichtungs- und Fixiermodule und vieles mehr. „Wir können die von uns entwickelten Maschinenmodule fast beliebig kombinieren und so eine auf die individuellen Belange maßgeschneiderte Anlage zusammenstellen“, erläutert Rainer Seuß, Verantwortlicher für die Multiaxialtechnik beim Unternehmen. Sein Kollege Wolfgang Jahn, der für die Steuerungstechnik zuständig ist, ergänzt nicht ohne Stolz: „Der Aufwand für die Realisierung der kundenspezifischen Steuerungslösung beträgt jeweils nur einige Mannstunden.“

Dabei enthält die Anlage bereits in der Grundversion 35 reelle und 10 virtuelle Achsen. Der Maschinenbauer hat aber auch schon Anlagen dieser Familie ausgeliefert, die wegen diverser Zusatzmodule mit 65 reellen und 20 virtuellen Achsen arbeiten. Dass das Engineering des Steuerungssystems trotzdem nur wenig Zeit in Anspruch nimmt, verdankt das Unternehmen der durchgängigen Automatisierungslösung von B&R.

65 reelle und 20 virtuelle Achsen

„Seit der Umstellung der Copcentra MAX 5 CNC auf die Automatisierungslösung von B&R, Eggelsberg, Östereich, setzen wir in allen unseren Maschinen die gleiche Antriebs- und Steuerungsarchitektur auf Basis der leistungsfähigen Standardprodukte ein: das Power Panel PP420 als Steuerungs- und Visualisierungsplattform, Antriebe aus der Acopos-Multi-Familie und I/O-Module aus dem X20-System sowie die integrierte Sicherheitstechnik des Automatisierungsspezialisten“, betont Jan Märtin, seines Zeichens Entwicklungs- und Konstruktionsleiter bei Liba.

Der Clou: Auf allen Maschinen läuft das gleiche Softwareprojekt. Die Konfiguration der Anlage und der Automatisierungs-Komponenten wie Achsen, I/O-Module und Sicherheitstechnik erfolgt zur Laufzeit. Die dafür erforderlichen Anlageninformationen liefern XML-Dateien. „Nur so lassen sich die Steuerungslösungen der 60 verschiedenen Maschinen aus unserem Produktportfolio mit 1.000 Varianten bewältigen, die sich zum Teil deutlich voneinander unterscheiden“, urteilt Jahn.

Aber auch für den Anlagenbetreiber hat dieses Konzept klare Vorteile: Für ein Update muss nur das neue Softwareprojekt auf die Steuerung aufgespielt werden, während die Konfigurationsdatei unverändert bleibt. Beim nächsten Hochfahren der Maschine stehen dann alle Neuerungen zur Verfügung. Unabhängig von der eingesetzten Maschine kann so der gesamte Kundenkreis unmittelbar und ohne aufwändige Inbetriebnahme von Weiterentwicklungen der Steuerungs-Software profitieren.

Komplexe Synchronbewegungen mit höchster Präzision

„Ebenso problemlos lassen sich vor Ort Modifikationen an den Maschinen durchführen“, verspricht Jahn. „Einfach die Konfigurationsdatei mit einem beliebigen Texteditor entsprechend der aktuellen Anlagenkonfiguration anpassen und die Maschine neu starten – das war’s.“

Dabei stellt eine Multiaxial-Schußeintragsmaschine besondere Ansprüche an die Steuerungs- und Antriebstechnik. „Die Steuerung muss in der Lage sein, viele Achsen hochgenau und simultan zu verknüpfen, um komplexe Bewegungsabläufe realisieren zu können“, berichtet Seuß. „Dies ist entscheidend, damit wir den Ablageprozess sehr präzise und effektiv gestalten und optimale Ergebnisse im Hinblick auf die Produktionsgeschwindigkeit und Qualität erreichen können.“ Das setzt voraus, dass die Achsen untereinander extrem schnell kommunizieren können und die Bahnkurvensteuerung jederzeit ihre exakte Position kennt.

„Wir haben hier in Verbindung mit der Antriebstechnik und dem schnellen Echtzeit-Kommunikationsbus Powerlink eine optimale Lösung gefunden. Sie vereint Dynamik mit Präzision und bietet uns viele weitere Vorteile, die uns vor dem Wechsel nicht zur Verfügung standen“, ergänzt Jahn.

So nutzt der Maschinenbauer die Möglichkeit eines gemeinsamen Zwischenkreises mit Energierückspeisung, um auch bei Stromausfall für ein absolut synchrones Herunterfahren der Anlage zu sorgen. „Bei der alten Technik bedeutete ein Stromausfall, der in vielen Ländern, in die wir exportieren, fast zur Tagesordnung gehört, dass die Anlage mit großem Zeitaufwand wieder angefahren werden musste“, erklärt Märtin. „Jetzt nutzen wir die vorhandene kinetische Energie, um die Anlage kontrolliert herunterzufahren, sodass sie sofort wieder startbereit ist.“

Breiter Einsatz von Karbonfaser möglich

Reicht die in den Maschinen gespeicherte Energie nicht aus, weil die Achsen zu langsam laufen oder Legebarren-Steuerungen mit Linearmotor zum Einsatz kommen, hat Liba eine kinetische Pufferachse entwickelt, bei der ein Asynchronmotor mit einer Schwungmasse auf eine hohe Drehzahl gebracht wird. Diese Pufferachse hängt am gleichen Zwischenkreis wie die restlichen Antriebe und erhöht daher künstlich die Energie im Zwischenkreis. Sie kann beim Herunterfahren der Maschine genutzt werden.

Zusammen mit den anderen Merkmalen sorgt dies dafür, dass mit der Anlage CFK-Gelege wirtschaftlich produziert werden können. Dem breiten Einsatz der Karbonfaser in Transport und Logistikanwendungen steht daher nichts mehr im Weg.

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Über den Autor

Franz Joachim Roßmann ist freier Journalist aus München. f.rossmann@b2bkommunikation.de