Die Umstellung von manuellen zu automatisierten Fertigungsverfahren ist von grundlegender Bedeutung, wenn Kosten für Arbeit, Formenbau und Material sinken und so die Profite steigen sollen. Dabei gibt es verschiedene Aspekte zu berücksichtigen: Die Arbeitskosten sind in hochentwickelten Volkswirtschaften üblicherweise hoch. Günstigere Schwellenländer hingegen locken mit der Möglichkeit, Kosten zu sparen. Allerdings sind gerade im Bereich der Verbundwerkstoffe geeignete Fähigkeiten und entsprechend qualifizierte Fachkräfte wichtig. Komplexe Technologien erfordern spezielle Ausbildung und Kenntnisse. Wenn Mitarbeiter häufig wechseln, nicht die benötigten Spezialfertigkeiten besitzen, nicht ausreichend ausgebildet oder schlecht bezahlt werden, kann die Qualität eines Produkts leiden.

Kosten sind immer ein wichtiger Punkt im Zusammenhang mit Mitarbeitern, der Herstellung oder dem Transport. Die Fertigung eines Produkts an weit entfernten Orten zum Beispiel treibt die Transportkosten in die Höhe. Das gilt beispielsweise auch für Rotorblätter für Windanlagen, die 40 bis 60 Meter lang sein können. Damit gehen Einsparungen, die durch günstige Löhne in billigeren Ländern erzielt wurden, zu großen Teilen – wenn nicht sogar komplett – wieder verloren. Auch in Bezug auf Materialkosten lassen sich Einsparungen erzielen: Zum Beispiel durch den Einsatz von automatisierten Systemen, die den Menschen als Arbeitskraft unterstützen, ergänzen oder sogar ersetzen. Die Genauigkeit eines automatisierten Systems sorgt für exakte Fertigungsplanung und präzise Ausführung. Klar ist: Prozesse müssen digitalisiert werden, daran führt kein Weg vorbei. Aber was sind die Schlüsselelemente dafür?

Ein Mastermodell ist unerlässlich

Eine Grundvoraussetzung für einen effizienten, automatisierten Fertigungsprozess ist ein System für die Produktentwicklung, das ein vollständiges und detailliertes digitales Mastermodell eines Komposit-Bauteils erzeugt. Das geschieht mithilfe eines 3D-CAD-Systems. Es ist entscheidend, dass das digitale Modell eines Produktes aus Verbundwerkstoff, in unserem Fall eines Rotorflügels, alle Informationen enthält, die für eine fehlerfreie Herstellung nötig sind. Dazu gehören Definitionen sämtlicher Laminate und Schichten, entsprechende Schnittmuster, Produktionsabläufe und -schritte, exakte Definitionen der Kernelemente sowie der Schnittstellen aneinander gefügter Teile. Diese Informationen gestatten eine nahtlose Zusammenarbeit zwischen Konstruktion und Fertigung.

Ein solches Mastermodell muss auch sogenannte Produzierbarkeitssimulationen oder Simulationen der Herstellungsprozesse ermöglichen: Ob Härten von Prepreg-Lagen, trockenes Auflegen für spätere Harzinfusion oder andere Fertigungsmethoden. Auf der Basis solcher Machbarkeitssimulationen können die Ingenieure für Kon-struktion und Fertigung mögliche Schwierigkeiten bei dem Herstellen vorausberechnen. Dabei kann es sich zum Beispiel um Faltenbildung oder Aufwölbungen im Gewebe handeln. Diese können während des Laminierens entstehen, wenn sich das Material beim Einlegen in die Flügelform verzieht. Solche Probleme lassen sich dank der präzisen Voraussage durch die Simulationssoftware bereits früh lösen, ohne dafür zahlreiche teure Prototypen erstellen zu müssen und dadurch den Entwicklungsprozess zu verzögern.

Die Daten, die aus dem Mastermodell gewonnen werden, beeinflussen alle weiteren Produktionsvorgänge. Sobald das Mastermodell in der Kon-struktionsabteilung erstellt ist und an die Produktion übergeben wurde, werden alle nötigen Datensätze für die Herstellung in die Fertigung gegeben – dann können die Bauteile produziert werden. Alle Schnittmustervorlagen gehen zum Beispiel an ein Verschachtelungs- oder Schneidesystem für den automatischen Gewebezuschnitt. Im Vergleich zum manuellen Zuschnitt lässt sich so viel Zeit sparen, außerdem sind die Zuschnitte genauer und besser reproduzierbar.

Ein Mastermodell bietet noch weitere Vorteile: Daten für die Laserprojektion, also im Grunde die 3D-Kontur einer Lage, lassen sich exportieren und mit einem Laserprojektor auf die Oberfläche der Form projizieren. Den Arbeitern fällt es dadurch leichter, die passenden Gewebelagen auszuwählen und beim Einlegen in die Form die korrekte Abfolge, Platzierung und Ausrichtung einzuhalten. Kostspielige Fehler werden vermieden und Zeit wird eingespart, die sonst mit Änderungen am Laminat verbracht wurde, beispielsweise, wenn fehlendes Gewebe ergänzt oder falsch platzierte Bahnen anders verlegt werden mussten.

Flexible Produktion

In der nahen Zukunft werden in der Produktion von Windkraftrotoren automatische Systeme zum Einsatz kommen, die mittels Robotertechnik ganze Geweberollen verlegen. Solche Systeme werden mit Daten gefüttert, die aus dem Mastermodell gewonnen werden, um Druck-Zug-Linien zu ermitteln, Gelcoat aufzutragen, Kleberaupen aufzubringen und die Flügel mit einem Finish zu versehen.

Auch NASA Crew-Modul aus Faserverbundwerkstoffen wurde im Vorfeld simuliert. So zeigte die Simulation, wie Fasern von einer vorgegebenen Ausrichtung abweichen, sobald eine Gewebelage auf die Form für das Crew-Modul gelegt wurde. In der Farbe Weiß wurden dann die Zonen hervorgehoben, in denen die Fasern nur in einem akzeptablen Toleranzbereich von der Vorgabe abweichen. Andere Farben wiesen auf Fasern hin, die leicht (gelb) oder stark (rot) abwichen. So machte die Software das Verhalten von Material mit durchgängiger Faserverstärkung für Anwender verständlich, wenn sie an komplexe Krümmungen angepasst werden musste. Zudem stellte sie sicher, dass die erforderliche Steifigkeit und Belastbarkeit eingehalten wurde und überprüfte, ob die hergestellten Teile der Konstruktionsabsicht entsprechen.

Diese automatischen Systeme müssen flexibel genug sein, um mit schwer produzierbaren Stellen des Bauteils zurecht zu kommen. Das funktioniert nur, wenn das komplette digitale Mastermodell bereitsteht. Menschen können Situationen interpretieren und in der Fabrikhalle noch im laufenden Betrieb Änderungen vornehmen. Maschinen hingegen müssen von vorne herein mit korrekten und passenden Informationen gefüttert werden.

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Über den Autor

Dr. Olivier Guillermin ist Director of Product and Market Strategy bei Siemens PLM Software. info.de.plm@siemens.com