Realisierung hochdynamischer rastbehafteter Bewegungen für eine parallelkinematische Nähanlage (PARASEW 1000)
Final Report Abstract
Automatisierte Fügeverfahren zur Fertigung komplexer textiler Verstärkungsstrukturen sind die Voraussetzung für die wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen mittels Preforming. Hierfür sind besonders Nähverfahren mit einseitigem Nähgutzugriff geeignet, da diese Nähköpfe von einem Manipulator über ein ortsfestes Werkstück in einem Formwerkzeug geführt werden können. Die derzeit verfügbaren Anlagen sind aufgrund ihrer geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit von etwa 250 Stichen/min für eine Serienfertigung jedoch nicht geeignet. Daher wurde innerhalb der ersten Phase dieses Projekts ein neuer Nähkopf nach dem ITAEinseitennähverfahren entwickelt und gebaut, der eine Stichgeschwindigkeit von 1000 Stichen/ min ermöglichen sollte. Hierzu wurde eine parametrische Modellierung des Nähprinzips durchgeführt und darauf aufbauend der neue Nähkopf konstruiert, gefertigt und dessen Stichbildung überprüft. Eine Ausgleichseinheit zur Kompensation der systemimmanenten unerwünschten Relativbewegung der Nähnadeln im Nähgut wurde ausgelegt und konstruiert. Darüber hinaus wurde ein Parallelmanipulator zur Führung des Nähkopfes entwickelt, konstruiert und gefertigt. Zuerst wurden die kinematischen und die dynamischen Gleichungen der in der ersten Phase des Projekts ausgewählten Struktur hergeleitet. Anschließend wurde ein Algorithmus entwickelt und implementiert, der ausgehend von der Anforderungsliste die optimalen Abmessungen der Struktur ausrechnet, um allen Forderungen der Handhabungsaufgabe gerecht zu werden. Zur Festlegung der Anforderungen an den Parallelmanipulator wurden die experimentellen Ergebnisse am Nähkopf und durch die Simulationen herangezogen. Darüber hinaus wurde der Arbeitsraum der ausgewählten Struktur in eine Richtung mit Hilfe einer Linearführung vergrößert. Geeignete Steuerungs- und Regelungsalgorithmen für die gesamte Nähanlage wurden entwickelt, implementiert und realisiert. Für einen automatisierten Betrieb der Anlage wurden Zusatzfunktionen (Fadenschneiden, -halten) am Nähkopf integriert und eine benutzerfreundliche Oberfläche entwickelt. In einem Versuchsprogramm wurde das dynamische Verhalten der Nähanlage untersucht und die Regelung zur Verbesserung der Nahtqualität optimiert. Weiterhin wurden die mechanischen Eigenschaften von FVK-Bauteilen mit vernähten Verstärkungstextilien ermittelt. Abschließend erfolgte eine technologisch-wirtschaftliche Bewertung der neuen Nähanlage. Innerhalb der zweiten Phase des Projektes wurde somit eine Nähanlage konstruiert und gefertigt, die den erstmaligen Einsatz eines parallelkinematischen Manipulators darstellt. Hierzu wurde das Konzept der gesamten Nähanlage umgesetzt und einem grundlegenden Versuchsprogramm unterzogen. Im Projekt wurde gezeigt, dass die entwickelte Nähanlage zum Fügen von Verstärkungsfaserhalbzeugen in der Lage ist, automatisiert und hochproduktiv komplexe dreidimensionale textile Preforms zu fügen und dabei hervorragende mechanische Eigenschaften im Faserverbundbauteil zu erzielen. Die hohe erzielte Geschwindigkeit des Nähkopfes von 1600 Stichen/min bei zuverlässiger Nahtbildung zeigt die Überlegenheit dieses Nähprinzips gegenüber kommerziell erhältlichen Nähköpfen. Dabei ist eine Vollautomatisierung bei maximaler Flexibilität bezüglich Nähgut und Bauteilgeometrie gegeben. Die Untersuchungen haben entgegen den Erwartungen gezeigt, dass im Gegensatz zu allen anderen einseitigen Nähtechnologien keine Stop-and-Go Bewegung des Nähkopfes für eine schädigungsarme Naht notwendig ist und daher der Nähkopf wesentlich kostengünstiger, kleiner und leichter zu fertigen ist, als bisherige Nähtechnologien. Die Untersuchungen an vernähten Probekörpern aus carbonfaserverstärktem Epoxid (CFK) haben gezeigt, dass eine wesentliche Verbesserung der interlaminaren Energiefreisetzungsrate bei Schälbeanspruchungen im Vergleich zu unvernähten Proben vorliegt Bei Scherbelastungen wurde jedoch eine geringere Energiefreisetzungsrate gemessen. Aufgrund der Feststellung, dass eine hervorragende Nahtqualität auch ohne die angedachte Ausgleichsbewegung erzielt werden kann, wäre es sinnvoll die Konstruktion des Getriebekopfes entsprechend anzupassen. Der Nähkopf könnte dadurch kompakter und leichter gestaltet werden und die angestrebte Stichgeschwindigkeit kann dadurch weiter erhöht werden. Die Nähversuche haben gezeigt, dass der Nähkopf, welcher für eine Stichgeschwindigkeit von 1000 Stichen/min ausgelegt wurde, selbst bei einer Geschwindigkeit von 1600 Stichen/min noch sehr ruhig und funktionssicher arbeitet. Höhere Geschwindigkeiten sollten im Folgenden realisiert werden, um die physikalischen Grenzen des Nähprinzips untersuchen zu können. Die Untersuchung der interlaminaren Energiefreisetzungsrate bei Schälbelastung zeigte eine große Streuung der Ergebnisse, so dass zur genauen Quantifizierung der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von vernähten CFK-Proben weiterführende Untersuchungen als sinnvoll erachtet werden. Auch eine grundlegende Untersuchung der Nahteinflüsse auf die Energiefreisetzungsrate bei Scherbelastungen ist notwendig, um die Ursachen der Verminderung durch die Einbringung von Nähten zu finden. Durch die im Projekt vorgenommene optimale Auslegung und Realisierung des Nähkopfes hat sich auch gezeigt, dass die hohe Steifigkeit eines parallelkinematischen Manipulators zur Handhabung des Nähkopfes nicht erforderlich ist, sondern ein handelsüblicher Industrieroboter ausreicht. Dadurch ist das Nähprinzip kostengünstig und unkompliziert in bestehende robotergeführte Nähanlagen zu integrieren, was eine schnelle Markteinführung des Systems erleichtert. Der realisierte Prototyp der Nähanlage hat bereits eine weitgehende Markteinführungsreife erreicht und kann mit einem moderaten Entwicklungsaufwand von dem Status des wissenschaftlich genutzten Prototyps in den einer kommerziell nutzbaren Anlage überführt werden. Es wurde gezeigt, dass die Nähtechnologie beim Preforming für Faserverbundwerkstoffe zur Strukturverbesserung, Imprägnierprozessverbesserung und Montage sinnvoll eingesetzt werden kann. Zusätzlich wurde im Projekt gezeigt, dass die entwickelte Nähanlage vollautomatisiert und reproduzierbar arbeiten kann und dass Kosten und Produktivität in einem guten Verhältnis stehen.
Publications
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