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Aktuelles über den Linearantrieb

Linearmotor, Elektromotor, Kugelgewindetrieb, Kugelumlaufspindel, Elektrozylinder

indunorm30415Anwenderbericht

Bei der Herstellung von Composite-Bauteilen hat sich die Faserlegetechnologie als sehr vielversprechend erwiesen. Der Ausschuss der Materialien wird bei diesem Produktionsprozess deutlich reduziert. Die Broetje-Automation Gruppe hat mit der „Staxx Kompakt 1700“ ein Bearbeitungszentrum für Großserien in der Automobilindustrie entwickelt, mit dem sich Komponenten nach diesem Verfahren kostengünstig herstellen lassen. Herzstück dieser Anlage ist ein Achsportal, das die Indunorm Bewegungstechnik kundenspezifisch entwickelt hat. Wichtigste Voraussetzung: Das System ist sehr robust und dazu noch leicht.



Die Staxx Compact 1700 in Aktion

„Der Automobilbau setzt immer häufiger auf Faserverbundwerkstoffe“, sagt Dr. Christian Boge, Leiter Composites Automation bei der BA Composites GmbH mit Sitz im baden-württembergischen Grenzach-Wyhlen im Landkreis Lörrach, ein Tochterunternehmen der Broetje-Automation Gruppe. „Denn der Leichtbau gewinnt in dieser Branche zunehmend an Bedeutung, er sorgt für Energieeinsparung und damit für einen geringeren CO2-Ausstoß.“ Hergestellt werden insbesondere Bauteile aus der Karosseriestruktur. Bewegte Teile, die wenig wiegen, ermöglichen darüber hinaus noch weitere Kostensenkungen. Denn Lager und tragende Elemente lassen sich durch die verringerten dynamischen Beanspruchungen ebenfalls leichter gestalten – Downsizing heißt hier das Stichwort. „Wir können komplex geformte Bauteile herstellen, die dazu noch sehr fest sind“, sagt er.

indunorm40415Broetje-Automation hat mit dem Tochterunternehmen seine Technologiebasis ausgebaut, um auf die Entwicklungen und steigenden Anforderungen des Markts zu reagieren. BA Composites fertigt Maschinen und Anlagen, mit denen Anwender überwiegend Composite-Bauteile mit dem Automatisierten Fiber Placement (AFP) und dem sogenannten Tape-Lege-Verfahren (ATL) herstellen können. „Bei den Bearbeitungszentren handelt es sich um standardisierte wie auch um maßgeschneiderte Lösungen, die wir in enger Abstimmung mit den Kunden realisieren“, erklärt Dr. Boge (Bild rechts).

Beide Technologien zogen erfolgreich in die Produktion von Verbundstrukturen in der Luft-und Raumfahrtindustrie ein. „Für die Großserienproduktion in der Automobilindustrie ist allerdings noch kein Durchbruch in Sicht“, bedauert Dr. Boge. „Und gerade in dieser Branche sehen wir ein großes Potential – insbesondere für das AFP-Verfahren. Mit der Staxx Compact 1700 haben die Ingenieure nun ein zukunftsorientiertes vierachsiges Bearbeitungszentrum entwickelt, das die Faserlegetechnologie wirtschaftlich ermöglicht.“

Ausschuss vermeiden

Bei der Entwicklung war es wichtig, die Vorteile des Faserlegens mit den Anforderungen der Automobilindustrie zu kombinieren. Das heißt: Die Höhe der Produktionskosten ist für Fahrzeughersteller häufig für die Vergabe der Aufträge ausschlaggebend. „Mit unserem Bearbeitungszentrum kann der Anwender kostengünstige Kohlefasermaterialien verarbeiten. Unsere Anlage vermeidet dabei Abfall sowie Ausschuss weitestgehend. Eine integrierte Klimatechnik erlaubt die Aufstellung in normalen Produktionshallen“, beschreibt Dr. Boge.

Das Bearbeitungszentrum lässt sich zudem mit Automatisierungstechnologien wie Teile- oder Palettenhandling kombinieren. „Somit verbindet der Staxx Compact 1700 diese ausgereifte Technologie mit einem soliden Verfahren und hohem Automatisierungsgrad für maximalen Durchsatz“, erläutert Dr. Boge. Eine Schlüsselkomponente in der Maschine ist ein Zwei-Achsen-Y-Z-Portalroboter in Gantry-Bauweise für die Bewegungsabläufe des Faserlegekopfs. Hierfür setzt das Unternehmen auf eine Lösung der Indunorm Bewegungstechnik GmbH mit Hauptsitz in Duisburg und einem neuen Standort in Stuttgart.

Sehr steif und gewichtsoptimiert

indunorm50415„Auf der Metav in Düsseldorf haben wir uns kennengelernt“, erinnert sich Folko Ridder, Technischer Leiter bei Indunorm, der die ersten Gespräche geführt hat. „Das Bearbeitungszentrum musste wegen der hohen statischen und dynamischen Belastungen sehr steif sein“, ergänzt Axel Joostberens von Indunorm (Bild links) und verantwortlich für die Projektierung des Achssystems in die Anlage. „Es war deshalb ein ausgeklügeltes Achsportal erforderlich, das nicht nur äußerst steif sondern auch leicht ist, um das Gewicht der gesamten Maschine zu optimieren.“

Zum Einsatz kommen zahnriemengetriebeneLinearachsen mit Kugelkettenführungen vom Typ SHS von THK. Indunorm ist der größte Vertriebspartner für lineare Bewegungstechnik dieser Marke im europäischen Raum. Die verwendeten Achsen sind auf Leistung, Effizienz und insbesondere auf Laufkultur ausgelegt. Die Kugelreihen sind in einem Kontaktwinkel von 45 Grad angeordnet. Daher kann diese Baureihe Kräfte aus allen Richtungen gleichmäßig aufnehmen. Aufgrund der THK-spezifischen X-Anordnung der vier Kreisbogenlaufrillen mit Zweipunktkontakt kann der Führungswagen auch unter Vorspannung Montagefehler kompensieren und präzise, leichtgängige Linearbewegungen umsetzen.

indunorm10415„Wir haben im Vorfeld aus den bewegten Massen, Schwerpunktverhältnissen und den dynamischen Kennwerten die Belastungen für das Achsportal ermittelt“, beschreibt Rainer Graf, Konstrukteur des Achssystems bei Indunorm, die Vorgehensweise. Der Blick lag dabei immer auf einem optimalen Verhältnis zwischen Steifigkeit und Eigengewicht. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode konnten die Ingenieure das Strukturverhalten speziell von der Winkelkonsole hinsichtlich deren Mechanik vorhersagen, bewerten und optimieren. Profile aus Aluminium hätten die Anforderungen nicht erfüllt oder der Aufbau wäre zu massiv geworden. „Wir setzten deshalb auf geschickt gestaltete, nicht spanend bearbeitete Blechkonstruktionen, in denen die Linearführungselemente und die Komponenten für die Antriebstechnik integriert, montiert und ausgerichtet werden“, erklärt Graf.

Eine hochwertige Pulverlackierung der Blechteile sorgt für langfristigen Korrosionsschutz der Bauteile. Unter Berücksichtigung des im Vorfeld erstellten Lasten- und Pflichtenheftes wurden in der Projektphase auch die erforderlichen Schnittstellen definiert und entsprechend auskonstruiert. Die Ingenieure von Indunorm haben zudem die für den Antrieb der Linearachsen erforderlichen Servomotoren mit vorgeschalteten Planetengetrieben ausgelegt. „Nach dem Aufbau und der Ausrichtung des Zwei-Achssystems wurden außerdem die Linearitäten, Winkligkeiten und Positionierfehler im Raum vermessen. Die entsprechenden Messergebnisse haben wir grafisch aufbereitet und für die Dokumentation bereitgestellt“, sagt Dietmar Heim, Geschäftsführer des Indunorm-Standorts in Stuttgart.

Fokus auf maximaler Flexibilität

indunorm20415Die Staxx Compact 1700 stellt die Bauteile in Form von Kohlefaserstapeln her. „Nach Starten der Anlage werden die Fasern in schmalen Bändchen aus einem Spulenlager über beschichtete Rollen in den Legekopf geführt“, beschreibt der Entwicklungsleiter das System. Dort wird das Material temperiert. Der Legekopf führt die Faserbändchen anschließend über ein Negativ-Werkzeug und presst es an dessen Untergrund. Klingen schneiden nun gezielt jedes einzelne Bändchen ab. Das reduziert Verschnittabfälle auf ein Minimum. Die gewünschte Bauteildicke entsteht durch das mehrfache Ablegen solcher Einzellagen mit jeweils einstellbarer Faserorientierung. „Der Vorteil ist, dass bei diesem Verfahren auch innerhalb eines Bauteils lokale Verstärkungen möglich sind“, sagt Dr. Boge. Dadurch bietet das AFP zusätzliche Möglichkeiten, gezielte lokale Anpassungen an geometrische Randbedingungen oder strukturmechanische Vorgaben vorzusehen.

Damit der Anwender bei der Produktion der Bauteile flexibel ist, hat BA Composites das Bearbeitungszentrum mit einer weiteren Linearachse in X-Richtung und einem Drehtisch ausgerüstet. Diese Konstruktion handhabt Paletten, die mit den Bauteilen bestückt sind. „Hier setzen wir einen Zahnstangenantrieb sowie Linearführungen von THK ein“, erläutert Axel Joostberens. „Wir haben diese Komponenten ausgelegt, geliefert und sie in das Grundgestell konstruktiv integriert.“

Intensive Zusammenarbeit hat sich gelohnt

Die schnelle Umsetzung dieses Projekts – von der Kontaktaufnahme bis zur Auslieferung des kundenspezifischen Achsportals im September 2014 – war nur durch die enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit möglich. In Paris überzeugte BA Composites die Jury des JEC Europe 2015 Innovation Award mit der Staxx Compact 1700 und gewann den Preis in der Kategorie „Process“.
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