Witzenmann GmbH spendet Leichtbauroboter an Pforzheimer Fakultät für Technik
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3D-Faserwickeln im Maschinenbau: Ultraleichte Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen
Am KUKA KR QUANTEC 120 entstehen Funktionsbauteile von geringster Masse mit gleichzeitig hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerten. Studierende der Maschinenbau-Studiengänge haben mithilfe des Roboters unter anderem schon ultraleichte Sitzhocker sowie Getränkehalter und Gepäckträger für Rennräder entwickelt.Ressourceneffizienz, Reduktion der CO2-Emissionen und Erhöhung von Nutzlasten bei gleichzeitig hoher Sicherheit, gesteigerter Wirtschaftlichkeit, intelligenter Funktionalität und zunehmendem Komfort – das sind die zentralen Herausforderungen, denen sich der Maschinenbau und insbesondere die Automobilindustrie derzeit gegenübersehen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich das Labor für Leichtbau des Bereichs Maschinenbau an der Fakultät für Technik der Hochschule Pforzheim unter anderem mit der Erforschung und Entwicklung von dreidimensionalen, ultraleichten Wickelstrukturen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen (wie CFK und GFK), die als lasttragende Strukturbauteile eingesetzt werden können. Der für den Wickelprozess eingesetzte Knickarmroboter des Herstellers KUKA wurde aus Spendenmitteln finanziert, die die Witzenmann GmbH dem „Förderer und Alumni der Hochschule Pforzheim e.V.“ (FAV) der Hochschule Pforzheim zur Verfügung gestellt hat.
Der KUKA KR QUANTEC 120 verfügt über sechs integrierte sowie eine externe Achse und kann eine Traglast von bis zu 120 kg in jeder Position und bei jeder Geschwindigkeit heben und mit hoher Präzision bewegen. Im September 2018 wurden die Baugruppen der Roboteranalage aus Manipulator, externer Achse, Kontrolleinheit und Fundamentanker an die Hochschule angeliefert – und dort vom Leiter des Leichtbaulabors, Professor Dr.-Ing. Ingolf Müller, Maschinenbau-Professor, und seinem wissenschaftlichen Mitarbeiter M.Sc. Philipp Bauer, gemeinsam mit dem selbst entwickelten Faserablegekopf zu einer neuartigen Roboterwickelanlage zusammengesetzt.
Für den mehr als zwei Meter großen und eine Tonne schweren Roboter wurde im bestehenden Laborraum eigens ein neues Betonfundament erstellt, um die hohen Lasten während der schnellen Roboterbewegungen im Gebäude abtragen zu können. Schon im November 2018 erfolgte die Inbetriebnahme und seither dürfen wissenschaftliche Mitarbeiter des Maschinenbaus, die Studierenden der Bachelor-Studiengänge Maschinenbau/Produktentwicklung und Maschinenbau/Produktionstechnik und -management sowie des Master-Studiengangs Produktentwicklung den KUKA KR QUANTEC 120 im Rahmen ihrer Projekt- und Abschlussarbeiten und für Forschungsprojekte im Bereich Leichtbau einsetzen. „Eine große Chance für uns und unsere Studierenden, für die wir der Firma Witzenmann herzlich danken“, so Ingolf Müller.
Hierbei werden Faserverbundwerkstoffe durch eine Sieben-Achs-Roboteranlage mit eigens von der Hochschule Pforzheim entwickeltem Ablegekopf belastungsgerecht, mit höchster Materialausnutzung und vollautomatisiert abgelegt und können anschließend zum Endbauteil ausgehärtet werden.Während sich die Studierenden mit den grundlegenden Möglichkeiten einer solchen Roboterwickelanlage anhand von automatisierter Fertigung von Alltagsgegenständen – wie ultraleichte Sitzhocker sowie ultraleichte Getränkehalter oder Gepäckträger für Rennräder – beschäftigen, liegt der Fokus der späteren industriellen Anwendung vor allem auch auf Bauteilen des Automobilbaus (bspw. Leichtbau im Fahrwerk), der Industrietechnik und der Medizintechnik. „Gerade mit Blick auf die CO2-Emissionen ist das Thema Leichtbau zukunftsweisend.“ Bislang gelten allerdings die hohen Fertigungskosten durch mangelnde Automatisierung, eine geringe Materialausnutzung mit hohem Verschnitt sowie häufig nicht ausreichende Prozesssicherheit als große Hemmnisse für die Einführung von Leichtbauprodukten in Großserien. An diesen Punkten setzt der neuartige Ansatz des Leichtbaulabors an. Mit dem roboterbasierten Verfahren kann nicht nur materialsparend und dadurch preisgünstig, sondern auch umweltfreundlich produziert werden. Man erzielt hohe Produktqualität bei reproduzierbarer Fertigung mit sehr geringer Ausschussrate. „Dass unsere Studierenden sich schon jetzt so intensiv damit auseinandersetzen und gemeinsam mit den Mitarbeitern des Leichtbaulabors diese Anlage und das Verfahren weiterentwickeln können, ist ein großer Gewinn.“
Ein eingängiges Beispiel aus der Praxis: „Im Idealfall sind Nutzfahrzeuge immer am Gewichtslimit, das heißt, mit maximaler Zuladung unterwegs. Eine verringerte Fahrzeugmasse wirkt sich zunächst weniger direkt auf den Kraftstoffverbrauch als beim Pkw aus. Die Vorteile des Leichtbaus resultieren hier aus der Erhöhung der Zuladung, wodurch der Verbrauch pro transportierter Tonne deutlich sinkt. Umgelegt auf ganze Flotten lassen sich mit gewichtsreduzierten Lkws also viele Fahrten einsparen oder derselbe Frachtbedarf mit einer deutlich geringeren Anzahl an Fahrzeugen abdecken. Das spart unter dem Strich viele Tonnen CO2 ein und kommt somit der Umwelt zugute“, erklärt Ingolf Müller.
Die Vorstellung des Leichtbauroboters erfolgt im Rahmen eines Besuchs von Repräsentanten der Witzenmann GmbH an der Fakultät für Technik am Donnerstag, 23. Mai 2019. „Die Firma Witzenmann und den Bereich Maschinenbau der Fakultät für Technik verbindet eine langjährige Kooperation in Forschung und Lehre. Wir sind sehr froh darüber, dass dabei schon mehrmals auch unser Maschinenpark durch Spenden der Firma Witzenmann über den FAV erweitert werden konnte“, so Maschinenbau-Bereichsleiter Professor Dipl.-Ing. Jürgen Wrede.
Weitere Informationen:
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https://www.hs-pforzheim.de/profile/juergenwrede/
https://engineeringpf.hs-pforzheim.de/bachelor/maschinenbau/
Der KUKA KR QUANTEC 120 wird seit November 2018 in Lehre und Forschung des Fachbereichs Maschinenbau eingesetzt. Das Labor für Leichtbau beschäftigt sich unter anderem mit der Forschung und Entwicklung von dreidimensionalen, ultraleichten Wickelstrukturen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen (CFK und GFK), die als lasttragende Strukturbauteile eingesetzt werden können.