Der Roboter als Nähmaschine

NÄHEN - Daß Flugzeugteile aus Kohlefaserverbundwerkstoff durch Nähte verbunden werden können, nutzt der Flugzeughersteller Airbus mit einem hängend montierten Roboter von Kuka: Allein ein sechsachsiger Knickarmroboter ist in der Lage, die Nähnadel auch bei konvex oder konkav geformten Komponenten stets in einem Winkel von 90 Grad zur Oberfläche führen.

18. Juli 2002

Die Idee, Roboter für Nähprozesse einzusetzen, hatte die KSL Keilmann Sondermaschinenbau GmbH aus dem südhessischen Lorsch. Das 1964 gegründete Unternehmen verfügt über langjährige Erfahrung in der Nähtechnik und kann deshalb entsprechende Sonderlösungen als Einzelentwicklungen anbieten. KSL fertigt beispielsweise Nähanlagen für Airbags, Autositze, Cabrioverdecke, Filter, Matratzen, Möbel und Sicherheitsausstattungen. Abnehmer sind vornehmlich die Automobilindustrie, Automobilzulieferer, die Luft- und Raumfahrtechnik, die technische Textilindustrie, sowie die Leder-, Polster-, Umwelt- und Verpackungsindustrie. Für eine Blindstich- und eine Tuftingnähmaschine besitzt das Unternehmen eigene Patente. Sogar bis nach Mekka hat sich die Qualität der Maschinen von KSL herumgesprochen: Seit dem Jahr 2000 näht in der arabischen Stadt eine CNC-Nähanlage aus Hessen den Stoff, mit die Kaaba verhüllt wird, das wichtigste Heiligtum des Islam. Das Unternehmen mit 106 Mitarbeitern und Tochtergesellschaften in Lorsch und im thüringischen Altenburg erwirtschaftete im Jahr 2001 einen Umsatz von rund 12,5 Millionen Euro. Für die Robotertechnik ist das Unternehmen Systempartner der Kuka Roboter GmbH, Augsburg.

Roboter näht Flugzeugteile

Anfang März 2002 installierte KSL bei der Airbus Deutschland GmbH in Stade einen Kuka-Roboter KR 125 für die Verarbeitung von Kohlefaserverbundwerkstoffen. Das Werk Stade des Flugzeugherstellers produziert mit etwa 1.200 Beschäftigten unter anderem die Seitenleitwerke für alle Airbus-Maschinen. Diese Leitwerke zählen zu den weltweit größten Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen für Verkehrsflugzeuge. Zu den Aufgaben des hängend an einer sieben Meter langen Lineareinheit montierten Roboters gehört zum Beispiel das Nähen von Druckkalotten und Flügelelementen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Überdies näht der KR 125 Teile der Außenhaut des Militärflugzeugs Eurofighter auf Träger.

Robert Keilmann erinnert sich an die Probephase: „Damit Airbus eine ausgereifte Anlage zur Verfügung steht, haben wir die Roboterzelle im November 2001 zunächst bei uns aufgebaut und ausgiebig getestet“, erzählt der Geschäftsführer von KSL. Für die Programmierung des Roboters wurden die Daten der betreffenden Komponente zunächst auf eine CAD-Software übertragen, um in einer Simulation die Machbarkeit der Konzeption zu prüfen. Erst danach wurden die Daten vom CAD-System auf die Roboter-Steuerung überspielt.

Roboter mit Bewegungsfreiheit

Das jeweilige Bauteil aus Kohlefaserverbundwerkstoff erhält seine Gestalt durch eine entsprechende Form, in der es vernäht wird. Diese Applikation verlangt nach der Bewegungsfreiheit eines sechsachsigen Knickarmroboters. Der Kuka-Roboter ist hängend installiert, da er auch konvexe und konkave Formen nähen muß und andernfalls nicht alle Punkte erreichen würde. Der Einsatz von oben erweitert seinen Arbeitsbereich auf 5 x 3 x 1,5 Meter.

Auch aufgrund der erforderlichen hohen Flexibilität gibt es keine Alternativen zu dem Roboter - schließlich muß der KR 125 mit drei Nähköpfen arbeiten, die über ein Schnellwechselsystem ausgetauscht werden, und dabei drei Nähverfahren beherrschen: Beim Tuften legt der KR 125 den Faden im 90°-Winkel in den Kohlefaserverbundwerkstoff ein, der Steppstich für die Verbindung verschiedener Materiallagen setzt dagegen eine Zugänglichkeit von unten voraus. Beim Blindstich wiederum bleibt das Material beim Nähen in der unten geschlossenen Form, in der das Harz in den Kohlefaserverbundwerkstoff gepreßt wird und danach aushärtet.

Robert Keilmann stellt hohe Ansprüche an den eingesetzten Roboter: „Wir erwarten auch eine hohe Wiederholgenauigkeit und auf den Nähkopf abgestimmte Bewegungen.“ Gleichermaßen wichtig ist, daß der KR 125 nach einem Fadenriß sofort wieder in der alten Position startet. Solche Unterbrechungen sind nicht selten, denn die Nadel unterliegt einem starken Verschleiß. Zudem können im Faden auftretende Knoten den Prozeß stoppen.

Roboter findet den Werkstückträger selbst

Für den Fertigungsprozeß schieben Mitarbeiter das CFK-Teil zunächst auf einem Werkstückträger in die Roboterzelle. Diese besteht aus einer Stahlkonstruktion, an der die Lineareinheit hängt. Damit selbst große Elemente wie Flügelteile durch die Zelle getaktet und darin genäht werden können, muß sie von allen Seiten frei zugänglich sein. Aus diesem Grunde existieren Stützen nur an den Ecken, und die Schutzeinrichtungen lassen sich schnell zur Seite fahren.

In der Zelle stellen die Mitarbeiter den Werkstückträger in einer beliebigen Position ab, also ohne Fixpunkte zu beachten. Der KR 125 findet den Werkstückträger selbsttätig und mißt ihn mit einem Laservermessungssystem dreidimensional aus. Basierend auf den ermittelten Daten paßt der Roboter sein Nähprogramm der Lage des Werkstückträgers an. Eine im Nähkopf angebrachte Kamera ermöglicht die Kontrolle des Prozesses von außen. Programmiert und gesteuert wird die Anlage über eine PC-basierende Software mit Windows-Oberfläche, die die Kommunikation mit dem KR 125 wesentlich erleichtert.

Erschienen in Ausgabe: 02/2002