Große Bleche präzise umformen und handhaben

Die industrielle Blechumformung erfordert präzise und leistungsfähige Handhabungssysteme, um große Bauteile sicher zu bewegen. Moderne Lösungen setzen dabei auf robotergestützte Systeme und intelligente Steuerungen – insbesondere in der Großteilbearbeitung, zum Beispiel im Schiffbau. Trotz technologischer Fortschritte fehlt bislang ein ganzheitlicher Ansatz, der eine durchgängig automatisierte Prozesskette ermöglicht.

Am Fraunhofer IGP in Rostock wurde im Rahmen mehrerer öffentlich geförderter Forschungsprojekte ein automatisiertes Handhabungssystem für den bisher manuellen Umformprozess von Grobblechen entwickelt. Es ermöglicht die präzise Positionierung schwerer Freiform-Platten, eine automatisierte, kaltplastische Umformung und eine intelligente Qualitätsprüfung über den gesamten Umformprozess hinweg.

Das eingesetzte Kransystem, definiert als seilgeführter Parallelroboter, vereint die Flexibilität eines klassischen Krans mit der Präzision eines Industrieroboters. Mit intelligenter Steuerung, Sensorik und modularer Erweiterbarkeit verbessert es Materialfluss, Durchsatz und Präzision sowie Wiederholgenauigkeit der Blechverarbeitung.

Handhabung neu gedacht

Das Handhabungssystem besteht aus zwei Kranbrücken, die jeweils mit zwei Laufkatzen und Hubwerken ausgestattet sind. Dadurch lassen sich rechteckige Platten an allen vier Ecken sicher anschlagen und flexibel handhaben. Jedes Hubwerk verfügt über eine maximale Traglast von 4.000 kg. Die Positioniergenauigkeit des Gesamtsystems liegt im Millimeterbereich. Die nutzbare Arbeitsfläche beträgt rund 400 m². Die Anlagensteuerung wurde mit besonderem Fokus auf die Integration verschiedenster Steuerungsalgorithmen für Umformprozesse, Kranbetrieb und Messtechnik sowie auf die Anbindung einer Datenbank realisiert.

Der eingesetzte Steuerungsansatz auf Basis einer Soft-SPS in Kombination mit ODK-Technologie ermöglicht eine modulare, flexible Struktur. Trotz der Vielzahl angebundener Module im Netzwerk werden Zykluszeiten im Bereich weniger Millisekunden erreicht. Dies bildet die Grundlage für innovative, echtzeitfähige Regelungsverfahren zur schwingungsarmen Handhabung der Platten – ein Alleinstellungsmerkmal der Anlage.

Das System führt horizontale und vertikale Bewegungen weitgehend schwingungsfrei aus und erlaubt zusätzlich eine präzise Drehung um die vertikale Achse. Grundlegend hierfür ist die Erfassung der statischen und dynamischen Anlagenparameter durch Positionserfassung, Neigungssensoren und Kraftaufnehmer. Die vertikale Plattenbewegungen werden durch optische Sensoren unterstützt. Jeder Punkt auf der Platte ist exakt anfahrbar. Ergänzend unterstützen intelligente Assistenzfunktionen die Bedienung: Eine automatische Kalibrierfunktion richtet neue Platten exakt parallel zur Presse aus. Eine weitere Funktion ermöglicht es, die Platte manuell zu verschieben, wobei der Kran der Führungsbewegung des Bedieners dynamisch folgt.

Den Kern der Anlage bildet die Schiffbaupresse (maximale Druckkraft 5.000 kN) mit hochgenauen Kraftmessdosen (3

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0 bis 2.000 kN Messbereich) und einem rotierbaren Umformwerkzeug. Die hochpräzise Messtechnik mit intelligenter Steuerung erkennt selbst kleinste Regelabweichungen und korrigiert diese sofort. Mit der zusätzlichen Kombination aus zwei hochgenauen, optischen 3D-Messsystemen, die kontinuierlich die Plattengeometrie ermitteln und Echtzeitfeedback für den Umformprozess liefern, wird eine präzise und flexible Fertigung von Grobblechen ermöglicht. Das Messsystem bietet dabei eine flächenhafte Abdeckung des gesamten Messraumes von mehr als 3

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3 m², kurze Messzyklen unter 150 ms und ist zudem augensicher (Laserschutzklasse 1) für den Bediener. Diese Systeme arbeiten Hand in Hand mit einer intelligenten Umformplanung, die die Sollgeometrie stets im Blick behält und die Umformstrategie echtzeitfähig und dynamisch im Prozess anpasst.

Effizientes Qualitätsmanagement

Eine fortschrittliche, intelligente Datenbank bildet die Basis der Kommunikation zwischen Kransystem, Bediener und Umformprozess, unterstützt dabei die kontinuierliche Zustandsüberwachung und sorgt für ein effizientes Qualitätsmanagement entlang des gesamten Prozesses. Ergänzt wird dieses System durch eine benutzerfreundliche Visualisierung, die unter anderem gescannte Blechpunktwolken auf einem Bedienpanel zur Beurteilung der Prozessqualität anzeigt. Eine umfassende Systemüberwachung und Fehlererkennung sorgen des Weiteren für eine zuverlässige Produktionskontrolle und minimieren Ausfallzeiten.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen von drei Forschungsprojekten durch verschiedene Förderträger unterstützt. Zwei der Projekte wurden mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) im Programm Technologie- und Branchenoffensive (TBI-V) unter den Förderkennzeichen TBI-V-1-178-VBW-062 und TBI-V-1-418-VBW-142 gefördert. Ein weiteres Projekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über den Projektträger Jülich (PtJ) unter dem Förderkennzeichen 03SX575D gefördert. Für die finanzielle Unterstützung und die damit ermöglichte Durchführung der Forschungsarbeiten danken wir den genannten Förderinstitutionen ausdrücklich.

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Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Jan Sender, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, M. Sc. Christian Scharr, M. Sc. Tobias Handreg, alle Fraunhofer IGP / am