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Textile Herstellprozesse erfordern oft zahlreiche Einzelkomponenten. Individuell verlässliche und genaue Sensorik/Aktorik für Textilmaschinen ist sehr kostspielig, was den verbreiteten Einsatz erschwert. Um Funktionalität und Qualität zu erhöhen, sind wirtschaftliche Industrielösungen gefordert. Hierzu schuf ein Forschungsteam textil inspirierte Fertigungstechnologielösungen mit Nanotec-Elektromotoren.
Komplex geformte Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK), etwa Knotenstrukturen für Autokarosserien und Flugzeugbau, sind für Industriebranchen, die Leichtbauteile benötigen, hochinteressant. Hersteller umflechten hier Kerne per Radial- oder Axialflechtmaschine mit Flechtfäden.
Um hochfeste, steife Bauteile zu erhalten, werden zusätzlich Stehfäden zugeführt, die das Biaxialgeflecht in axialer Richtung verstärken. Das so entstandene Triaxialgeflecht wird mit Epoxidharz konsolidiert, entkernt und für FVK Leichtbauanwendungen eingesetzt.
Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung (DITF) in Denkendorf, gegründet 1921, sind eine Stiftung öffentlichen Rechts unter Aufsicht des Wirtschafts- und Finanzministeriums Baden-Württemberg. Mit gut 250 wissenschaftlich-technischen Beschäftigten zählt das größte Textilforschungszentrum Europas zu den weltweit führenden Einrichtungen seines Fachs.
Im öffentlich geförderten IGF-Forschungsprojekt 19679N entwickelten die DITF unter anderem eine neue Fadenbremse und rüsteten eine marktübliche Flechtmaschine mit 72 einzelnen Stehfadenzugkraftsteuerungen aus. IGF steht für Industrielle Gemeinschaftsforschung. Das Projekt lief vom 1. September 2017 bis zum 29. Februar 2020.
Aus Kostengründen besaß die Erstausstattung der Flechtmaschine pro Stehfaden einen bürstenbehafteten DC-Motor mit Getriebe. Doch beim Steuern der Stehfadenspannung erzeugten die traditionellen Kohlebürstenmotoren zu viel Wärme, erlaubten keine präzise Fadenzugkrafteinstellung und zeigten zu große Sollabweichungen und Schwankungen. Bei geringer Betriebsdrehzahl oder bei Stillstand unter Drehmomentlast überhitzten die Motoren bis hin zum Bürstenfeuer und fielen aus.
„Auch Bürstenstaub und Getriebe-Selbsthemmung waren ernste Probleme. Wir mussten Reibung, Hitze und Antriebsverluste deutlich senken“, so Hermann Finckh, DITF-Forschungsleiter Simulation. Finckhs Team entwickelte daher eine ungewöhnliche Alternative. Zum Einsatz kamen unter anderem:
Jeder einzelne Schrittmotor mit Singleturn-Absolut-Encoder löst mit 4096 Impulsen pro Umdrehung auf. Per Drehmoment regelt er die Spannung „seines“ individuellen Stehfadens nach, sobald dieser vom Sollwert abweicht. Denn die Ausführung als Schrittmotor liefert, dank Closed-Loop-Betrieb, auch bei geringer Drehzahl bzw. Stillstand viel Dreh- und Haltemoment, um Stehfäden sicher und zuverlässig abzubremsen. Die Lasttoleranz ist ebenfalls hoch.
„Closed-Loop-Stepper ziehen nur dann Strom, wenn sie ihn brauchen“, erläutert Finckh. „Sie erzeugen weniger Hitze, laufen ruhiger und resonanzärmer als normale Schrittmotoren. Zudem bieten sie Positionsrückmeldung und -kontrolle, kurze Ein- und Ausschwingzeiten und zeigen keinen Schrittverlust.“
Das Verfahren mit schrittmotorisierter Stehfadenbremse hilft die Fadenspannung genau einzustellen – sogar für tagelang korrekte Spannung ohne nennenswerte Motorwärme oder Schwankungen. Zudem zieht das neu entwickelte System die Flechtfäden mit dem konstant vorgegebenen Drehmoment auch zurück, was systembedingt beim Flechten erforderlich ist.
Und: Closed-Loop-Stepper können Stehfäden so präzise spannen, dass die Flechtfäden noch enger an der Bauteilkontur anliegen.
Abb. 4: Markant geknickte Bauteilkontur. ©DITF Abb. 5: Konturfernes Geflecht in schlechter Knickform durch falsch eingestellte Stehfadenspannung. ©DITF Abb. 6: Konturnahes Geflecht in deutlich exakterer Knickform, auch dank Stehfadenzugkraftregelung per Closed-Loop-Schrittmotor. ©DITF
Die Motorherausforderung bestand schon bei der Ansteuerung. Alle 72 Motoren sollten einzeln in Echtzeit ein- und ausschaltbar sein, die Motorparameter vorgegeben und abgefragt werden können. Über eine zu entwickelnde grafische Bedienoberfläche (GUI) sollten alle relevanten Parameter – etwa die Fadenzugkraft (Drehmoment) pro Motor – eindeutig eingestellt und motorgenau dokumentiert werden. Per Schnittstelle lässt sich nun zeitrichtig je nach aktueller Flechtkernposition die optimale Fadenzugkrafteinstellung für jeden Motor einzeln übertragen. Diese flechtkernabhängigen Stehfadenzugkräfte sollen per Flechtsimulation ermittelt und als Datei bereitgestellt werden.
„Komplex war die CAN-in-CAN-out-Verschleifung der 72 Schrittmotoren. Per SPS-Echtzeit-Bussteuerung von Beckhoff, und da jeder Stepper seinen eigenen Controller besaß, konnten wir alle 72 Motoren letztlich so verschleifen, dass sie alle Anforderungen erfüllten“, betont Projektleiter Finckh. Auch der mechanische Betrieb verlangte den Motoren viel ab. Besonders wichtig war dem Entwicklungsteam, dass geringe Fadenzugkäfte auch im Stillstand genau und konstant gehalten werden.
Die umgerüstete Flechtmaschine und ihre automatisierte Motorik dienen als Prototyp für weitere Fertigungsoptimierung. Das neu entwickelte Fadenbremsenprinzip – Elektromotoren bremsen und halten die Fäden auf Spannung – eignet sich prinzipiell auch für alle textilen Vorgänge, wo Fäden unter definierter Spannung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgezogen werden, Wickeln, Schären, Weben etc. Daher soll das System auch für nächste Forschungsprojekte eingesetzt und zur Anwendung optimiert werden.
Da einzeln per CAN-Bus ansteuerbare Schrittmotoren alle Bewegungen schnell und definiert umsetzen, eignen sie sich speziell für optimierte und neue textile Fertigungsprozesse.
Individuelle Geflechte entstehen nun, trotz ihrer Komplexität, deutlich schneller als früher – als erster Schritt fort von Vorprodukten mit langer Fernlogistik, etwa aus Übersee. Nutzbar sind die neuen Technologien gleichermaßen für Radial- wie Axial-Flechtmaschinen in der gesamten Faserverbundtechnik. Sie erlauben kleinen und mittelständischen Unternehmen die Entwicklung und Fertigung ebenso leichter wie leistungsstarker Produkte und dienen im Zuge von Industry 4.0 als Basis für konsistente digitale Prozessketten und Anwendungen.
Hermann Finck, Leiter Forschungsbereich Simulation, Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung DITF Dr. Karsten Düsdieker, Technische Redaktion, Nanotec Electronic GmbH & Co. KG
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