RaCPro – Robot-Assisted Composite PROduction
Entwicklung eines robotergestützten Drapier-Arbeitsplatzes zur Herstellung von Bauteilen
aus Faserverbundkunststoffen
Motivation
- Umformung (Drapierung) der biegeschlaffen, teils klebrigen Textillagen ist zeitaufwendig und fehleranfällig
- Feinfühliges Materialverständnis sowie viel Routine benötigt, damit die Fasern nicht verschoben und Falten, Löcher oder weitere Fehlerarten vermieden werden
- In KMU gibt es nicht ausreichend Experten mit diesem Materialverständnis, sodass diese überlastet sind
Ziele
- Fachkräfte entlasten und durch technische Unterstützung der Fachkräfte die Produktionskapazitäten zu erhöhen
- Erhöhung der Reproduzierbarkeit und Produktivität der herzustellenden Bauteile durch die Teilautomatisierung
- Imitation Learning soll die Komplexität des Programmieraufwandes so reduziert werden, dass auch KMU ohne jahrelange Expertise zielgerichtet Roboter für ihre Projekte einsetzen können
Umsetzung
- Entwicklung eines robotergestützten Drapier-Arbeitsplatzes zur Herstellung qualitativ hochwertiger FVK-Bauteile mit unterschiedlichen Komplexitäten
- Komplexitätsgradabhängige Aufgabenteilung zwischen Mensch und kollaborierendem Roboter (Cobot)
- Akzeptanzerhöhung durch Mixed Reality (MR) Schnittstelle zur Mensch-Roboter-Kooperation
Projektübersicht
Motivation
In einer Umfrage von CompositesWorld gaben etwa 60 % der Unternehmen an, in ihrer Fertigung manuelle Verfahren einzusetzen. Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) profitieren von dem hohen Anteil manueller Arbeit. KMU können somit hochflexibel agieren sowie eine hohe Bauteilvarianz bei kleinen Stückzahlen erreichen. Eine vollautomatisierte Anlage kann diese Art der Leistung nicht ermöglichen. Allerdings setzen manuelle Verfahren großes Experten- und Erfahrungswissen voraus. Fachkräfte sind daher ein zentraler Bestandteil in der Fertigung. Aufgrund schwacher Nachwuchsrekrutierung ist jedoch ein wachsender Fachkräftemangel in der Branche zu verzeichnen. Ausgebildete Verfahrensmechaniker/innen für Kunststoff-/Kautschuktechnik
Fachrichtung Faserverbundtechnologie sind rar und werden meist von großen Unternehmen der Luftfahrt- oder Automobilbranche rekrutiert, da diese die attraktiveren Stellenvergütungen anbieten. Für KMU sind die geforderten Gehälter in den meisten Fällen wirtschaftlich nicht tragbar.
Im Jahr 2019 war das Auftragsvolumen bei 43 % der durch Composites Germany befragten Unternehmen so hoch, dass zur Deckung zwingend Neueinstellungen nötig waren. Die nötigen Fachkräfte fehlen jedoch oder sind überlastet, sodass eine Lücke in der Produktionskapazität der KMUs entsteht und Aufträge nicht angenommen und potenzielle Gewinne nicht realisiert werden können.
Ziele
Daher ist das Ziel des Forschungsvorhabens Fachkräfte zu entlasten und durch technische Unterstützung der Fachkräfte die Produktionskapazitäten zu erhöhen. Ansatz zur Zielerreichung ist die Entwicklung eines robotergestützten Drapier-Arbeitsplatzes zur Herstellung qualitativ hochwertiger FVK-Bauteile mit unterschiedlichen Komplexitäten. Angestrebt wird eine komplexitätsgradabhängige Aufgabenteilung zwischen Mensch und kollaborierendem Roboter (Cobot). Fachkräfte übernehmen Aufgaben mit hohen Komplexitätsgraden, um ihr ausgeprägtes Materialbewusstsein und ihre kognitive Flexibilität auszuspielen, während Roboter weniger komplexe, repetitive Drapieraufgaben vom Experten erlernen und übernehmen ohne dabei zu ermüden. So wird die dünne Decke der Fachkräfte effizient genutzt und die Entlastung führt zeitgleich zu attraktiveren Arbeitsplätzen für Fachkräfte in KMU.
Umsetzung
Um einen möglichst großen Arbeitsraum abzudecken sollen mobile Cobots eingesetzt werden, bestehend aus einer mobilen Plattform und einem kollaborierenden Roboterarm. Solch ein Aufbau erlaubt die Drapierung von Bauteilen an verschiedenen Stationen und von sehr großflächigen Bauteilen. Dadurch kann der Roboter unkompliziert in bestehende Arbeitsumgebungen integriert werden.
Standardisierte, drapier-gerechte Roboterendeffektoren sind derzeit kommerziell nicht verfügbar. Daher besteht die maßgebliche Innovation darin, Drapier-Werkzeuge zu entwickeln, die im Anschluss an das Projekt weiterentwickelt als Off-the-Shelf-Lösungen angeboten werden können.
Die Zusammenführung von Mensch und Roboter in einem kooperativen Arbeitssystem erfordern eine durchgehende Informationsversorgung des Menschen. Hierzu wird eine innovative Schnittstelle auf Basis von Mixed-Reality entwickelt, um notwendige Informationen zu selektieren und geeignet darzustellen.
Beteiligte Forschungsinstitute
Zur Gewährleistung einer größtmöglichen Praxisnähe des Forschungsvorhabens und dessen Ergebnissen, wird das Projekt von Vertretern verschiedener Industrieunternehmen begleitet, um dabei einen regen Informationsaustausch zwischen Forschungsstätte einerseits und den Industrievertretern andererseits sicherzustellen. Zur Erreichung des Projektziels ist die gebündelte Zusammenarbeit von kompetenten Forschungseinrichtungen aus verschiedenen Disziplinen und Partnern aus der Industrie notwendig. Die drei Forschungsstellen gewährleisten durch ihre Fach- und Methodenkompetenz eine qualitativ hochwertige Projektabwicklung. Beteiligt sind:
- das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen sowie
- das Institut für Unternehmenskybernetik (IfU) e.V. und
- das Institut für Informationsmanagement im Maschinenbau (IMA) der RWTH Aachen
Hannah Dammers, M.Sc.
Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen
hannah.dammers@ita.rwth-aachen.de
Konstantin Zähl, M.Sc.
Institut für Unternehmenskybernetik (IfU) e.V.
konstantin.zaehl@ifu.rwth-aachen.de
Johanna Lauwigi, M.Sc.
Institut für Informationsmanagement im Maschinenbau (IMA) der RWTH Aachen
johanna.lauwigi@ima.rwth-aachen.d
Gefördert durch
Das Projekt der Forschungsvereinigung Institut für Unternehmenskybernetik e.V. wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) ab dem 01. Oktober 2022 über zwei Jahre im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF, Vorhaben-Nr. 22611 N) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Projektpartner
Zur Gewährleistung einer größtmöglichen Praxisnähe des Forschungsvorhabens und dessen Ergebnissen, wird das Projekt von Vertretern verschiedener Industrieunternehmen begleitet, um dabei einen regen Informationsaustausch zwischen Forschungsstätte einerseits und den Industrievertretern andererseits sicherzustellen.