116 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe10/2009 RÜDIGER SONNTAG
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ie globale Kunststoffindustrie hat bis zu den durch die Wirtschafts- krise hervorgerufenen Auftragsein- brüchen einen unvergleichlichen Boom erfahren. Die Nachfrage nach kunststoff- verarbeitenden Neumaschinen war so groß, dass sich die Anbieter lediglich auf ihr Kerngeschäft konzentrierten: die Her- stellung der Maschinen und deren konven- tionelle Prozesse. Wesentliche Neuent- wicklungen zur Automation und Prozess- optimierung wurden selten getätigt. Nur vereinzelt hat man auf individuelle Anfor- derungen von Endkunden reagiert.Die schwierige Situation in fast allen Bereichen der Kunststoffindustrie lässt nun die Nachfrage bei Neumaschinen er- heblich zurückgehen. Die Branche muss sich dauerhaft auf ein geringeres Ge- schäftsvolumen einstellen. In der Vergan-
genheit war es für Kunststoffverarbeiter mit weniger Aufwand verbunden, eine neue Anlage in Auftrag zu geben als eine Bestandsmaschine umzurüsten. Das hat sich nun geändert. In allen Sparten des In- dustriezweigs liegt noch sehr viel Poten- zial ungenutzt brach – egal ob die Maschi- nen neu oder gebraucht sind. Jetzt geht es
darum, mit schlüssigen Konzepten die Prozessabläufe in der Kunststoffindustrie zu optimieren.
Zuverlässig in der Anwendung
Sämtliche Maschinenhersteller haben in den vergangenen Jahren den Ausstoß an
Branche im Wandel. Der Vielfalt der In- dustrien und deren Anforderungen müssen auch die Anbieter von Automati- sierungslösungen Rechnung tragen.
„Angepasste Automation“ heißt das Zau- berwort, denn stark schwankende Los- größen, zunehmende Variationen und kurze Produktlebenszyklen gibt es heute in vielen Märkten. In vielen Schubladen liegen Entwürfe und Pläne für attraktive und innovative Gesamtlösungen. Jetzt ist die ideale Zeit, diese Pläne hervorzu- holen und in die Tat umzusetzen.
ARTIKEL ALS PDFunter www.kunststoffe.de Dokumenten-Nummer KU110225
Alles auf Los
Die Robotertechnik ermöglicht der Industrie, immer flexibler zu produzieren
(Foto: Laservision/LPKF)
Bild 1. Eine Komplett- lösung bestehend aus traditionellen Linear- und Gelenkarmrobo- tern für die Entnahme und Bearbeitung eines technisch an- spruchsvollen Bau- teils (Foto: KraussMaffei)
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ihren Maschinen deutlich gesteigert; lei- der wurde der Handhabung am Ende des Prozesses wenig Bedeutung beigemessen.
Was beim Spritzgießen aufgrund der langjährigen Erfahrung mit traditionel- len Linear- und Gelenkarmrobotern noch relativ gut funktioniert hat (Bild 1), ist im Extrusionssektor undenkbar. Die Extru- der steigerten ihren Ausstoß von Folien- rollen massiv: Im 15-Sekundentakt muss eine Rolle mit einem Gewicht von bis zu 280 kg beiseite geschafft werden. Nur we- nige Spezialisten haben sich Lösungen für den Wegtransport und das Verpacken der schweren Rollen am Prozessende des Fo- lienextruders einfallen lassen (Bild 2).
Technische Blasformteile entwickelten sich aufgrund ihrer Anwendungen zum Funktionsbauteil weiter. Dadurch wurde die Herstellung zunehmend komplexer. So
werden beispielsweise außerhalb der Blas- formmaschine sogenannte Lanzen mit ei- ner Vielzahl an Funktionselementen (Tankgeber etc.) bestückt, die der Roboter anschließend zwischen zwei Formhälften positioniert. Zudem entnehmen Zangen die Schläuche und legen sie über komple- xe dreidimensionale (3D) Bewegungsbah- nen zielgenau ein (Bild 3).
Thermoformanlagen für die Konsum- industrie unterteilen sich nach Losgrößen von einem bis hin zu hundert Artikel pro Takt. Bei der Herstellung der technischen Formteile, wie beispielsweise Auskleidun- gen für Kühlschränke, ist Automation schon immer wichtig gewesen. Oftmals ist die Produktion der Bauteile mit einem weiteren Arbeitsschritt wie Schäumen verbunden. Nach dem Thermoformen werden die Teile mit einem Schaum ver-
sehen, der für die Dämmung und die Sta- bilität des Produkts wichtig ist.
In einem gemeinsamen Pilotprojekt für Verpackungsartikel haben der Kunst- stoffverarbeiter Optipack GmbH, Lep- persdorf, der Maschinenhersteller Illig Maschinenbau GmbH & Co. KG, Heil- bronn, und die Kuka Roboter GmbH, Augsburg, Pionierarbeit geleistet. Mit ei- ner variabel aufgebauten Anlage werden schnelllaufende Thermoformlinien in 1,5 s Taktzeit entladen (Bild 4). Daran zeigt sich, dass die unterschiedlichen Anbieter ihre Techniken immer mehr bündeln, wie z. B. auch die Kombination Spritzgießen mit Schäumen.
Zwei Welten
Innerhalb der Kunststoffindustrie sind deutliche Unterschiede hinsichtlich der Automatisierung zu beobachten. In der Nische Medizin wird eine Vielzahl von Produkten (Pipetten, Infusionsverschlüs- se etc.) entweder per Fallteil oder per Au-
tomation aus der Form entfernt. Bei der vollautomatischen Entnahme ist der Industrieroboter aufgrund seiner gekap- selten und kompakten Bauweise einem Li- nearroboter vorzuziehen. Einige Maschi- nenlieferanten haben dazu bereits schlüs- sige Konzepte entwickelt (Bild 5).
In der stark automatisierten Elektronik bestücken oftmals Scara- und Kleinrobo- ter die Trägersysteme mit Bauteilen. In der Fahrzeugtechnik werden beinahe alle For- men von Automationsmöglichkeiten ge- nutzt, die auf dem Markt angeboten wer- den. In der Vergangenheit haben die Kunststoffverarbeiter aufgrund hoher Los- größen und geringer Varianz starre Bild 2. Bis zu 300 kg schwere Folienrollen müssen prozesssicher entladen werden, ein
Gelenkarmroboter KR500 übernimmt den gesamten Prozess vom Barcode-Aufbringen über Wiegen bis Verpacken (Foto: Jürgens)
Bild 3. Nach der Abnahme des Blasformschlauchs durch einen Industrieroboter wird das Material über eine 3D-Bewegungsbahn positioniert (Foto: Kautex)
Bild 4. Die variabel aufgebaute Anlage kann unterschiedli- che Bechervarianten (unterschiedliche Durchmesser und Längen) problemlos handhaben (Foto: Kuka)
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Automationssysteme verwendet. Zukünf- tig werden sinkende Losgrößen und mehr Varianten den Trend zum Industrierobo- ter setzen. Die Kundenanforderungen wer- den sich eher an der Flexibilität eines Ro- boters orientieren als an seiner Schnellig- keit (Bild 6).
Der zweitgrößte Bereich innerhalb der Kunststoffindustrie, die Bausparte, setzt nach wie vor auf die Arbeitskraft Mensch.
Extruder stellen mit ihren hohen Durch- sätzen endlose Profile wie Rohre, Kabel- kanäle, Fensterprofile und Zierleisten im- mer effizienter her; die fertigen Produkte werden automatisch auf Länge gebracht und dann meist als Fallteil manuell ver- packt. Innerhalb des Segments Bau gibt es jedoch Ausnahmen, so z. B. die Produk- tion von Zisternen bzw. Sickersteinen mit Speicherfunktion für Wasserreserven, die bereits automatisch verpackt werden.
In der Verpackung sind wieder beide Welten anzutreffen: vereinzelt Automation, überwiegend aber noch Handarbeit. Gera- de beim Folienextrudieren müsste drin- gend mehr automatisiert werden. Dabei geht es in erster Linie um das dauerhafte Bewegen von schweren Lasten. Oftmals werden von den Berufsgenossenschaften Si- cherheits- und Gesundheitsauflagen ge- stellt, die die Unternehmen zeitnah umset- zen müssen. Zudem müsste ein Mitarbei- ter in immer kürzer werdenden Zyklen bzw.
bei größer werdendem Ausstoß der Kunst- stoffmaschinen sämtliche Prozessschritte wie Wiegen, Barcode-Aufbringen und Ab- legen der Produkte auf Mehrwegpaletten durchführen. Auch hier gibt es ein gelun- genes Gegenbeispiel umgesetzt mit Gelenk- armroboter (Bild 7).
Bei schnelllaufenden Saug-Blasanlagen ist es ähnlich. Die Produkte werden heute überwiegend als Fallteil bzw. als Schüttgut aus der Anlage entfernt. Das könnte eben-
falls der Vergangenheit angehören. In die Behälter, die bei der RPC Verpackungen Kutenholz GmbH, Kutenholz, auf Förder- bändern aus den Blasformmaschinen lau- fen, werden später Kosmetikprodukte ab- gefüllt. Durch den Einsatz von Indus- trierobotern werden bis zu 20 % mehr Ar- tikel in einen Karton konfektioniert (Bild 8). Die Behältnisse sind zudem so geordnet und gestapelt, dass sie beim späteren au- tomatischen Befüllen wieder problemlos zugeführt werden können.
Produzieren vor Ort
Fast jede Art der Automationsanlagen ist weltweit anzutreffen, unterschiedlich ist nur die Population. In Westeuropa ist in den zurückliegenden Jahren die Automa- tisierung im Spritzgießen durch immer komplexer werdende Produkte und deren anspruchsvolle Geometrie gewachsen.An- fangs gaben dafür die Produkte den An- stoß, nun ist das Einsparungspotenzial auf der Lohnkostenseite ein weiterer Grund.
Die positiven Erfahrungen durch die Au- tomation im Spritzgießbereich waren aus- schlaggebend, dass vor allem global aufge- stellte Unternehmen ihr Know-how mit den dementsprechenden standardisierten Konzepten zuerst ins östliche Europa und anschließend weltweit transportiert ha- ben. Heute werden weltweit Qualitätspro- dukte auf automatisierten Spritzgießanla- gen „Made in Germany“ hergestellt.
Ähnliche Entwicklungen hinsichtlich automatisierter Konzepte sind auch beim Blasformen und Schäumen festzustellen.
Eine weitere Forderung des Markts be- schleunigte diese Entwicklung: Der Arti- kel soll im Idealfall dort produziert wer- den, wo er benötigt bzw. weiterverarbeitet wird. Ausnahmen sind die Extrusion- und die Thermoformanwendungen (vor allem der Bereich Konsum); hier dominiert welt- weit noch die günstige Ressource Mensch.
Linear- oder Gelenkarmroboter?
Mit Beginn der Wirtschaftskrise ist das Linearrobotergeschäft stark zurückgegan- gen. Im Moment orientieren sich die Kun- denanfragen bzw. die sich in Planung be- findenden Projekte in Richtung Sonder- automation mit schlüsselfertigen Lösun- gen. Wie bereits beschrieben, kann man den Lösungsansatz auch auf die Wert- schöpfung eines Produkts zurückführen.
Liegt diese Wertschöpfung im Ausstoß/
Minute und es sind keine zusätzlichen Pro- zesse innerhalb des Zyklus zu bewerkstel- ligen, so wird sich der Kunde in den meis- ten Fällen für die Installation eines Linear- roboters entscheiden.
Ist ein Kundenprojekt auf ein techni- sches Bauteil oder auf eine Baugruppe aus- gerichtet, wird die Wahl bevorzugt auf ei- nen Gelenkarmroboter fallen. Dann ist die Bild 5. Ein Beispiel:
Der in die Spritzgieß- maschine integrierte KR5sixxCR (Clean Room) kann Teile zu- führen und entneh- men (Foto: Engel)
Bild 6. Bei zunehmender Komplexität des zu fertigenden Bauteils gewinnt der Industrieroboter aufgrund seiner uneingeschränkten Flexibilität an Bedeutung (Grafik: Kuka)
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Bild 7. Ein automatisiertes Arbeitsumfeld mit einem KR60-3, bei dem ein Mensch an seine arbeitstechnischen Grenzen stoßen würde (Foto: Jürgens)
Bild 8. Ein Industrieroboter setzt die kosmetischen Behälter, die mit einer schnell getakteten Saug- Blasanlage produziert werden, für das Befüllen um und verpackt sie anschließend (Foto: Kuka)
bereits erwähnte Sonderautomation – für anspruchsvolle Artikel mit kleinen Los- größen und mehreren Varianten – gefragt.
Einlegen, entformen, schneiden, beflam- men, montieren, prüfen und verpacken, möglichst viele Prozesse beherrschen und mit weniger artikelspezifischer Peripherie auskommen – das sind die Anforderungen an Automationslösungen in der Branche.
Aber auch Synergien zwischen Linear- und Gelenkarmroboter können erfolgreich sein. Handelt es sich um ein anspruchsvol- les Produkt mit einer großen Losgröße, kann ein Konzept wie folgt aussehen: Ein flexibler Gelenkarm- oder Scararoboter wird für das Bestücken von Werkstückträ- gersystemen eingesetzt, ein schnell eingrei- fender Linearroboter nimmt die Teile auf und positioniert sie in der Form. Auch der umgekehrte Prozess kann zielführend sein.
Bei Automationssystemen der Heino Ilse- mann GmbH, Bremen, entnimmt ein schnell eingreifender Linearroboter Ga- beln, Messer sowie Ess- und Teelöffel aus einem Mehrfach-Werkzeug. Zwei Gelenk- armroboter, die außerhalb der Maschine positioniert sind, bündeln die Artikel und verpacken sie. Eine Vielzahl von Marktan- forderungen kann mit aufwendiger Linear- technik gelöst werden; flexibler und zu- kunftssicherer ist allerdings der Einsatz von Gelenkarmrobotern. Zulieferer mit an- spruchsvollen Kunststoffartikeln und aus- geklügeltem Know-how sind deutlich bes- ser positioniert als Lieferanten mit einfa- chen Produkten. Die Konkurrenzfähigkeit gegenüber asiatischen Anbietern ist somit gewährleistet. In Deutschland sind nur aus- gereifte, differenzierte Konzepte konkur- renzfähig.
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Schrittweise angepasst
Vor etwa 35 Jahren begann der Linearro- boter die manuelle Entnahme aus Spritz- gießmaschinen allmählich zu ersetzen. Ei- ne ähnliche Entwicklung hat auch der Ge- lenkarmroboter erfahren: Erst im rauen Automobilsektor eingesetzt, wurden die Industrieroboter für unterschiedliche Branchen wie der Kunststoffindustrie wei- terentwickelt und den Marktanforderun- gen schrittweise angepasst (Bild 9). Durch die permanent steigenden Absatzzahlen in diesen Bereichen wurden die Mechaniken der Linearroboter von Stahlprodukten auf Aluminium- und Faserverbundwerkstoff- teile umgestellt und optimiert.
Um sich von den Mitbewerbern abzu- grenzen, haben sich die Hersteller von Li- nearrobotern auf die Entwicklung der Steuerung/Programmierung und der Be- dienbarkeit konzentriert. Da es sehr viele Anbieter für Linearroboter gibt, erlebte das Standard-System zuletzt einen massi- ven Preisverfall – der Markt regulierte das
Preisniveau. Auch die Hersteller von In- dustrierobotern müssen aufgrund der Kri- se der Leitindustrie Automotive mit mas- siven Auftragsrückgängen leben.
Heute können Indus- trieroboter in nahezu allen Bereichen der Wirt- schaft eingesetzt werden. Jede Branche spricht eine eigene Spra- che bzw. ar- beitet nach an- deren Geset- zen. Diesen Ge- gebenheiten müssen sich die Automations- hersteller anpassen. Die Ro- botermechanik wird leichter, schlanker und schneller. Zudem sind sie mit großen Reichweiten und umfangreichen Optionen ausgestattet.
Dabei wurden sinnvolle und vom Markt geforderte Softwarefunktionen wie z.B. das synchrone Ein- und Ausfahren oder eine automatische Lageerkennung von Formen und Werkzeugen entwickelt. Speziell beim Be- und Entladen innerhalb der Maschine lassen sich durch das synchrone Ein- und Ausfahren die Taktzeiten verkürzen. Das Softwareprodukt „Lageerkennung“ hilft bei sehr genauen Nachbearbeitungsschrit- ten wie Schneiden von Filmanbindungen.
Zentral steuern und bedienen
Einige Anbieter haben bereits frühzeitig erkannt, dass ein wesentlicher Erfolgsfak- tor in der Benutzerfreundlichkeit der In- dustrieroboter liegt. Es gibt heute bereits komplette Paketlösungen. Der Kunde kann den Industrieroboter über die Ma-
schinensteuerung programmieren und be- dienen (Bild 10). Ein globaler Durchbruch wird den Herstellern nur gelingen, wenn sie Produkte anbieten, die ein durch- schnittlich qualifizierter Anlageneinrich- ter programmieren und ein nicht qualifi- zierter Mitarbeiter an der Anlage bedienen kann. In der Automobilindustrie werden Industrieroboter tausendfach eingesetzt;
hier gibt es keinerlei Berührungsängste hinsichtlich der Bedienung. Auch die Zu- lieferer dieser Branche setzten auf das Know-how der Programmierexperten.
Aktuell sind weltweit ca. 1,1 Mio. Roboter branchenübergreifend im Einsatz, jährlich kommen ca. 100 000 Stück dazu. In naher Zukunft wird eine einfache Programmie- rung und Bedienung des Grundsystems kommen müssen – und zwar branchen- übergreifend.
Das größte Potenzial bei Industrierobo- tern liegt heute in der Steuerung und in der Software. Die Robotersteuerung ist ge- genwärtig schon sehr leistungsfähig: Mit der integrierten SPS-Software
(Speicherprogram- mierbare Steue-
rung) können
Bild 10. Auch Bodenroboter können ähnlich wie Linearroboter über die Maschinensteuerung pro- grammiert und bedient werden (Foto: Arburg)
Bild 11. Durch den Einsatz von
Industrierobo- tern können verschiedene Peripheriezel- len flexibel miteinander vernetzt werden
(Konzeptentwurf:
bielomatik)
© Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe10/2009 Bild 9. Die neuen
Konsolroboter sind schnell und arbeiten präzise mit einer großen Reichweite
(Foto: Kuka)
komplette Prozesse wirtschaftlich umge- setzt werden, mit weniger Hardware-Bau- steinen und kürzeren Zyklen. Weitere Soft- wareoptionen wie kamerabasierte Syste- me inklusive einer Förderbandsynchroni- sation erlauben eine vollständig flexible und somit artikelunabhängige Automa- tion. Vielleicht benötigt die Kunststoffin- dustrie einen „abgespeckten“ Industrie- roboter des Typs „Trend“, da die Steuerun- gen der Industrieroboter deutlich mehr können, als die Branche verlangt. So kommt es zur Auslieferung von Funktio- nen und Schnittstellen, die eigentlich un- genutzt brach liegen.
Wenn man in der Totalkostenberech- nung die Punkte Verfügbarkeit, Wartungs- kosten und -intervalle,Wiederverwendbar- keit sowie Lebensdauer mit bewertet, so schneidet ein Industrieroboter bereits heu- te besser ab als ein Linearroboter. In Unter- nehmen, die bei Investitionen Preise hin- terfragen, spielen diese Argumente für den Gelenkarmroboter eine wesentliche und ausschlaggebende Rolle. Ein Unternehmer und Eigentümer entscheidet für das Wohl seiner Firma und zielt nicht auf kurzfristi- ge Ersparnisse und Renditen ab.
Intelligente Systeme
Der Kunststoff ist ausgesprochen facetten- reich. Sehr viele Unternehmen der Bran- che haben ihre Fertigung – bestehend aus Schweiß-, Dosier-, Klebe-, oder Entgra- tungsanlagen – Jahr für Jahr weiterent- wickelt. Die leistungsstarken und standar- disierten Systeme müssen jetzt zu auto- matisierten Komplettlösungen vernetzt werden. Eine Automation, die in der Elek- tronik einen sehr weitentwickelten Zu- stand erreicht hat, kann auch in der Ver- packungsindustrie ein erfolgreiches Kon- zept ein. Die gesamte Kunststoffindustrie sollte sich daher mehr untereinander aus- tauschen. Das Rad muss nicht immer neu erfunden werden. Wichtig ist zu wissen, welche Automationslösungen angeboten und wie diese am sinnvollsten zusammen- geführt werden. Die Vereinigung von Ein- zellösungen zu einem Komplettsystem birgt enormes Potenzial, da sich in jedem Produkt sehr viel Hardware wie SPS oder Sicherheitstechnik befindet. In Komplett- lösungen sind diese Komponenten nur einmal erforderlich. Zukünftige Produk- tionszellen müssen flexibler auf Losgrößen und Varianten reagieren können.
Warum also benötigt ein Kunststoffver- arbeiter zum Entfernen eines Blasform- butzens vom Bauteil jeweils eine Vorrich- tung pro Artikel? Im Konzeptentwurf der bielomatik Leuze GmbH + Co. KG, Neuf- fen, übernimmt ein Industrieroboter das Handling eines Blasformteils (Bild 11). Die Trennvorrichtung für die Butzen ist varia- bel auf unterschiedliche Durchmesser ein- stellbar. Darüber hinaus gibt es eine Viel-
zahl an patentierten Verfahrens- und An- lagentechniken, die durch die Bewegungs- freiheit eines Industrieroboters eine sehr große Flexibilität erzielen.
So kann ein Roboter heute einen Hy- bridschweißkopf mit Fokussieroptik und Spannrolle führen (Titelbild). Der Wegfall des Oberwerkzeugs ermöglicht, unter- schiedliche Bauteile in chaotischer Reihen- folge auf Werkstückträgern zu zuführen und zu bearbeiten. Diese neuartige Hy- bridschweißtechnik kann branchenüber- greifend angewendet werden: Ob Rück- leuchten, Solarpanels, Fernseher oder Tanks, ob in Groß- oder in Kleinserie, al- le Kundenanforderungen können wirt- schaftlich umgesetzt werden.
Durch den Einsatz von intelligenten Au- tomationssystemen lassen sich Produkte aus Faserverbundwerkstoffen mithilfe der CAD-Daten effizient und kostengünstig für Serienbauteile herstellen. Dadurch wird ein steigender Absatz von Faserverbundwerk- stoffen in der Luft- und Raumfahrt, der Au-
tomobil- und der Bauindustrie sowie der Umwelttechnik erfolgen. Eine Vielzahl an neuen Produktanforderungen, die sich ne- ben der Gewichtsreduzierung in Richtung Bauteilverbesserung, Designfreiheit und Qualität orientieren, können Schritt für Schritt erfüllt werden. Hier kann ein weite- rer Roboter mit einem Schweißkopf ein- schließlich induktiver Erwärmung seine Vorteile ausspielen (Bild 12). Dieser fügt drei- dimensionale, thermoplastische Faser- Kunststoff-Verbunde in einem sicheren Prozess, die sich später problemlos wieder trennen lassen.
Fazit
Durch die Chancen, die heutige Automati- onssysteme bieten, müssen eingefahrene Strukturen aufgebrochen werden. Auch wenn damit verbundene Veränderungen si- cherlich viel Engagement, Motivation der Mitarbeiter,finanziellen und zeitlichen Auf- wand sowie Mut zur Veränderung erfor- dern. Der Erfahrungsaustausch innerhalb der Kunststoffindustrie wird die Kreativität beim Entwickeln neuer Lösungen erhöhen, die wir in der aktuellen Lage auch dringend benötigen. Gerade jetzt ist der Zeitpunkt ideal, sich neu auszurichten.
DER AUTOR
RÜDIGER SONNTAG, geb. 1968, arbeitet im Key Technology Management Plastics bei der Kuka Robo- ter GmbH, Augsburg;
ruedigersonntag@kuka-roboter.de SUMMARY
BATCH SIZE IS EVERYTHING
INDUSTRY IN A STATE OF FLUX. The diverse nature of industries and their requirements is something that sup- pliers of automation solutions also have to take into ac- count. “Adapted automation“ is the magic word, be- cause widely ranging batch sizes, an increasing num- ber of product variants and short product lifecycles typ- ify many markets today. Plans for attractive, innovative universal solutions are hidden away in many drawers.
Now is the ideal time to pull these plans out and make them a reality.
Read the article in in our magazine Kunststoffe international and on www.kunststoffe-international.com Bild 12. Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen
können durch induktive Erwärmung und durch Einsatz flexibler Handhabungssysteme gefügt werden (Foto: Kuka)
