Leichtbau, Automatisierung und Robotik aus Stade für die nachhaltige & effiziente Flugzeugproduktion auf der SIAE 2023

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Automatisierte Bearbeitung und Montage großer Leichtbaustrukturen im
1:1-Maßstab

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung IFAM in Stade präsentiert Automatisierungslösungen für
die nachhaltige Flugzeugproduktion auf der Internationalen Luft- und
Raumfahrtausstellung SIAE (»Paris Air Show«) in Paris-Le Bourget vom 19.
bis 25. Juni 2023 auf dem Stand von Fraunhofer AVIATION & SPACE auf dem
Gemeinschaftsstand des Bundesverbands der Deutschen Luft- und
Raumfahrtindustrie e.V., BDLI (Halle 2C l Stand D357).

Neue, gewichtsparende Materialien und Fertigungsverfahren steigern nicht
nur die Effizienz und senken die Kosten, sondern repräsentieren
insbesondere Meilensteine auf dem Weg zum klimafreundlichen Fliegen: bei
einem typischen Passagierflugzeug reduziert jedes eingesparte Kilogramm
den Kerosinverbrauch um bis zu 120 kg pro Jahr. Die Forschenden für
Automatisierung und Produktionstechnik geben Einblicke in aktuelle
anwendungsorientierte FuE-Tätigkeiten – fokussiert auf Bearbeitung und
Montage großer Leichtbaustrukturen aus verschiedenen Werkstoffen –, die
sie im 1:1-Maßstab im Forschungszentrum CFK NORD in Stade realisieren. Sie
entwickeln automatisierte oder halbautomatisierte Fertigungslösungen bis
hin zum industriellen Maßstab.

• Montagetechnologien für einen leichteren Clean Sky 2 Flugzeugrumpf der
Zukunft
aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen (FVK)
• Leichtbaurobotik-Systembaukasten für die Flugzeugproduktion
• Automatisierte Vormontage von CFK-Integralspanten
• Automatisierte Rudergabelmontage in Flugzeugseitenleitwerken
• Effizienzsteigernde Flow-Line-Fertigung für CFK-Großbauteile

Clean Sky 2 – »MFFD« – Ein Flugzeugrumpf der Zukunft –
Montagetechnologien für neue Rumpfbauweisen mit thermoplastischen CFK

In einem virtuellen Flugzeughangar haben die Besucherinnen und Besucher
der SIAE 2023 per VR-Brille die Möglichkeit, den Clean Sky 2
»Multifunctional Fuselage Demonstrator« (»MFFD«) individuell zu erkunden,
der derzeit bei Fraunhofer in Stade im 1:1-Maßstab real aufgebaut wird
(Abbildung 1). Die deutliche Gewichtsverringerung des Flugzeugrumpfs der
Zukunft resultiert aus einer neuartigen Bauweise, die wiederum durch die
weltweit erstmalige Nutzung thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe für
diesen Einsatzbereich zugänglich wird.

Steigende Nachfrage nach Flugzeugen und zu reduzierende CO2-Emissionen
erfordern neue Bauweisen und Technologien im Flugzeugbau. Für eine
signifikante Erhöhung der Produktivität einerseits und
Umweltverträglichkeit – durch Gewichtsreduktion – andererseits, gibt es
einen vielversprechenden Ansatz: Die Kombination thermoplastischer,
carbonfaserverstärkter Kunststoff- (CFK-) Flugzeugstrukturelemente,
Verkleidungsteile und Kabinensystemelemente zu einem integrierten
Strukturmodul. Das Ziel ist es, die Ausrüstung der Rumpfschalen vor dem
Schließen des Rumpfs durchzuführen und so erheblich an Aufwand und Kosten
zu sparen. Dafür ist es erforderlich, das bisher durchgeführte Bohren und
Nieten durch ein spanloses schweißtechnisches Fügen zu ersetzen.

Im Rahmen des Clean Sky 2 »Multifunctional Fuselage Demonstrator« (»MFFD«)
wird die technologische und wirtschaftliche Machbarkeit der
schweißtechnisch basierten Montage von hochintegrierten, thermoplastischen
Flugzeugrumpfstrukturen untersucht. Dazu entsteht in Stade ein
Versuchsaufbau im 1:1-Maßstab mit verschiedenen Verbindungsdesigns und
Schweißverfahren, der gemeinsam mit internationalen Projektpartnern
entwickelt wird. Neben den Schweißprozessen stehen die automatisierte
Manipulation und Montage der Strukturen unter Einhaltung höchster
Toleranzanforderungen im Fokus.

Weitere Informationen: https://s.fhg.de/9RW
Gefördert durch Clean Sky 2 / European Union

Systembaukasten mit Potenzial –
Kognitive Flugzeugproduktion mit modularer Leichtbaurobotik

Im Verbundprojekt »Cobots, Mensch und Maschinen aus Niedersachsen«
(CoMMaNds 2) entwickelten die Forschenden des Fraunhofer IFAM in Stade
gemeinsam mit ihren Projektpartnern mobile Leichtbaurobotersysteme zur
effizienten und nachhaltigen Montage von Flugzeugkomponenten (Abbildung
2).

Ziel der FuE-Aktivitäten war es, einen modularen Leichtbaurobotik-
Systembaukasten zu schaffen, der es ermöglicht, Leichtbaurobotersysteme
mit reduziertem zeitlichen und finanziellen Aufwand zu konfigurieren und
zu rekonfigurieren. So können nicht nur Neuanlagen zu geringeren Kosten
und mit geringerer Lieferzeit projektiert, sondern auch bestehende Anlagen
einfacher an wechselnde Bedingungen angepasst werden. Die
Systemmodellierung sowie die standardisierten Schnittstellen basieren auf
dem offenen Datenaustauschstandard OPC UA und die standardisierte
Ablaufsteuerung besteht aus fähigkeitsbasierten Softwarebausteinen. So
wird in der Produktionspraxis ein »Plug & Produce« sowie eine schnelle und
einfache Generierung von Steuerungscodes erreicht.

Weitere wichtige Bausteine des Projekts sind Mensch-Maschine-
Schnittstellen, die u.a. mittels Augmented Reality- (AR-) Technologien
realisiert wurden, Technologien zur schnellen und zuverlässigen
Referenzierung, Mobilisierung der Roboter sowie Entwicklung einiger
luftfahrtrelevanter Prozesse.

Die entwickelten Technologiebausteine des modularen Systembaukastens haben
sich bereits in beispielhaften Anwendungen unter Beweis gestellt. So wurde
das Quetschen von Nieten an einer Flugzeugrumpfschale sowie das Bohren und
Verschrauben von Nietverbindungen am Beispiel einer
Flugzeugseitenleitwerksbox im 1:1-Maßstab erfolgreich durchgeführt.

Gefördert durch Niedersächsisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr,
Bauen und Digitalisierung

Positionier- und Bohrendeffektor zur automatisierten hochpräzisen und
qualitätsgesicherten Vormontage von CFK-Integralspanten

Die im »Impuls«-Teilprojekt »Tempo« (»Technologien für die effiziente
Montage und Produktion von CFK-Rumpfkomponenten«) vom Fraunhofer IFAM in
Stade gemeinsam mit Projektpartnern entwickelten Automatisierungslösungen
wurden bereits in seriennaher Umgebung an einem maßstabsgetreuen Prototyp
validiert.

Der für eine Portalanlage neu entwickelte Positionier- und Bohrendeffektor
zur automatisierten Vormontage von Versteifungselementen (Cleats) an CFK-
Integralspante zur Herstellung von Flugzeugrümpfen ermöglicht
Produktionsratensteigerungen sowohl bei gleichbleibender Qualität als auch
zu geringeren Kosten. Die bisherige manuelle Fertigung benötigt darüber
hinaus mehr Prozessschritte.

Der Positionier- und Bohrendeffektor erfüllt die Aufgaben der Aufnahme von
unterschiedlichen Cleats, deren Positionierung an verschiedene
Integralspante und der zeitgleichen doppelten Bohrung beider Bauteile. Der
kompakt gebaute Endeffektor lässt sich sowohl von der eingesetzten
Portalanlage als auch von Standard-Industrierobotern aufnehmen. Er kann
über eine Anlagen-SPS gesteuert werden und erhält seine globalen Lagedaten
aus eingelesenen CAD-Daten der Bauteile. Über eine vorgelagerte schnelle
Einmessung mittels Lasertracker wird die neue Montagesituation angepasst.
Die innovative Technologie ermöglicht einen prozesssicheren Ablauf und
eine hohe Positioniergenauigkeit. Die im Endeffektor integrierte
Messtechnik dokumentiert exakt den nötigen Anpressdruck sowie viele
weitere Parameter zur Überwachung der optimalen Bedingungen für das
Vormontieren der Cleats an den Integralspant. Somit ist eine Online-
Qualitätssicherung gewährleistet.

Video und weitere Informationen: https://s.fhg.de/s4X
Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Agile Produktionstechnologien für CFK-Boxstrukturen –
Automatisierte Rudergabelmontage in Flugzeugseitenleitwerken

Unter Nutzung agiler Produktionstechnologien für CFK-Boxstrukturen
optimierten die Forschenden des Fraunhofer IFAM in Stade im
Verbundvorhaben »FastFlexMont 2« die Produktionsabläufe von
Flugzeugseitenleitwerken.

Mit dem Ziel, die Montage von Rudergabeln an die Seitenleitwerksbox nicht
mehr durch lange Wartezeiten zu unterbrechen, haben die Expertinnen und
Experten des Fraunhofer IFAM zusammen mit Partnern Auftrag und Aushärtung
von Shimmaterial (spaltfüllendes Material) als parallellaufendes Verfahren
entwickelt. Dabei ermöglichen automatisierte und digital vernetzte
Prozesse das volumengenaue Dosieren und Applizieren sowie die präzise
Formgebung und Kantenglättung des Shims. Erst nach Aushärtung der
Spaltfüllung wird die fertig geshimmte Rudergabel in das Seitenleitwerk
eingesetzt.

Diese Fertigungsoptimierung erreicht durch die Parallelisierung von
Arbeitsschritten neben einer agilen Fertigung die Wiederverwendbarkeit von
technischen Ressourcen und damit die Erhöhung der Produktivität bei
gleichzeitiger Kostensenkung.

Weitere Informationen und Video: https://s.fhg.de/yc5 und
https://s.fhg.de/zL5
Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Effizienzsteigernde Flow-Line-Fertigung von CFK-Großbauteilen –
Zukunftsweisendes mobiles Spannfeld für flexible Aufnahme, Ausrichtung und
Transport von Bauteilen

Ein weiter Meilenstein im Hinblick auf agile Produktionstechnologien – das
vom Fraunhofer IFAM in Stade gemeinsam mit Projektpartnern neu entwickelte
mobile Spannfeld kann diverse Großbauteile, wie Flugzeug-Seitenleitwerke
oder -Landeklappen, in unterschiedlichen Typen bis zu acht Metern Länge
flexibel aufnehmen, formgebend exakt und nachhaltig ausrichten sowie
transportieren.

Auch in diesem Forschungsverbundprojekt (»UniFix«; »Universelle mobile
Bauteilspann- und Fixiervorrichtung für die Bearbeitung von
Faserverbundstrukturen«) dreht sich alles um gewichtsreduzierende CFK-
Großstrukturen im 1:1-Maßstab für den Flugzeugbau. Fokussiert auf
Bearbeitungsprozesse im Produktionsablauf ist dieses Spannfeld in der
Lage, eine Bearbeitungsanlage von zeitaufwendigen, nichtwertschöpfenden
Nebentätigkeiten erheblich zu entlasten, indem es im Vorfeld mit den
optimal und exakt ausgerichteten Großbauteilen verschiedene
Prozessstationen durchläuft, an denen vorbereitende Arbeiten parallel und
simultan erfolgen können.

Diese flussorientierte Fertigung ermöglicht es, Durchlaufzeiten zu
reduzieren und damit Produktivität, Effizienz und Wirtschaftlichkeit,
somit die Konkurrenzfähigkeit im internationalen Markt, zu steigern. Die
Vorteile der fließenden Fertigung liegen vor allem in Reduktion von
manuellen Handlingsoperationen und Nebenzeiten. Dazu kommen
Effizienzsteigerungen durch Spezialisierung der einzelnen Anlagen,
verringerte Durchlaufzeiten aufgrund harmonisierter Taktzeiten sowie eine
damit einhergehende Reduktion von Pufferbeständen und schnellere Reaktion
auf Prozessabweichungen.

Weitere Informationen und Video: https://s.fhg.de/89K
Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Messe
Erfahren Sie mehr – besuchen Sie uns vom 19. bis 25. Juni 2023 auf der
Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung SIAE in Paris-Le Bourget
(»Paris Air Show«), Halle 2C l Stand D357, (Stand Fraunhofer AVIATION &
SPACE auf dem Gemeinschaftsstand des BDLI).