Neue Bauweise für automatisierte Produktion des weltweit größten Thermoplast-Flugzeugrumpfs im 1:1-Maßstab demonstriert
Meilensteine für den sauberen und nachhaltigen Flugverkehr von morgen:
Clean Sky 2-/Clean Aviation-Projekt »MFFD« weist Potenzial von rund 10
Prozent Gewichtsreduktion und 10 Prozent Kostenersparnis in der
Hochratenproduktion auf
Im Rahmen des von der EU geförderten Clean Sky 2-/Clean Aviation-Projekts
»Large Passenger Aircraft« (»LPA«) hat die Fraunhofer-Gesellschaft in
Stade mit internationalen Projektpartnern jeweils eine maßstabsgetreue
Ober- und Unterschale des »Multi Functional Fuselage Demonstrator«
(»MFFD«) durch automatisierte Positionier- und Fügeprozesse miteinander
verbunden. Das Verschweißen der zwei Längsnähte der beiden 8 Meter langen
CFK-Halbschalen, die einen Durchmesser von etwa 4 Metern aufweisen,
schloss die Herstellung des größten thermoplastischen CFK-
Flugzeugrumpfsegments der Welt erfolgreich ab (Abbildung 1).
Sowohl für die Produktion als auch den Betrieb von Passagierflugzeugen
werden dringend klimafreundliche Lösungen benötigt, die zu einer noch
weitergehenden Einsparung von Ressourcen beitragen. Neben neuen
Antriebstechnologien stehen dabei auch Strukturgewicht und
Herstellungsaufwand im Fokus. Beides kann durch neue Bauweisen verringert
werden, wie sie insbesondere thermoplastische CFK-Werkstoffe ermöglichen.
Erstmalig wurde deshalb in einem Forschungsprojekt ein Rumpfsegment in
Originalgröße aus thermoplastischen CFK-Werkstoffen hergestellt, um
Machbarkeit sowie ökologische und ökonomische Vor- und Nachteile fundiert
bewerten zu können.
Neue Flugzeugrumpf-Bauweise
Als Fügeverfahren zum Schließen des Thermoplast-Flugzeugrumpfs wurden
zusammen mit dem Projekt-Koordinator Airbus das CO2-Laserschweißen für die
linke Längsnaht sowie das Ultraschallschweißen für die rechte Längsnaht
ausgewählt. Beide Verfahren bieten den Vorteil des staubfreien Fügens, den
die zurzeit verwendeten Nietverfahren nicht besitzen. Allerdings wurden
sie bisher weder in der Produktion noch in der Forschung bei so großen
CFK-Bauteilen und mit den hier benötigten speziellen
Qualitätsanforderungen angewendet. Der Bedarf für ein staubfreies Fügen
ergibt sich aus der erstmalig durchgeführten Vorintegration beider Schalen
mit einer Vielzahl von ebenfalls schweißtechnisch montierten Struktur- und
Systemkomponenten, die ein nachträgliches Entfernen von Staub und Spänen
nicht zulässt.
Beigestellt wurde die im Autoklav unter Druck und Temperatur verfestigte
(konsolidierte) Thermoplast-Unterschale aus dem »LPA«-Projekt »STUNNING«
von einem Konsortium aus GKN Fokker, Diehl Aviation, Netherlands Aerospace
Centre – NLR und Technische Universität Delft. Die thermoplastische,
mittels Tape-Legeverfahren (in-situ-Konsolidierung) hergestellte
Oberschale stammt von einem Konsortium aus Premium Aerotec, Airbus,
Aernnova und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR ZLP.
Beide Schalen beeindrucken insbesondere aufgrund des hohen Grads der
Vorintegration, der weitgehend nietlosen Bauweise und der hierdurch
erzielten Gewichtsreduktion von 10 Prozent gegenüber dem Status quo. Dabei
eröffnet einerseits die automatisierte Vorintegration eine hohe
Effizienzsteigerung und örtliche Flexibilität mit Blick auf eine
Hochratenproduktion bei gleichzeitiger Kostenersparnis von bis zu 10
Prozent, weil nicht mehr wie bisher alle Bauteile in den geschlossenen
Rumpf gebracht und dort unter beengten Verhältnissen manuell montiert
werden müssen. Andererseits führt die Gewichtsreduktion der
Flugzeugstruktur zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz im Betrieb.
Automatisierte Montage-Forschungsplattform
Zusammen mit dem Partner FFT Produktionssysteme hat die Fraunhofer-
Gesellschaft am Forschungszentrum CFK NORD in Stade in dem »LPA«-Projekt
»Multifunctional automation system for Fuselage Assembly Line«
(»MultiFAL«) die automatisierte Montage-Forschungsplattform für den »MFFD«
inklusive der zentralen Anlagen- und Prozesssteuerung entworfen und
errichtet (Abbildung 2). Andere Projektpartner haben danach ihre
Technologiebausteine in die Plattform integriert. Zu den weiteren Aufgaben
von Fraunhofer entlang der Prozesskette gehörte zunächst das Einrüsten der
Unterschale mittels einer eigens entwickelten Aufnahme, welche es
erlaubte, die Unterschale für die Folgeprozesse hochgenau im Montageraum
auszurichten. Danach erfolgte das Einbringen der Oberschale mit dem
Hallenkran. Alle weiteren Prozessschritte liefen vollständig automatisiert
ab. Das submillimetergenaue Positionieren der beiden Schalen zueinander
übernahm ein Feld von zehn Hexapod-Robotern, die mithilfe von Laser-
Sensoren jederzeit die optimale Form und Lage der Schalen einstellten und
bei Bedarf nachjustierten.
CO2-Laserschweißen
Für den Laserschweißprozess waren dünne, bis zu 4,5 Meter lange Streifen
(Butt-Straps) aus thermoplastischem CFK lagenweise und bündig neben- als
auch übereinander abzulegen auf die exakt aufeinanderstoßenden, zur
Flugzeugaußenseite hin mit einer Stufenschäftung versehenen Längsränder
der Schalen. Alle Lösungen zum Zuführen, Positionieren und
Kantenversiegeln der Straps erarbeitete die Fraunhofer-Gesellschaft im
»LPA«-Projekt »Butt strap integration technology development with tooling
design, validation, implementation in major component assembly and
operation« (»BUSTI«). Im Ergebnis wurden die von Fraunhofer gefertigten
Straps mit einem in die automatisierte Prozessumgebung integrierten Strap-
Handling-Werkzeug durch eine Abrollbewegung exakt auf der Naht
positioniert, sodass der über Spiegel gelenkte, oszillierende Laserstrahl
des unmittelbar folgenden Schweißkopfs kontinuierlich die sich
ausbildenden Kontaktlinien von Strap zur Schalenoberfläche aufschmelzen
konnte. Eine Druckeinheit am Laserschweiß-Endeffektor presste dabei den
Strap mit Fügekräften bis zu einer Tonne gegen die oberen und unteren
Schalenfügestellen und konsolidierte so die Schweißnaht im selben
Arbeitsgang (Abbildung 3). Damit die hohen Andruckkräfte beim Schweißen
nicht zu einer Beschädigung der Rumpfstruktur führten, lief innerhalb der
entstehenden Rumpfsektion synchron eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme und
-ableitung mit.
Der Laserschweißprozess zeichnet sich durch die Implementierung eines
Online-Monitor- und Kontroll-Systems aus, welches einen unmittelbaren
digitalen Datenaustausch für die Prozessoptimierung und Qualitätssicherung
mit einem Digitalen Zwilling ermöglicht.
Automatisiertes Spaltfüllen
Weil die Straps und die stufenförmig gestalteten Fügezonen der Schalen
aufgrund unvermeidlicher Herstellungstoleranzen und für die
Positionierprozesse benötigter Freiheitsgrade nicht lückenlos aneinander
anschließen konnten, blieben zwischen ihnen kleine, unregelmäßig breite
Spalte (»Gaps«). Diese würden die Qualität der Schweißverbindungen
beeinträchtigen und waren deshalb nach dem Schweißprozess vollständig mit
einem sogenannten Thermoplastfüller zu schließen, wobei ein
Materialüberschuss unbedingt zu vermeiden war.
Ein kompakter Extruder, der – wie der Laserschweiß-Endeffektor – entlang
der zuvor erzeugten Verbindungsnähte geführt wurde, erwärmte das
Ausgangsgranulat und förderte es über eine Schnecke zum Spalt. Dort sorgte
eine spezielle Düse dafür, dass das Material den Spalt füllte, bevor es an
der Luft aushärtete. Das für die genaue Füllmenge ausschlaggebende lokale
Spaltvolumen wurde unmittelbar vorher von einem in denselben Gap-Filling-
Endeffektor integrierten, auf den offenen Spalt gerichteten 2D-Sensor
gemessen und an das Extrudersystem übertragen (Abbildung 4). Damit ließ
sich die lokal benötigte Austragleistung während des laufenden Prozesses
dynamisch berechnen, sodass unregelmäßige Spalte von 3 bis 20 Millimeter
Breite an jeder Stelle mit der exakt erforderlichen geschmolzenen
Thermoplastmaterial-Menge gefüllt wurden.
Ultraschallschweißen
Um aus den Forschungsarbeiten möglichst viele für einen späteren
Produktionseinsatz wichtige Erkenntnisse zu gewinnen, wurde als
Fügemethode für die rechte Längsnaht das automatisierte
Ultraschallschweißen ausgewählt. Im Vergleich zum Laserschweißen können
damit nur die dünnwandigeren Rumpfnahtabschnitte außerhalb der
Türumgebungen verbunden werden, allerdings ist der Aufwand hinsichtlich
Synchronisation parallellaufender Prozesse, Investitionen und
Arbeitssicherheit geringer. Aus der Zusammenarbeit der für die
Forschungsplattform zuständigen Fraunhofer-Gesellschaft mit dem
»LPA«-Projekt »Welding Equipment for optimized, fast and accurate
LongituDinal barrEl joint closuRe« (»WELDER«) der Partner CT Engineering
Group, AIMEN, AITIIP und Dukane ist ein schneller und verlässlicher,
automatisierter Ultrasschall-Schweißprozess für die Längsnaht
hervorgegangen (Abbildung 5).
Wie auch der oben vorgestellte Laserschweißprozess zeichnet er sich durch
die Implementierung eines Online-Monitor- und Kontroll-Systems aus,
welches einen unmittelbaren digitalen Datenaustausch für die
Prozessoptimierung und Qualitätssicherung mit einem Digitalen Zwilling
ermöglicht.
Weitere FuE-Arbeiten und erfolgreicher Projektabschluss
Die Arbeiten und Nachweise zum CO2-Laserstrahlschweißen der Straps
inklusive des Spaltfüllens sowie das darauffolgende Koppeln der Spante
zwischen Ober- und Unterschale durch Widerstandsschweißen im März 2024
durch die Projektpartner des »LPA«-Projekts »WELDER« bildeten den
Abschluss der Forschungsarbeiten am »MFFD« im Stader Forschungszentrum CFK
NORD (Abbildung 6). Beim Clean Sky 2-Abschlusstreffen am 14. März 2024 in
Brüssel konnte den unabhängigen Gutachtern, dem Joint Undertaking und
allen am Demonstrator mitwirkenden Partnern der erfolgreiche und
rechtzeitige Abschluss der drei Projekte vorgestellt werden, an denen die
Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen von Clean Sky 2 »LPA« beteiligt war
(Abbildung 7).
Nach der bereits Anfang 2021 ebenso erfolgreich realisierten
Forschungsplattform im 1:1-Maßstab zur automatisierten Kabinenmontage im
»LPA«-Projekt »Automated Cabin & Cargo Lining and Hatrack Installation
Method« (»ACCLAIM«) ist der »MFFD« bereits der zweite Clean Sky
2-Großdemonstrator mit maßgeblichen Beiträgen der Fraunhofer-Gesellschaft.
Finalisiert wird die bereits ausgekrante thermoplastische Rumpfsektion
(Abbildung 8) u.a. mit der Einrüstung eines Kabinendeckenmoduls am Zentrum
für Angewandte Luftfahrtforschung (ZAL) in Hamburg, wo sie danach für
weitere Tests und für Demonstrationszwecke genutzt wird.
Ausblick
Zusammen mit den am Rumpfdemonstrator »MFFD« gewonnenen Erkenntnissen wird
die Fraunhofer-Gesellschaft reife Technologiebausteine einer
Industrialisierung durch interessierte Unternehmen zugänglich machen.
Andere Technologien bringt sie in nachfolgende Forschungsprojekte ein, um
eine noch weitergehende Effizienzsteigerung bei noch geringerem
Ressourcenverbrauch in der zukünftigen Produktion zu ermöglichen.
Zielstrukturen sind dabei neben Flugzeugrümpfen auch Seitenleitwerke oder
Tanksysteme für kryogenen Wasserstoff. Außerhalb der Luftfahrtbranche
stehen zudem boden- oder wassergebundene Transportmittel im Fokus eines
Technologietransfers.
Fördermittelgeber
Die beschriebenen Ergebnisse wurden von Fraunhofer in Kooperation mit
allen genannten Projektpartnern erarbeitet. Fraunhofer bedankt sich im
Namen der Projektpartner bei der Europäischen Kommission für die
Förderung.
Messe ILA 2024 in Berlin
Erfahren Sie mehr – besuchen Sie uns vom 5. bis 9. Juni auf der ILA 2024
in Berlin, Halle 2, Stand 270.
https://www.ifam.fraunhofer.de
Am »MFFD« beteiligte Projektpartner
• Acroflight Ltd, Witham, UK
• Aernnova Aerospace S.A., Vitoria, Spanien
• Aeromechs srl, Aversa, Italien
• AIMEN – Asociación de Investigación Metalúrgica del Noroeste, O
Porriño, Spanien
• Airbus
• Aitiip Centro Tecnológico, Zaragoza, Spanien
• ALPEX Technologies GmbH, Mils, Österreich
• BCC – Brunel Composites Centre, University London, UK
• CETMA – Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e
Materiali, Brindisi, Italien
• CT Engineering Group – Ct Ingenieros Aeronauticos de Automocion e
Industriales Slu, Madrid, Spanien
• CTI Systems, Lentzweiler, Luxembourg
• Diehl Aviation Laupheim GmbH, Laupheim, Deutschland
• Diehl Comfort Modules GmbH, Hamburg, Deutschland
• DLR – Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, ZLP Augsburg,
Deutschland
• DLR – Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, ZLP Stade,
Deutschland
• Element Materials Technology, Sevilla, Spanien
• FADA – Andalusian Foundation for Aerospace Development / CATEC –
Center for Advanced Aerospace Technologies, Sevilla, Spanien
• FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG, Fulda, Deutschland
• Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Chemische
Technologie ICT Pfinztal, Deutschland
• Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung IFAM, Stade, Deutschland
• Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Gießerei-,
Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, Augsburg, Deutschland
• Fraunhofer-Gesellschaft, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS, Dresden, Deutschland
• GKN Aerospace, Fokker Aerostructures BV, Papendrecht, Niederlande
• GKN Aerospace, Fokker ELMO BV, Hoogerheide, Niederlande
• HSLU – Hochschule Luzern, Luzern, Schweiz
• KVE Composites Group, The Hague, Niederlande
• LSBU – London South Bank University, London, UK
• NLR – Royal Netherlands Aerospace Centre, Marknesse, Niederlande
• Ostseestaal GmbH & Co KG, Stralsund, Deutschland
• Premium AEROTEC, Augsburg, Deutschland
• Rescoll, Pessac Cedex, Frankreich
• SAAB AB, Stockholm, Schweden
• SAM XL, Delft, Niederlande
• Techni-Modul Engineering, Coudes, Frankreich
• Technische Universität München, Lehrstuhl für Carbon Composites,
München, Deutschland
• Technische Universiteit Delft, Delft, Niederlande
• TWI – The Welding Institute, Cambridge, UK
• UPAT – University of Patras, Patras, Griechenland
• XELIS GmbH, Herford, Deutschland
