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 Produktion auf der internationalen Leitmesse für Verbundwerkstoffe JEC WORLD 2023 vom 25. bis 27. April in Paris auf dem Gemeinschaftsstand des Composites United e.V. (Halle 6 l Stand Q 28 l Position 16).

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

Die FuE-Dienstleistungen fokussieren auf Bearbeitung und Montage großer Leichtbaustrukturen aus verschiedenen Werkstoffen für die Bereiche Luft- und Raumfahrt, Windenergieanlagen, Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Landwirtschaft. Es werden automatisierte oder halbautomatisierte Fertigungslösungen bis hin zum industriellen Maßstab entwickelt.

Zukunftsweisende Konzepte für aktuelle Herausforderungen

In der 4500 m2 großen Forschungshalle mit einer nutzbaren Höhe von 15 m des Fraunhofer IFAM im Forschungszentrum CFK NORD in Stade stehen viele flexibel einsetzbare, mit Robotern, Spannvorrichtungen und Hochleistungsmesstechnik ausgestattete Forschungsgroßanlagen zur Verfügung. Dies ermöglicht, den Kunden das »Upscaling« beim direkten Transfer von Forschungsergebnissen in ihre Produktion abzunehmen, da das Fraunhofer IFAM im Rahmen der Prozess- und Anlagenentwicklung den Schritt aus dem Labor in eine produktionsanaloge Umgebung mit realen Bauteilen im 1:1-Maßstab auf institutseigenen Flächen validieren kann. Neue gewichtssparende Materialien und Fertigungsverfahren führen nicht nur in der Produktion zur Effizienzsteigerung sowie Kostensenkung, sondern reduzieren zudem den Energieverbrauch im Betrieb, was wiederum Kosten einspart und den Klimaschutz fördert. Aber auch der Herausforderung, ergonomische Arbeitsplatzgestaltung in der Großstrukturmontage mit Effizienz und Nachhaltigkeit zu vereinbaren, stellen sich die Expertinnen und Experten für Automatisierung und Produktionstechnik. Auf der JEC WORLD 2023 geben sie dazu Einblicke in aktuelle anwendungsorientierte FuE-Ergebnisse im Kontext der automatisierten Montage inklusive Bearbeitungs- sowie Fügeprozessen.

Systembaukasten mit Potenzial – Kognitive Produktion 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.

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-Schnittstelle, die u.a. mittels AR-Technologien realisiert wurde, 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.

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

In Stade baut Fraunhofer derzeit den Clean Sky 2 »Multifunctional Fuselage Demonstrator« (»MFFD«) im 1:1-Maßstab real auf. 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.

Im Rahmen des Clean Sky 2 »Multifunctional Fuselage Demonstrator« 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 Infromationen zum Flugzeugrumpf der Zukunft finden Sie hier.

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.

Der für die Vormontage, Positionierung und das Bohren von Spanten entwickelte Endeffektor lässt sich durch Anpassungen des Aufnahmesystems auch für die Montage von Bauteilen in anderen Branchen, wie im Windenergieanlagen-, Schienenfahrzeug-, Nutzfahrzeug-, Automobil- oder Schiffbau, einsetzen.

Hier finden Sie ein Video und mehr Informationen.

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.

Hier finden Sie mehr Informationen, hier ein Video.

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.

Hier finden Sie mehr Informationen, hier ein Video.

Weitere Informationen finden Sie auf der Website des Fraunhofer IFAM.

Quelle: Pressemitteilung Fraunhofer IFAM, 24.04.2023