Automatisierung der Flugzeugproduktion

Der Roboter erobert die Luftfahrtbranche

Die Luftfahrtbranche als stetig wachsender Markt gerät zunehmend in den Fokus der Automatisierung. Bei Zulieferern, OEMs sowie Wartungsbetrieben kommen hierfür immer häufiger Roboter zum Einsatz. Aus den branchen- sowie prozessspezifischen Anforderungen folgen interessante neue Aufgabenstellungen für die Anwendungsentwicklung.

Robotergestützte Montage von Kompressorschaufeln © TUHH

Zwei aktuelle Beispiele aus der Forschung sollen folgend einen Einblick in das breite Anwendungsspektrum geben. Ein spezifisches Einsatzfeld aus der Produktion ist die automatisierte Fertigung von Kabinenlementen bei Zulieferern. Aufgrund der hervorragenden Leichtbaueigenschaften werden diese zu großen Teilen in Sandwichbauweise gefertigt. Neben 3D-geformten Verkleidungsteilen kommt ebenen Sandwichplatten mit Decklagen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und einem Kern aus Aramidfaserpapier in Wabenstruktur die größte Relevanz zu.

Optimierte Sandwichproduktion
Mit dem im Projekt Veronika entwickelte Ansatz zur optimierten Sandwichproduktion können alle in der Praxis vorkommenden Bauteilmerkmale durch Kernfüllmasse (modifiziertes Epoxidharz), Verstärkungen der Decklage sowie anschließendes Fräsen hergestellt werden. Die Reduktion der notwendigen Fertigungsschritte ermöglicht eine Automatisierung der gesamten Prozesskette.

Ein Roboter übernimmt dabei das Legen der einzelnen Sandwichschichten, das Zuschneiden von kleineren Fasermatten für die Verstärkung, sowie das Einbringen der Kernfüllmasse. Durch automatisierte Generierung der Roboterpfade kann die Flexibilität gegenüber der klassischen Fertigung erhöht werden und auch häufige Produktänderungen lassen sich mit geringem Aufwand umsetzen. Aufwändige Vorbereitung zu befüllender Bereiche (etwa durch kostspielige Schablonen oder manuelles Abkleben) entfällt, die Programme werden mittels CAD/CAM-Software direkt aus Konstruktionsdaten erstellt.

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Die Kernfüllmassendosierung ist aus prozesstechnischer Sicht jedoch nicht trivial und wird im Projekt Robofill gesondert betrachtet. Während die Düse über die Oberfläche des Wabenkerns fährt und das Material in die einzelnen Zellen presst, muss die Luft an der unteren Decklage entweichen können und es sollte nach der Bearbeitung kein Material überstehen oder verschmiert sein. Insbesondere letzteres ist nach wie vor bei Herstellern von Dosieranlagen zu beobachten und führt zu einem händischen Nachbearbeitungsschritt. Mithilfe der Forschung im Bereich des Prozessmodells und hierauf aufbauenden Simulationen können künftig die Dosierparameter automatisch generiert und Werkzeuge wie Düsen systematisch ausgelegt werden, um den Gesamtprozess optimiert beherrschen zu können.

Beschaufelung von Kompressor- und Turbinenstufen
Im Bereich der Luftfahrt MRO stellen die Flugzeugtriebwerke den größten Kostenpunkt dar. Diese unterliegen regelmäßigen Wartungsintervallen, in deren Rahmen Triebwerke zwecks Inspektion und Reparatur vollständig zerlegt werden. Auch die anschließende Montage stellt einen relevanten Anteil am Gesamtaufwand dar. Insbesondere im Fall der Beschaufelung von Kompressor- und Turbinenstufen liegt ein aufwändiger, manueller Prozess vor, da, in Abhängigkeit der Bauform, umfangreiche Anpassungen der Schaufelsätze durchzuführen sind. So müssen neben einer ausgewuchteten Anordnung der abweichungsbehafteten Schaufeln auch die Spaltmaße auf den einzelnen Stufen nach Herstellervorgaben angepasst werden.

Im Projekt Automok wurde daher eine automatisierte Lösung für die Montage des Hochdruckkompressors eines CFM-56-Triebwerks entwickelt. Ziel hierbei war es den Anpassungsaufwand eines Schaufelsatzes und die verbundenen Handhabungsoperationen zu reduzieren. Dieses wurde durch vorgelagerte Vermessung von Schaufelbreite und -masse erreicht, welche die Auswahl eines passenden Schaufelsatzes ermöglicht und den Bedarf weiterer Anpassungen minimiert.

Hierfür wurde eine Messmethode zur Bestimmung der Plattformbreite von Schaufeln entwickelt, auf deren Basis die Spaltbreite angepasst wird. Um diese nach Abschluss der Montage überprüfen zu können wurde zudem eine Lösung zur automatischen Vermessung der Spaltbreite entwickelt. Die Bestimmung der Schaufelmassen erlaubt die Ermittlung einer, bezüglich der Auswuchtung, optimalen Schaufelanordnung. Das Schaufelhandling während der Messvorgänge, sowie die Montage auf dem Rotor werden hierbei durch einen Industrieroboter durchgeführt.

Ausgestattet mit Greifern für den Schaufelfuß und das Schaufelblatt, sowie einer zusätzlichen Umgreifstation, ist dieser in der Lage bereitgestellte Schaufeln aus ihren Schablonen zu entnehmen, sie den Messsystemen zuzuführen, oder zu montieren. Die auftretenden Positionierungenauigkeiten, sowie der Hang der Schaufeln innerhalb ihrer Nut zu verklemmen, erlaubt hierbei keinen rein positionsgeregelten Montagevorgang. Durch den Einsatz von Kraft-Momenten-Sensorik ist der Roboter in der Lage Positionierabweichungen anhand der Kontaktkräfte zu kompensieren. Verklemmungen von Schaufeln lassen sich durch Aufbringen definierter Kontaktkräfte ebenfalls zuverlässig vermeiden. M. Harnisch, M. Dammann, H. Eschen/as

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