Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAMAutomatisierte Fertigungstechnologien und neue Bauweisen für einen thermoplastischen CFK-Flugzeugrumpf im Maßstab 1:1 für die nachhaltige Luftfahrt
Das Europäische Forschungsprogramm »CleanSky 2« adressierte mit seinen Aktivitäten eine klimafreundliche Luftfahrt. Ziel war es, die Emission von CO2, NOX und Lärm durch den Flugbetrieb nachhaltig zu reduzieren. Das Verbundvorhaben »CleanSky 2 – Large Passenger Aircraft« (»LPA«) setzte hierfür auf neuartige, thermoplastische Materialien und Bauweisen, um Fertigungszeiten und damit Kosten in der Hochratenproduktion sowie Gewicht von Flugzeugen um jeweils circa zehn Prozent zu verringern. Unter Berücksichtigung der luftfahrttypisch hohen Qualitäts- und Toleranzanforderungen waren zur Erreichung der ambitionierten Ziele auch die Fertigungstechnologien neuzudenken.
Innerhalb des CleanSky 2-/Clean Aviation-Verbundvorhabens »CleanSky 2 – Large Passenger Aircraft« (»LPA«) hat sich das Fraunhofer IFAM im Arbeitspaket »Major Component Assembly« (»MCA«) mit den automatisierten Fertigungstechnologien und der Endmontage des »Multi Functional Fuselage Demonstrator« (»MFFD«) befasst. Dabei wurden Herausforderungen aufgegriffen, die neben der Bauteilgröße des Rumpfsegments von acht Metern Länge und vier Metern Durchmesser insbesondere in den zum Einsatz gekommenen thermoplastischen Faserverbundmaterialien und den unterschiedlichen schweißtechnischen Fügetechnologien begründet sind.
Automatisierte Fertigungstechnologien ermöglichen Hochratenfähigkeit im Flugzeugbau
Im Rahmen der Arbeiten erstellte die Fraunhofer-Gesellschaft in Stade gemeinsam mit den Verbundpartnern die Forschungsplattform »Multifunctional automation system for Fuselage Assembly Line« (»MultiFAL«), in der auch Technologien der Forschungspartner zur automatisierten Fertigung des thermoplastischen Flugzeugrumpfs integriert wurden.
Im Gegensatz zu einfach umsetzbaren Fertigungsorganisationen mit Einzeltechnologieplätzen bringt die Integration relevanter Prozesstechnologien in eine Multitechnologieplattform den Vorteil, Produktionsabläufe an ein und demselben Bauteil zeitgleich ausführen zu können und damit Taktzeiten zu reduzieren, was wiederum höhere Produktionsraten ermöglicht.
Die acht Meter lange Rumpfsektion des MFFD besitzt einen Gesamtdurchmesser von vier Metern und setzt sich aus zwei 180°-Schalenelementen zusammen. Aus diesem Bauteildesign ergaben sich vielfältige zu bewältigende Herausforderungen: eine umfangreiche Überführung der CAD-konstruierten Teilanlagen in ein gemeinsames Modell mit einheitlichen Referenzangaben, die Erreichbarkeit aller Fügestellen sowie potenzielle Überschneidungen in den bewegten Elementen der Anlage. Umfangreiche Simulationen mittels CAD-gestützten Untersuchungen des Bauraums, der Steifigkeiten und der Funktionsabläufe boten hierfür ein geeignetes Werkzeug zur vorgelagerten virtuellen Validierung des realen Aufbaus.
Hochpräzises Ausrichten der Schalenbauteile mittels Parallelkinematik
In der automatisierten Montage von carbonfaserverstärkten Bauteilen (CFK-Bauteilen) sind fertigungsbedingte Bauteiltoleranzen eine der größten Herausforderungen. Die geringe Maßhaltigkeit der Bauteile steht den für die Fügeprozesse erforderlichen Genauigkeiten in der Positionierung der Fügepartner deutlich entgegen. Das Fraunhofer IFAM in Stade erforscht daher Technologien, mit denen Großstrukturbauteile – wie die beiden Schalenbauteile des MFFD – im Submillimeterbereich in ihrer Form und der Lage automatisiert korrigiert werden.
Mit insgesamt zehn Hexapod-Robotern wurde im Projekt MultiFAL die Oberschale mittels Vakuumsauggreifer aufgenommen und in einer kollaborierenden Bewegung zur Unterschale ausgerichtet. Der Vorteil des Einsatzes von Hexapoden liegt in der möglichen Ausrichtung in allen sechs Freiheitsgraden, was insbesondere bei komplexen und unvorhersehbaren Bauteilverformungen relevant ist.
Neben der Orientierung im Montageraum wurde im Projekt somit auch die Bauteilgeometrie gemäß den Sollwerten korrigiert. Die präzise Steuerung der Roboter erfolgte dabei über geschlossene Regelkreise mit Lasermessdaten als Eingangssignale.
Bereitstellung von Strukturbauteilen für automatisierte Fertigungsprozesse
Bevor die Oberschale durch Hexapoden ausgerichtet wurde, hatte eine eigens entwickelte, fahrbare Bauteilaufnahme bereits die Unterschale in der Montageanlage positioniert.
Diese Bauteilaufnahme erlaubte einerseits das Eintakten des Bauteils in die Anlage sowie das finale Austakten der fertiggestellten Rumpfstruktur, anderseits ließ sich die Unterschale ebenfalls in ihrer Form und Orientierung für die Montage in die Sollgeometrie versetzen. Im weiteren Prozess wurde die Unterschale als statisch angesehen und zur Verringerung der Komplexität wurde ausschließlich die Oberschale dynamisch eingestellt.
Im Zuge des Verbundvorhabens wurde die linke Längsnaht des Rumpfsegments mit einem kontinuierlichen CO2-Laserschweißprozess gefügt. Das Bauteildesign sah eine abgestufte Stoßnaht vor, in welche bis zu sechs Streifen aus demselben Thermoplastmaterial wie die Rumpftonne übereinander abgelegt wurden. Bei einer Materialstärke von nur einem Millimeter besaßen die Streifen eine variierende Breite von sechs bis 36 Zentimetern sowie eine Länge von bis zu viereinhalb Metern.
Die Automatisierung des Laserschweißprozesses bedurfte einer ebenfalls automatisierten Zuführung dieser Materialstreifen. Aufgrund der variierenden Dimensionen und der geringen Steifigkeit stellte das kontinuierliche, dem Schweißprozess im gleichen Arbeitsgang folgende Einlegen der Streifen in die Stufenstruktur der Fügestelle hohe Herausforderungen an das Handling. Fraunhofer entwickelte hierfür einen Endeffektor, der auf einer Linearachse entlang der Längsnaht die Streifen exakt positionieren konnte und dabei gezielt auf die unterschiedlichen Breiten und Längen reagierte.
Die FuE-Arbeiten des Fraunhofer IFAM am Forschungszentrum CFK NORD in Stade im Rahmen des LPA-Projekts reihen sich in eine Vielzahl von Forschungsprojekten, in denen innovative Lösungen für die automatisierte Bearbeitung sowie Montage von Großstrukturen entwickelt und Technologien insbesondere unter den Randbedingungen von Prozessen im 1:1 Maßstab untersucht werden.
Dank der Förderung des Verbundvorhabens »CleanSky 2 – Large Passenger Aircraft« durch die Europäischen Union und der hervorragenden Zusammenarbeit mit den nationalen und internationalen Partnern wurde der weltweit erstmalige Nachweis erbracht, dass die automatisierungsgerechte Thermoplastbauweise bei Flugzeugrümpfen sowohl zu einer Steigerung der Produktionseffizienz für die Hochratenproduktion als auch zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung führt. Dabei schöpfen die im Projekt realisierten zehn Prozent Gewichtsreduktion sowie zehn Prozent Kostenersparnis in der Produktion bei weitem noch nicht das volle Potenzial der Kombination der neuen Bauweise mit einer automatisierten Fertigung aus.
Das Fraunhofer IFAM bietet in Stade Lösungen und Expertise, um auch zukünftig vergleichbare Projekte im Bereich des Fügens und Montierens auf nationaler und internationaler Ebene anzugehen. Unseren Partnern und Kunden stehen in einer dem neusten Stand entsprechenden und einmaligen Forschungsumgebung unter anderem verschiedene Technologien zur automatisierten Oberflächenvorbehandlung, Klebstoffapplikation, Bauteilhandhabung und eine Reihe von Messtechnologien sowie digitale Bausteine im Kontext der Smart Factory für eine gemeinsame Zusammenarbeit zur Verfügung.
