Fraunhofer IFAM automatisiert Vorassemblage von CFRP-Rumpfspanten mit neuem Positionier- und Bohr-Endeffektor

Automatisierung ist eine der wichtigsten Strategien zur Effizienzsteigerung in der Produktion. Im vom BMWi geförderten Projekt „Impuls“ und Teilprojekt „Tempo“ (Technologien für die effiziente Montage und Produktion von CFRP-Rumpfkomponenten) wurde ein neuer Positionier- und Bohr-Endeffektor entwickelt.

Automatisierte Bestückung von Versteifungselementen (Cleats) auf CFRP-Integralspanten

Der Endeffektor automatisiert die Vorassemblage von Versteifungselementen (Cleats) auf CFRP-Integralspanten für Flugzeugrumpfherstellung. Die vorherige manuelle Fertigung erforderte mehr Prozessschritte. Der kompakte Endeffektor kann auch von Standard-Industrierobotern aufgenommen werden – das ermöglicht Produktionsratensteigerung bei konstanter Qualität und niedrigeren Kosten.

Entwicklung und Validierung durch Airbus Hamburg und Fraunhofer IFAM

Entwickelt von Partnern Airbus Hamburg (Deutschland) und Fraunhofer IFAM (Stade), wurden diese Automatisierungslösungen bereits in einer nahe-serienmäßigen Produktion an einem Vollskalen-Prototyp validiert. Das Projekt wurde 2020 erfolgreich abgeschlossen.

Herausforderung: manuelle Bestückung teuer, komplex, fehleranfällig

Spanten sind Querversteifungen im Flugzeugrumpf. CFRP und integrale Bauweise beim Airbus A350 sparen Gewicht und Fertigungsschritte. Zusätzliche Cleats verhindern seitliches Ausbeulen. Die Rippen – bis zu 6 m lang – unterscheiden sich alle geometrisch, sodass für jede Rippe eine spezielle Schablone nötig wäre, um Cleats manuell mit Toleranzen bis 0,2 mm zu bestücken. Schablonen sind teuer und komplex. Manuelle Cleat-Zufuhr und Vorassemblage erfordern große Toleranzen. Umfangreiche Messschritte für exakte Positionierung wären essenziell.

Lösung: hochpräziser Endeffektor für automatisierte Bestückung und Doppellochbohrung

Der entwickelte Endeffektor übernimmt: Aufnahme verschiedener Cleats, Positionierung auf verschiedenen Integralspanten und simultanes Doppellochbohren beider Komponenten. Der kompakte Endeffektor kann von Portalsystem oder Standard-Industrieroboter aufgenommen werden. Portalsystem für höhere Positioniergenauigkeit. Der Integralspant ist auf Stelzen unter dem Portal gespannt und räumlich über mehrere mechanische Verstellmöglichkeiten orientierbar. Der Endeffektor hat einen symmetrischen Halter für Cleats unterschiedlicher Orientierung, klemmt sie. Über federgedämpfte mechanische Anschläge nähert er sich den Fügepositionen mit lokaler Präzision. Während der Cleat von oben auf die Spantoberfläche gelegt und beide Komponenten über eingebauten Mechanismus geklemmt werden, erfolgt das Bohren von der Rückseite des Spants, um CFRP-Ausfransen zu vermeiden. Absaugsystem nimmt Bohrstaub auf. Nach Bohren sind Cleat-Positionen auf dem Spant definiert – Cleats können dann genietet werden.

Steuerung via PLC, CAD-Daten, Lasertracker, benutzerfreundliche Bedienoberfläche

Steuerung über SPS, globale Positionsdaten aus importierten CAD-Daten der Komponenten. Neue Montagesituation wird durch schnelle Vorvermessung per Lasertracker angepasst. Innovative Technologie ermöglicht zuverlässigen Prozess und hohe Positioniergenauigkeit. Außer Startknopf-Drücken läuft alles automatisch. Speziell entwickelte benutzerfreundliche Bedienoberfläche mit selbsterklärenden Bildern erleichtert Einarbeitung auch unerfahrener Mitarbeiter.

Flexibilität für verschiedene Cleat-Typen und Spant-Typen

Durch Anpassung der Cleat-Aufnahme können geometrisch leicht unterschiedliche Cleat-Typen präzise auf verschiedene Integralspant-Typen montiert werden. Genauigkeit der automatisierten Bestückung: ±0,1 mm – übertrifft Anforderungen um 200 %.

Integrierte Messtechnik für Online-Qualitätssicherung

Integrierte Messtechnik dokumentiert exakt den erforderlichen Anpressdruck von 200 Newton und viele weitere Parameter zur Überwachung optimaler Bedingungen für die Vorassemblage – garantiert Online-Qualitätssicherung.

Einbau in nahe-serienmäßiges Rumpfmontagesystem

Der mit Cleats bestückte Integralspant wurde im „Tempo“-Teilprojekt am Fraunhofer IFAM Technikum in Stade in ein nahe-serienmäßiges Rumpfmontagesystem eingebaut. Messung der Spaltmaße zwischen Integralspant und Rumpfhaut: alle <0,3 mm – zusätzliche Spaltfüllung unnötig.

Übertragbarkeit auf andere Branchen

Der Endeffektor für Vorassemblage, Positionierung und Bohren von Spanten kann auch für Montage in anderen Industrien (Windkraft, Schienenfahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Automobil, Schiffbau) durch Anpassung des Montagesystems genutzt werden.

Projektabschluss 2020 nach 3,5 Jahren BMWi-Förderung

Nach 3,5 Jahren endete das Forschungsprojekt „Impuls“ (Innovative, mittelfristig umsetzbare und kostensparende Lösungen für CFRP-Rumpfkomponenten) inkl. Teilprojekt „Tempo“ 2020; Förderkennzeichen: 20W1526F. Fraunhofer IFAM dankt BMWi für die Förderung.