Fertigung der oberen Hälfte des Multifunktionalen Rumpfdemonstrators (MFFD): Fortgeschrittene Fertigungseinblicke

Dieser Blog folgt auf eine Präsentation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR, Stuttgart und Augsburg) beim TU München Symposium letzten Herbst und CWs Zusammenfassung im gleichen Zeitraum, "Moving forward on the Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD)". Das Projekt wurde auch in einer Präsentation von Lars Larsen am Tag 3 des ITHEC 2020 um 9:35 Uhr beschrieben: "Process data-driven advancement of robot-based, continuous ultrasonic welding for the Dust-free Assembly of Future Fuselage Structures".

Wie Larsen erklärt: "Die große Herausforderung ist zu zeigen, dass Produktionskosten durch Automatisierung signifikant reduziert werden können." Für die MFFD-Oberhälfte umfasst dies In-situ-Konsolidierung via Automatisiertes Bandlegen/Faserlegen (ATL/AFP) zur Vermeidung des Autoklavs und staubfreies/staubfreies Schweißen für die Montage. "Dies sollte künftig ermöglichen, die Reihenfolge von Komponenten- und Endmontagelinien zu ändern", sagt Larsen, "wodurch Systeme vor der Montage integriert werden können." Denn im Gegensatz zur Bearbeitung für Nietlöcher erzeugt Schweißen keine Späne oder Schmutz, die vorinstallierte Systeme wie verteilte elektrische Energie, Innenausstattung etc. beschädigen könnten.

Basiert auf meinem Interview mit Sebastian Nowotny, Leiter Komponentendesign und Fertigungstechnologien am DLR-Institut für Strukturen und Design (BT, Stuttgart) und Frederic Fischer, technischer Leiter für thermoplastische Kompositfertigung am DLR Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP, Augsburg). Fischer ist auch Projektleiter für die MFFD-Oberhälfte am DLR.

HINWEIS: Im obigen Bild bezieht sich "glide-formed stringers" auf einen Prozess, der im Clean Sky 2 von Applus+ Laboratories (Barcelona, Spanien) entwickelt wurde, siehe meinen 2017 Blog zu Glide-Forming, und "hot-pressed clips" bezieht sich auf Umformen, siehe:

• Accelerating thermoplastic composites in aerospace
• Thermoplastic composites "clip" time, labor on small but crucial parts
• Inside a thermoplastic composites hotbed

Struktur, Kabine und Systeme kombinieren

Ich fragte Nowotny nach der Geschichte der MFFD-Oberhälfte. "Als Clean Sky 2 startete, wurde der erste Call for Proposals ausgeschrieben", antwortet er. "Ich glaube, wir starteten 2015 und gewannen den Zuschlag für das Projekt ICASUS, ein Co-Partner-Projekt für das Large Passenger Aircraft (LPA) Programm. Der Hauptfokus lag auf dem Design eines multifunktionalen Rumpfs. Damals war es noch kein Thermoplast-Komposit. Das Hauptziel war, Rumpf, Kabine, Systeme und Struktur in einen Designprozess zu kombinieren. Im Grunde ist die dort geleistete Arbeit das, was jetzt der Multifunktionale Rumpfdemonstrator (MFFD) geworden ist und die technologische Unterstützung für unsere Arbeit im Upper Shell Project darstellt."

ICASUS

Das ICASUS-Projekt zielt darauf ab, multifunktionale und hochintegrierte Lösungen für das Luftfahrzeug der nächsten Generation zu entwickeln: multifunktionaler Rumpf, Kabine und Systeme integriert. Heute wird der Fertigungs- und Montageprozess für Ein-Gang-Flugzeuge von kostspieligen und zeitaufwendigen sequenziellen Schritten bestimmt. Besonders die Major Component Assembly (MCA) und Final Assembly Line (FAL) sind Flaschenhälse, die schnellere und beschleunigte Prozesse verhindern. Deshalb wird ICASUS ein neues Konzept für Fertigung und Montage zukünftiger Ein-Gang-Flugzeuge entwickeln mit den Zielen:

• Hochratenproduktion von 60 Flugzeugen/Monat;
• Rumpf-Wiederholkostenreduktion von 1 Million Euro gegenüber Referenz A321 ACF ("Advanced Cabin Flex");
• Rumpf-Gewichtsreduktion von 1 Tonne gegenüber A321 ACF.

Der Ansatz wird sein, die ursprünglich autarken Disziplinen Kabine/Fracht, Systeme und Struktur zu kombinieren, um die vielversprechendste Kombination und Integration jeweiliger Funktionen und Anforderungen zu erreichen. Dies soll durch Einsatz fortschrittlicher Materialien und Anwendung innovativer Designprinzipien in Kombination mit der fortschrittlichsten Systemarchitektur in Kombination mit der Next-Generation-Kabine erreicht werden.

Der Haupttreiber ist die signifikante Reduzierung des Treibstoffverbrauchs durch Anwendung leichter Systeme und Systemarchitektur/Integration. Dies erfordert ein multidisziplinäres Gesamtoptimierungsverfahren sowie Entwicklung und Anwendung eines ganzheitlichen Industrie-4.0-Ansatzes. Design für automatisierte Fertigung, Automatisierung, Sensorik, Datenanalyse und sicherer Datenaustausch sollen genutzt werden. Hauptziele der MFFD-Fertigung sind Verifikation von kosteneffektiver und hochvolumiger Produktion multifunktionaler Kompositstrukturen und Beitrag zu Zertifizierungskonzepten für thermoplastische CFRP-Verbindungen (z. B. Schweißen).

"Wie kombiniert man Rumpf, Kabine und Systeme in eins? 'Man hätte immer noch diese Disziplinen mit ihren jeweiligen Anforderungen, aber ich glaube, das Hauptziel ist der Ansatz, bereits in frühem Stadium zusammenzuarbeiten'", erklärt Nowotny. "Es gab strenge Regeln für den Flugzeug-Rumpf-Designprozess, die Restriktionen schufen und ein voll optimiertes Flugzeugdesign verhinderten. Die initiale Idee, Struktur, Kabine und Systeme zu kombinieren, war einen Designprozess zu haben, der diese drei Aspekte zusammenbringt und dann versucht, das globale Optimum zu finden, nicht erst eines für die Kabine, dann eines für die Struktur, dann eines für die Systeme. Aber natürlich gibt es viele Regeln und das ist kein einfacher Prozess, weil es auch Zertifizierung betrifft."

"Es ist ein laufender Prozess, in dem eine digitale Plattform etabliert wurde und alle europäischen Partner Input in das einzelne digitale Design geben", sagt Fischer. "Die Weiterentwicklung dieses integrierten Designs für die MFFD ist das, was in den letzten paar Jahren passiert ist. Unser Team liefert die Oberhälfte mit Vorrichtungen für Kabinen- und Systemanbindung. Die Vision ist, die Endmontage zu revolutionieren, indem vollausgestattete Hauptkomponenten geliefert werden."

Obwohl DLR bereits Teil des Designprojekts für MFFD war, erhielt es den finalen Go für das Fertigungsprojekt erst 2019. Das Konsortium für den Bau der Oberhälfte besteht aus Airbus als gesamtem MFFD-Projektleiter, Premium Aerotec (Augsburg, Deutschland) als industriellem und strukturellem Designleiter und Lieferant der Spanten, Aernnova (Vitoria-Gasteiz, Spanien) für die Stringerproduktion und DLR als Leiter für Hautlagen und Schweißtechnologieentwicklung. Im vergangenen Jahr, so Fischer, "haben wir das Oberhälftedesign verfeinert, um sicherzustellen, dass es mit den ausgewählten Technologien gefertigt werden kann."

In-situ-Konsolidierung

Während die Unterhälfte der MFFD mit ATL und AFP gefolgt von Autoklavenkonsolidierung produziert wird, wird die Oberhälfte In-situ-Konsolidierung während ATL/AFP nutzen. Warum? "Um maximalen Output aus dem Forschungsprojekt zu ziehen, entschieden wir uns, die Baseline herauszufordern und die Chance zu nutzen, eine Technologie komplementär zur Unterhälfte einzusetzen", sagt Fischer. Nowotny fügt hinzu: "Wir zeigten, dass es eine sehr vielversprechende Fertigungsmethode ist, die sich auf schlanke Produktion und Reduzierung von Fertigungsschritten fokussiert. Aber ich denke, es ist klar, dass es keine einzelne Fertigungsmethode gibt, die allen Zwecken dient. Man muss immer noch fallweise entscheiden, was der optimale Fertigungsprozess für jedes Teil ist."

Zwei Schweißarten

Eine weitere Wahl für die Oberhälfte war der Einsatz zweier verschiedener Schweißtechnologien. "Wir nutzen roboterbasiertes kontinuierliches Ultraschallschweißen für die Stringer, weil das unserer Meinung nach die am besten geeignete Technologie für wirklich lange Fugen ist, und besonders für die Stringerkonfiguration", erklärt Fischer. Widerstandsschweißen wurde für die Integration der Rumpfspanten gewählt. "Diese Entscheidungen sind das Ergebnis intensiver Analysen, die wir zu Projektbeginn zusammen mit Premium Aerotec durchführten. Wir schauten uns die verschiedenen Schweißszenarien an, was wo verbunden werden musste."

Das von DLR entwickelte kontinuierliche Ultraschallschweißen nutzt einen Standard-Industrieroboter. Das Schweißendeffektor umfasst eine vorlaufende Rolle, einen 25-Millimeter-Durchmesser-Sonotrod und eine nachlaufende Kompaktierungseinheit. Der Endeffektor ist mit mehreren Sensoren ausgestattet, was Inline-Prozessmonitoring ermöglicht. Durch Nutzung des Roboters als Manipulator, wie im Video unten gezeigt, können diverse Geometrien geschweißt werden, wie ein gekrümmter hinterer Druckschott oder Omega-Stringer auf eine Haut.

"Wir haben also zwei Prozesse mit einer großen Unterscheidung", merkt Fischer an. "Einer ist ein kontinuierlicher Prozess und der andere ein diskontinuierlicher. Für die 8-Meter-langen Fugen der Z-Stringer wählten wir kontinuierliches Ultraschallschweißen. Und für den hochkomplexen Use-Case – in puncto Zugänglichkeit und Toleranzmanagement – um die angeflanschten Spanten an die Haut zu schweißen, wählten wir Widerstandsschweißen. Wir werden das Widerstandsschweißelement an die Spantgeometrie anpassen und vorgerüstet haben und ein klammerartiges Schweißwerkzeug, das pneumatisch schließt, die Schweißelemente kontaktiert und dann den Schweißprozess auslöst."

Nowotny merkt an, dass Widerstandsschweißen die höchste Reife und höhere Festigkeit hat, was gut zu den höheren Lasten in den Fugen zwischen Spanten und Cleats passt. Er weist darauf hin, dass dieser Prozess den Spant an die Haut schweißt und den Cleat sowohl an den Spant als auch an den Stringer.

"Wir zeigten die Clip-Integration an generischen Teilen auf der JEC 2017", sagt Fischer. Nowotny fügt hinzu: "Und wir hatten tatsächlich das Projekt HISYS mit Airbus Bremens High-Lift-Abteilung 2005-2008 für Widerstandsschweißen mit PEEK (Polyetheretherketon) Thermoplast. Wir brachten den gesamten Prozess für das Schweißen der Rippen in die Haut bis TRL 5. Also sind die Grundlagen des Prozesses recht gut verstanden, und wir können uns jetztmostly auf Anpassung, Automatisierung und Robustheit des Prozesses fokussieren."

"Einer der Schlüsselfaktoren für verschiedene Schweißtechnologien – obwohl sie schon lange existieren – ist zu zeigen, dass sie für kommerzielle Anwendungen in der Industrie bereit sind", betont Fischer, "einschließlich der notwendigen Automatisierung, Programmierung und Qualitätssicherung. Einer der Schlüsselpunkte, die wir untersuchen, ist: Wie weiß man, dass die Schweißnaht gut ist? Wir wollen sicherstellen, dass wir die Prozessdaten haben, um zu zeigen, dass wir wissen, dass die Schweißnaht langfristig performt und dass wir keine nachträgliche NDT-Prüfung mit Ultraschall oder eine andere Gesamtinspektion in der fertigen Baugruppe verlangen. Eines unserer Hauptziele in diesem Projekt ist die Entwicklung industrieller Qualitätssicherung."

Umstellung auf LM PAEK

Wie in meinem Blog "Proving out LM PAEK welding for Multifunctional Fuselage Demonstrator" erklärt, startete die MFFD zwar mit Carbonfaser/PEKK (Polyetherketonketon), aber beim 10. Call for Proposals (CFP10) im März 2019 wurde das Basismaterial auf Carbonfaser/PAEK (Polyaryletherketon) umgestellt. PAEK ist die übergeordnete Polymerfamilie, in der PEEK, PEKK und LM PAEK residieren. Wie viel Erfahrung hat das Oberhälfteteam mit LM PAEK? "Wir haben es bereits für diverse Fertigungstests genutzt", sagt Fischer. "Die Materialperformance ist für sowohl Ultraschall- als auch Widerstandsschweißen vielversprechend. Dennoch ist das Material in Entwicklung und ein Prozess des gemeinsamen Austauschs in puncto Lessons Learned und Entwicklung von Verarbeitungsrichtlinien wurde zwischen allen europäischen Partnern und dem Materiallieferanten eingerichtet."

"Aber", fügt Nowotny hinzu, "ich glaube, es ist gut, dass wir jetzt diese Materialwahlmöglichkeiten haben, weil vor vielen Jahren nur Cytec APC-2 existierte und nichts sonst. Besonders in Europa bekam man manchmal das Material und manchmal 'nein, tut uns leid'. Jetzt haben wir mehrere Materiallieferanten, die aktiv an den Materialien arbeiten, und auch für verschiedene Prozesse. Zum Beispiel Victrex, wie wir auf dem TU München Symposium 2020 gesehen haben, optimiert jetzt für additive Fertigung. Es gibt auch Arbeiten zur Optimierung für AFP In-situ-Konsolidierung und manche für Sekundärkonsolidierung mit Autoklav sowie diverse Out-of-Autoclave (OOA) Fertigungsprozesse. Also passiert jetzt viel mehr, und das erhöht die Chancen, für jeden Prozess ein gutes Material zu bekommen."

Zeitplan und nächste Schritte

"Wir haben im Grunde das Design-Fertigungsverfahren für einen intermediären Demonstrator – A320-Durchmesser mit zwei Spantenfeldern und 950 mm Breite – fertiggestellt und werden diese kleinere Halbschale Anfang nächsten Jahres (2021) bauen", sagt Fischer. "Abgesehen davon haben wir die Werkzeugbeschaffung für die vollskalige Oberhälfte begonnen und rüsten unsere Technologien hoch, um sicherzustellen, dass wir die vollformatige Oberhälfte 2022 termingerecht produzieren können."

Ein Thema sind Montagetoleranzen. "Die Längsfugen entlang der linken und rechten Seiten sowohl der oberen als auch unteren Rumpfhälften sind seit einiger Zeit designed", erklärt Fischer. "Daraus haben wir bestimmte Anforderungen, und wir müssen sicherstellen, dass unsere Fertigungstoleranzen diese Anforderungen erfüllen."

"Die Grundgeschichte dessen, was wir mit der Oberhälfte erreichen wollen, ist, die effizientesten Wege für die Produktion von thermoplastischen Kompositen zu demonstrieren und einen Weg zu ebnen, der gegen Aluminium für zukünftige Flugzeuge konkurrieren kann", sagt Fischer. Er merkt an, dass DLR dies bereits in seiner Arbeit mit Premium Aerotec für ein geschweißtes thermoplastisches hinteres Druckschott gezeigt hat, gezeigt 2018 und 2019 (siehe auch "New horizons in welding thermoplastic composites"). Schweißen und schlanke Produktion sind Schlüsselfaktoren für Thermoplaste. Und jetzt müssen wir diese Technologien aus dem Labor in die Industrie bringen. Und damit Industrien glauben, dass sie diese Schweißtechnologien wirklich nutzen können, müssen wir zeigen, dass sie automatisierbar, vorhersagbar und kontrollierbar für Zuverlässigkeit in echten Produktionsaufgaben sind. Und das tun wir."