Revolutionierung der automatisierten Faserablage für Flugzeuge der nächsten Generation

Wenn Automated Fiber Placement (AFP) und Automated Tape Laying (ATL) die Fertigungsprozesse waren, die den breiten Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Boeing 787 und Airbus A350 ermöglichten, dann werden auch AFP/ATL den Weg für die nächste Generation von Verkehrsflugzeugen weisen, die derzeit auf den Zeichenbrettern liegen. Der Unterschied diesmal? Die Rate.

Boeing schätzt, dass bis 2037 weltweit mehr als 31.000 neue Ein-Gang-Flugzeuge benötigt werden, um die Passagiernachfrage zu decken. Airbus prognostiziert bis 2037 einen Bedarf von mehr als 28.000 Ein-Gang-Flugzeugen. Beide Unternehmen erwägen Ersatz für ihre Ein-Gang-Bestseller – die 737 (Boeing) und die A320 (Airbus). Beide werden voraussichtlich Verbundwerkstoffe signifikant in neuen Flugzeugentwürfen einsetzen. Beide signalisieren ihren Lieferketten, Produktionsraten von 60–100 Flugzeugen pro Monat zu erwarten, mit Betonung auf 100. Die Ein-Gang-Kategorie stellt für beide Unternehmen etwa zwei Drittel der gesamten globalen Nachfrage dar, was bedeutet, dass die für Ein-Gang-Flugzeuge entwickelte Fertigungsumgebung zur Standardumgebung für Aero-Composites in absehbarer Zukunft wird.

All das bedeutet, dass Automatisierungstechnologie jetzt entwickelt werden muss, wenn sie mit den Qualitäts- und Produktionsratenanforderungen der nächsten Flugzeuggeneration Schritt halten will. Keines davon entgeht Electroimpact (EI, Mukilteo, Washington, USA) Senior Engineer Todd Rudberg. Rudberg und EI stiegen 2004 in die Composite-Welt ein, als das Unternehmen AFP-Technologie für die Fertigung des 787 Section 41 Vorwärtsrumpfabschnitts entwickelte, gefertigt von Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, USA). EI produzierte anschließend AFP- und ATL-Systeme für andere 787-Strukturen, A350-Strukturen, Triebwerksstrukturen und jüngst Boeing 777X Tragflächensparren. Nun blickt Rudberg in die Zukunft der nächsten Flugzeuggeneration und sieht erhebliche Verbesserungspotenziale für AFP.

Die Chancen, so Rudberg, seien offensichtlich, wenn man die Daten betrachtet. Tatsächlich hat EI mehrere Metriken entwickelt, um zu verstehen, was seine Maschinen gut können und was verbessert werden kann. Betrachtet man die AFP-Landschaft 2019, sieht Rudberg vielfältige Bedrohungen für die aktuelle AFP-Technologie, darunter ATL, Hand-Layup, flache Lagen aus Geweben und natürlich Aluminium.

Die von Rudberg entwickelten AFP-Metriken stammen von einem Full Production Demonstrator (FPD) Projekt, für das EI vier Vorproduktionsläufe durchführte. Daten aus einem dieser Läufe, durchgeführt im Februar 2019 mit „Standard“-EI-AFP-Technologie, offenbarten eine erhebliche Maschinenauslastungsherausforderung, wobei die Maschinenzeit in sieben Kategorien fiel:

• Laserprojektion: 30 %
• Lauf (Run): 27 %
• Inspektion: 22 %
• Pause (Break): 10 %
• Bedienerbedingter Stopp: 6 %
• Fehlerwiederherstellung: 3 %
• Bildaufnahme (Image): 2 %

Anders betrachtet: Mit aktueller Technologie gibt es in AFP eine wertschöpfende Operation (Run), alles andere wird als nicht-wertschöpfend eingestuft. Das Verhältnis von Wert zu Nicht-Wert beträgt somit 1:3. „Die Industrie will wirklich 3:1, und ich auch“, sagt Rudberg, „und ich möchte das vor meinem Ruhestand erreichen.“ Das Ziel ist simpel: die Zeit für nicht-wertschöpfende Operationen zu reduzieren.

Es gibt auch eine übergreifende AFP-Metrik, die Erklärung bedarf: Mean Strips Before Failure (MSBF). Das ist die durchschnittliche Anzahl der platzierten Faserbänder zwischen Platzierfehlern. Je größer diese Zahl, desto zuverlässiger sind Maschine und Prozess. Der Februar-FPD-Lauf hatte laut Rudberg einen MSBF von 5.365.

Die Ziele

Betrachtet man den AFP-Betrieb genauer, so hat EI direkten Einfluss nur auf drei Operationen: Run, Fehlerwiederherstellung und Inspektion. Hier konzentriert das Unternehmen seine Bemühungen. Rudberg weist jedoch darauf hin, dass auch der Flugzeughersteller eine Rolle spielt, insbesondere bei der Reduzierung von Qualitätsinspektionen, Pausen und bedienerbedingten Stopps. „Wir müssen realisieren, dass Laufzeiten wirklich niedrig geworden sind, weil Maschinen sehr schnell sind“, sagt er, „und alles, was nicht wertschöpfend ist, hat massive Auswirkungen auf die Auslastung. Es stellt sich heraus, dass das ein Mannschaftssport ist. Nicht nur der OEM – ich – muss besser werden, auch der Flugzeughersteller trägt Verantwortung.“

Für die Fertigung der nächsten Flugzeuggeneration will Rudberg MSBF auf >20.000 erhöhen, Laufzeit auf 77 % steigern und Laserprojektion, bedienerbedingte Stopps und Bildaufnahme vollständig eliminieren. Wie? Rudberg identifiziert drei Technologiebereiche, die diesen Übergang ermöglichen: servoangetriebene Creels, 100 % In-Prozess-Inspektion und Datenmanagement, oder EI 4.0.

Alle drei wurden von EI in einer Reihe jüngster FPD-Projektabschnitte nach dem initialen Februar-Lauf bewertet. Daten aus dem FPD-Projekt selbst belegen, dass EI auf dem richtigen Weg ist. Rudberg sagt, das eingesetzte AFP-System – genannt MuSCLE – erreichte 1.500 PS Spitzenleistung, 0,5 g Beschleunigung/Verzögerung, 4.000 Zoll/Minute Ablagegeschwindigkeit, Kopfdrehzeit von 1 Sekunde, Sparrenkurvengeschwindigkeit von 120 Grad/Sekunde und 6.000 MSBF (in Produktion erreicht).

Die Umstellung auf Servomotor-Creels statt servopneumatischer Creels wurde vorgenommen, um Bandlegegeschwindigkeit, Platziergenauigkeit, Bandspannungskontrolle und Gesamtbauzuverlässigkeit zu erhöhen. Das Unternehmen hat die letzten zwei Jahre an einem kompakten Servoantrieb gearbeitet, der auf den EI-Modulkopf passt. Die Ergebnisse der Technologie sind vielversprechend; Tests zeigen: 15.000 MSBF, 87 % höhere Ablagegeschwindigkeit, 36 % höhere Schneidegeschwindigkeit, bessere Endplatziergenauigkeit. Weiterhin bewies EI, dass das Servomotor-Creel-System auch zum Platzieren von trockenen Carbonfasern genutzt werden kann.

Der Schlüssel bei der Inspektion ist der „In-Prozess“-Aspekt. EI verfügt bereits über Inspektionstechnologie, entwickelt mit Aligned Vision (Chelmsford, Massachusetts, USA) und eingesetzt in der 777X-Tragflächenfertigungslinie, die Laser- und Visionstechnik nutzt, um Überlappungen, Lücken, Falten, Endplatzierfehler und Fremdkörper (FOD) zu prüfen. Dieses System existiert jedoch unabhängig vom AFP-System und erfordert ein freies Sichtfeld – der AFP-Kopf muss wegbewegt werden. Rudberg und EI haben ein neues Inspektionssystem namens RIPIT entwickelt, das integraler Bestandteil des AFP-Kopfs ist und die Faserablage unmittelbar nach deren Ausführung prüft.

Da Boeing und Airbus Out-of-Autoclave-Composite-Fertigungsprozesse in Betracht ziehen, wird die Fähigkeit von AFP-Systemen, trockene Carbonfasern effizient zu platzieren, entscheidend sein. Dieser Demonstrator-Sparren zeigt trockene Fasern, platziert von einem Electroimpact-System. Quelle | Electroimpact

EI wird die Natur der Technologie hinter RIPIT nicht preisgeben, außer dass sie weder laser- noch visionsbasiert ist. Jedenfalls sagt Rudberg, Tests des Systems zeigen, dass es in Echtzeit Bandrutschungen auf ±0,030 Zoll, Anlegeplatzierung auf ±0,050 Zoll und Schneideplatzierung auf ±0,050 Zoll erkennen kann. Weiterhin, so Rudberg: „Wir haben umfangreiche Versuche durchgeführt, bei denen RIPIT-Daten mit dem bestehenden Boeing-qualifizierten Visionssystem [Aligned Vision System auf 777X] korreliert wurden, und wir erhalten Korrelation.“

Der Wert des Datenmanagements, so Rudberg, liegt in der Fähigkeit von EIs Systemen, Fertigern klarer zu zeigen, wie gut der AFP-Prozess funktioniert. Zu diesem Zweck hat EI Datenvisualisierungssoftware – EI 4.0 – entwickelt, die Einblick bietet nicht nur in die Leistung einer gegebenen Maschine (basierend auf MSBF) während eines gegebenen Builds, sondern auch in die Leistung einzelner Bänder und Sequenzen. Im Grunde hilft die Software dem Bediener, genau zu sehen, wo im AFP-Kopf das Problem liegt. „So werden wir EI 4.0 nutzen, um anzuzeigen, wo sie [Bediener] im AFP-Kopf nachsehen müssen, um Änderungen vorzunehmen“, sagt Rudberg.

Mit dieser Software lässt sich grafisch MSBF für verschiedene Maschinenfunktionen darstellen und problematische Faserbänder und besonders herausfordernde Sequenzen identifizieren. Die Software misst und berichtet auch andere Maschinenaktivitäten, die die Auslastung mindern könnten. Mit diesen Datenmanagement-Tools konnte EI die Bauzeit für den OPS von über 50 Minuten auf knapp unter 40 Minuten optimieren und reduzieren. Weitere Tools umfassen Schichtleistungsvergleiche und Lagenwinkelvergleiche.

„Ich glaube, dass eine Auslastung von 75 % ein realistisches Ziel oder eine realistische Erwartung ist“, behauptet Rudberg. „Aber es wird Teamarbeit erfordern, organisatorische Initiative und Follow-through vom Flugzeughersteller, unsere verbesserte Technologie, bessere präventive und vorausschauende Wartung sowie bessere Tools zur Analyse von Zell- und Maschinenleistung.“