Experten fordern mehr Automatisierung, um künftige Flugzeugnachfrage zu decken

Kommerzieller Bedarf allein suggeriert Verdopplung der Produktionsraten in den nächsten 20 Jahren

Bevor die Coronavirus-Pandemie das normale Leben auf den Kopf stellte und den kommerziellen Flugverkehr faktisch lahmlegte, hatte die Luftfahrtindustrie einen prognostizierten Bedarf von 40.000 neuen Flugzeugen – Flugzeuge, Hubschrauber, Air Taxis und unbemannte Luftfahrzeuge – in den nächsten 20 Jahren. Das Volumen umfasst Ersatz für Flugzeuge, die nach einer durchschnittlichen Lebensdauer von 25–30 Jahren aus dem Dienst ausscheiden, und kommt auf einen etwa achtjährigen Bestellrückstau hinzu.

Wenn die Nachfrage nach Flügen ihr früheres Niveau wieder erreicht, sobald pandemiebedingte Beschränkungen gelockert werden, ist der einzige Weg, den prognostizierten Bedarf zu decken, erhöhte Automatisierung, sagen einige Branchenexperten.

Anders als in vielen anderen Sektoren ist die Luftfahrtindustrie eine, in der manuelle Arbeit üblich ist, weil es keine aktuellen alternativen Fertigungsprozesse gibt, die machbar sind. Aber angesichts von Statistas Aufzeichnung von Jahr-für-Jahr-Zunahmen der globalen Fluggastnachfrage von 2006–2019 (die Zuwächse reichten von 2,4 % bis 8,1 %, außer 2009 auf dem Höhepunkt der Großen Rezession) und anderen Faktoren ist größere Effizienz zwingend, wenn die Industrie mithalten will.

Forscher versuchen herauszufinden, wie man Prozesse wie Hand Lay-up automatisieren kann. Aber es gibt andere automatisierte Maßnahmen, die derzeit verfügbar sind, darunter das Projizieren von Montageanweisungen auf Arbeitsstationen und automatisierte Dichtungs-, Befestigungs-, Markierungs- und Materialhandling-Prozesse.

„Der kommerzielle Luftfahrtbedarf allein würde eine effektive Verdopplung der Produktionsraten erfordern“, sagt John D. Russell, Leiter der Structures Technology Branch am Air Force Research Laboratory.

Zusätzlich zu Verkehrsflugzeugen erforscht das Militär attritable Flugzeuge, die in Tausenden produziert werden könnten.

Schließlich gewinnt das Air-Taxi-Konzept an Zugkraft bei traditionellen Luftfahrtunternehmen und Firmen wie Uber und würde noch mehr Produktion erfordern.

„Für jeden dieser Fälle einzeln höre ich von meinen Kontakten in der Industrie, dass die USA derzeit nicht die Kapazität haben“, sagt Russell und warnt, dass seine Informationen von vor dem weltweiten Virusausbruch stammen. „Wenn alle drei gleichzeitig eintreffen, muss die Industrie kreativ werden, wie sie das Kapazitätsproblem löst.

Die große Alternative, die ich höre, ist der Einsatz von Automatisierung, um Produktivität und Durchsatz zu steigern, besonders für die kommerzielle Luftfahrt. Unternehmen erforschen jeden Weg, wie Automatisierung Dinge verbessern kann, von der Teilefertigung bis zur Montage. Ich höre, die Kapitalkosten für Automatisierung sind geringer als für den Aufbau neuer Produktionslinien.“

Russell sagt, er wäre nicht überrascht, wenn die Air-Taxi-Industrie die Produktion ins Ausland verlagert, weil der Fahrzeugpreis wahrscheinlich ein großer Treiber für ihr Geschäftsmodell ist. Er zweifelt, dass wir Offshoring bei der kommerziellen Luftfahrt sehen würden, da die Industrie wahrscheinlich an etablierten Lieferantenbeziehungen festhalten würde aufgrund des hohen Qualifikationsniveaus der Belegschaft. Offensichtlich wäre Offshoring für kein Militärfahrzeug eine Option, merkt er an.

Die Auslieferung von 40.000 Flugzeugen in 20 Jahren würde eine Produktion von 2.000 Flugzeugen pro Jahr erfordern, was weit höher liegt als die Auslieferungen vor der Pandemie.

Ein Lieferrückstau entstand, als die Hersteller nicht schnell genug aufrüsten konnten, um die gestiegene Nachfrage durch einen Anstieg im Lufttransport zu decken.

Zudem betrachten Verbraucher Flugreisen jetzt als Notwendigkeit statt Luxus und haben die Mittel, für persönliche Reisen zu zahlen.

Daher erweiterten die kommerziellen Fluggesellschaften ihr Angebot, um diesen flughungrigen Verbrauchern Flexibilität bei den Abflugzeiten zu bieten.

Boeing hatte am 1. Mai einen Rückstand von 5.049 Flugzeugen, während Airbus’ Bestellrückstand sich auf 7.650 zum 31. März belief.

Vor der Pandemie wurde eine Wiederbelebung des Wettbewerbs zwischen Boeing und Airbus erwartet, die zu Rekordauslieferungen ihrer hochbeliebten Schmalrumpf-Plattformen und einem 9,4-prozentigen Jahreswachstum der Produktion 2019 führen sollte. Boeing und Airbus sollten 2019 mehr als 1.750 Flugzeuge produzieren, gegenüber 1.606 Einheiten 2018, laut einer Mitte Juni 2019 Pressemitteilung von Frost & Sullivan.

Im August jedoch kürzten andere diese Zahlen.

Die globale Flugzeugproduktion war um ein Viertel gefallen nach dem Grounding von Boeings 737 Max im März 2019 nach zwei tödlichen Abstürzen, laut einem Artikel im Guardian. ADS, die britische Luftfahrt-Lobbygruppe, sagte, 88 Flugzeuge wurden im Juli 2019 ausgeliefert, ein Rückgang von 24 % gegenüber dem Vorjahresmonat, hauptsächlich wegen des Einbruchs bei der Produktion von Ein-Gang-Flugzeugen wie der 737.

Ende letzten Jahres hatten Airbus und Boeing zusammen 1.243 Flugzeuge ausgeliefert.

Die Industrie handelt, um diese Zahlen zu steigern.

„Die beiden größten kommerziellen Flugzeughersteller, Boeing und Airbus, investieren beide viel zusätzliches Geld in die Erhöhung der Produktionsrate“, sagt Bill Bigot, Vice President Business Development für Aerospace and Defense bei JR Automation.

Ende letzten Jahres in Hamburg, Deutschland, implementierte Airbus seine hochautomatisierte Montagelinie für die A320-Familien-Rumpfstruktur.

Die neue Anlage verfügt über 20 Roboter, ein neues Logistikkonzept, automatisierte Positionierung durch Lasermessung sowie ein digitales Datenerfassungssystem, so das Unternehmen.

Neben dem Einsatz von Robotern implementiert Airbus auch neue Methoden und Technologien in Material- und Teillogistik, um die Produktion zu optimieren, Ergonomie zu verbessern und Lieferzeiten zu verkürzen. Dazu gehören die Trennung von Logistik- und Produktionsebenen, bedarfsorientierte Materialbereitstellung und der Einsatz autonomer geführter Fahrzeuge.

Etwa zur gleichen Zeit beendete Boeing jedoch einen vierjährigen Gesamtautomatisierungsversuch in seinem Werk in Everett, Wash., der Roboterarme zum Einfügen von Befestigungselementen an zwei Hauptrumpfabschnitten seiner 777-Jets und der 777X einsetzte, und entschied sich stattdessen für manuelles Einfügen durch qualifizierte Mechaniker.

Roboter bohren weiterhin die Löcher für die Befestigungselemente auf einem automatisierten „Flex-Track“-System, was zu einem kombinierten Mensch-Roboter-Prozess führt, laut veröffentlichten Berichten.

Der Aufwand mag sich am Ende auszahlen.

Die gescheiterten Versuche, Robotik einzusetzen, lehrten Boeing wertvolle Lektionen aus seinem „ersten sehr tiefen Tauchgang in diese Art von Technologie“, sagte Jason Clark, ein Boeing-Vizepräsident, der die 777X-Produktion überwacht, der Los Angeles Times. „Es hat uns gelehrt, wie man für Automatisierung designet“, wurde Clark in einem November-Artikel zitiert.

Die neue Methode erzeugt weniger Verschleiß an den Arbeitern, da von Electroimpact Inc. entwickelte Maschinen eine der körperlich anstrengendsten Aufgaben der Rumpfmontage übernehmen: das Bohren von Löchern durch Metall, laut dem Times-Artikel.

„Wir haben Teile des Baus neu gestaltet, um Nieten durch weniger schwierige Befestigungsformen zu ersetzen, was die Ergonomie weiter verbessert“, sagte ein Unternehmenssprecher.

Nicht alle Maßnahmen zur Produktionssteigerung beinhalten neue Linien und Roboter.

In seinem Werk in North Charleston, S.C., hat Boeing: Mechaniker mit Exoskeletten ausgestattet, die Belastung durch anhaltende Überkopfarbeit reduzieren; Bluetooth-fähige smarte Schraubenschlüssel eingesetzt, um sicherzustellen, dass Arbeiter das korrekte Drehmoment an einer Mutter anwenden; und Virtual Reality für Mechaniker genutzt, um neue Werkzeuge zu testen, laut Reuters.

Können Roboter Hand Lay-up übernehmen?

Bevor Rumpfstrukturen nach Hamburg oder in Boeings Fabriken in Washington State geschickt werden, werden sie in automatisierten Composite-Fertigungsprozessen (ACM) hergestellt, einschließlich automatisierter Faserablage (AFP) und automatisierter Bandablage (ATL).

ACM eignet sich für mittelgroße oder große Teile wie Rümpfe, Flügel und Rumpfspanten, die auch flach oder leicht konturiert sind.

Kleine und mittlere Composite-Teile werden jedoch von Hand Lay-up gefertigt, ein sehr ineffizienter Prozess, der viel Material verschwendet.

Das ist ein großes Thema, weil diese Teile – Clips, Halter, I-Träger und Zugangstüren – bis zu die Hälfte des Gewichts einer Struktur ausmachen und für ein einzelnes Flugzeug in die Tausende gehen können.

„Auch diese Teile, die per Hand Lay-up gefertigt werden müssen, müssen zugeschnitten und gedartet, gepresst, was auch immer“, sagt Les Cohen, ein Composite-Berater. „Das bedeutet, Ihr Buy-to-Fly-Verhältnis kann ein Faktor von 2 sein: Wenn Sie mit einem Material arbeiten, das 40 $ pro Pfund kostet, ist es effektiv 80-$ pro Pfund Material.“

Ein Team an der University of Southern California hat kürzlich ein Demonstrationsprojekt abgeschlossen, um Lay-up mit Roboterarmen zu automatisieren.

Obwohl es keine Automatisierung ist, gibt es noch Raum, die in der Flugzeugkonstruktion verwendeten Materialien zu verbessern.

Die Industrie versteht, dass die Zeit, die es dauert, Teile in Arbeit in Entschichtungsvorgängen alle paar Lagen sowie das finale Aushärten im Autoklaven zu entgasen, viel Zeit kostet. Schnell aushärtende Harze, die die Eigenschaften autoklavgehärteter Teile haben, aber ohne den Autoklavenprozess auskommen, sind die Antwort, aber sie sind nicht verfügbar, sagt Cohen. Mit Investitionen, die im Durchschnitt bis zu fünf Jahre Zeit und geschätzte 10 Millionen Dollar Kosten für die Entwicklung neuer Materialien erfordern, ohne Garantie, dass sie akzeptiert werden, ist verständlich, dass diese Herausforderung ungelöst bleibt, sagt er.

4. Industrielle Revolution hebt in der Luftfahrt nur langsam ab

Industrie 4.0 mit ihrem Versprechen größerer Produktivität und Qualität könnte auch die Luftfahrtproduktion ankurbeln, aber die Industrie war langsam in der Einführung der vernetzten, digitalisierten und datengesteuerten Welt der vierten industriellen Revolution.

„Ich würde sagen, diese Dinge kommen gerade erst in der Produktion an und liefern Ergebnisse. Wir sind sehr darin involviert und gerade an dem Punkt, wo wir dies auf Programmebene ausrollen und einer Fabrik etwas geben können, das ihre Effizienz absolut beeinflussen wird“, sagt Andrew Purvis, Projektleiter für Composite Lay-up und Automatisierung bei Electroimpact Inc. „Wenn man anfängt, die Daten zu bekommen und die Zahlen zu crunchen, findet man viel Gold in diesem Datenberg und oft Diamanten, Dinge, die die Produktion wirklich ankurbeln.“

Reif für Automatisierung ist die Qualitätsseite der Produktion, sagt Purvis.

Electroimpact baut Qualitätsüberwachung in Systeme mit Inspektionstechnologie ein, die alles misst, was seine AFP-Maschinen tun, während sie ein Teil bauen oder drucken. Die automatische Inspektion ermöglicht einen Prozess, den das Unternehmen „kontinuierliches Abstimmen“ nennt.

„Das System hält sich tatsächlich selbst in Kalibrierung, indem es beobachtet, was es tut, und stimmt sich kontinuierlich ab“, sagt er. „Wie eine AFP-Maschine oder ein Drucker kann den Output mit einer Kamera oder Sensoren betrachten und sagen: ‚Hey, ich habe bemerkt, dass du anfängst leicht zu driften, also werde ich kompensieren‘.“

An diesem Punkt ist die Einführung von Industrie 4.0 mehr eine Aspiration als eine Errungenschaft, teilweise aufgrund von Cybersicherheits- und Datenmanagementimplikationen, sagt Mick Maher, Präsident der Beratungsfirma Maher Associates.

„Ich denke nicht, dass die Luftfahrtindustrie es langsamer aufnimmt als jede andere Industrie“, sagt er. „Ich denke, Industrie 4.0 ist noch zu unreif, um ihr die Zügel zu übergeben. Das gesagt, Automatisierung ist ein Schlüsselkomponente von Industrie 4.0. Aber genauso wie es Teile der Automatisierung gibt, die reif sind, wie Bandablage, Faserablage, gibt es noch viel Entwicklungsbedarf.“

Große Gewinne zu erzielen

Randy Rounkles, der technischer Direktor für Luftfahrt bei JR Automation war, war zuvor bei Spirit Aerosystems, wo er Teil eines Teams war, das Industrie 4.0 Anfang 2019 einführte.

Das Legacy-Zielproduktionsvolumen bei Spirit, einem früheren Boeing-Werk, das 2005 ausgegliedert wurde, lag bei 21 Flugzeugen pro Monat basierend auf physischen Beschränkungen und Größe, sagt Rounkles. Bevor er ging, lag die monatliche Produktion des Werks bei 57 Flugzeugen, unterstützt durch zusätzliche Schichten, mehr Mitarbeiter und erhöhte Automatisierung, speziell im Befestigungsbereich.

„Eines der (letzten) Projekte bevor ich ging, war die Industrie-4.0-Datenerfassung zur Ausrüstungsauslastung, und das veränderte tatsächlich das Gesicht des Unternehmens darin, zu verstehen, was ihre Ausrüstung tat und wozu sie fähig war“, sagt Rounkles. „Und es hatte einen signifikanten Einfluss auf die Kapitalausgaben für zukünftige Raten.“

„Mit Digitalisierung experimentieren“

Es gibt Forschung weltweit zur Anwendung von Industrie 4.0 in der Luftfahrtfertigung, aber die Einführung ist langsam und die aktuelle Flugzeugproduktion ist mehr analog als digital, sagt AFRLs Russell.

„Unternehmen experimentieren mit Digitalisierung, um spezifische Schmerzpunkte zu lösen, wie Asset-Tracking, aber wenige Hersteller haben eine echte unternehmensweite Industrie-4.0-Umgebung“, sagt er.

In Bezug auf den aktuellen Stand von Industrie-4.0-Komponenten wird additive Fertigung für Werkzeuge und nicht-strukturelle Teile untersucht, einige Prozesse sind durch Roboter automatisiert, und in Bezug auf Datenanalysen wurde F&E betrieben, um zerstörungsfreie Prüfdaten zurück zu den Originalmodellen zu verknüpfen, um den Einfluss von Fertigungsfehlern auf die Teileleistung zu verstehen, sagt Russell.

In einem auf YouTube geposteten Video glättet ein Kuka-Roboterarm mit einem End-of-Arm-Roller die Lage von Pre-Preg-Composite über der vorherigen Lage, während zwei Roboter mit Greifern das Material auf beiden Seiten straff halten.

Wie viele Hand-Lay-up-Künstler haben sich diesen Äquivalent einer dritten Hand gewünscht, der in der Aufzeichnung der smarten Roboterzelle demonstriert wurde?

Die Zelle und die gesamte dahinterstehende Technologie sind ein Demonstrationsprojekt von Satyandra K. Gupta, Professor für Maschinenbau und Informatik an der University of Southern California, seinen Kollegen und Studenten. Sie fertigten das Teil basierend auf Vorschlägen von Boeing, Lockheed Martin und United Technologies, mit dem Ziel, die Machbarkeit der Automatisierung zu bewerten. Testergebnisse an Teilen, die mit ihrer robotischen Automatisierung gefertigt wurden, wurden an die drei Unternehmen gesendet, sagt Gupta.

„Im Moment ist die zentrale Herausforderung, der alle in der Luftfahrt gegenüberstehen, ein Arbeitskräftemangel“, sagt er.

Mit Roboterarmen, die Lay-up durchführen, könnte ein menschlicher Operator mehrere Zellen gleichzeitig überwachen, erklärt er. Das würde nicht nur die Kapazität erhöhen, sondern könnte möglicherweise den Entschichtungsschritt im Teileherstellungsprozess eliminieren, während die Qualität gewährleistet bleibt.

Denn für ein hypothetisches kritisches Teil aus 100 Lagen Pre-Preg muss das Teil im Prozess alle drei (oder fünf) Lagen verpackt und vakuumiert werden, um sicherzustellen, dass keine Lunker entstehen, insgesamt 33 Entschichtungen.

Mit Robotern kann der Druck des Roboterwerkzeugs gemessen werden, im Gegensatz zur menschlichen Hand, sodass Qualität gesichert ist und der Prozess schneller ablaufen kann.

Die Automatisierung des Prozesses macht ihn nicht nur konsistent und strafft ihn. Hand Lay-up ist ein mühsamer, körperlich anstrengender Job.

Über zweieinhalb Jahre integrierten Gupta und sein Team Roboterarme mit End-of-Arm-Tooling, Computer Vision, Kraftsensorik, KI-Algorithmen, fortschrittlichen Controllern und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle. Ihre Demonstrationsbauteile bestanden aus bis zu 15 Lagen standardmäßigem epoxidbasiertem Carbonfaser-Pre-Preg.

Der herausforderndste Teil ihrer Arbeit war die Integration der Echtzeit-Computer-Vision.

„Man muss die Kamera dazu bringen, zu sehen, welche Defekte sich bilden“, sagt Gupta. „(Jetzt) wenn der Roboter eine Falte sieht, zieht er das Tuch mal hierhin, mal dorthin …“

Wenn die Zelle auf ein Problem stößt, das sie nicht beheben kann, alarmiert sie einen menschlichen Operator mit einem Piepton, E-Mail oder Text.

Aber nur wenn nötig.

„Manchmal läuft der ganze Prozess ohne Probleme“, sagt Gupta.

Schau mal, Ma, keine Hände! (End-of-Arm-Tooling macht automatisiertes Pre-Preg-Lay-up)

Der vor drei Jahren eröffnete Anbau von Rego-Fix umfasst fortschrittliche energie- und ressourcenschonende Merkmale. Dazu gehören ein spezielles Luftaustausch-Lüftungssystem, Holzpellet-Heizung, mehrere progressive Klimaanlagen, ein „grünes“ Dach und die Nutzung sowohl natürlicher als auch sensorgesteuerter Beleuchtung.

Das Luftaustausch-Lüftungssystem tauscht die Luft im neuen Gebäude siebenmal pro Stunde aus. Es zieht Abwärme vom Fertigungsboden ab – Wärme, die hauptsächlich von den großen Luftkompressor-Anlagen erzeugt wird, die für die Werkzeugmaschinen des Unternehmens notwendig sind. In den kalten Monaten, die den Rest des Jahres ausmachen, wird die zurückgewonnene Abwärme dann genutzt, um die von außen angesaugte Frischluft zu erwärmen und auf den Fertigungsboden zu zirkulieren.

Zusätzlich hilft zirkulierendes Wasser in einem geschlossenen System, die Luftkompressoren auf dem Fertigungsboden während des Betriebs kühl zu halten. Im Kühlprozess wird das Wasser heiß, und dieses heiße Wasser wird dann in einem 1849-Gal (7007-l) Tank gespeichert. Dieses Wasser wird weiter genutzt, um das Gebäude über ein in die Böden der Bürobereiche eingebautes Heizsystem zu erwärmen.

Die Anlage verfügt auch über ein 390-kW-Heizsystem, das Holzpellets statt fossiler Brennstoffe verbrennt. Die Pellets sind ein Nebenprodukt der Holz- und Möbelindustrie, die in der Region üblich sind. Das System verbraucht sehr kleine Mengen Pellets, da es als Backup zu den anderen Wärmequellen fungiert und nur bei extrem niedrigen Außentemperaturen eingesetzt wird.

Im Sommer hält eine energiesparende progressive Drei-Geräte-Klimaanlage, die zusammen mit dem Fußbodensystem und dem Luftaustauschsystem arbeitet, den Anbau kühl. Die Luftaustauscheinheit zieht Wärme aus dem Gebäude, und kaltes Wasser zirkuliert durch das Fußbodensystem.

Steigt die Temperatur im Gebäude über ein bestimmtes Niveau, schaltet sich eines der Geräte im progressiven Klimasystem ein, um das Fußbodensystem und die Luftaustauscheinheit zu unterstützen. Die Klimageräte sind drehzahlgeregelt, sodass, wenn die Temperaturen weiter steigen und das erste Klimagerät sein Limit überschreitet, das zweite Klimagerät im System aktiviert wird. Und wiederum, wenn das zweite Gerät sein Drehzahl-Limit erreicht, wird das dritte aktiviert. Sobald das Gebäude zu kühlen beginnt, schalten sich die einzelnen Klimageräte in umgekehrter Reihenfolge aus.

Die Außenwände des Gebäudes sind vollständig isoliert. Im Gegensatz zu typischen Dachdesigns ist das von Rego-Fix gewählte recht ungewöhnlich mit hohen Dämmeigenschaften. Als „grünes“ oder „bepflanztes“ Dach bezeichnet, ist es mit Erde bedeckt, in der tatsächlich Rasen wächst. Neben seinem Isolationswert fängt das Dach Regenwasser auf, das dann in einem 13.200-Gal (50.000-l) Tank gesammelt und für die Toilettenspülung in den Sanitärräumen des Gebäudes verwendet wird.

Kombiniert bieten alle Heiz- und Kühlfunktionen des Gebäudes stabile und konstante Umgebungstemperaturen im Fertigungsbereich. Das hat einen kritischen Fertigungsvorteil. Die konstante Temperatur hilft, die konsistente Werkzeugmaschinengenauigkeit für die Herstellung der hochpräzisen Spannsysteme des Unternehmens aufrechtzuerhalten.

Für weitere Energieeinsparungen verfügt das neue Fertigungsgebäude über viele große, dreifach verglaste Isolierfenster, die reichlich natürliches Licht hereinlassen. Zusätzlich sind die Fenster mit Jalousien ausgestattet, die automatisch öffnen und schließen. Das ist eine große Hilfe, um das Gebäude im Sommer kühl zu halten. Während die Jalousien viel Wärme blockieren, sind sie perforiert, um Licht hereinzulassen.

Wo zusätzliche Beleuchtung benötigt wird, werden LED-Energiesparleuchten zusammen mit Bewegungssteuerung eingesetzt. Es gibt keine Wandschalter im Gebäude, und Lichter schalten sich nur ein, wenn Bereiche besetzt sind, und aus, wenn sie es nicht sind.