Automatisierung der Composite-Fertigung für wachsende Luftfahrt-Nachfrage

Die Luftfahrtindustrie bereitet sich auf einen massiven Bedarf an industrieller Kapazität zur Teileproduktion in naher Zukunft vor. Vor COVID schätzten Boeing und Airbus, dass über die nächsten 20 Jahre 40.000 Verkehrsflugzeuge benötigt werden (verglichen mit ca. 25.000 heute im Einsatz). Das US-Militär forscht an Schwarmkonzepten unbemannter Flugzeuge mit begrenzter Lebensdauer und sehr niedrigen Kosten. Erste Lufttaxis sollen 2023 in Dienst gestellt werden. All diese Konzepte erfordern signifikanten Composite-Einsatz für Reichweiten- und Geschwindigkeitsanforderungen – was die heutige industrielle Basis stark belasten wird.

Status quo der Composite-Fertigung

Heute basiert die Composite-Industrie auf Handlege oder aktuellen automatisierten Legeanlagen mit nur 20–50 % Maschinenauslastung. Sie ist noch stärker analog als digital. Unternehmen experimentieren mit Digitalisierung für spezifische Pain Points wie Asset-Tracking, aber wenige Hersteller verfügen über eine echte unternehmensweite Industry-4.0-Umgebung.

Notwendiger Paradigmenwechsel

Für die erforderlichen Produktionsraten zukünftiger Flugzeuge muss ein Zustandswechsel erfolgen. Erstens: Composite-Automatisierung muss Hauptbestandteil der kommenden Produktionswelle sein. Richtig umgesetzt reduziert Automatisierung den Bedarf an massiven Kapitaleinsätzen und verringert die Zahl neuer Fachkräfte für Flugzeugfertigung. Zweitens: Die Composite-Community muss Industry-4.0-Konzepte annehmen, um aus Fertigungs- und Montagedaten actionable Insights zu gewinnen. Schlüsselfelder für zukünftige Forschung:

• Manufacturing Science Tools
  Zielzustand: Demokratisierte Design-for-Manufacturing-Tools, die Trade-offs kohärent je nach Lebenszyklusphase bewerten.
  
  Potenzielle Lösungen: Integration von KI/ML, Automatisierung, Daten, Analytik, Fertigung und Produkten. Ein integriertes, computergestütztes System aus Simulation, 3D-Visualisierung, Analytik und Kollaborationstools für einen virtuellen Zwilling des gesamten Fertigungsprozesses.
• Kostengünstige, agile Fertigung und Verarbeitung
  Zielzustand: Robustes Verständnis kostengünstiger Prozessfähigkeiten. Design durch identifizierte Prozesse begrenzt, resultierend in 50 % Reduktion der Designzykluszeit. Fertigungslinien, die schnell für Nachfragespitzen und verschiedene Produktmixe umgerüstet werden können.
  
  Potenzielle Lösung: Next-Gen-Automatisierung. Verbesserte Nutzung von Automated Fiber Placement / Automated Tow Laying. Roboterlösungen für Handlege und Formung komplexer Formteile (Duro- und Thermoplaste). Cobots. Flexible Robotersysteme, umprogrammierbar und für Integration in andere Systeme umwidmbar.
• Inspektion
  Zielzustand: Nicht-eingreifende In-Prozess-Sensoren und Alternative zum Proof-Test für as-manufactured und In-Service-Zustände.
  
  Potenzielle Lösung: Übergang von Inspektion zu Messung. Erfordert Fertigungssimulation und In-Prozess-Messung sowie In-Service-Struktursimulation und -messung auf regulatorisch ausreichendem Niveau. Industry-4.0-Tools für Verständnis des Bauteil-/Baugruppen-Zustands, nicht nur Tracking.

SME hat eine Technical Community on Composites Automation gestartet, um diese Bedarfe zu adressieren. Ich bin Teil dieser Community und begrüße Input für unsere beginnenden Diskussionen.