Automation treibt Raketenteile-Produktion auf neue Höhen

Das Aufkommen privater Raumfahrtunternehmen hat die Fertigungsumgebung für Raketen- und Satellitenkomponenten transformiert. Zuvor sponserten Regierungsorganisationen wie NASA und das US-Verteidigungsministerium den Großteil der raumfahrtbezogenen Fertigung. Nun treiben wohlhabende Unternehmer hinter Blue Origin, SpaceX und Virgin Galactic die nächste Generation des Fortschritts in der Raumfahrttechnologie voran.

Das wachsende private Raumfahrtgeschäft bildet eine neue Branche mit neuen Beziehungen, Anforderungen und Chancen für Hersteller.

Gray Manufacturing Technologies ist ein Profiteur. Der in Denver, North Carolina ansässige Betrieb nutzt diese Chancen mit fortschrittlicher Zerspanung und vor allem Automatisierungstechnologie, um den steigenden Anforderungen der Raumfahrtindustrie gerecht zu werden.

Grays Produktmix ist hoch, die einzelnen Teilvolumen niedrig. „Der Großteil unseres Geschäfts ist entweder Luftfahrt [Flugzeuge] oder Raumfahrt- und Satellitenkomponenten“, sagt Gary Holcomb, Präsident und CEO von Compass Precision, Grays Muttergesellschaft. „Die meisten Aufträge sind 5 bis 10 Stück, und die meisten unterscheiden sich von vorangegangenen Aufträgen. Es sind keine reinen Prototypen, aber komplexe Teile in sehr kleinen Losgrößen, und wir versenden monatlich über 100 Aufträge.“

Da Raumfahrtunternehmen ihre Technologien ständig modifizieren und verbessern, sind Engineering-Änderungen häufig. „Wir fertigen vielleicht fünf Teile für einen Kunden, dann bestellen sie fünf weitere, aber mit anderen Dimensionen“, erklärt Holcomb. „Es gibt häufige Änderungsmitteilungen und viel Bewegung in und aus Produktionsplänen. Wir bekommen vielleicht sechs Aufträge, die in drei Monaten fällig sind, aber eine Woche später brauchen sie zwei früher, während zwei andere aus dem Plan rutschen.“

Automatisierung hat sich als Schlüsselkomponente von Grays Ansatz für die Zerspanung von Raumfahrt- und Satellitenprodukten erwiesen. „Als wir zuerst über Automatisierung sprachen, betrachteten wir sie aus Kapazitätssicht“, sagt Evan Grose, Operations Manager bei Gray Manufacturing. „Wir hatten nicht den Platz, immer wieder dieselben Teile auf dieselbe Palette zu laden.“

Um Spindellaufzeit und Produktionsflexibilität zu erhöhen, erwarb der Betrieb zwei Fünfachs-MILL E 700 U Bearbeitungszentren von GF Machining Solutions LLC, Lincolnshire, Illinois, in einer Zelle mit einem System 3R Transformer Modulroboter und einer 12-Paletten-Beladestation. Der Roboter fährt auf einer Schiene, um Paletten in und aus den Maschinen zu wechseln sowie Paletten offline an der Beladestation zu be- und entladen. Diese kombinierten Fähigkeiten ermöglichen erweiterten Lights-out-Betrieb bei Gray.

GF Machining Solutions Automatisierung ermöglicht Gray die effiziente Bewältigung seiner Low-Volume/High-Mix-Workload. „Die Flexibilität der Ausrüstung ist sehr wichtig“, sagt Holcomb. „Tagsüber fokussieren wir unsere Ressourcen auf die 1-, 2- oder 5-Stück-Aufträge für Raumfahrtkunden. Dann, bevor wir nach Hause gehen, nehmen wir die Nicht-Raumfahrt-Arbeit – im Grunde höhervolumige Luftfahrtjobs, die bereits programmiert sind – und fahren sie nachts. Wir nutzen die Programmierbarkeit der MILL E 700s für die komplexen, sehr kleinen Lose tagsüber, dann die Automatisierungsfähigkeiten für die etwas höheren Volumina, Nicht-Raumfahrt-Arbeit, die wir lights-out fahren.“

Im Gegensatz zu typischen Mehrpalettensystemen, die die unbeaufsichtigte Produktion auf das beschränken, was vor Lichtausschalten auf Paletten geladen wurde, entfernt das Transformer-Robotersystem Paletten mit fertigen Teilen aus der Maschine und ersetzt sie durch beladene Paletten. Es ent- und belädt dann Teile auf den leeren Paletten, während die Bearbeitung ununterbrochen weiterläuft. „Wir nennen es Automatisierung für die Automatisierung“, so Holcomb.

Für unbeaufsichtigten Betrieb ist Werkzeugbrucherkennung im Bearbeitungsprogramm hinterlegt. Bricht ein Werkzeug, stoppt die Maschine und wechselt das Werkzeug. Die MILL E 700 U Maschinen verfügen über mehr als genug Werkzeugspeicher für Grays erweiterten unbeaufsichtigten Betrieb, mit Werkzeugverschleißkompensation und Substitution redundanter Werkzeuge, die im Programm aufgerufen werden.

„Wir gingen den Automatisierungspfad wegen der steigenden Komplexität unserer Arbeit und weil es schwerer wird, Mitarbeiter mit den richtigen technischen Fähigkeiten zu finden“, erklärt Holcomb. „Wir wählten den robusten Transformer-Roboter statt eines Gelenkarmroboters, weil die Fähigkeit des Bearbeitungszentrums, komplexe Bewegungen auszuführen, den Einsatz eines vollbeweglichen Roboters unnötig macht.“

Die Alternative zum robotergestützten Automatisierungssystem wären mehr Maschinen, so Holcomb, „und je nachdem, wie viele Maschinen im Einsatz sind, auch mehr Leute, weil wir nicht erwarten können, dass ein Bediener sieben oder acht Maschinen bedient. Basierend auf unseren aktuellen Auftragsniveaus und ohne Robotik bräuchten wir mindestens drei weitere Maschinen – insgesamt fünf – und zwei weitere Mitarbeiter. Und an diesem Punkt unseres Geschäfts ist es schwieriger, die Leute zu finden als die Maschinen zu beschaffen.“

Während die Teilvolumen derzeit niedrig sind, werden höhere Volumen erwartet, die es dem Betrieb ermöglichen, die Fähigkeiten der Mikron MILL Fünfachsmaschinen und des robotergestützten Palettensystems voll auszuschöpfen. „Höhere Volumen bedeutet hier nicht Millionen Stück“, sagt Holcomb, „wir brauchen ein paar Dutzend statt 5 bis 10.“

Automatisierung wird wichtiger, je mehr das kommerzielle Raumfahrtgeschäft wächst und reift. Laut Holcomb erlebt der Betrieb eine Migration zu höheren Volumen bereits programmierter Teile. Das bedeutet weniger Programmierbedarf und mehr Bedarf an verlängerter Maschinenlaufzeit, die die GF Machining Solutions automatisierte Zelle liefert.

Holcomb fügte hinzu, dass Bearbeitungsgeschwindigkeit neben Automatisierung kritisch für erfolgreiche Luftfahrt- und Raumfahrtkomponentenproduktion ist – die meisten erfordern Bearbeitung komplexer Aluminiumteile bei hohen Drehzahlen.

Zusätzlich zu den zwei Maschinen in der automatisierten Zelle hat Gray eine Mikron MILL E 500 U und eine MILL S 600 mit 7-Paletten-Karussells. Eine hat eine 36.000-U/min-Spindel, die andere 20.000 U/min.

Zur Reaktionsfähigkeit und Effizienz des Betriebs ist Gray einem „Single-Setup“-Ansatz verpflichtet, so Jerry Soots, ehemaliger Gray Manufacturing General Manager und Präsident, jetzt Berater. Um dieses Produktionsziel auf einer Fünfachs-Fräsmaschine zu erreichen, lässt Gray strategisch platzierte 0,005" bis 0,010" dicke Stege an Rohwerkstücken und spannt das Werkstück in einer Schwalbenschwanz-Spannvorrichtung, die die Bearbeitung aller Teilmerkmale erlaubt.

Die Spannung bietet genügend Abstand zwischen Teilunterseite und Maschine. Dadurch kann der Betrieb Merkmale unten erreichen und in jedem Winkel bearbeiten. Ist das Teil fertig, wird es am KMG gemessen; bei Konformität werden die Stege abgetrennt.

Die aufstrebende private Raumfahrtfertigungsindustrie schafft neue Beziehungen zwischen Raumfahrtunternehmen und ihren Zulieferern. Vor 30 Jahren mussten Anbieter ihre Fähigkeiten bei Luftfahrtunternehmen anpreisen, die generell nicht aktiv nach Lieferanten suchten. Außer ein Bauteil war Teil eines neuen Flugzeugprogramms, waren Designänderungen selten.

„Heute machen die kommerziellen Raumfahrtunternehmen alles on the fly“, sagt Holcomb. „Es ist eine völlig andere Denkweise. Sie suchen aggressiv nach qualifizierten Lieferanten, die auf ihren ständigen Strom neuer Produkte und laufender Designänderungen reagieren können.

„Neueste ISO-Zertifizierungen und AS 9100D sind Mindestqualifikationen. Sie müssen technisch sehr kompetent sein. Sie müssen diese anspruchsvollen Teile in relativ niedrigen Volumen fertigen können – manchmal in Aluminium, manchmal in schwierigeren Materialien. Sie müssen agil genug sein, um die Flüssigkeit in der Produktionsplanung zu accommodieren. Unsere Fünfachs-Fräsen und Automatisierung von GF Machining Solutions spielen eine Schlüsselrolle, all diese Anforderungen zu erfüllen.“

Für Informationen zu Gray Manufacturing Technologies: gray-mfg.com oder 704-489-2206. Für GF Machining Solutions: www.gfms.com oder 800-282-1336.