Aerotec FFT EDAG entwickelt automatisierte Zelle für die Fertigung von Rumpfteilen aus Verbundstoffen

Aufgabe:
Automatisierung der Konstruktion einer Rumpfschale aus Verbundstoffen für den Airbus A350 XWB. Traditionell wurde diese Arbeit immer manuell durchgeführt, da sich Kohlefaserharze nur schwer verarbeiten lassen.

Lösung:
Entwicklung einer automatisierten Fertigungszelle, in der Stringer zur Verstärkung des Rumpfes positioniert und verklebt werden. Für diese Arbeit waren FANUC Roboter mit größeren Reichweiten und höherem Tragvermögen erforderlich – der zu verstärkende Rumpf war immerhin sieben Meter lang.

Ergebnis:
Die Automation dieses schwierigen Hochpräzisionsprozesses beweist, dass Roboter das für diese Arbeiten erforderliche hohe Maß an Genauigkeit liefern können. Mit dem Bau der Zelle wurde gezeigt, dass dieser Prozess sowohl technisch als auch wirtschaftlich umsetzbar war.

Verbundtechnik startklar

Fertigungszelle für CFK-Bauteile von FFT EDAG

Im Technologiezentrum Nordenham steht die Wiege einer neuen Produktionstechnik. Zusammen mit Premium Aerotec entwickelt FFT EDAG eine automatisierte Fertigungszelle für das Positionieren von Stringern für CFK-Rumpfteile. Diese Fertigungszelle soll bei der Produktion des Airbus A350 XWB zum Einsatz kommen. Die Produktion des neuen Airbus läuft an, und das erste Flugzeug ist bereits in der Endmontage. Die Fertigungsanlagen werden optimiert, dabei soll insbesondere der Automationsgrad erhöht werden. Sowohl die Tragflächen als auch der Rumpfkörper des neuen Flugzeugs werden in Kohlefaserverbundbauweise gebaut. Die Produktionsanlagen werden gemeinsam von der EADS-Tochter Premium Aerotec und FFT EDAG entwickelt. Dazu haben sich beide Unternehmen im neuen Technologiezentrum Nordenham eingemietet. Premium Aerotec ist auf den Bau von Flugzeugstrukturbauteilen spezialisiert. Die hierzu erforderlichen Fertigungsanlagen werden bei Premium Aerotec betrieben und weiterentwickelt. FFT EDAG liefert serienreife Lösungen bis hin zu schlüsselfertigen Turn-Key-Produktionsanlagen für zahlreiche Branchen, insbesondere die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Das Unternehmen gilt als das größte unabhängige Entwicklungsunternehmen weltweit.

Die Chance, neue Technologien in den Flugzeugbau einzuführen, bietet sich nicht immer. Das ist auch leicht nachzuvollziehen: Aus Sicherheitsgründen bleibt man eher bei traditionellen Verfahren, wie z. B. bei der Handarbeit. Wenn nun ein grundlegender Wandel im Material einsetzt, sind neue Fertigungsverfahren jedoch unabdingbar. Da qualitativ hochwertig, reproduzierbar und möglichst kostengünstig produziert werden soll, ist die Frage nicht ob, sondern wie automatisiert werden soll. Bislang ist beim Bau einer CFK-Flugzeugrumpfschale noch viel Handarbeit erforderlich. Eine erste Fertigungszelle soll zeigen, dass sich das manuelle Setzen von Stringern automatisieren lässt. Das Prinzip ist bekannt: Mit Harz vorimprägnierte Kohlefaser, so genannte Prepreg, wird – je nach erforderlicher Wandstärke in mehreren Schichten übereinander – in eine Form gelegt. Ihre Härte bekommen CFK-Teile, indem sie „gebacken“, also in einem Ofen unter Druck bei ca. 180 °C ausgehärtet werden. In die vorgefertigte Schale, die schon die Form des Flugzeugrumpfs hat, werden in Längsrichtung zusätzliche Versteifungen, so genannte Stringer, eingelegt. Sie sorgen für die für einen Flugzeugrumpf erforderliche Steifigkeit. Weil dieser Vorgang vor dem Aushärten erfolgt, spricht man in dieser Phase von „nassem Material“.

Bei der Automatisierung dieser Arbeitsschritte sind jedoch einige Hürden zu nehmen. Aus anderen Verfahren sind nur schwerlich Erkenntnisse zu übertragen. Aus großen, wenig eigensteifen Einzelteilen sollen im Endeffekt hochpräzise Flugzeugstrukturen montiert werden. Und die Automation sollte die Luftfahrtbranche nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich überzeugen. Wie in der Automobilproduktion verspricht eine Plattformstrategie ein Maximum an Flexibilität hinsichtlich der Automationsanforderungen. Mike Wehn, Projektleiter von FFT EDAG in Nordenham, erinnert sich an die Entwicklung der Spezifikationen: „Flexibel programmierbare Roboter sollen unflexible, große Vorrichtungen ersetzen.“

Flexibilität nicht nur im Test

Im Technologiezentrum Nordenham ist nun eine erste Fertigungszelle entstanden. Die Tests werden mit einem Bauteil durchgeführt, das bereits etwa halb so groß ist wie das Original. In das sieben Meter lange Rumpfteil werden insgesamt 16 Stringer eingelegt. Beide FANUC Roboter in der Testzelle sind mit langen Armen ausgerüstet. Das Robotermodell R-2000iB/100P hat hier eine maximale Reichweite von 3.500 mm. Einer der beiden Roboter ist auf dem Boden befestigt. Der zweite Roboter mit dem Werkzeugkopf ist auf einer Verfahrachse montiert. Alle Achsen werden von einer FANUC Robotersteuerung R-30iA gesteuert. Insgesamt sind 17 Achsen verbunden: Je sechs Achsen der zwei Roboter, eine Verfahrachse und noch einmal vier Achsen des Kopfs. Weiterhin sind diverse Aktuatoren im Kopf verbaut, die über Profibus in die Robotersteuerung eingebunden sind. Wehn: „Der Clou des Roboterkopfs sind die vier integrierten FANUC Servomotoren.“ Mit diesen Servomotoren lassen sich die Seitenteile zueinander verstellen, sodass der Kopf auf unterschiedliche Geometrien eingestellt werden kann. Die Idee dahinter ist es, Offline-Programme nicht nur für die Simulation zu verwenden, sondern Offline-Daten direkt in die Fertigungsprogramme zu übertragen und mit den Werten zu arbeiten, die beispielsweise aus RobCAD oder Catia kommen. Wehn: „Wir sparen uns dadurch manuelle Einstellarbeiten am Kopf, denn die Servomotoren richten sich je nach Programm automatisch ein.“ In der jetzigen Phase haben die Entwickler von FFT EDAG die unterschiedlichen Schalen der Premium Aerotec berücksichtigt. Ursprünglich hätte jede dieser Formen ein eigenes Werkzeug zum positionsgenauen Auflegen der Stringer erfordert. Dieser eigens entwickelte, so genannte Rollklebekopf ist so ausgelegt, dass man mit einem einzigen Werkzeug auskommt.
Die Selbsteinrichtung durch Servomotoren zeigt nicht erst in der kommenden Produktion Vorteile. Schon in der Entwurfsphase der Zelle ergeben sich immer wieder Änderungen.

Überhaupt sind die Entwicklungspläne in vielen Punkten alles andere als festgenagelt, wie Wehn sagt: „Wir entwickeln mit Aerotec gerade ein Fertigungssystem, wie es später tatsächlich in der Produktion eingesetzt werden könnte. Dazu müssen Platzverhältnisse und Logistik berücksichtigt werden.“
FFT EDAG wäre nicht FFT EDAG, wenn nicht eine Entwicklung bereits die nächste anstoßen würde. Forscher arbeiten daran, auch Vliese oder sonstige Hilfsstoffe zwischen die Stringer zu legen, um die Wertschöpfung in der Produktionsanlage beim Legen der Stringer zu erhöhen. Und auch der nächste Arbeitsschritt soll automatisiert werden: das Auflegen einer Folie, die Stringer und Hilfsstoffe abdeckt.

Synchrone Bewegung durch Multiarm-Technik

„Sehr wichtig“, so Mike Wehn, „ist das Bewegungsprofil der Roboter. Die eingesetzten R-2000iB-Roboter müssen die parallel zur Schale bereitgestellten Stringer greifen, über Kopf heben und dann auf den Millimeter genau in die Schale einlegen. Was jetzt nur mit zwei Robotern getestet wird, könnte bald größere Dimensionen annehmen: Dann werden auf jeder Längsseite der Halbschale je vier Roboter die bis zu 18 m langen Stringer einsetzen. Dies erfordert Präzision, aber mehr noch perfekte Synchronität der Bewegung. Was mit einer konventionellen Programmierung ein schwieriges Unterfangen wäre, “„ist dank der Multiarm-Funktion sehr komfortabel einzurichten“, sagt Mike Wehn zum Anlernen der Roboter.
Der Ablauf sieht so aus: Die Roboter greifen je einen Stringer, bewegen ihn über Kopf in die Halbschale und halten ihn dann einige Zentimeter über der Materialoberfläche. Dabei ist das unkontrollierte Schwingen der Stringer unbedingt zu verhindern. Wie beim Kleben eines langen Tesafilm-Streifens wird dann ein Ende des Stringers aufgelegt und von dem Kopf exakt positioniert. Langsam fährt der Roboter mit dem so genannten Rollklebekopf die Verfahrachse entlang, bis der Stringer komplett aufgelegt ist. Auf diese Weise lässt sich der Stringer weitgehend kraftfrei aufsetzen.
Mike Wehn erklärt, warum schon das Auflegen möglichst kraft- und spannungsfrei erfolgen soll: „Wir müssen beim Positionieren eine Genauigkeit von plus/minus drei Zehntel Millimetern einhalten.“ Wehn: „Wir mussten unter anderem beweisen, dass wir diese Positionierung wiederholbar genau und stabil automatisieren können.“
Damit die absolute Genauigkeit im gesamten Arbeitsbereich von 18 x 3,5 Metern über den vollständigen Prozess sichergestellt wird, wurde ein Leica-System zugeschaltet. Dieses vermisst den Roboter während seiner Fahrt über die Stringer nahe dem Werkzeugmittelpunkt und korrigiert auftretende Abweichungen zum 3D-Modell.