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Automatisierten Vormontage von Versteifungselementen an CFK-Integralspante zur Herstellung von Flugzeugrümpfen

Herstellung von Flugzeugrümpfen
Fraunhofer IFAM entwickelt Positionier- und Bohrendeffektor

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Die von den Experten für Automatisierung und Produktionstechnik des Fraunhofer IFAM entwickelte Automatisierungsumgebung mit Portal und daran angeschlossenem Positionier- und Bohrendeffektor sowie der Spantaufständerung. Bild: Fraunhofer IFAM

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM hat im Impuls-Teilprojekt „Tempo“ einen Positionier- und Bohrendeffektor entwickelt, der zur automatisierten Vormontage von Versteifungselementen an CFK-Integralspante zur Herstellung von Flugzeugrümpfen dient. In dieser Anwendung ermöglicht der Endeffektor Produktionsratensteigerungen sowohl bei gleichbleibender Qualität als auch zu geringeren Kosten. Die bisherige manuelle Fertigung benötigt darüber hinaus mehr Prozessschritte. Der Endeffektor ist für eine Portalanlage konzipiert, eignet sich allerdings auch für Standard-Industrieroboter.

Vormontage von Integralspanten

 Im A 350 lassen sich durch den Einsatz von Carbonfaser verstärkten Kunststoffen (CFK) und einer neuartigen integralen Bauweise von Flugzeugrümpfen Gewicht und Produktionsschritte einsparen. Beim Bau sind die Spante, die querversteifenden Elemente im Flugzeugrumpf, von großer Bedeutung. Um ein seitliches Beugen der Spante zu verhindern, sind zusätzliche Versteifungselemente (Cleats) erforderlich. Die bis zu 6 m langen Spante unterscheiden sich alle geometrisch voneinander. Zusätzlich bedingen die manuelle Cleatzuführung und die Vormontage große Varianzen. Umfangreiche Vermessungsschritte an den gefügten Teilen zur exakten Positionsausrichtung sind daher unerlässlich.

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Der vom Fraunhofer IFAM in Stade entwickelte Positionier- und Bohrendeffektor während der automatisierten Positionierung eines Cleats an den Integralspant.
Bild: Fraunhofer IFAM

Aufgabe des Projektes „Tempo“

Das Projekt „Tempo“ stellte die Experten des Fraunhofer IFAM vor die Herausforderung, die genannten Prozessschritte so zu automatisieren, dass sowohl die Zeitdauer als auch die Komplexität des Gesamtprozesses reduziert werden. Die Cleats sollten automatisiert aufgenommen und dem Spant zugeführt werden. Zur Vernietung von Spant und Cleat miteinander galt es, anschließend durch beide Bauteile zu bohren. Dies erreichte man, indem der Spant durch den Endeffektor mit Cleats hochpräzise ausgestattet wurde. Zudem wurde der Spant spaltfrei in einer seriennahen Rumpfmontageanlage an die Rumpfschale montiert.

Eigenschaften des Endeffektors

Durch entsprechende Modifikationen der Cleataufnahme kann der Endeffektor anstelle der eingesetzten Cleats auch geometrisch leicht abweichende Cleattypen aufnehmen und diese an unterschiedliche Integralspanttypen präzise positionieren. Die Genauigkeit der automatisierten Ablage beträgt ± 0,1 Millimeter und übertrifft damit die Genauigkeitsanforderungen um das Doppelte.

Die in dem Positionier- und Bohrendeffektor integrierte Messtechnik dokumentiert exakt den nötigen Anpressdruck von 200 Newton sowie viele weitere Parameter zur Überwachung der optimalen Bedingungen für das Vormontieren der Cleats an den Integralspant. Somit ist eine Online-Qualitätssicherung gewährleistet.

Der Endeffektor lässt sich über eine Anlagen-SPS steuern und erhält seine globalen Lagedaten aus eingelesenen CAD-Daten der Bauteile. Über eine vorgelagerte schnelle Einmessung mittels Lasertracker wird die neue Montagesituation angepasst. Die innovative Technologie ermöglicht einen prozesssicheren Ablauf und eine hohe Positioniergenauigkeit. Es muss dazu nur der Prozessstartknopf an einem Bedienpult gedrückt werden, alles Weitere erfolgt automatisch. Die eigens entwickelte benutzerfreundliche Bedienoberfläche mit selbsterklärenden Bildern zur Erleichterung der Eingabe gestattet es auch unerfahrenen Mitarbeitenden, sich schnell in die Steuerung des Systems einzuarbeiten.

Ein Endeffektor für viele Fälle

Der für die Vormontage, Positionierung und das Bohren von Spanten entwickelte Endeffektor lässt sich durch Anpassungen des Aufnahmesystems auch für die Montage von Bauteilen in anderen Branchen, wie im Windenergieanlagen-, Schienenfahrzeug-, Nutzfahrzeug-, Automobil- oder Schiffbau, einsetzen. (eve)

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