Automatisierung für die Luftfahrt

Eine Herausforderung bei der Produktion und Wartung von Flugzeugen besteht in der Be- und Verarbeitung, Montage und Lackierung von Bauteilen sehr unterschiedlicher Größe, die von wenigen Millimetern bis hin zu 20 m Länge und mehr reicht, mit vergleichsweise geringer Maßhaltigkeit bei Großbauteilen. Allerdings ist besonders in der tragenden Struktur der Flugzeuge die Einhaltung geringer Toleranzen gefordert. Nicht selten dürfen Abweichungen vom Designoptimum nur ± 0,2 mm betragen, manchmal sogar noch weniger.

Gegenwärtig dominieren manuelle Arbeitsabläufe sowohl in der Montage als auch in der Lackierung von Flugzeugen. Das Toleranzmanagement wird häufig durch Feinjustierung der Bauteilform und Bauteillage mit manueller Kraft erreicht. Eine weitere manuell ausgeführte Technik zum Toleranzausgleich in der Montage ist das Shimmen, bei dem die oft ungleichmäßigen Fügespalte zwischen überlappenden Bauteilen mit einer genau dosierten Menge von 2-komponentigem Epoxidharzklebstoff geschlossen werden. An vielen Stellen, z. B. den »Leading Edge« genannten vorderen Flügelkanten, übernimmt der Dichtstoffauftrag die Funktion, unterschiedlich breite und tiefe Fugen oder Senkungen um Nietköpfe herum so aufzufüllen, dass eine ebene Oberfläche entsteht, die den aerodynamischen Ansprüchen genügt.  

Die Dekoration und der Oberflächenschutz erfolgt im Flugzeugbau und im Bereich der Großstrukturen hauptsächlich manuell und ist derzeit ein kosten- und personalintensiver Prozess.

Die vergleichsweise geringen Losgrößen im Flugzeugbau lassen eine Automatisierung von Prozessen, die flexibel auf Bauteiltoleranzen reagieren müssen, auf den ersten Blick wenig attraktiv erscheinen. Bedenkt man aber, dass auf der heute vorhandenen Produktionsfläche ständig ansteigende Produktionsraten realisiert werden sollen, bietet die Effizienzsteigerung durch Automatisierung eine wirtschaftlich sehr interessante Option.

Individuelle Automatisierungslösungen

Aus technischer Sicht erfordert das automatisierte Toleranzmanagement sowohl bei der Herstellung als auch bei der Montage großer Bauteile Antworten auf die Frage, wie Produktionssysteme individuelle Abweichungen ausreichend genau erfassen und prozesssicher auf sie reagieren können. Das Fraunhofer IFAM bietet in Ergänzung zu seinen Forschungsarbeiten auf den Gebieten der Werkstoffentwicklung und der Prozessoptimierung entsprechende Automatisierungslösungen als vielseitig nutzbare Technologiebausteine an oder entwickelt diese individuell auf Kundenanforderung. Hierzu zählen insbesondere die Neu- und Weiterentwicklung von speziellen auf den automatisierten Prozess angepassten Werkzeugen, wie zum Beispiel Düsen und Vorrichtungen zum Kleb- und  Dichtmittelauftrag, Auftragsvorrichtungen und oversprayreduzierende Applikationstechniken für die Lackierung und Dekoration sowie die Entwicklung von Fertigungshilfsmitteln zur Unterstützung von manuellen Prozessen, um die Fertigungsgenauigkeit zu optimieren. Ferner gehören der Einsatz von angepasster Sensorik zur Qualitätssicherung (Kameras, Laser, induktive und kapazitive Sensoren) in Kombination mit Industrie-Robotern und Handhabungssystemen zum Standard bei der Prozessgestaltung.

Flexibilität durch Automatisierung

Das umfangreiche Portfolio des Fraunhofer IFAM im Bereich Automatisierung umfasst das Einrüsten und Ausrüsten von Bauteilen, geometrieflexible Bauteilaufnahmen, welche Fügespalte über Formkorrektur und Lagekorrektur der Fügepartner optimieren, sowie schnelle, berührungslose Einmesstechniken und Referenzierungstechniken zum Einsatz robotischer Endeffektoren. Nicht nur für robotergeführte Prozesse, sondern auch für Portalanlagen steht eine Palette von Technologien bereit, um die geforderten Positioniergenauigkeiten und Bahngenauigkeiten auch bei höher tolerierten Bauteilen zu garantieren, die in Hinblick auf die Automatisierung Unikaten gleichzustellen sind. Auf dieser Basis setzen die verfügbaren Automatisierungslösungen des IFAM zum toleranzgerechten Bearbeiten, Fügen, Dichten, Beschichten und Drucken auf, jeweils ergänzt um eine ebenfalls automatisierte Qualitätssicherung. Dem Kleben, Dichten, Beschichten, Lackieren oder Functional Printing geht häufig eine Reinigung oder Oberflächenvorbehandlung voraus, die ebenfalls als automatisierte Variante angeboten wird.

Von besonderem Interesse im Zusammenhang mit Großbauteilen sind Roboter, die mithilfe von Linearachsen, selbständig navigierenden Bodenfahrzeugen (AGV, Autonomous Guided Vehicle) oder eines zweiten Positionierroboters ihren Arbeitsbereich bauteilgerecht erweitern, ohne dass spürbare Präzisionseinbußen auftreten.

Eine weitere Facette der Entwicklungsarbeiten bilden mobile robotische Systeme aller Größenordnungen, die Seite an Seite mit dem Menschen Aufgaben in der Produktion wahrnehmen: Mensch-Roboter-Kooperation und Mensch-Roboter-Kollaboration. Alle genannten Technologien unterstützen das digitale Datenmanagement entsprechend Industrie 4.0.

Allerdings bringt eine teilweise oder vollständige Automatisierung nicht für alle Arbeitsabläufe in der Flugzeugproduktion Vorteile. An vielen Stellen sind manuelle Prozesse zu favorisieren, insbesondere wenn sie mit elektronischen Hilfsmitteln in ihrer Effizienz gesteigert und nahtlos in den Datenfluss entlang der gesamten Prozesskette integriert werden. 

Filme zur Automatisierung in der Luftfahrt

Automatisierte vertikale Heckflügel-Montage

Roboter-Bearbeitungstechnik für die Luftfahrt