Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPGRETA
Im Flugzeugbau finden zahlreiche mechanische Fügetechnologien Verwendung. Hierzu zählen bspw. Vollniet, Hi-Lok- oder Hi-Lite-Systeme. Typischerweise werden diese Niet- bzw. Fügesysteme im Bereich von Kupplungen zwischen Spanten zum Zusammensetzen von Halbschalen oder für die Integration der Querträger der Böden an die Rumpfstruktur eingesetzt.
Problemstellung
Die Installation der Fügeelemente setzt zwingend Vorlöcher voraus, die mit entsprechend zeit- und arbeitsintensiven Vorlochoperationen einhergehen. Zudem führen die im wesentlichen manuell ausgeführten Arbeiten zu einer hohen Belastung für die Werker, durch schwere Werkzeuge und z. T. eingeschränkte Zugänglichkeit der Fügestellen sowie Arbeiten in Überkopf-Positionen. Der aktuelle Stand der Technik in der Flugzeugendmontage offenbart somit ein erhebliches Optimierungspotential. Insbesondere der Automatisierungsgrad ist verglichen mit anderen Industriezweigen, wie dem Automobilbau, verhältnismäßig gering.
Zielstellung und Lösungsweg
Im Verbundprojekt GRETA, zusammen mit den Projektpartnern Airbus und dem LWF (Universität Paderborn), steht daher die Adaptierung eines geeigneten Schließringbolzensystems als neues vorlochfreies Fügeverfahren in der Flugzeugendmontage im Fokus der Forschung und Entwicklung. Aus der Definition der Fügeanwendungen folgen Anzahl und Dicke der Blechlagen und damit die erforderlichen Stanzkräfte. Unter Berücksichtigung der geometrischen Restriktionen der jeweiligen Fügeanwendung im Flugzeugrumpf sowie den erforderlichen Fügeelement- und Randabständen wird ein spezielles Setzwerkzeug konzeptioniert. Das Durchstanzen der mehrlagigen Blechpaarungen, die z. T. aus hochfesten Aluminiumlegierungen bestehen, geht mit hohen Durchstanzkräften von bis zu 45 kN einher, wodurch entsprechende Werkzeugantriebe zu einem hohen Gesamtgewicht der Setzeinheit führen. Folglich wird eine Automatisierungslösung für das autonome Fügen der Verbindungen im Flugzeugrumpf durch einen Roboter entwickelt. Für die Konzeptionierung der robotergestützten Handhabung des Setzwerkzeugs wurde zunächst die Ist-Situation auf Anforderungen hin analysiert. In diesem Schritt sind unterschiedliche Rumpfausschnitte untersucht und für jeden Ausschnitt ein Konzept entworfen und auf die Umsetzbarkeit hin bewertet worden. Für die Umsetzung wurde das kritischste Konzept angenommen. In diesem Fall hat der Rumpf eine Länge von 10 Meter und darf nicht belastet werden. Dazu fährt der Roboter auf einer Schiene in den Rumpf hinein, die an zwei Stellen außerhalb gelagert wird. Die Auslegung und Konstruktion des Tragarms ist für die präzise Positionierung des Roboters im Flugzeugrumpf von besonderer Relevanz. Die Grobpositionierung erfolgt anhand der Daten der Motoren. Für die Feinpositionierung dienen optische Messmethoden, dazu werden Kameras an der Setzeinheit vorgesehen. QR-Codes an den weiterhin manuell vorpositionierten Kupplungen beinhalten weitere Informationen wie z. B. die Anzahl und Anordnung der Schließringbolzen an der jeweiligen Fügestelle.
Nutzen
Die Entwicklung eines geeigneten selbststanzenden Schließringbolzensystems hat das Potenzial die Installation von Kupplungen und Trägerelementen in der Flugzeugendmontage wesentlich effizienter zu gestalten. In Kombination mit der Entwicklung einer Automatisierungslösung mit robotergestützter Handhabung des Setzwerkzeuges können die Produktivität bei den Fügearbeiten weiter gesteigert und gleichzeitig körperlich schwere Arbeiten der Werker reduziert werden. Weiterhin kann durch die Integration einer Prozessüberwachung von Setzeinheit und Roboter wesentlich zur Qualitätssicherung beigetragen werden. Dabei können die einzelnen Prozessdaten den jeweiligen Fügepositionen zugeordnet und nach Zielkriterien bewertet werden.