Der Flugzeughersteller Airbus geht davon aus, dass sich das Flugaufkommen  bis 2030 verdreifachen wird. An einem einzigen Tag verzeichnet beispielsweise der Frankfurter Flughafen mehr als 1300 Starts und Landungen. Um den entsprechend hohen Bedarf an Transportmitteln zu decken, ist eine Modernisierung der Fertigungsabläufe im Flugzeugbau unumgänglich.

Um die Produktion anzukurbeln, müssen bislang manuelle Abläufe automatisiert werden. Bei einigen Prozessen im Flugzeugbau ist das problemlos möglich. Bei der Montage der Tragflächen hingegen sind die Flugzeugbauer besonders gefordert. Der Grund: Diese erfolgt vor allem im Innern der Tragflächen – in nebeneinander angeordneten Kammern. Zugang zu diesen Arbeitsräumen gewähren so genannte „Mannlöcher“. Für das Montagepersonal ist es sehr mühsam, durch die nur 45 cm langen und 25 cm breiten Öffnungen in die Tragflächen zu klettern, um dort die Tragflächenkomponenten mit Passschrauben zu befestigen und Nahtstellen abzudichten. Pro Tragfläche fallen rund 3000 Passbohrungen an. Dementsprechend zeitaufwendig, körperlich anstrengend und ermüdend ist die Prozedur. Hinzu kommen gesundheitliche Belastungen durch Dämpfe, die beim Abdichten entstehen.

Wie eine Schlange windet sich der Roboter durch die enge Öffnung in den Innenraum der Tragfläche. Mit seinen kurzen Dreh- und Kippgelenken erreicht er den hintersten Winkel der Kammer.

© Fraunhofer IWU

Vor diesem Hintergrund liegt es nahe, die Montage beispielsweise in die „Hände“ von Robotern zu legen. Das Problem dabei: Konventionelle Indus-trieroboter gelangen nicht durch die engen Öffnungen. Mit ihren starren Gliedern erreichen sie auch nicht den hintersten Winkel der bis zu 5 m langen Arbeitsräume. Erforderlich ist vielmehr ein schlanker Roboter, der zudem verschränkungsfähig ist. Ein solches Modell mit beweglichen Gliedern, welches aus acht Achsgelenken besteht, entwickeln derzeit Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. „Durch die seriell verketteten kurzen Dreh- und Kippgelenke kann der Roboter sehr enge Bahnradien abfahren und sich in die entlegensten Ecken der Kammern schlängeln. Wir nennen ihn daher auch Schlangenroboter“, so der zuständige Projektleiter Marco Breitfeld.

Am vordersten der acht Glieder wird das Werkzeug befestigt. Alternativ lässt sich auch eine Kamera für Inspektionsaufgaben anbringen. Der insgesamt zweieinhalb Meter lange Roboter ist in der Lage, bis zu 15 kg schwere Werkzeuge zu tragen – zusätzlich zu seiner Eigenlast. Angetrieben wird die Roboterkinematik durch einen ausgetüftelten Mechanismus – das Getriebe wird derzeit zum Patent angemeldet. Breitfeld und sein Team haben in jedem der acht Glieder einen sehr kleinen Motor verbaut – dennoch bringt es der Antrieb auf ein sehr hohes Drehmoment von bis zu 500 Nm. In Kombination mit Seilzug und Spindeltrieb ermöglicht er die hohe Beweglichkeit der einzelnen Glieder, die sich jeweils in einem Bereich von 90 Grad verdrehen lassen. „Das Antriebskonzept erlaubt einen Einsatz überall dort, wo hohe Kräfte und Momente auf engstem Raum benötigt werden. Im Flugzeugbau, aber auch im automobilen Karosserie- oder im Kraftwerksbau, braucht man solche kompakten Automatisierungslösungen“, erläutert Breitfeld.

Geplant ist, den 60 kg schweren Roboter auf eine mobile Plattform oder eine Schiene zu montieren, so dass er unter den Tragflächen entlangfahren und sich in jede der Kammern schlängeln kann. Hierfür kann man beispielsweise auf mobile Roboterplattformen zurückgreifen, wie sie im EU-Projekt „Valeri“ kürzlich vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und Automatisierung IFF vorgestellt wurden. Derzeit testen die Forscher vom IWU das mechanische Konzept sowie die Steuerung. Bis Ende 2014 soll ein Komplett-aufbau des mit acht Robotergliedern ausgestatteten Systems entstehen.

Kleinste Fehler werden entlarvt

Während sich die Forscher vom Fraunhofer IWU mit der Montage der Tragflächen beschäftigen, konzentrieren sich ihre Kollegen vom Fraunhofer IFF auf Flugzeugrumpfschalen und Turbinen: An diesen Bereichen befinden sich Tausende von montierten Anbauteilen, Schrauben und Nieten. Die korrekte Montage überprüfen Werker bislang ebenfalls manuell – eine ermüdende Aufgabe, bei der Fehler leicht übersehen werden können.

Erschwerend kommt hinzu, dass Passagierflugzeuge wie der Airbus A380 individuelle Einzelstücke sind. Jede Fluggesellschaft legt Wert auf eine individuelle Innenausstattung und lässt die Flieger an ihre speziellen Bedürfnisse anpassen. Während die eine Airline möglichst viele Sitzreihen unterbringen möchte, setzt die andere auf Komfort und gestattet den Passagieren etwas mehr Beinfreiheit. Ebenso sieht es etwa mit Monitoren, Gepäckfächern und Lüftungsanlagen aus. Alle diese Wünsche führen zu einer individualisierten Produktion mit Tausenden Klein- und Kleinstelementen, die an den jeweiligen Großbauteilen stets aufs Neue positioniert und montiert werden müssen.

Der Prüfroboter des Fraunhofer IFF bei der Vollständigkeitskontrolle einer Flug­zeugrumpfschale. Die Technik wurde bereits in ersten Pilotsystemen in der Praxis getestet.

© Fraunhofer IWU

All dies macht die Montage und anschließende Qualitätskontrolle sehr schwierig. Bis dato übernehmen die Werker die Vorgaben dafür aus Papierunterlagen und gleichen manuell Stück für Stück ab. Bei einem Flugzeug wie dem A380 beispielsweise ist die Zahl der zu prüfenden Teile gigantisch. Bis zu 40.000 Nieten halten jede der zwanzig Rumpfschalen eines Flugzeuges zusammen. Bis zu 2500 Anbauteile müssen jeweils auf Richtigkeit überprüft werden. Die Fehlerkontrolle ist aufwendig, eine nachträgliche Korrektur mitunter extrem teuer.

Ergo ist auch hier der Wunsch nach einem automatisierten Prüfsystem entstanden. So etwa beim Flugzeugbauer Premium Aerotec, der das Fraunhofer IFF mit der Entwicklung einer entsprechenden Lösung beauftragt hat. Das System besteht aus einen Roboterarm, der mit einem eigens entwickelten Sensorkopf verbunden ist. Letzterer ist mit Bildsensoren und 3D-messenden Sensoren ausgestattet und fährt automatisch alle relevanten Prüfmerkmale – zwischen 1000 und 5000 Stück – an den Rumpfschalen ab. Von allen Positionen erzeugt er hochauflösende Messdaten über den Montagezustand der realen Anbauteile. Die dafür benötigten Informationen entnimmt das System den vorliegenden 3D-CAD-Daten für die Rumpfschale. Sie geben das Soll-Ergebnis vor und beinhalten zugleich alle Koordinaten der Prüfposi-tionen. Aus diesen Daten erstellt das System zugleich virtuelle Messdaten der Prüfmerkmale – in Form von synthetischen Bildern und 3D-Punktwolken. Jede Fügeverbindung und jedes einzelne Anbauteil ist darin exakt repräsentiert.

Während der Prüfung überlagert das System die realen Messdaten mit den virtuellen Vorgaben. Bildausschnitt und Aufnahmewinkel berücksichtigt es automatisch. Passen die beiden Messdaten zueinander – sind die darauf abgebildeten Bauteile also richtig montiert –, markiert das System die Bauteile virtuell mit Grün als fehlerfrei. Findet es Unstimmigkeiten, werden sie rot markiert, bei Unklarheiten gelb. In einem Prüfprotokoll, das sich ähnlich interaktiv bedienen lässt wie eine App, kann der Werker sich verschiedene Auswertungen anzeigen lassen. Das System liefert den Bedienern dabei nicht nur die Fotos der Bauteile, sondern auch die Koordinaten, so dass sie das zu überprüfende Bauteil schnell wiederfinden.

Das digitale Prüfsystem ist nicht nur zuverlässiger als eine manuelle Kon-trolle, sondern auch deutlich schneller: Etwa 5 s dauert die Bildaufnahme, weitere 5 s die Auswertung pro Position. Statt acht bis zwölf Stunden benötigt es nur etwa drei Stunden, um den richtigen Sitz jedes Teils zu überprüfen. Auch die Größe der Bauteile, die es kontrollieren kann, hat es in sich. Das System analysiert mühelos Volumen bis zu 11 m × 7 m × 3 m. Dabei spürt es die Fehler nicht nur auf, sondern hilft auch dabei, sie langfristig zu vermeiden. Denn es hat sich gezeigt, dass Fehler an einigen Stellen gehäuft auftreten. Doch wo und warum? Um dies herauszufinden, werden die entdeckten Fehler in eine Datenbank eingespeist. Hier wird analysiert, ob sie lediglich einmalig aufgetreten sind oder ob sie sich wiederholen. Diese Informationen lassen sich dann an die Monteure mit entsprechenden Hinweisen weitergeben.