Die Nachfrage nach Flugzeugen mit Rumpfdurchmessern zwischen drei und vier Metern ist ungebrochen: Zwei Drittel aller aktuell genutzten zivilen Flugzeuge sind sogenannte Single-Aisle-Standardrumpfflugzeuge mit nur einem Gang. Verwendet werden diese auch Schmalrumpfflugzeug genannten Modelle vorwiegend auf Kurz- und Mittelstrecken. Auch der Airbus-Anteil in diesem Markt ist seit Einführung des Single-Aisle-Programms kontinuierlich gestiegen: Alle zwei Sekunden startet oder landet irgendwo in der Welt ein A320. Mit knapp 7000 Maschinen im Dienst und mehr als 13.000 Bestellungen zählt diese Programmfamilie zu den Erfolgsmodellen bei Airbus.

Um diesen Bedarf zu decken, sind Strukturzulieferer wie Premium Aerotec gefordert, die Stückzahlen deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten für die Herstellung zu senken. Im Augsburger Werk fertigt der Tier-1-Lieferant neben Schalen und Strukturteilen auch ganze Rumpfsektionen wie etwa die ‚Sektion 19‘ für die Airbus-320-Familie. Hierfür wurde in den vergangenen beiden Jahren eine  Teilschalenfertigung und Längsstoßmontage aufgebaut, die nach Überzeugung von Standortleiter Ulrich Amersdorffer die derzeit modernste Flugzeugmontagelinie der Welt darstellt. Auf ihr werden die Teilschalen vernietet und zu Halbsektionen vormontiert.

Die manuell in Bauteilträger eingelegten Baugruppen werden in den Automatikbereich übergeben. Dazu übernimmt ein Handling-Roboter den Bauteilträger und verteilt ihn bedarfsorientiert in eine der verfügbaren Übergabestation.

© Premium Aerotec

Herzstück ist eine 80 Meter lange Anlage mit drei Robotern und drei ‚All Electric Bohr-/Nietautomaten‘, die komplett von Kuka Systems in Zusammenarbeit mit diversen Unterlieferanten – wie etwa der US-Amerikanischen Firma Gemcor – realisiert wurde. Das Team des Augsburger Robotik- und Automationsspezialisten übernahm federführend Planung und Entwicklung, fertigte und beschaffte alle Komponenten und Anlagenteile, integrierte Steuerungssysteme und koordinierte nicht zuletzt alle Unterlieferanten.

Die besagte ‚Sektion 19‘ ist im Flugzeugrumpf  zwischen dem Ende der Kabine und dem letzten Segment, dem Sitz des Hilfstriebwerks, angesiedelt. Hier befinden sich das Druckschott, dahinter die Turbine für die Nebenaggregate sowie die Nebenanschlussstellen für das Seiten- und Höhenleitwerk. Dieser Teil des Flugzeugs muss hohen Krafteinwirkungen widerstehen können. Anders als der Rest des Rumpfes, der konisch verläuft, verjüngt sich die aus sechs Teilschalen bestehende Sektion nach hinten – durch ihre spezielle Form sind die einzelnen Segmente anspruchsvoller zu montieren.

In der ersten Phase des Fertigungsablaufs sind  die einzelnen Teilschalen (Hautfeld) der Sektion zu verbinden. Dazu werden Versteifungselemente (Stringer) und Verbindungswinkel (Clips) auf die Hautfelder montiert. Das Hautfeld wird durch den Werker in einer manuellen Station eingelegt, in der es auch einen RFID-Chip zur Identifikation erhält. Anhand dieses Chips können die Handling-Roboter und Nietanlagen an den einzelnen Stationen erkennen, um welches Bauteil es sich handelt und zum entsprechenden Werkzeug wechseln. Jedes Bauteil lässt sich so lückenlos über den gesamten Fertigungsprozess verfolgen. Zudem werden die Prozessinformationen, die in den Montagestationen anfallen, bauteilbezogen gesammelt, durch zusätzliche Informationen ergänzt und dann in der Datenbank abgespeichert. Langfristig sollen auf diese Weise die manuellen Prüf- und Dokumentationsaufwände im Nietprozess minimiert und durch eine automatisierte Dokumentation ersetzt werden. Der Fertigungsprozess lässt sich überdies effizienter überwachen: Liegt ein prozess- oder qualitätsrelevanter Wert außerhalb der definierten Toleranz, so stoppen die entsprechenden Maschinen.

„Wir nutzen die Leistungsdaten neben der Dokumentation und zur Visualisierung des Anlagenfortschritts auch dafür, Produktionsabläufe zu optimieren“, untermauert Thomas Vogt, Leiter der Schalenmontage. So sei es möglich, Engpässe in der Produktion zu erkennen, aber auch die vorbeugende Instandhaltung zu unterstützen. Dies gestatte eine transparente Produktion – ganz im Sinne der Industrie 4.0. Das Ziel von Premium Aerotec: Irgendwann an den Punkt kommen, an dem jede einzelne Komponente von Anfang an mit einem solchen Chip ausgestattet wird. Damit ließen sich diese nicht nur in der Produktion, sondern über die gesamte Lebensdauer nachverfolgen.
 

Bauteilträger auf Leichtbau umgestellt

Nachdem die Teilschalen mit einem Chip versehen und die Baugruppen vom Werker in die Bauteilträger eingelegt wurden, beginnt die automatisierte Bearbeitung. Der Handling-Roboter übernimmt auf einer Linearachse die Bauteilträger und übergibt sie bedarfsorientiert an eine der Übergabestationen, die sich jeweils innerhalb der beiden Nietstationen befinden. Bislang waren die Bauteilträger Modulpaletten aus Stahl. Zusammen mit den zwei darauf befestigten Teilschalen kamen so über 1000 kg zusammen – zu schwer, um in der geplanten Taktfertigung von Knickarm-Robotern bewegt werden zu können.

Zusammen mit Premium Aerotec entwickelte Kuka deshalb eine Lösung basierend auf gewichtsreduzierten Aluminiumprofilen. Das Ergebnis: eine Leichtbau-Konstruktion als Greifer am Roboter sowie ein Bauteilträger, der samt Teilschale nur noch rund 400 kg wiegt. Die Industrieroboter – insgesamt drei ‚KR 1000 Titan‘ mit einer maximalen Traglast von jeweils 1000 kg – können die Last schnell und präzise bewegen, was die Fertigungs- und Montagekosten deutlich verringert.

Parallel zur Entwicklung des Bauteilträgers wurde in Versuchen gemessen, wie schnell und genau ein Roboter die Teilschalen auf dem Bauteilträger positionieren kann. Die Ergebnisse gaben Aufschluss über die Steifigkeit des Gesamtsystems – eine wichtige Information, denn bevor ein Nietzyklus in der automatisierten Zelle gestartet wird, muss der Positionierzyklus ohne signifikantes Schwingen abgeschlossen sein.

Die Bauteile aus dem ersten Automatik-Bereich werden ausgetaktet und an die folgende manuelle Station übergeben. Hier erfolgt dann die Halbschalen-Montage.

© Rebecca Weingarten, B4BSchwaben.de

Die Bohr-/Nietautomaten sind fest in der Zelle stationiert. Hier werden Stringer, Clips und Randträger mit der Außenhaut der Teilschalen verbunden. Bohren, Senken und Niete setzen erfolgen vollautomatisch: Ein Bildverarbeitungssystem übernimmt die lokale Referenzierung anhand der Heftniete, bohrt dann das Loch und setzt den Niet. Dabei werden Nieten unterschiedlichster Längen und Durchmesser automatisiert zugeführt und verarbeitet – bis zu 1800 pro Teilschale.

Im Anschluss erfolgt die Übergabe des Bauteilträgers samt Bauteil an eine Ausrüststation. Die Baugruppe wird hierzu  manuell ausgespannt und mittels Überkopf-Kranbahn-System zur nächsten Station weitertransportiert, wo die Teilschalen in weiteren Bauteilträgern zu Halbsektionen vormontiert und anschließend über ein schienengebundenes Flurfördergerät zum abschließenden Bohr-/Nietzentrum transportiert werden. Dort werden die ausstehenden Verbinder gesetzt und die Halbsektion komplettiert.

Verschiedene Steuerungen integriert

Als übergeordnete Maschinensteuerung fungiert eine ‚Sinumerik 840D‘. Mittels der von Kuka definierten und implementierten Schnittstelle zwischen der Siemens-Steuerung und der  Robotersteuerung ‚KRC4‘ können Werker alle Maschinen über eine einzige, vertraute Oberfläche bedienen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Handling-Roboter handelt oder um Maschinen wie  die Nietautomaten eines US-amerikanischen Herstellers, die nahtlos in die Anlage eingebunden sind.

Alle Montageplätze sind digital vernetzt, der Gesamtablauf wird von einem Linien-Leit-PC gesteuert. Mit dem Kuka-eigenen Steuerungsstandard ‚miKuka‘ werden Informationen gesammelt, an der Linie visualisiert und den Kundensystemen (MES, SCADA, ERP) zur Verfügung gestellt. Damit wird die Information auf übersichtliche Weise aus den unterschiedlichen Stationen an einer zentralen Stelle dargestellt und kann mittels Netzwerkkommunikation weiter verteilt werden. Der Vorteil: Es lassen sich unterschiedliche Nutzer- und Stationsebenen ebenso wie unterschiedliche Granularitätsgrade unterscheiden. Die Roboterbewegung für den Bohr-/Nietprozess wurde komplett mittels Offline-Programmierung auf der Basis von ‚Cenit FastSuite‘ und einem eigens dafür entwickelten PIK (prozessspezifisches Implementations-Kit) programmiert.

Mit der neuen Anlage, auf der künftig bis zu 50 Sektionen pro Monat gefertigt werden, konnte Premium Aerotec nach eigener Aussage die Wartezeiten, Durchlaufzeit und den Logistikaufwand deutlich verringern. Zudem ließen sich beschwerliche manuelle Arbeitsschritte, wie Montage oder mitarbeitergeführte Transporte, ergonomischer gestalten. Neben einer erheblichen Arbeitsentlastung bedeutet das für die Mitarbeiter auch neue Arbeitsabläufe mit technisch komplexeren Aufgaben. Nicht zuletzt sollen sich die bei der neuen Anlage gemachten Erfahrungen auch langfristig auszahlen: In einer weiteren Ausbaustufe soll ein ähnliches Konzept mit einer Automatisierungslösung für die Montage der Halbschalen zu kompletten Sektionen realisiert werden.

Autor: Josephin Della Rovere arbeitet im Bereich  Unternehmenskommunikation bei Kuka.