Fraunhofer IFAM verbetert efficiëntie met geautomatiseerde pre-montage CFRP-romframes

Automatisering is een van de belangrijkste strategieën voor het verhogen van de efficiëntie in productie. Een nieuwe positioneer- en boor-eindwerktuig is ontwikkeld binnen het "Impuls"-project — gefinancierd door het Duitse Federale Ministerie van Economische Zaken en Energie (BMWi) — en het "Tempo" ("Technologieën voor de efficiënte montage en productie van CFRP-romonderdelen") subproject.

Deze eindwerktuig automatiseert de pre-montage van verstevigende elementen (cleats) op CFRP-integraalframes voor de productie van vliegtuigrompen. De eerdere handmatige productie vereiste ook meer processtappen. Alternatief kan de compacte eindwerktuig ook worden opgepakt door standaard industriële robots. Dit stelt productiesnelheidsverhogingen mogelijk, zowel met constante kwaliteit als bij lagere kosten.

Ontwikkeld door partners Airbus Hamburg (Duitsland) en Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM, Stade), zijn deze automatiseringsoplossingen al gevalideerd in een nabij-serie productieomgeving op een full-scale prototype. Het project werd met succes afgerond in 2020.

Pre-montage van CFRP-frames

Frames zijn de dwarsverstevigende elementen in een vliegtuigromp. Het gebruik van CFRP en de innovatieve, integrale constructie van rompen in de Airbus A350 bespaart gewicht en productiestappen. Aanvullende verstevigende elementen (cleats) zijn vereist om te voorkomen dat de frame zijwaarts buigt. De ribben — die tot 6 meter lang kunnen zijn — verschillen allemaal geometrisch van elkaar, zodat een speciale malsjabloon voor elke rib vereist zou zijn om de componenten handmatig met cleats uit te rusten met toleranties van tot 0,2 millimeter. Deze sjablonen zijn duur en complex in gebruik. Daarnaast vereisen handmatige cleats-voeding en pre-montage grote varianties. Uitgebreide meetstappen op de gekoppelde onderdelen voor exacte positie-uitlijning zouden ook essentieel zijn.

"Het 'Tempo'-project stelde ons voor de uitdaging de processtappen te automatiseren op een manier dat zowel de duur als de complexiteit van het proces worden gereduceerd," legt Leander Brieskorn, projectmanager van Fraunhofer IFAM, uit. "De cleats moesten automatisch worden opgepakt en naar de frame getransporteerd. Om de frame en cleat samen te nieten, was het dan nodig door beide componenten te boren. We hebben dit bereikt door de frame uit te rusten met de cleats met behulp van onze nieuw ontwikkelde hoogprecieze eindwerktuig. Bovendien werd de frame aan de romphuid zonder gaten gemonteerd in onze nabij-serie rommontagefabriek in Stade."

Positioneer- en boor-eindwerktuig voor geautomatiseerde, hoogprecieze en kwaliteitsgewaarborgde pre-montage van CFRP-integraalframes

Het ontwikkelde positioneer- en boor-eindwerktuig vervult de taken van het ontvangen van verschillende cleats, het positioneren ervan op verschillende integraalframes en het gelijktijdig dubbel boren van beide componenten. De compacte eindwerktuig kan worden opgepakt door het portaalsysteem dat wordt gebruikt alsook door standaard industriële robots. Het portaalsysteem wordt geselecteerd voor grotere precisie in positionering. De integraalframe wordt op stelten onder de portaal gespannen en kan in de ruimte georiënteerd worden met behulp van verschillende mechanische instelmogelijkheden. De eindwerktuig heeft een symmetrische houder waarmee cleats van verschillende oriëntaties kunnen worden opgepakt en geklemd aan de houder. Met behulp van veer-gedempte mechanische stoppen, naderen de respectievelijke koppelposities met lokale precisie. Terwijl het cleat verstevigingselement van bovenop op het integraalframe-oppervlak wordt geplaatst en beide componenten worden geklemd met een ingebouwd mechanisme, wordt het boorproces van de achterkant van de frame uitgevoerd om uitfranzen van de CFRP te voorkomen. Een onttrekkingssysteem pikt de resulterende boorstof op. Zodra de componenten zijn geboord, zijn de posities van de cleats op de frame gedefinieerd. De cleats kunnen dan aan de frame geniet worden.

De eindwerktuig kan worden bestuurd via een systeem-PLC en ontvangt zijn globale positiegegevens uit geïmporteerde CAD-gegevens van de componenten. De nieuwe montagesituatie wordt aangepast via een snelle voorafgaande meting met een lasertracker. De innovatieve technologie stelt een betrouwbaar proces en hoge positioneringsnauwkeurigheid in staat. Behalve het indrukken van de startknop op een bedieningspaneel, loopt alles automatisch. De speciaal ontwikkelde gebruiksvriendelijke operatorinterface, met zelfverklarende afbeeldingen om invoer te vergemakkelijken, stelt zelfs onervaren werknemers in staat om zich snel vertrouwd te maken met de bediening van het systeem.

Door passende aanpassingen aan de cleats-opname, kan de eindwerktuig ook geometrisch iets verschillende cleat-typen monteren en ze precies positioneren op verschillende typen integraalframes. De nauwkeurigheid van de geautomatiseerde aanleg is ± 0,1 millimeter en overschrijdt daarmee de nauwkeurigheidsvereisten met 200%.