Image: Roboter-Ballett in RekordzeitFERCHAUFERCHAUAirbus-Konstruktion: Zwei parallel arbeitende Roboter verkürzen die Produktionszeit | DLR
TechnikInnovative CFK-Fertigung

Roboter-Ballett in Rekord­zeit

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Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Beim Airbus-Vorzeige­flieger A 350 sind Tragflächen aus kohlenstoff­fa­ser­ver­stärktem Kunststoff (CFK) im Einsatz. Doch die Herstellung dieses Leichtbaus ist bisher sehr aufwändig. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben ein Verfahren entwickelt, bei dem zwei parallel arbeitende Roboter die Produkti­ons­zeit halbieren können.

11. Juli 2018

Bis zu sieben Tage dauert die Herstellung eines A 350-Flügels aus kohlefaser­ver­stärktem Kunststoff im drei-Schicht-Betrieb. Das bremst den gesamten Produkti­ons­pro­zess des neuen Airbus-Flugzeugs. Das Problem: Bislang kann nur eine robotische Legeeinheit Schicht für Schicht Kohlenstoff­fa­sern übereinan­der­legen, um eine Flügelschale zu produzieren.

„Nicht nur, dass bei Faserver­bund­werk­stoffen viele Lagen aus einzelnen Fasern aufeinander gelegt werden, jede einzelne Lage wird zudem manuell inspiziert. Ist eine Lage gelegt, wird die Anlage angehalten“, erklärt Dominik Delisle, Wissenschaftler in der Abteilung Verbundpro­zess­tech­no­logie am DLR-Institut für Faserver­bund­leichtbau und Adaptronik. Seit 2010 entwickeln er und seine Kollegen ein innovatives Verfahren, das die ganze Sache beschleu­nigen soll.

Die carbonver­stärkten Lagen des Airbus-Flügels sind zwischen einem Achtel und einen Viertel Millimeter stark. Bei einer Tragfläche reichen die Schichtstärken der ausgehär­teten Bauteile von sieben bis zu 25 Millimetern für Verstärkungs­be­reiche. Die Idee des DLR war es, die Totzeiten im Prozess zu reduzieren. Das gelingt durch gleichzei­tigen Einsatz von zwei Robotern, die gemeinsam legen und für die zudem Austausch­ge­räte vorgehalten werden.

Austauschro­boter verhindern Standzeiten

Die neue Anlage ist aufgeteilt in einen Produktions- und einen Wartungs­be­reich, die durch Schienen verbunden sind.  Während die Legeroboter im Produkti­ons­be­reich arbeiten, steht im Wartungs­be­reich Ersatz parat. „Sobald wir einen Defekt haben oder das Material alle ist, kann die betroffene Einheit ausgeschleust und durch eine funktions­fä­hige ersetzt werden“, erklärt Delisle. Zum anderen sind die Roboter mit Sensoren bestückt, die die Qualität des Bauteils während der Ablage überwachen. Das erspart die Inspektion der fertigen Lagen. Damit verringere sich die Legezeit deutlich unter die Werte, die aktuell Stand der Technik seien. „Das hat uns im ersten Anlauf eine Zeitersparnis von 38 Prozent eingebracht und ist noch weiter ausbaufä­hig“, sagt Jan Stüve, der die Abteilung Verbundpro­zess­tech­no­logie leitet.

Arbeiten gegen die Schwerkraft

„Auf dem Weg zu diesem Erfolg waren schon die ersten Schritte schwierig“, erinnert sich Delisle. Beim bisherigen Verfahren legen die Legeköpfe Fasermate­rial von oben horizontal auf das Bauteil. Die DLR-Forscher wollten das Ganze vertikal gestalten. „Jetzt können auf dem gleichen Platz gleich zwei Bauteile produziert werden“, so der Experte. Es sei eine große Herausfor­de­rung gewesen, die Fasern auf eine vertikale Fläche abzulegen, ohne, dass sie wegen der Schwerkraft abrutschten. Allein diese Entwicklung habe rund vier Jahre gedauert.

Danach folgte die Entwicklung der Algorithmen, die dafür sorgen, dass mehrere Einheiten kooperie­rend an einem Bauteil arbeiten können. Die Roboter kommunizieren allerdings nicht unterein­ander. Dafür gibt es eine zentrale Steuerein­heit, die den gesamten Betrieb überwacht und regelt. Die Planung, welcher Roboter welchen Arbeitsschritt wann ausführt, läuft im Vorfeld ab.

Sämtliche Bewegungen werden live in eine 3D-Simulation übertragen. Stellt der Steuerungs­com­puter fest, dass sich zwei Roboter unerlaubt nähern, regelt die Anlage automatisch die Geschwin­dig­keit der betroffenen Roboter herunter, um eine Kollision zu vermeiden. Die Anlage arbeitet komplett in einem Käfig, der nicht betreten werden darf. Über das Schienen­system können die Legeroboter automatisch in den Produkti­ons­be­reich einfahren. Lichtschranken verhindern, dass ihnen dabei menschliche Kollegen folgen. Die dürfen nur im Wartungs­be­reich agieren.

Aus zwei mach vier

Für zwei Einheiten konnten die DLR-Wissenschaftler gemeinsam mit Kooperati­ons­part­nern aus der Industrie das Verfahren bereits erfolgreich demonstrieren. Für drei bis vier gibt es bereits Simulationen, die allerdings noch optimiert werden müssen. „Die Roboter machen noch zu viele überflüs­sige Ausweich­be­we­gun­gen“, sagt Delisle.

Das Ziel der Entwicklung am Zentrum für Leichtbau­pro­duk­ti­ons­tech­no­logie in Stade ist es, alle Anlagen soweit zu entwickeln, dass sie Industrie­reife haben.

Doch damit wird die Entwicklung nicht am Ende sein. Delisle prognosti­ziert: „Faserablage und 3D-Druck sind für die Forschung und Industrie derzeit ein sehr spannender Ansatz. Man versucht, beide Technolo­gien miteinander zu verbinden.“ Zudem werde die Legetechnik weiterent­wi­ckelt und damit auch für andere Industrie­zeige interessant -  etwa für den Automobilbau. Entwicklungs­träger bleibe aber die Flugzeug­in­dus­trie mit ihrem Fokus auf Kostenre­du­zie­rung und Zeitersparnis. „In 10 Jahren werden wir im Flugzeugbau zahlreiche robotische Einheiten haben, die gemeinsam Faserver­bund­werk­stoffe bauen – vielleicht sogar komplett frei beweglich, losgelöst von Schienen­sys­te­men“, ist sich der CFK-Experte sicher.