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Montage

Mit Kuka die Rumpfmontage für den Airbus 320 automatisieren

| Autor / Redakteur: Josephin Della Rovere / Victoria Sonnenberg

Die Vernietung von Stringern, Clips und Randträger mit der Außenhaut der Teilschalen erfolgt bei Premium Aerotec vollautomatisch in roboterbasierten Nietzellen.
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Die Vernietung von Stringern, Clips und Randträger mit der Außenhaut der Teilschalen erfolgt bei Premium Aerotec vollautomatisch in roboterbasierten Nietzellen. (Bild: Premium Aerotec)

Bei einem Premiumzulieferer für Flugzeugstrukturen wurden manuelle Montageschritte intelligent vernetzt. Durch die modernisierte Teilschalenfertigung können monatlich nun bis zu 50 Sektionen gefertigt werden.

Premium Aerotec ist auf Design und Produktion großer und komplex geformter Flugzeugbauteile spezialisiert. Dazu gehören neben Schalen und Strukturteilen auch ganze Rumpfsektionen – wie die Sektion 19 für die Airbus-320-Familie, die in den Fertigungshallen in Augsburg entsteht.

Seit Mai 2017 werden die manuellen Montageschritte mit intelligenten Automationslösungen vernetzt: Die Teilschalen durchlaufen nun eine Produktionsanlage von Kuka, in der sie vernietet und zu Halbsektionen vormontiert werden. Künftig können hier bis zu 50 Sektionen pro Monat gefertigt werden.

Mehr als 28.000 Standardrumpfflugzeuge zusätzlich bis 2035

Die Nachfrage nach Flugzeugen mit Rumpfdurchmessern zwischen 3 und 4 m ist ungebrochen: Zwei Drittel aller aktuell eingesetzten zivilen Flugzeuge sind Single-Aisle-Standardrumpfflugzeuge.

Damit ist ein Standardrumpfflugzeug mit nur einem Gang gemeint, im Gegensatz zu den Twin-Aisle-Versionen mit zwei Gängen. Bis 2035 sollen mehr als 28.000 Standardrumpfflugzeuge hinzukommen, denn Billigfluggesellschaften und Schwellenländer treiben das Wachstum voran. Auch der Airbus-Anteil in diesem Markt ist seit Einführung des Single-Aisle-Programms kontinuierlich gestiegen. Um diesen Bedarf zu decken, ist der wichtigste Strukturzulieferer für die Serienprogramme von Airbus – Premium Aerotec – gefordert, die Stückzahlen deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten für die Herstellung zu senken. Im Augsburger Werk, in dem das Unternehmen unter anderem die Rumpfsektion 19 für den Airbus herstellt, baut man deshalb auf eine speziell für den Aerospace-Bereich entwickelte Kuka-Anlage: „Unser Ziel, jährlich bis zu 575 Single-Aisle-Sektionen zu liefern, ist nur durch Automatisierung möglich“, sagt Dipl.-Ing. Rainer Weber, Projektleiter aus der Standortentwicklung Montage. „Dafür bauen wir in unserer Fertigungshalle eine modernisierte Teilschalenfertigung und Längsstoßmontage für die Sektion 19 der A320-Familie auf.“ Damit stehe in Augsburg jetzt die modernste Flugzeugmontagelinie der Welt, bestätigt Ulrich Amersdorffer, Standortleiter von Premium Aerotec in Augsburg.

Das Ausrichten der Einzelteile wie Stringer und Clips sowie das Heften der Teilschalen erfolgt manuell, das Bohren, Senken und Niete setzen erfolgt hochautomatisiert. Der Roboter übernimmt das Teilehandling und führt die Baugruppe dem Nietautomat zu.
Das Ausrichten der Einzelteile wie Stringer und Clips sowie das Heften der Teilschalen erfolgt manuell, das Bohren, Senken und Niete setzen erfolgt hochautomatisiert. Der Roboter übernimmt das Teilehandling und führt die Baugruppe dem Nietautomat zu. (Bild: Premium Aerotec)

Herzstück ist eine 80 m lange Anlage mit drei Robotern und drei „All Electric Bohr-/Nietautomaten“, die komplett von Kuka – unter anderem in Zusammenarbeit mit deren Unterlieferanten, wie der US-Amerikanischen Firma Gemcor – realisiert wurde. Gut zwei Jahre arbeitete das Team des Augsburger Robotik- und Automationsspezialisten – hier in der Rolle des Anlagenintegrators – mit den Verantwortlichen bei Premium Aerotec und weiteren Partnern an dem Projekt. Die Experten von Kuka übernahmen federführend Planung und Entwicklung, fertigten und beschafften alle Komponenten und Anlagenteile, integrierten Steuerungssysteme, koordinierten alle Unterlieferanten und sorgten dafür, dass die Anlage pünktlich aufgebaut und in Betrieb genommen wurde.

Spezielle Form der Sektion 19 macht die Montage anspruchsvoller

Seit Mai 2017 läuft die Fertigung der Sektion 19 mithilfe der neuen Montagelinie. Im Flugzeugrumpf ist diese zwischen dem Ende der Kabine und dem letzten Segment, dem Sitz des Hilfstriebwerks, angesiedelt. 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 19 nach hinten – ihre spezielle Form macht die Montage einzelner Segmente anspruchsvoller. In der ersten Phase des Fertigungsablaufs werden die einzelnen Teilschalen (Hautfeld) der Sektion verbunden. 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 Handlingroboter und Nietanlagen an den einzelnen Stationen erkennen, um welches Bauteil es sich handelt und zum Beispiel 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 so die manuellen Prüf- und Dokumentationsaufwände im Nietprozess minimiert und durch eine automatisierte Dokumentation ersetzt werden.

Kuka übernimmt den Softwarespezialisten Visual Components

Kuka

Kuka übernimmt den Softwarespezialisten Visual Components

09.01.18 - Mit der Übernahme von Visual Components definiert Kuka die nächste Ebene der intelligenten Automation. Die Lösungen von Visual Components bieten großes Potenzial für Kuka´s Simulations Ecosystem. lesen

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 jene sich nicht nur in der Produktion, sondern über die gesamte Lebensdauer nachverfolgen.

Durch Gewichtsreduzierung Fertigungs- und Montagekosten verringern

Nachdem die Teilschalen mit einem Chip versehen und die Baugruppen vom Werker in die Bauteilträger eingelegt wurden, beginnt die automatisierte Bearbeitung. Der Handlingroboter übernimmt auf einer Linearachse die Bauteilträger und übergibt sie bedarfsorientiert an eine der Übergabestationen, die sich jeweils innerhalb der beiden Nietstationen befinden. Bislang kamen als Bauteilträger Modulpaletten aus Stahl zum Einsatz. Zusammen mit den zwei darauf befestigten Teilschalen kamen so über 1000 kg zusammen – zu schwer, um in der geplanten Taktfertigung von Knickarmrobotern bewegt werden zu können. Zusammen mit Premium Aerotec entwickelte Kuka deshalb eine praxistaugliche Lösung basierend auf gewichtsreduzierten Aluminiumprofilen. Das Ergebnis: eine Leichtbaukonstruktion als Greifer am Roboter, sowie ein Bauteilträger, der samt Teilschale nur noch rund 400 kg wiegt. Die eingesetzten Industrieroboter – insgesamt drei Kuka KR 1000 Titan – 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 Positionierungszyklus ohne signifikantes Schwingen abgeschlossen sein.

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 voll automatisch: Ein Machine-Vision-System 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 wird der Bauteilträger samt Bauteil in eine Ausrüststation übergeben. Die Baugruppe wird manuell ausgespannt und mittels Überkopf-Kranbahnsystem 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.

Als übergeordnete Maschinensteuerung integrierte Kuka die Siemens Sinumerik 840D. Durch die von Kuka definierte und implementierte Schnittstelle zwischen der Siemens-Steuerung und der Kuka-Robotersteuerung KRC4 können Werker alle Maschinen über eine einzige, vertraute Oberfläche bedienen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Kuka-Handlingroboter handelt oder die Maschinen Dritter, wie die US-Amerikanischen Nietautomaten, die Kuka nahtlos in die Anlage eingebunden hat. Alle Bauplätze sind digital vernetzt, der Gesamtablauf wird mittels 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. 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.

Verfügbarkeit und Performance der Teilschalenfertigung optimieren

Mit der Kuka-Anlage konnte Premium Aerotec die Wartezeiten, Durchlaufzeit und den Logistikaufwand deutlich verringern. Beschwerliche manuelle Arbeitsschritte, wie Montage oder mitarbeitergeführte Transporte, beziehungsweise NC-Maschinen, konnten ergonomischer gestaltet werden – was für die Mitarbeiter neben einer erheblichen Arbeitsentlastung auch neue Arbeitsabläufe mit technisch komplexeren Aufgaben bedeutet. Mit der Anlage erfüllte Kuka den Anspruch an höchste Genauigkeit und Produktivität bei gleichzeitig attraktiven Kosten. „Kuka stellte sich uns als führender Anbieter von intelligenten Automatisierungslösungen vor“, beschreibt Weber die Zusammenarbeit. „Mit deren Lösungsportfolio, kombiniert mit unserem tiefen Fachwissen in der Flugzeugmontage, konnten wir die Verfügbarkeit und die Performance unserer Produktion optimieren und mit den hohen Qualitätsstandards gestalten, die in der Luftfahrt gefordert sind.“ Die hervorragenden Ergebnisse des Projekts sind ein wichtiger Baustein für die innovative Neuausrichtung der Augsburger Schalen- und Sektionsmontage. Die hier gemachten Erfahrungen zahlen sich langfristig aus: In einer weiteren Ausbaustufe soll ein ähnliches Konzept mit einer Kuka-Automatisierungslösung für die Montage der Halbschalen zu kompletten Sektionen realisiert werden.

* Josephin Della Rovere ist Manager Communications bei der Kuka AG in 86165 Augsburg, Tel. (08 21) 7 97 19 59, info.systems.de@kuka.com

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