Ausweichen gilt nicht

Sabine Koll

Beim A350 wird alles anders: Jeder Flugzeugrumpf wird zur Versteifung mit Profilen, so genannten Stringern, versehen. Bislang bestehen diese meist aus Aluminium. Positioniert werden sie in der Regel manuell über Bohrungen, die eine Fräsmaschine zuvor eingebracht hat. Beim A350, der zum großen Teil aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) besteht, funktioniert dies nicht mehr: Der Werkstoff härtet im Autoklav – ein druckbeaufschlagter Ofen– aus, so dass man keine Bohrungen anbringen kann.

„Die Stringer, ebenfalls aus CFK, müssen hier folglich auf die Außenhaut geklebt werden“, erklärt Tim Lewerenz, bei Premium Aerotec in Nordenham verantwortlich für das Projekt, das sich mit der optimierten Stringer-Integration befasst.

Der Flugzeugbauer liefert als Strukturlieferant große Teile für die neue Generation der Airbus-Langstreckenflugzeuge, deren Jungfernflug für Mitte des Jahres geplant ist. Dazu gehört die komplette vordere Rumpfsektion. „Dabei gilt es, die Stringer ganz exakt aufzusetzen, um später Qualitätseinbußen zu vermeiden. Ein manuelles Positionieren ist dabei unwirtschaftlich, schließlich sollen in Zukunft bis zu 13 Flugzeuge dieses Typs pro Monat gebaut werden. Unser Ziel ist es, die Montage auch im Flugzeugbau mit Robotern zu automatisieren. Voraussetzung aber ist, dass der Roboter so exakt arbeitet wie eine Fräsmaschine.“

Genauer gesagt: Um nachfolgende Fertigungs- und Montage-Prozesse nicht zu gefährden, müssen die bis zu 18 m langen Stringer für den A350 XWB mit einer Toleranz von +/- 0,3 mm in Umfangsrichtung gesetzt werden, in Längsrichtung sind es +/- 1 mm. Nach den ersten Versuchsaufbauten machte sich in Nordenham Ernüchterung breit: Der erste Roboter sollte sich eigentlich 3000 mm bewegen, blieb aber immer nach 2997 mm stehen. Der zweite fuhr stets 1,5 mm zu weit. „Eine Differenz von 0,1 Prozent erscheint zunächst marginal. Doch bei einer Stringerlänge von 18 m summiert sich dies. Dies war für uns nicht tragbar“, so Lewerenz.

Roboterhersteller Fanuc traf keine Schuld: Die Werte lagen innerhalb der Spezifikation. Das heißt, Roboter arbeiten ungenauer als Fräsmaschinen, denn sie reagieren auf Gewichtsänderungen und Kräfte – und weichen dann aus. Die Automobilindustrie behilft sich an dem Punkt, indem sie die Roboter teacht. Lewerenz winkt aber ab: „Die Anlagentechnik ist für insgesamt 800 Flugzeuge ausgelegt. Probebauteile zum Einteachen sind hier nicht wirtschaftlich. Wir haben bei Premium Aerotec deshalb die Prämisse, dass Maschinen komplett offline programmiert werden, damit in der Fertigung alles sitzt.“

Also machte sich der Zulieferer für die Flugzeugindustrie auf die Suche nach einer Möglichkeit, die Roboter ohne Teachen in die richtige Position zu bringen – gewissermaßen also nach einer Korrekturmaßnahme. Gefragt war ein System, das sich auf den Roboterkopf aufsetzen lässt. Zwei verschiedene Systeme standen dabei zur Auswahl: zum einen ein Indoor-GPS-System, zum anderen ein Laser Tracker, der Leica Absolute Tracker von Hexagon Metrology. Mit beiden hatte Premium Aerotec bereits Erfahrungen gesammelt.

Der große Unterschied in der Funktionsweise: Mit dem Indoor-GPS-System lassen sich zeitgleich mehrere Punkte überwachen. Jeder Punkt, der mit einem Empfänger ausgestattet ist, kann selbst anhand von mehreren Sensoren, die dafür notwendig sind und deren Signale er empfangen muss, seine eigene Position, nicht aber seine Orientierung, ermitteln. Dafür sind zwingend mehrere Empfänger notwendig, mit deren Ergebnissen die Orientierung errechnet werden kann. Mit dem Laser Tracker und einer Kamera, die so genannte Leica T-Cam, sowie einem Leica T-Mac lässt sich gleichzeitig immer die 3D-Koordinate eines Punktes sowie dessen Orientierung im Raum (i,j,k oder roll, pitch und yaw) erfassen. Dies ist von Bedeutung, da man eine 6D-Überwachung des Roboters benötigt. Denn er hat sechs Freiheitsgrade. Das heißt, nicht nur die Position des Roboterkopfs, sondern auch seine Orientierung kann überwacht werden. Sind wie in diesem Fall zusätzlich die drei räumlichen Orientierungen (roll, pitch, yaw) erforderlich, werden diese mittels der T-Cam für die LED-Anordnung eines T-macs bestimmt. Dabei ermöglicht das Vario-Zoom eine nahezu entfernungsunabängige Genaugikeit dieser fotogrammetrisch ermittelten Messgrößen innerhalb des Arbeitsvolumens.

Ein weiterer Unterschied der beiden Systeme: Der Laser Tracker benötigt eine direkte Sichtlinie, um den Abstand und zwei Winkel zu messen plus die Sicht der Kamera auf den Roboterkopf – und um daraus die exakte Position und Orientierung zu bestimmen. Diese kann im Design der Anlage einfach berücksichtigt werden. Die Sicherstellung der ständigen Sichtbarkeit von ausreichend vielen Sendern des Indoor-GPS-Systems für mindestens drei Sensoren ist im Anlagendesign erheblich komplexer. Das Indoor-GPS-System ist eher als fest installierte Infrastruktur zu betrachten und im Design des Aufbaus auf bestimmte Messaufgaben optimiert. Der Laser Tracker, wenn nicht fest in die Anlage integriert, kann hingegen mobil in der Fabrik auch für weitere Messaufgaben eingesetzt werden. Und dies bei dieser Tracker-Variante von einer Messposition aus in einem Messvolumen mit bis zu 30 m Durchmesser.

Lewerenz: „Für den Laser Tracker spricht auch, dass die Messergebnisse rückgeführt werden, also ein anerkanntes Ergebnis bringen. Mit Indoor GPS ist die Rückführung heute noch nicht möglich. Inwiefern das für uns wichtig ist, muss sich noch herausstellen, da die Bauteile später noch vermessen und geprüft werden. Hierfür verwenden wir ebenfalls den Leica Absolute Tracker.“

In einer ersten Produktionszelle wurden beide Systeme dann an einem Bauteil, das mit 7 m Länge etwa halb so groß ist wie das Original, miteinander verglichen: Zwei Roboter – einer am Boden befestigt, der andere auf einer Verfahrachse montiert und den Werkzeugkopf haltend – nehmen die beiden Enden eines Stringers und legen ihn auf dem Rumpfteil ab.

Das Ergebnis: Mit beiden Systemen ließ sich die geforderte Toleranz herstellen, mit dem Leica Absolute Tracker allerdings schneller und genauer – in diesem Fall mit einer Genauigkeitsreserve. Sobald der Roboter den Stringer an einem Punkt positioniert hat, schaltet sich das Messsystem automatisch ein. Der Roboter teilt ihm seine Position mit und das Messsystem veranlasst den Roboter zur Korrektur. Dies dauert heute im Versuchsaufbau rund 20 s, wird sich aber durch die Optimierung der Regelkreise auf sehr wenige Sekunden reduzieren lassen. Danach wird die Verbindung gekappt. Der Stringer wird festgeklebt – und der Tracker kann parallel den nächsten Roboterkopf korrigieren.

Als großen Vorteil sieht es Lewerenz auf alle Fälle, dass Premium Aerotec über Erfahrung mit dem Laser Tracker am Standort verfügt. Das heißt, die Arbeitsweise, die Systemeigenschaften und ihre Zuverlässigkeit sind bekannt und Systeme müssen nicht zwingend neu angeschafft werden, sofern die bestehenden Laser-Tracker-Systeme verfügbar sind – und Schulungskosten lassen sich ebenfalls sparen.

Die Testzelle wurde bewusst offen konzipiert mit einer zentralen Software für beliebige 3D-Messsysteme, um in der Serie eine möglichst hohe Flexibilität zu erzielen. Das äußere Messsystem übersteuere dabei die internen Messsysteme der Roboter, so Lewerenz. „Wichtig ist für uns die Trennung von Maschine und Messsystem. Dieses Konzept hat nach unserer Meinung großes Potenzial für die Zukunft, da wir so ein optimales Messsystem mit einer optimalen Maschine kombinieren können.“

„Außerdem hat dies für uns den Charme, dass wir damit letztlich auf einen teuren Sondermaschinenbau verzichten können – und zwar über die Positionierung der Stringer hinausgehend“, so der Projektleiter. Denn bei Premium Aerotec geht es immer mehr darum, die Taktzeiten in der Fertigung und Montage zu reduzieren. Heute sind dafür viele manuelle Arbeiten notwendig beziehungsweise feste Bauvorrichtungen wie etwa Portale. Das Problem dabei ist, dass sie die flexible Montage erschweren, also etwa die Montage verschiedener Produkte auf einer Linie. „Außerdem ändern sich Produkte im Laufe ihres Lebenszyklus, darauf müssen wir flexibel reagieren können. Und ganz selten sind zwei Flugzeuge genau gleich – und sei es nur, dass die Toilette an einer anderen Stelle positioniert ist und die Struktur entsprechend angepasst werden muss. Deshalb sieht im Prinzip auch jede Schale anders aus“, erklärt Lewerenz.

Roboter und mobile Messsysteme sind daher für ihn die Zukunft. Sie könnten einen Paradigmenwechsel im Maschinenbau möglich machen. Deshalb hofft er darauf, dass die Projektpartner – dazu gehört auch der System-anbieter FFT-Edag – eine Turnkey-Lösung entwickeln und anbieten. „Wir wollen ein fertiges Produkt kaufen, das funktioniert. Und wenn einmal etwas nicht funktionieren sollte, dann haben wir nur einen Ansprechpartner“, so Lewerenz.

Und auch an Hexagon Metrology hatte er noch einen Wunsch: Der Leica Absolute Tracker arbeitet intern mit 3000 Hz und stellt extern 1000 Messwerte pro Sekunde zur Verfügung. Die Ausgabe dieser 1000 Datensätze erfolgte jedoch maximal im 10-Hz-Takt. „Wir brauchen 100 Hz. Denn Roboter arbeiten intern mit rund 100 Hz und wir wollen jeden einzelnen Rechenzyklus des Roboters korrigieren können. Daher ist die neue Real-Time-Schnittstelle (Ethercat), die eine Datenausgabe mit 1000 Hz ermöglicht, ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung.“

Das Konzept für die Fertigung steht: Sechs oder acht Roboter sollen je nach Flugzeuggröße zum Einsatz kommen, der Stringer wird dabei von zwei Seiten von jeweils drei bis vier Robotern gehalten. Zwei Roboterreihen und zwei Tracker sollen unabhängig voneinander arbeiten. ■

Laser Tracker kommen bei Premium Aerotec auch für die anschließende Messtechnik zum Einsatz: Die Bauteile sind fertig, wenn sie gefräst sind und einen Oberflächenschutz erhalten haben. Auf der Fräsmaschine wird ein Leica T-Scan installliert, daneben ist der Laser Tracker positioniert. Dann fährt die Fräsmaschine mit dem Leica T-Scan über das komplette Bauteil und scannt es ab.

Mobile optische 3D-Messmaschinen sind vor allem dann gefragt, wenn die Bauteile aufgrund von Größe, Gewicht oder anderer Umgebungsbedingungen nicht zu einer stationären Messmaschine gebracht werden können. Laser-Tracker-Systeme punkten hier mit einer hohen Messgenauigkeit, großen Messvolumen von bis zu 160 m und flexiblen Einsatzmöglichkeiten.

Zur Bestimmung einer 3D Koordinate kombiniert der Leica Absolute Tracker Horizontal- und Vertikalwinkelmessung mit einer hochpräzisen Distanz. Die Distanzmessung erfolgt durch ein Absolutinterferometer (AIFM). Mit einem Interferometer (IFM) lassen sich relative Entfernungen, also die Veränderung der Distanz zwischen zwei Punkten, mit Nanometer-Genauigkeit messen. Dabei ist die Aktualisierungsrate nur durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der der Reflektor bewegt wird. Diese Technologie stellt die genaueste Methode zur Messung großer Distanzen dar.

Mit einem IFM können jedoch nur relative Entfernungen gemessen werden. Außerdem ist es nicht möglich, ohne bekannten Ausgangspunkt eine absolute Position im dreidimensionalen Raum zu ermitteln. Ein ADM dagegen misst absolute Distanzen, also die Entfernung zu einem bekannten Punkt in einem 3D-Koordinatensystem, mit höchster Präzision. Doch auch mit dem schnellsten ADM kann weder die Genauigkeit eines IFM noch eine vergleichbare Geschwindigkeit für dynamische Messungen erzielt werden. Dafür ist die ADM-Genauigkeit innerhalb des gesamten Messvolumens – selbst im äußeren Bereich – konstant.

Der Leica Absolute Tracker schafft durch die Kombination – Absolutinterferometer deshalb genannt – ein absolut sicheres System mit mehrfachen Redundanzen, sodass innerhalb des gesamten Messvolumens sehr hohe Genauigkeiten möglich sind.

Durch hochpräzise Winkelencoder, für diese Art der Vermessung optimierte Laserinterferometer und optionale, integrierte Absolutdistanzmesssysteme oder Neigungsmesssensoren werden die Komponenten Winkel und Strecke, durch Messung auf einen Reflektor, für die Ermittlung der räumlichen 3-D Koordinate bestimmt. Diese werden an eine übergeordnete Messsoftware oder als Soll- oder Einstellwerte an Anlagensteuerungen übergeben.

Aufgrund der verschiedensten Softwareanbindungen werden diese Systeme nicht nur im Bereich Qualitätssicherung und Bauteilprüfung eingesetzt, sondern zunehmend auch im Bereich der Anlagensteuerung und Automatisierung – bedingt durch die Möglichkeit, in der Roboterkalibrierung Messwerte dynamisch bis zu einer Frequenz von 1000 Hz zu erfassen.

Wie der Leica Absolute Tracker arbeitet, ist in diesem Video zu sehen

Wie der A350 XWB in Nordenham gefertigt wird, sehen Sie in diesem Video von Premium Aerotec

Mit bis zu 18 m Länge sind die Rumpfschalen für den A350 XWB die größten CFK- Bauteile, die Premium Aerotec bislang entwickelt und hergestellt hat. Insgesamt wird der Flugzeugrumpf zu mehr als 50 % aus Kohlenstofffaserverbundstoffen (CFK) bestehen. Bis auf die Hecksektion sind alle Rumpfsektionen aus jeweils vier Einzelschalen konstruiert. Dies ermöglicht eine gewichtoptimierte Bauweise, da die einzelnen Beplankungen exakt auf die Lasten und Kräfte hin ausgelegt sind, die an der jeweiligen Stelle auf die Rumpfstruktur einwirken. Premium Aerotec ist einer der größten Strukturlieferanten für die A350 XWB: Neben Entwicklung, Fertigung und Montage der kompletten vorderen Rumpfsektion sowie der CFK-Seitenschalen, der CFK-Druckkalotte und der Fußbodenstruktur für die hintere Rumpfsektion produziert das Unternehmen die Aufhängungen für das Hauptfahrwerk und weitere Strukturkomponenten für Rumpf und Flügel.