Automatisierung und Qualitätssicherung in der Produktionstechnik im ZLP-Augsburg

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1 Automatisierung und Qualitätssicherung in der Produktionstechnik im ZLP-Augsburg Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Abteilung für Rechnergestützte Bauteilgestaltung, Stuttgart kom. Leiter Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie Süd, Augsburg Folie 1 > Abt > Dr. Dudenhausen

2 Forschungsschwerpunkte der Abteilung Rechnergestützte Bauteilgestaltung Hochleistungs-Leichtbau-Strukturen für die Luftfahrt und den Verkehr Hochauftriebsstrukturen Triebwerksstrukturen Strukturen für die Verkehrstechnik Allgemeine thermoplastische Faserverbundstrukturen Allgemeine duromere Faserverbundstrukturen Folie 2 > Abt > Dr. Dudenhausen

3 Automatisierte Composite Integral Fertigung (ACIF) für große CFK-Bauteile in Stuttgart Folie 3 > Abt > Dr. Dudenhausen

4 Computersimulation und reale Welt Fertigungs- und Konstruktionsumgebung im Rahmen der automatisierten Fertigung (bis 1999) Computer- Simulations-Zelle Fertigungs-Zelle Folie 4 > Abt > Dr. Dudenhausen

5 Wickeln ebener Laminate mit einem Industrieroboter Simulation des Wickelvorganges mit Kollisionsprüfung und Pfadoptimierung (links) Arbeitsvorbereitung und Justierung am Industrieroboter (rechts) Folie 5 > Abt > Dr. Dudenhausen

6 Endeffektor zum Abziehen von Deckfolien vom Prepreg Technisches Konzept Handhabung Belegen von Flächen mit biegeschlaffen Zuschnitten. Abziehen von Folien von klebrigen und nichtklebrigen Prepregs. Gezieltes Aktivieren und Deaktivieren von Klebrigkeit. Einfügen von vorgefertigten Bauelementen und Versteifungen. Handhaben von Waben und Paketieren. Montagehilfe, Einfügen von vorgefertigten Bauelementen und Versteifungen. Folie 6 > Abt > Dr. Dudenhausen

7 Technikumsanlage ACIF bei IBK in Stuttgart Tapelegen mit Tapelegkopf (75mm) Herstellen gekrümmter Strukturen mittels Prepregtapes ( ) Stapeln von NCF Roboterzelle mit Endeffektor z.b. Folienabzug Folie 7 > Abt > Dr. Dudenhausen

8 Fertigungsentwicklung für kostengünstige Faserverbundstruktuen Ablegen von uni-direktionalen Tapes (Prepregs und trockenen Halbzeugen) in Paketen z.b. für Triebwerksteile. Kombination des Tapeablegekopfes mit der rotierenden Achse der Wickeleinheit. Verwendung von polymeren Harzsystemen für Einsatztemperaturen über 150 C Online-Monitoring durch Video- Bildanalyse Folie 8 > Abt > Dr. Dudenhausen

9 Online Qualitätssicherung mit Video-Visuellen Verfahren Spalterkennung Übertragung von Laborversuchen auf den Fertigungsablauf. Bereich zur Spaltanalyse Versuch der Integration der numerischen Spalterkennung auf die Positionsbestimmung des Tapeablegekopfes. Spalt unterschiedlicher Breite Folie 9 > Abt > Dr. Dudenhausen

10 Online Qualitätssicherung mit Video-Visuellen Verfahren Fehlstellenerkennung Versuch durch Fehlstellenerkennung die Fertigungsqualität des Tapeablegekopfes zu beurteilen. Bereich der Blasenanalyse Reaktionen für den nächsten Arbeitsschritt ableiten und an die Steuereinheit übertragen. Situationsabhängige Reaktion Folie 10 > Abt > Dr. Dudenhausen

11 Situation in der Luftfahrt für große CFK-Bauteile seit 2007 Folie 11 > Abt > Dr. Dudenhausen

12 Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau Zonen unterschiedlicher Belastungen am Flugzeug Zur Optimierung des Gewichts muss die Struktur und damit die Bauweise an die Belastung angepasst werden. Abweichungen von der reinen Barrelbauweise sind lokal notwendig. Dazu Fenster- und Türausschnitte Folie 12 > Abt > Dr. Dudenhausen

13 Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau Blechbearbeitung einer Aluminiumschale Arbeitsschritte: Zuführen Ansaugen Ablegen Einklemmen Reinigen Streckziehen Nachspannen Richten Folie aufsprühen Laserschneiden Ätzen der Zwischenfelder Quelle: Die Sendung mit der Maus, ARD (1999) Folie 13 > Abt > Dr. Dudenhausen

14 Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau 480 Flugzeuge pro Jahr d.h. Zielkadenz: 40 Flugzeuge im Monat 480 Rümpfe > Spante > Stringerelemente 1920 Flügelhalbschalen > 480 Seitenleitwerke > 960 Höhenleitwerke > Diese Herausforderung gilt auch für die Metallbauweise! Bildquelle: Flugrevue A350XWB Folie 14 > Abt > Dr. Dudenhausen

15 Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau Komponenten Haut Stringer Spanten / Druckspanten Schalen Al-Struktur (kg) CFK-Struktur (kg) Verbindungstechnik Clips 238 Mengengerüst für die wichtigsten Komponenten eines Druckrumpfs aus Aluminium. Auf der Basis von Rechnungen des DLR in Braunschweig für eine Rumpfstruktur aus CFK. Laschen (Lampassen) Nieten Bolzen / Schrauben Summe Quelle: "Technikfolgenabschätzung", Nr. 1, 12. Jahrgang - März 2003, S Erfordert neue Bauweise ohne diskrete Stringer und Spante! Folie 15 > Abt > Dr. Dudenhausen

16 Entwicklung des Einsatzes von CFK im Flugzeugbau Berechnung der Stundenleistung einer CFK-Preformtechnologie 40 Flugzeuge pro Monat 3060 kg CFK Rumpfstruktur pro Rumpf Der Rumpf hat einen Gewichtsanteil am Flugzeug von ca. 34 % Im Alu-Rumpf liegen die Dicken des Aluminiums zwischen 1,6 mm und 5 mm 1,5 Rümpfe pro Tag 4590 kg/tag, das sind im 2 Schichtbetrieb 287 kg/h fertige Struktur Mit M21/35,5%/190/IM7GS nach BMS 8-276m ist die Legeleistung in kg/h: Ingersoll Mongoose V1: Elektroimpact 12 Tows * ½ : Electroimpact 16 Tows * ½ : ca. 66 kg/h ca. 45 kg/h ca. 60 kg/h Folie 16 > Abt > Dr. Dudenhausen

17 Forschungsportfolio Werkstoffe, Leichtbau, Struktur Kostenoptimierte Verfahrenstechnik Seitenleitwerk 100 Kostenrechnung: EADS-M 90 2,75 m Ca. 80% der Bauteil Kosten sind erreicht, wenn die Preform in der Form liegt. Herstellkosten (%) % Einsparung 10 0 Prepreg Thermoset Version Thermoplastic PEEK Version Labour CFRP Tooling Folie 17 > Abt > Dr. Dudenhausen

18 Fertigungsmaschinen in der Luftfahrt für große CFK-Bauteile Folie 18 > Abt > Dr. Dudenhausen

19 Automatisierte CFK-Produktionstechnologie Endeffektor-Technologie von Coriolis Composites SAS Bildquelle: Coriolis Composites SAS Folie 19 > Abt > Dr. Dudenhausen

20 Hardware für Composite AFP oder ATL Ingersoll Mongoose AFP-Kopf: Ablegegeschwindigkeit: 50 m/min Rumpfheckfertigung Prepreg Tape Torres ATL-Kopf: Flügelschalenfertigung Prepreg Tape Bildquelle: Ingersoll und Torres Folie 20 > Abt > Dr. Dudenhausen

21 Hardware für Composite AFP oder ATL Mit M21/35,5%/190/IM7GS nach BMS 8-276m ist die Legeleistung in kg/h: Ingersoll Mongoose V1: ca. 66 kg/h Bildquelle: Ingersoll Folie 21 > Abt > Dr. Dudenhausen

22 Hardware für Composite AFP oder ATL Mit M21/35,5%/190/IM7GS nach BMS 8-276m ist die Legeleistung in kg/h: Elektroimpact 12 Tows * ½ : ca. 45 kg/h Electroimpact 16 Tows * ½ : ca. 60 kg/h Bildquelle: Electroimpact Folie 22 > Abt > Dr. Dudenhausen

23 Hardware für Composite AFP oder ATL Ingersoll Dual-Gantry 2-Kopf AFP Maschine Goodrich Aerostructures Fiber Placement für innere Haltestruktur der Triebwerke GEnx und Rolls-Royce Trent 1000 für die B787 Manuelles Fiber Placement bei Goodrich Aerostructures Folie 23 > Abt > Dr. Dudenhausen

24 Hardware für Composite AFP oder ATL und Rumpfsektionen des B787 Dreamliners Ingersoll Tape-Layer für die Sektion 44 für B787 Dreamliner Electroimpact Maschine bei Spirit AeroSystems für B787 Dreamliner Rumpfsection Bildquelle: Boeing Folie 24 > Abt > Dr. Dudenhausen

25 Hard- und Software für Composite AFP oder ATL Ingersoll Machine Tools ElectroImpact (Mukilteo, Wash.) CGTech s Vericut Composite Simulation (VCS) MAG Cincinnati CM100 AFP Folie 25 > Abt > Dr. Dudenhausen

26 Fertigungsmaschinen in der Luftfahrt für große CFK-Bauteile Ansatz im ZLP-Augsburg Folie 26 > Abt > Dr. Dudenhausen

27 Automatisierte CFK-Produktionstechnologie Kooperierende Robotersysteme Ablegen großer Preforms mit flexiblen Robotersystemen Bahnoptimierung Dynamik und Steuerungs- Algorithmen Sensortechnik Rückkoppelnde Positioniersysteme mit externer Führung Endeffektoren (Ablageköpfe, etc) Folie 27 > Abt > Dr. Dudenhausen

28 Automatisierte CFK-Produktionstechnologie Kooperierende Robotersysteme Fabrikkonzepte für optimierten Material- und Kernsupport Minimierung und Optimierung von Roboterfahrwegen Flexible Track-Gestaltung für wandlungsfähige Roboterzellen Usw. Quelle: GATE Fabrikplanung im Auftrag des DLR Folie 28 > Abt > Dr. Dudenhausen

29 Automatisierte CFK-Produktionstechnologie Multifunktionale Roboterzelle mit Mensch-Maschinen-Interaktion Von der Manufaktur und Teilautomation.. zur automatisierten Produktion MFZ-Anlage Stand 03/2011 Folie 29 > Abt > Dr. Dudenhausen

30 Automatisierte CFK-Produktionstechnologie Man kann vieles automatisieren Man muss es aber nicht unbedingt Daher Automatisierte CFK-Fertigung im ZLP-Augsburg Folie 30 > Abt > Dr. Dudenhausen

31 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen und das Team in Augsburg Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Pfaffenwaldring Stuttgart (Vaihingen) Telefon Telefax mailto: Internet DLR Zentrum für Leichtbauproduktionstechnik ZLP Süd Standort Augsburg BCM / 8. Stock, Raum 8016 Alter Postweg Augsburg Telefon: Telefax: Folie 31 > Abt > Dr. Dudenhausen

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