Automatisierte Ablage des Blitzschutzmaterials auf doppelgekrümmten Flugzeugrümpfen

Abstract

Der steigende Einsatz von kunststoffverstärkten Kohlenstofffasermaterialien (CFK) in der Luftfahrt bringt neben den enormen strukturtechnischen Vorteilen auch fertigungsspezifische Herausforde-rungen für die Flugzeughersteller mit sich. So muss zum Beispiel der, bei einem Metallrumpfflugzeug obligatorische, Faraday’scher Käfig für den Fall eines Blitzeinschlags künstlich hergestellt werden. Dies wird erreicht indem die äußerste Lage des CFK-Rumpfes mir einem elektrisch gut leitenden Material überzogen wird. Aktuell wird ein dünnes Kupfernetz auf einer Kunststoffmatrix (Prepreg) in aufwändiger manueller Arbeit aufgetragen. In den Projekten AZUR und RoCk hat das Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie in Augsburg seine Kernkompetenz im Bereich der Prozessautomatisierung eingebracht und in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Premium Aerotec und Emil Bucher GmbH & Co. KG eine robotergeführte, vollautomatisierte Lösung für den Blitzschutz-Prozess entwickelt. Die größte Herausforderung lag dabei auf der faltenfreien Drapierung des Materials auf doppelgekrümmten Oberflächen in zu mindestens gleichbleibender Qualität im Vergleich zum manuellen Prozess. Mit der Analyse des manuellen Fertigungsprozesses beginnend, über viele Vorversuche der Konzepte und Teillösungen bis hin zu einem Prototyp, wurde ein Gesamtsystem aufgebaut der den Legeprozess ganzeinheitlich betrachtet und abbildet. Für den erfolgreichen Einsatz mussten drei Bereiche erarbeitet werden: das mechanische Handling des abzulegenden Blitzschutzmaterials, die passende Regelung der Antriebe des Legekopfes sowie die Entwicklung der optimalen Legestrategie und der dazu notwendigen Roboterprogrammierung. Der entwickelte Endeffektor besteht mechanisch aus Funktionseinheiten: Antreibe zur Materialförderung, Schneideeinheit, Andruckwalze, Ablösekeil und Drapiereinheit. Diese sind in einem kompakten Roboterendeffektor untergebracht, der vom Projektpartner Emil Bucher konstruiert und gebaut wurde. Um einen faltenfreien Ablegeprozess autonom ausführen zu können ist eine Regelung der Antreibe des Endeffektors notwendig, die synchron zur Position des Endeffektors auf der Ablegeform erfolgen muss. Der entsprechende Pfad des Roboters mit dem Ablegekopf auf der doppelgekrümmten Form muss präzise an die Krümmung der Form angepasst werden, was mit einem generischen Algorithmus im Rahmen der Optimierung der Ablegestrategie bewerkstelligt wird. Präsentiert wird die erfolgreiche Validierung des entwickelten Roboterendeffektors auf konkaven und konvexen Ablegeformen in Full-Size-Größe. Die flächendeckende, faltenfreie Ablage des Originalmaterials mit definiertem Überlapp wurde zum ersten Mal in der (fast) vollen Materialbreite von 90 cm im vollautomatischen Prozess erreicht. Dabei wurden die Anforderungen aus der aktuellen Fertigung eingehalten, die Ablagerate gesteigert und der Materialverbrauch drastisch gesenkt.