Flugzeugbau und Wartung: Automatisiert mit mobilen Robotern Hi-Digit-Pro 4.0: Automatisierte Montage von Landeklappen-Modulen
Der Betrieb von Flugzeugen ist in der Luftfahrt für den Löwenanteil der Emissionen und des Ressourcenverbrauchs verantwortlich. Um das Fliegen in Zukunft umweltfreundlicher und klimaschonender zu gestalten, sollten nicht nur die Flieger, sondern auch Produktion, Wartung und Reparatur optimiert werden. Im Projekt Hi-Digit-Pro 4.0 haben Forschende der TU Braunschweig und des DLR ein neues Konzept entwickelt, das mobile Robotereinheiten mit leichten Montagevorrichtungen kombiniert. Wie es genau funktioniert, erklären wir hier. Mit Video!
Hi-Digit-Pro 4.0 ist ein gemeinsames Projekt des Instituts für Mechanik und Adaptronik der TU Braunschweig und des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des DLR. Bildnachweis: Markus Hörster/TU Braunschweig
Viele Strukturbauteile im Flugzeug sind dünnwandig und bestehen aus leichten Carbonfaserkunststoffverbunden (CFK). Wenn solche Strukturen dann noch besonders lang und schlank sind, wie zum Beispiel bei Landeklappen an den Tragflächen, ist ihre Eigensteifigkeit oft gering. Somit verformen sich die Bauteile bereits durch ihr Eigengewicht während der Montage-Prozesse ohne zusätzliche Maßnahmen stark. Abhilfe schaffen hochsteife Vorrichtungen aus Stahl. Sie fixieren die Bauteile in ihrer beabsichtigten Form und ermöglichen eine problemlose Montage. Infolge ihres hohen Gewichts lassen sich diese Vorrichtungen jedoch nicht mit mobilen Robotern bewegen, sondern erfordern deutlich aufwendigere und spezialisierte Prozesse.
Im Forschungsprojekt Hi-Digit-Pro 4.0 wurde ein neues Montagekonzept entwickelt, das leichte Montagevorrichtungen mit sogenannten Aktoren zur Kompensation von Toleranzabweichungen und eine exakte Positionierung ermöglicht. Die neue Montagevorrichtung ist so leicht, dass sie auf mobilen Robotern eingesetzt werden kann. Dadurch ist eine größtmögliche Flexibilität des Produktionsprozesses garantiert. Damit gelingt eine automatisierte Montage von großen Strukturen geringer Steifigkeit wie den Landeklappen-Modulen, die aus der Landeklappe sowie den Anschlusselementen hin zur Flügelbox bestehen.
Das neu entwickelte Montagekonzept ermöglicht leichte Montagevorrichtungen mit Aktoren zur Kompensation von Toleranzabweichungen und eine exakte Positionierung. Bildnachweis: Markus Hörster/TU Braunschweig
Ein 3D-Kamerasystem erfasst die Position der Flügel- und Referenzpunkte von allen zu montierenden Bauteilen. Bildnachweis: Markus Hörster/TU Braunschweig
Sechs in die Montagevorrichtung integrierte Aktoren gleichen daraufhin Gravitationseffekte und Fertigungstoleranzen aus. Bildnachweis: Markus Hörster/TU Braunschweig
Der Roboterarm montiert das Klappenmodul am Flügel des Flugzeugs. Bildnachweis: Markus Hörster/TU Braunschweig
Neuer Montageprozess: Wie er genau abläuft
Zu Beginn transportiert der mobile Roboter das Landeklappen-Modul zur Montagelinie. Dort angekommen, fährt er zum Flugzeugflügel und richtet das Klappenmodul grob zu den Montagepunkten am Flügel aus. Ein 3D-Kamerasystem erfasst die Position der Flügel- und Referenzpunkte von allen zu montierenden Bauteilen. Sechs in die Montagevorrichtung integrierte Aktoren gleichen daraufhin Gravitationseffekte und Fertigungstoleranzen aus. Der Roboterarm montiert das Klappenmodul am Flügel des Flugzeugs. Abschließend entkoppelt der mobile Roboter die Montagevorrichtung und ist bereit für die nächste Montageaufgabe.
Die studentische Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Studio- und Senderfragen (ags) der TU Braunschweig hat den Montageprozess in diesem Video anschaulich dokumentiert:
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Zukunftsperspektive: Montieren mit Machine Learning
In Zukunft soll der Montageprozess noch schneller und effizienter werden. Geplant ist eine echtzeitfähige Robotersteuerung mittels neuronaler Netzwerke. Ein Algorithmus, der auf maschinellem Lernen basiert, wird Auskunft über die Montierbarkeit geben und die Montageparameter selbstständig einstellen. Die Geometrie wird vermessen, die Daten werden an den Algorithmus übermittelt und das konstruktive Kompensationselement wird so eingestellt, dass die Montage des Klappenmoduls unmittelbar und ohne Verzögerung erfolgen kann.