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3D-Druck f├╝r die automatisierte Vormontage von thermoplastischen CFK-Integralspanten

Automatisierungsl├Âsungen f├╝r den nachhaltigen Flugzeugbau mit neuen Materialien und Fertigungsverfahren aus dem Fraunhofer IFAM in Stade steigern die Effizienz und senken die Kosten.

K Mag CFK-Integralspanten

Aufwendige manuelle Schritte in der Flugzeugproduktion - wie bei der Montage von neu entwickelten, gewichtsreduzierenden Thermoplast-Integralspanten, die den Flugzeugrumpf in Querrichtung versteifen,- sollen zuk├╝nftig durch automatisierte, intelligente sowie pr├Ązise Vormontageprozesse erfolgen und somit nicht nur Produktionsraten steigern, sondern auch Kosten reduzieren.

In dem vom Bundesministerium f├╝r Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gef├Ârderten Verbundprojekt "OSFIT"("One Shot Fully Integrated Thermoplastic Frame") konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Herstellung von Integralspanten aus carbonfaserverst├Ąrkten Kunststoffen (CFK) auf der Basis von Thermoplasten gelingt. Das ist ein wichtiger Schritt f├╝r den Flugzeugbau in Richtung Kreislaufwirtschaft, da sich diese Kunststoffe, die nach der Aush├Ąrtung durch Erw├Ąrmung wieder verformbar sind, leichter reparieren oder recyceln lassen.

Die Projektpartner Premium Aerotec GmbH (Augsburg und Nordenham), Automotive Center S├╝dwestfalen GmbH (Attendorn), Leibnitz-Institut f├╝r Verbundwerkstoffe (IVW; Kaiserslautern) und Fraunhofer IGCV (Augsburg) waren dabei f├╝r neuartige Herstellungsverfahren des Spants mittels Konsolidieren und Tapelegen verantwortlich. Zudem entwickelten die Expertinnen und Experten f├╝r Automatisierung und Produktionstechnik des Fraunhofer-Institut f├╝r Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Stade im OSFIT-Teilprojekt "Robotergest├╝tzte Adaptierte In-line Shimprozesse mittels 3D-Druck" Prozesse f├╝r die automatisierte Vormontage eines solchen Integralspants. Dazu realisierten sie sowohl eine virtuelle Spaltmessung als auch eine robotergef├╝hrte automatisierte 3D-Druckapplikation von Spaltf├╝llern (Shim) als F├╝getechnologie. Das IVW entwickelte hierf├╝r einen 3D-Drucker.

"Die virtuelle Spaltmessung erm├Âglicht es uns, den F├╝gespalt zwischen dem thermoplastischen CFK-Integralspant und der Flugzeughaut vor dem Einbauprozess zu erfassen. Danach l├Ąsst sich der Spaltf├╝ller in Form eines Vormontageprozesses robotergef├╝hrt per 3D-Druck auf die F├╝gefl├Ąche des Spants aufbringen, wonach die Montage des Integralspants samt pr├Ąziser Spaltf├╝llung an die Flugzeughaut bzw. den Flugzeugrumpf erfolgen kann", erl├Ąutert Projektleiter Leander Brieskorn vom Fraunhofer IFAM in Stade. Die Validierung dieser Automatisierungsl├Âsungen an einem Prototyp erm├Âglichte den erfolgreichen Projektabschluss. Bisher sind in der Flugzeugspantmontage Spaltvermessungsschritte und Spaltf├╝llmassenauftr├Ąge manuelle und sehr aufwendige Operationen. Besonderes Potenzial bieten nun die neuartigen Thermoplast-Spante, da sich zus├Ątzliche Versteifungselemente (Cleats) oder Spaltf├╝ller durch erneutes Aufschmelzen der Thermoplastoberfl├Ąche einfacher und schneller anbringen lassen, um Toleranzen bei der Montage auszugleichen.

In diesem Kontext wurden im Projekt "OSFIT" automatisierte Prozesse entwickelt, um sowohl den Zeitaufwand als auch die Komplexit├Ąt der Montage- und F├╝geschritte zu reduzieren. Neben der Herstellung des Spants galt es, auftretende Spalte zwischen Spant und Rumpfschale vorab virtuell zu messen und die Spaltf├╝ller in einer Vormontagestation bereits automatisiert aufzutragen, bevor die Bauteile in die finale Einbauposition an der Rumpfschale montiert werden. Die L├Âsung: der vom Fraunhofer IFAM neu entwickelte und robotisch gef├╝hrte Endeffektor appliziert nach der virtuellen Vermessung die Spaltf├╝llmengen mittels des vom Projektpartner IVW bereitgestellten 3D-Druckers pr├Ązise direkt auf den Spant. Im Anschluss l├Ąsst sich der mit dem passgenauen Shim best├╝ckteIntegralspant l├╝ckenlos an die Flugzeugrumpfschale montieren. Dies konnte am Fraunhofer IFAM in Stade bereits erfolgreich gezeigt werden.

Im Rahmen des Projekts "OSFIT" haben die Forscherinnen und Forscher in Stade einen Demonstrator aufgebaut, der eine bessere Erreichbarkeit der F├╝gepartner Spant und Rumpfschale zul├Ąsst. Entsprechend der tats├Ąchlichen F├╝gesituation im Flugzeugrumpf erm├Âglicht dieser Demonstrator mithilfe von Vakuumsaugern und Spannhebeln das Positionieren und F├╝gen der verkleinerten Prototyp-Bauteile. Es gelingt auch, die F├╝gefl├Ąchen mittels Lasertracker zu messen. Die Bauteile werden so zueinander positioniert, dass keine Spannungen und ungewollten Kr├Ąfte beim F├╝gen entstehen. Die Spaltwerte der Bauteile lassen sich per Software berechnen und visualisieren. Sie werden dann an den 3D-Drucker gesendet. Der 3D-Druck-Endeffektor appliziert im Anschluss die Spaltf├╝llmenge auf den F├╝gefl├Ąchen, den Spantf├╝├čen.

Es ist gelungen, den Spant so aufzuspannen, dass der Drucker an den jeweiligen Spantfu├č mittels Roboterarm bewegt werden kann. Nachdem der Druckkopf am Spantfu├č grob positioniert ist, referenziert und appliziert der Drucker die erforderliche Spaltmenge mittels eigener Kinematik. Das Spaltf├╝llmaterial besteht - wie der Spant - aus faserverst├Ąrktem Thermoplast, der durch Erw├Ąrmung wieder verformbar ist. So lassen sich die Spantoberfl├Ąchen durch Infrarotlampen, die am Endeffektor angebracht sind, durch das gedruckte, aufgeschmolzene Material mit der Oberfl├Ąche des Spantfu├čes unter Aufbau der erforderlichen Haftung verbinden. Der entwickelte Shimprozess bietet ein gro├čes Potenzial f├╝r zuk├╝nftige Spantmontageprozesse und kann im Flugzeugbau auf andere Montageprozesse mit Shimaufwand adaptiert werden. Das Fraunhofer IFAM in Stade strebt an, Nachfolgeprojekte mit dieser Technologie zu akquirieren und sie zusammen mit dem Flugzeughersteller zu qualifizieren.


Quelle: Fraunhofer IFAM

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