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© Fraunhofer IFAM
Adhesive Bonding Technology and Surfaces
Automatisierte klebtechnische Montage von
Großstrukturen im Faserverbundleichtbau
Vortrag auf der Suppliers Convention
zur Hannover Messe
27. April 2012
Dr. Dirk Niermann
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung IFAM, Stade
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Adhesive Bonding Technology and Surfaces
Arbeitsfelder:
Automatisierte Montageprozesse
Klebtechnisches Fügen
Automatisiertes Messen und Positionieren
Verlässliche Präzisionszerspanung
Entwicklung von Montageanlagen
Zielbranchen:
Luftfahrt
Windenergie
Automobil- und Nutzfahrzeugbau
Schienenfahrzeugbau
Schiffbau
spanende
Bearbeitung
Komponenten-
Herstellung ZfP Montage
Vor-
Montage
Fraunhofer
Fraunhofer - Projektgruppe Fügen und Montieren FFM
im CFK Nord, Stade
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Adhesive Bonding Technology and Surfaces
Übergeordnete Entwicklungsziele:
• Reduzierung der Durchlaufzeit / Taktzeit, Steigerung der Kadenz
• Reduzierung von Betriebskosten (RC) und Investitionskosten (NRC)
Montage von CFK Rumpfstrukturen - Herausforderungen
Laser-Tracker
3D-Videometrie
kooperierende Multi-Robotersysteme
steiferBauteilbeschlag
elastischerBauteilbeschlag
3D-Messmarke
Montagebauteil
Master-Roboter
Slave-Roboter
Tool-Grabber-Sensor
STCP
SM
SG
SR
Walking-Rivet-Robot
Roboter
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Geplante Umsetzung bzgl. der Prozesskette
Autom. Form- und
Lagekorrektur
Autom. Berechnung
Fügespalt
Autom. Shim-
Auftrag
Autom. Fügen,
schnelles Härten
Man. Einstellung
Bauteilgeometrie
Manuelle Messung
Fügespalt
Manueller Shim-
Auftrag
Manuelles Fügen,
Härten bei RT
Neu:
Bisher:
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Bisher:
1. Prozessführung: manuell (Ausnahme:
Bohr-Nietprozesse)
2. Layout Montagezelle:
bauteilspezifisch
3. Messen: manuell mit Lasertracker bzw.
taktil
4. Feinjustierung Bauteilgeometrie: starre
Aufnahmen, z.T. mit manuellen
Justiereinrichtungen
5. Fügespaltmessung: Manuell, „Trial and
Error“
6. Oberflächenbehandlung: manuell
7. Shim-Auftrag: manuell, Kartusche
8. Fügen: Manuell, Fügemarken
Neu:
1. Prozessführung: automatisiert mit
Standard-Industrierobotern
2. Layout Montagezelle: bauteilflexibel bis
auf Konturboards
3. Messen: Automatisiert mit optischen
Messverfahren
4. Feinjustierung Bauteilgeometrie:
automatisiert über Hexapoden, kraft-
und momentenkontrolliert
5. Fügespaltmessung: Berechnung aus
Geometriemessdaten
6. Oberfl.-behandl.: Düse am Roboter
7. Shim-Auftrag: Düse am Roboter
8. Fügen: Roboter, Positionserkennung
Geplante Umsetzung bzgl. der Anlagentechnik
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CFK Großbauteil - Unikatcharakter
Jedes CFK Großbauteil weist aufgrund der
Fertigungstechniken und der
Materialeigenschaften prozessrelevante
Abweichungen von der Sollgeometrie auf.
Deshalb sind adaptive Prozesse mit
individuell angepassten
Bearbeitungsbahnen erforderlich.
Eine hohe Wiederholgenauigkeit von
Bearbeitungsrobotern ist für Teach-In
Prozesse ausreichend – adaptive Prozesse
erfordern dagegen eine ebenso hohe
Absolutgenauigkeit.
Die Prozessautomatisierung lässt sich nur
mit einem Zusammenspiel der sensoriellen
Erfassung der Ist-Geometrie und der
Steigerung der Absolutgenauigkeit durch
Roboterkalibrierung darstellen.
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Aufgaben im Projekt: • Aufrüsten preiswerter Standard-Roboter um:
• höhere Präzision zu erreichen
• Teile mit höheren geometrischen
Abweichungen zu bearbeiten
• Große, biegeschlaffe Bauteile
in ihrer Geometrie zu korrigieren
Umsetzung: • Toleranzmanagement durch
• hochpräzise Roboterkalibration
• adaptive Bahnführung
• Form- und Lagekorrektur
der Bauteile durch technologisch
gewichtete Best-Fit-Kriterien
Einsatz von Industrierobotern
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Strategie zum Einsatz von Robotik bei Großstrukturen
Adaptive Form- und
Lagekorrektur der
Bauteile
(technologischer
Best-Fit)
Einmessen lokaler
Sensoren,
Aktuatoren,
Endeffektoren und
Vorrichtungen.
Vollautomatische
Kalibration von
Robotern und
Maschinen absol.
Positionierfehler
~ 0,1 mm.
3D-
Geometrieerfassung
der Bauteile, mit z.T.
gekoppelten,
berührungslosen
Messsystemen Adaptive
Bahnkorrektur von
offline program.
Robotern /
Endeffektoren über
CAS-CAD-CAM
Kopplung
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Kalibration von Industrierobotern
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Kalibration von Industrierobotern
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Generierung von Bearbeitungsbahnen
Bewährte Lösungsstrategie für regelmäßige Werkstückoberflächen mit exakter
Positionierung.
Bei Großbauteilen nur mit Sondermaschinen und kostenintensiven Vorrichtungen
einsetzbar.
Mit Hilfe intelligenter Offlineprogrammierung auf verschiedene Bauarten
übertragbar.
Programmierablauf bei adaptiver CFK Bearbeitung mit
Standard- Industrierobotern nur bedingt einsetzbar.
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Konzept adaptiver Bahnplanung
Kein Teach-In und keine nachträgliche Bahnkorrektur nötig
Adaptive Lösung für Bauteile mit Unikat-Charakter
Bearbeitung von Großbauteilen ohne aufwendiges Positionieren
(Vorrichtungen) möglich
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3D-Messtechnik
Erfassung von Bauteilgeometrien mit optischen Messsystemen:
Laser Radar
Weißlichtscanner
Laserscanner
Hybride Messtechnik für den Einsatz
im großen Messvolumen
Einsatz von kommerzieller Software zur
Flächenmodellierung.
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Anforderungen an die Geometriemesstechnik
Bisher:
taktile Messungen mit Tastern auf Werkzeugmaschinen
manuelle Messungen mit Lasertrackern und Reflektoren / T-PROBE
Messdatenverarbeitung: manuell im oder nach dem Prozess (z.B. Qualitäts-
sicherung), automatisiert lediglich einfache Aufgaben (z.B. Bohrloch- oder
Kantenfindung)
Neu:
großes Messvolumen optische Messtechnik
automatisierte Messungen und Messdatenverarbeitung im Prozess
geringer Anteil an gesamter Prozesszeit
Messung direkt auf dem Bauteil (keine Messmarken)
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Problem der Eindringung des Messstrahls ins
Matrixharz
Laserstrahl durchdringt
transparente Harzschicht
Modellierung über
Snelliussches Gesetz
möglich, aber:
Harzschichtdicke nicht
konstant
Messungen gegen KMM
ergeben Schichtdicken
von fast
0 mm bis
0,2 mm Kohlefasern
Harzmatrix
Harzn
d
xy
z
r
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Form- und Lagekorrektur von CFK-Großbauteilen
Entwicklung von
Vorrichtungen für die adaptive
Einstellung der Form und Lage großer
CFK-Bauteile als Ersatz für starre
Vorrichtungen
Adaptiven Vakuumgreifern mit Kraft-
Momentensensorik
Softwarelösungen für eine
sensorgestützte CAD-CAM-Kopplung
Systemen zur Genauigkeitssteigerung
der verwendeten Hexapoden
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Automatisierte Berechnung des Fügespalts
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Montageanlagen zur Clip- und Haltermontage
Für Hautfelder sind die
Positionen 0°, 30° und 90°
möglich
Grafiken: Brötje
Automation
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Fraunhofer-Prozesskette im CFK Nord, am Beispiel Luftfahrt
Präzisions-
zerspanung
Klebtechnische
Komponentenmontage
Sektions- und
Endmontage
(in Planung)
Zerstörungsfreie Prüfung
(in Planung) Schale mit
Stringerintegration
(von Partner
zugeliefert)
3D-Vermessung
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Prozesskette Fügen
Toleranzmanagement
Adaptive Vorrichtungen
Zerspanungstechnologie
Grundlagentechnologien 1. Schritt 2.Schritt 3.Schritt
Komponentenmontage
Sektions- und Endmontage
Technologietransfer auf die gesamte
Flugzeugstruktur (Flügel, Leitwerke,...)
CFK-Rumpf 1st generation+
CFK-Rumpf 2nd generation
CFK-Rumpf 2nd generation+
One-Step
Assembly
Montage-
kleben & Nieten
Kombiniertes
Kleben & Nieten
Nietloses Fügen
Rivetless
Assembly
Zukunftsvision der Fraunhofer Projektarbeit im Arbeitsfeld Luftfahrt
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