Automatisierte klebtechnische Montage von Großstrukturen...

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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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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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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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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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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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