TAVieDa – Integrierte Produkt- und Prozessentwicklung für die nächste Generation von Flugzeugtüren

Neues Material- und Produktionskonzept reduziert Fertigungszeiten von Flugzeugtüren drastisch

Die Herstellung von Türen für Passagierflugzeuge ist überwiegend Handarbeit. Besonders zeitaufwendig ist auch die hochgenaue Montage der Türstruktur. Bei einer traditionell auf einer Kombination aus Aluminium, Titan und Duroplasten basierenden Konstruktion muss ein hoher Aufwand im Bereich des Korrosionsschutzes betrieben werden. Werden stattdessen thermoplastische Kohlefaserverbundmaterialien (CFK) eingesetzt, die ohne Trennlagen automatisiert miteinander verschweißt werden können, geht es wesentlich schneller.

Im Luftfahrtforschungsprogramm TAVieDa wurden simultan eine neuartige modulare Flugzeugtür und ein dazugehöriges Montagekonzept entwickelt. Die daraus resultierende montagegerechte Bauteilgestaltung und die entwickelten Betriebsmittel ermöglichen eine vollautomatisierte Montage von sechs Türvarianten auf einer Anlage. Die Kombination aus fertigungsgerechtem Design und effizienter Automatisierung verspricht Montagezeiten von vier Stunden für eine Tür – eine Reduktion von 96 Prozent gegenüber bisher  110 Stunden. Werkstoff- und designbedingt wird außerdem signifikantes Gewicht gespart. Durch die frühzeitige gemeinsame Entwicklung von Bauteil und Fertigungslösung lassen sich enorme Einsparungen in allen Bereichen erzielen.

Virtuelle Entwicklung der automatiserten Türmontage auf Basis einer autonomen Roboterzelle

Mit Hilfe dieser partiellen Gleichteiligkeit wurden Füge- und Spannwerkzeuge entwickelt, welche über alle Türvarianten verwendet werden können. Dabei wurden Fügewerkzeuge und Bauteile simultan entwickelt und iterativ auf optimale Zugänglichkeit und Fügeeignung optimiert, wobei bereits in diesem Stadium eine virtuelle Verifizierung anhand der kinematischen Simulation erfolgt ist. Im Ergebnis können unterschiedliche Flugzeugtüren auf einer Fertigungslinie montiert und somit eine optimale Ausnutzung der Anlage erreicht werden. Durch eine adaptive Positionierung von Spann- und Fügewerkzeugen sowie durch die Nutzung gleitender Anschlüsse an einigen Bauteilen kann bei einem Großteil der Bauteile eine roboterbasierte Positionierung vorgenommen werden, was die Komplexität der Betriebsmittel reduziert.

Auf Basis einer evaluierten Montagereihenfolge wurde ein vollständiges digitales Layout für die Montagesimulation definiert. Eigens konzipierte Vorrichtungen, Roboter und Betriebsmittel wurden in einer virtuellen Umgebung per 3D-Simulatonssoftware zu einer Montagelinie aus mehreren Roboterzellen kombiniert und mit Roboterbewegungen wie Bauteilzuführung, Schweißvorgänge, Werkzeugwechsel und Bauteilübergabe simuliert. Auch die Logistik wurde durch Integration autonomer Flurförderfahrzeuge zur Bereitstellung von Bauteilen und zum Rücktransfer der fertigen Türstrukturen einbezogen und hinsichtlich Wegeführung und Zeitbedarf simuliert.

Durch die virtuelle Prozesssimulation der gesamten Anlage konnten weitere Optimierungen durchgeführt werden. Dabei wurden Anzahl und Positionen der Roboter variiert, um einem optimalen Materialfluss zu einzelnen Stationen möglichst nahe zu kommen und die Übergabe von Türbaugruppen zwischen den Stationen zu ermöglichen. Mit dem optimierten Anlagendesign wurde innerhalb der virtuellen Umgebung eine Montagezeit für eine Flugzeugtür von 4 Stunden berechnet. In der kontinuierlichen Auslastung der Anlage ist somit eine Fertigung von 10 Flugzeugtüren pro Tag im 2-Schichtzbetrieb möglich.