Warum Automatisierung für die Luft- und Raumfahrtbranche so wichtig ist

Einerseits ist die Nachfrage nach Flugzeugen hoch[1] und wird auch in den kommenden Jahren weiter steigen. Die einzige Lösung, die dafür in Frage kommt, ist die nachhaltige Automatisierung der Fertigungsprozesse.

Andererseits gibt es an der Automatisierungsfront in der Luft- und Raumfahrtbranche nur kleine Fortschritte, sodass eine Lösung für das Problem noch lange nicht in Sicht ist. Die Technik entwickelt sich zu langsam, um dieses Problem zu beheben. Das wirft die Frage auf, wie weit das Ziel der Automatisierung noch entfernt ist, und ob es wirklich die einzige Lösung für das Problem darstellt, mit dem sich die Luft- und Raumfahrtbranche konfrontiert sieht.

In diesem Artikel wollen wir erörtern, was Automatisierung bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrzeugen überhaupt bedeutet, vor welchen Herausforderungen die Automatisierung steht und was die Zukunft in der Luft- und Raumfahrtbranche für sie bereithält.

Die Automatisierung kann eingesetzt werden, um die Sicherheit, Produktivität und den Wert der menschlichen Arbeit zu steigern. Werkzeuge mit integrierter Führung, Feedback und besserer Handhabung bieten einen Wettbewerbsvorteil in Bezug auf Kosteneinsparungen und sorgen gleichzeitig für eine bessere Arbeitsumgebung.

In einigen Fällen können gefährliche Schritte vollständig automatisiert werden, um Gefahren zu verringern und gleichzeitig die Produktionsziele einzuhalten. In solchen Fällen besteht die Automatisierung in einem Steuersystem oder einer Ausrüstung, die an ein Programm angeschlossen ist, das selbige anweist, eine Reihe von Aufgaben auszuführen, und zwar ohne oder nur mit minimalem manuellem Eingriff.

Die Automatisierung wird derzeit in der Luft- und Raumfahrtbranche eingesetzt, um die Produktivität der Mitarbeiter zu unterstützen und die Notwendigkeit von sich wiederholenden Aufgaben wie Bohren und Verfüllen zu reduzieren. Allerdings besteht nach wie vor ein erheblicher Bedarf zur Steigerung der Automatisierung, da die Nachfrage nach neuen Flugzeugen weiterhin die Fertigungskapazitäten übersteigt.

Die Nachfrage nach Flugzeugen steigt und wird dies auch in den kommenden Jahren weiterhin tun. Schon jetzt ist die Fertigungstechnik in der Luft- und Raumfahrtbranche nicht schnell oder kostengünstig genug, um die aktuelle Nachfrage zu bedienen, geschweige denn eine höhere Nachfrage. Auch wenn die Automatisierung bereits fortgeschritten ist und nur noch ein kleinerer Teil des Montageprozesses manuell durchgeführt wird, werden im Fertigungsprozess große Verluste eingefahren.

Diese Verluste erscheinen klein, wenn man sie einzeln betrachtet, aber in einem sich wiederholenden Prozess, bei dem Aufgaben Tausende bis Millionen von Malen ausgeführt werden, summieren sie sich zu einem beträchtlichen Betrag. Genauigkeit gehört zu den wichtigsten Aspekten[2], um die es bei der Automatisierung geht.

Die Bereitstellung besserer Werkzeuge für Ihre Mitarbeiter steigert ihre Produktivität und sorgt gleichzeitig für mehr Sicherheit. Einer der größten Werte ist die Verringerung von Belastungen, wenn Werkzeuge dazu beitragen können, Fehler durch bessere Rückmeldungen und Anleitungen zu reduzieren. 

Dadurch können die Mitarbeiter mehr Aufmerksamkeit für die Überprüfung der Qualität aufwenden. Dies kann mögliche Verluste auffangen, die auftreten können, wenn Werkzeuge von schlechter Qualität zu unerwarteten Fehlern führen.

Produktionsfehler verursachen diverse Folgekosten, einschließlich der Möglichkeit von Materialverlusten. 

Mit den richtigen Werkzeugen können Sie Ihren Fertigungsprozess konsistenter gestalten und gleichzeitig die Produktionszeiten verbessern, Ausschuss minimieren und den Prozess flexibler gestalten.

Dies sind die Vorteile, die sich im Laufe der Zeit ergeben und die Ihr Team in die Lage versetzen, schnell auf sich ändernde Marktanforderungen zu reagieren.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bessere Werkzeuge die Ergonomie verbessern können, was nicht nur größere Sicherheit (und möglicherweise niedrigere Versicherungsprämien), sondern auch eine höhere Mitarbeiterbindung bedeutet. Schließlich zeigen Mitarbeiter, die besser eingebunden sind, mehr Engagement und letztlich eine niedrigere Tendenz zum Arbeitsplatzwechsel. 

Die Automatisierung in der Luft- und Raumfahrtbranche hat in einem gewissen Maße aufgeholt, reicht aber noch nicht aus, um die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage zu schließen.

Selbst die Automobilindustrie ist im Vergleich zur Luft- und Raumfahrtbranche auf dem Weg zur vollständigen Automatisierung bereits weiter, auch wenn die Luft- und Raumfahrt in puncto Innovation und Technik allgemein als Vorreiter gilt. Noch überraschender ist, dass die Fertigungsprozesse der beiden Branchen erhebliche Ähnlichkeiten aufweisen.

In den letzten Jahren wurde ein Großteil der Bohr- und Verfüllarbeiten in der Luft- und Raumfahrtproduktion automatisiert, auch wenn dabei kundenspezifische Gantry-Systeme zum Einsatz kommen[3]. Dabei handelt es sich um große Maschinen, die eher wie Krane aussehen, und nicht um die schlankeren Industrieroboter der Automobilindustrie. Das zeigt, dass man sich noch in der frühen Phase einer sehr langen Reise zu einem höheren Automatisierungsgrad befindet.

Der Fortschritt der Automatisierung erfolgt in drei Stufen: Fest, programmierbar und flexibel[4]:

• Bei der festen oder harten Automatisierung wird eine Maschine oder ein Gerätesatz durch einen Codesatz gesteuert, um einfache Aufgaben auszuführen, und zwar nur entlang der Dreh- und Linearachse. Aufgrund der schlechten Flexibilität kann man damit zumeist nur einen einzigen Produkttyp fertigen. Diese Art der Automatisierung erfordert eine hohe Anfangsinvestition, die sich nur bei der Massenproduktion rechnet, was sie ideal geeignet für die Automobilindustrie macht. 

• Bei einer programmierbaren Automatisierung können die Maschinen viele Aufgaben durch Änderungen am Code oder am Programm ausführen. Es kostet jedoch viel Zeit, das System neu zu programmieren und die mechanischen Teile zu ersetzen. Die Investitionen sind wesentlich geringerer als bei der festen Automatisierung, sodass auch Stückzahlen zwischen mehreren Dutzend und mehreren Tausend produziert werden können. 

Die flexible oder weiche Automatisierung hat im Vergleich zur festen Automatisierung höhere Vorlaufkosten, ist jedoch bei weitem die effizienteste Produktionsmethode. Das System kann mit einem einzigen Tastendruck umgestellt werden. Es verfügt über eine höhere Kodierungsebene, die keine komplexe Neuprogrammierung erfordert, wenn auf einen anderen Produkttyp gewechselt wird, und die Maschine ist für die Anpassung an unterschiedliche Anwendungen ausgelegt.

Eine hohe Nachfrage zu haben und nicht liefern zu können, ist ein Problem, das einige Branchen lieber hätten, als überhaupt keine Käufer zu haben. Es bleibt aber dennoch ein Problem. Außerdem wird es in den kommenden Jahren nur noch schlimmer werden, wenn der Bedarf an Flugzeugen steigt und die globale Luftflotte weiter altert. 

Einige der Herausforderungen, vor denen die Wissenschaftler derzeit stehen, sind folgende:

1. Die Übernahme von Bohranwendungen in die flexible Automatisierung erweist sich aufgrund der Reaktionskräfte und Schwingungen, die bei aktuellen Bohrmaschinen auftreten, als schwierig. Die für wiederholte Verfahren vorgesehenen Komponenten der flexiblen Automatisierung sind nicht stark genug, um den Kräften herkömmlicher Bohrungen standzuhalten[5].

2. Das Orbitalbohren ist ein moderneres Verfahren, bei dem die Bohrkräfte ausreichend klein sind, um es in flexible Automatisierungsanwendungen integrieren zu können. Bei dauerhaftem Einsatz jedoch verschlechtert sich die Genauigkeit aufgrund der inhärenten Trägheit des Bohrvorgangs.

3. Die für die Robotik verwendeten Materialien sind immer noch sehr teuer. Die meisten Roboterteile bestehen aus Titan[6] und Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen, da diese extrem leicht und langlebig sind. Beide sind aber auch sehr teuer, da der Prozess, mit dem sie hergestellt werden, so komplex ist, was die Rendite schmälert.

Innovatoren arbeiten derzeit hart an diesen Herausforderungen und haben einen kleinen Hoffnungsschimmer für die Zwickmühle, in dem sich die Luft- und Raumfahrtbranche gerade befindet:

• Adaptive Steuerungen stellen eine Möglichkeit dar, die instabile Positionierung beim Orbitalbohren zu korrigieren. Die Parameter des Steuerungsmodells werden während des Betriebs kontinuierlich aktualisiert, indem feste Parameter mit adaptiven Parametern wie z. B. für die Wärmeausdehnung kombiniert werden. Diese Technik kann weiter verbessert werden, indem zusätzliche adaptive Parameter hinzugefügt werden, z. B. für den Spielausgleich.

• Lasertracker, die bei verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen, z. B. zum Ausrichten der Flügel eines Flugzeugs während der Montage, können für Positionsrückmeldungen in Echtzeit genutzt werden. Dieses Verfahren kann das Bohren von Löchern mit einer Genauigkeit von 0,05 mm unterstützen, ist aber für jede praktische Anwendung in der Luft- und Raumfahrtbranche immer noch zu teuer.                                                                     

• Außerdem wird daran geforscht, einen Stellantrieb für Endeffektoren zu entwickeln, der eine schnellere Reaktionszeit auf das erhaltene Feedback ermöglicht. In Kombination mit einem Lasertracker könnte dies die Genauigkeit der Robotersysteme erheblich verbessern.

Verbesserungen bei den Fertigungsprozessen von Roboterteilen und -komponenten könnten ebenfalls dazu beitragen, die Vorlaufkosten für automatisierte Baugruppen zu senken. Airbus verfügt derzeit über eine automatisierte Fertigungsstraße für Flugzeugrümpfe mit 20 Robotern, Laserpositionierungsmessungen und einem neuen digitalen System, aber dort gibt es auch einen Rückstand von 6.000 A320-Jetliner-Einheiten, was die Investitionskosten rechtfertigt. 

Zwischenzeitlich können Flugzeughersteller ihre Produktion steigern, indem sie die fortschrittlichsten Werkzeuge einsetzen, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind. Diese Werkzeuge verbessern die Produktivität des Bedieners erheblich und schützen gleichzeitig die Gesundheit am Arbeitsplatz. Sie kommen einer vollautomatisierten Montagelinie am nächsten.

• Elektrische Handbohrmaschine EBB26 – Mit diesem Präzisionsbohrer können viele Probleme bezüglich der Bohrgenauigkeit behoben werden. Er verfügt über einen integrierten Rückkopplungsmechanismus für die Fehlerkorrektur, wodurch Bedienerfehler vermieden werden. Außerdem hat er einen programmierbaren Auslöser und einen reduzierten Schlag, um sicherzustellen, dass jedes gebohrte Loch wie vorgesehen und geplant gebohrt wird.

• Bohrvorschubeinheit PFD 1100 – Dieser Bohrer verfügt über einen Hochleistungsturbomotor, mit dem das Werkzeug für alle Phasen der Flugzeugproduktion von der Komponentenfertigung bis zur Endmontage eingesetzt werden kann. Das modulare Design kann einfach für rechtwinklige Formen oder vertikales Bohren konfiguriert werden und verfügt über eine Vielzahl von Geschwindigkeits- und Vorschubeinstellungen, wodurch es sich an jede Bohranforderung anpassen lässt.

Die Vorteile der Automatisierung bei der Befriedigung der wachsenden Nachfrage nach Flugzeugen sind unbestreitbar. Da die flexible Automatisierung noch in weiter Ferne liegt, müssen alternative Wege zur Produktivitätssteigerung untersucht werden. Atlas Copcos Produktlinie fortschrittlicher Werkzeuge für die Luft- und Raumfahrt soll die Dinge besser machen, solange das Versprechen der Automatisierung noch nicht eingelöst ist. 

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