Roboter lassen Späne fliegen

Bild 1: Roboter im Einsatz: Zerspanung für die Luftfahrt. (Foto: IFW)

IFW | Industrieroboter sind günstig, flexibel und bieten ein gewaltiges Marktpotenzial für die spanende Bearbeitung großer Strukturbauteile für Flugzeuge. Das IFW will die Roboter für den Serieneinsatz nutzbar machen – doch auf dem Weg dahin müssen die Forscher einige Hürden beseitigen.

Fügen, montieren, verpacken – das beherrschen moderne Industrieroboter längst. Weil sie so flexibel einsetzbar sind und geringe Investitionskosten erfordern, bieten sie ein hohes wirtschaftliches Potential und erobern nach der Handhabungstechnik auch viele andere Bereiche der Fertigung. Bei der spanenden Bearbeitung weisen die Roboter allerdings noch erhebliche Defizite auf, etwa eine geringe Steifigkeit im Vergleich zur Werkzeugmaschine und eine hohe Schwingungsanfälligkeit.

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover will diese Defizite beseitigen und die flexiblen Roboter für den Serieneinsatz in der spanenden Bearbeitung nutzbar machen. Das Projekt „Innovative und flexible Fertigung von Flugzeugbauteilen aus Hochleistungswerkstoffen“, kurz INNOFLEX, wird seit 2012 vom Land Niedersachsen gefördert.

Um die Leistungsfähigkeit von Industrierobotern zu steigern, entwickelt das Team um Professor Dr. Berend Denkena ein ganzheitliches Konzept (siehe Bild 2): Die Forscher wollen unter anderem die Prozessauslegung optimieren, die Fertigungsqualität verbessern und Werkzeuge entwickeln, mit denen sich Schwingungen reduzieren lassen.

Prozesse intelligent planen – und Fehler vermeiden

Je früher Fehler erkannt werden, desto einfacher sind sie zu vermeiden – deshalb hat das IFW mit seinen Partnern im Projekt INNOFLEX eine vorausschauende Prozessplanung entwickelt. Damit ist es möglich, bereits in der Planungsphase Fehler zu detektieren und Fertigungsprozesse zu optimieren, lange bevor der eigentliche Roboter zum Einsatz kommt (siehe Bild 3).

Die neuen Methoden zur Bahnplanung und -optimierung werden in bestehende Prozessplanungssysteme integriert (engl. CAM – Computer Aided Manufacturing). Wichtig ist dabei, dass der Planer sein technologisches Wissen, das er über Jahre mit konventionellen Fertigungssystemen aufgebaut hat, in die Auslegung von Bearbeitungsprozessen mit Robotern einbringen kann. Deshalb muss die Programmierung der Industrieroboter genauso komfortabel erfolgen wie gewohnt. Unterstützt wird der Planer jetzt allerdings durch zusätzliche Analyse- und Simulationsmethoden, die ihm eine direkte Rückmeldung zur prognostizierten Fertigungsqualität geben.

Die Fertigungsqualität vorhersagen – und verbessern

Die Fertigungsqualität hängt nicht nur von der Prozessplanung ab, sondern auch vom Roboter selbst. Im Fokus steht dabei sein Nachgiebigkeitsverhalten: In einer Prozesssimulation lassen sich die auftretenden Kräfte vorhersagen, während ein Modell des Roboters die Bahntreue unter Last abbildet – beides zusammen ermöglicht die Prognose der erreichbaren Fertigungsqualität.

Mit diesem Wissen wird die Prozessplanung kontinuierlich überwacht und bei Bedarf angepasst. Beispielsweise können andere Prozessgeschwindigkeiten oder auch andere Posen des Roboters vorgegeben werden, um Abweichungen von der Bahn zu reduzieren. Zusätzlich kann die Prozessprognose während der Fertigung verwendet werden, um frühzeitig Abweichungen vom normalen Prozessverlauf zu erkennen, noch bevor Fehler auftreten. Solche Abweichungen können zum Beispiel durch den Verschleiß eines Werkzeuges entstehen. Die Forscher am IFW haben deshalb Miniatur-Sensoren in die Struktur des Roboters eingebracht, um die Kräfte im Prozess zu messen und zu überwachen.

Fertigung ganzheitlich optimieren – und Geld sparen

Mit der automatisierten Bahnplanung und -optimierung können Unternehmen nicht nur die Fertigungsqualität steigern, sondern auch die Planungszeit reduzieren und damit die Produktivität der spezialisierten Fachkräfte erhöhen. Im Projekt INNOFLEX beschäftigen sich die Forscher außerdem mit der Werkzeugauslegung, der Fertigungssteuerung und einer verbesserten Konstruktion der Roboter. Wenn beispielsweise die Werkzeuge speziell für den Prozess ausgelegt werden, lassen sich Schwingungen derart reduzieren, dass sie sich nicht negativ auf die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils auswirken. Und wenn moderne Steuerungen zum Einsatz kommen, können die Positionier- und Bahngenauigkeit gesteigert werden.

Mit all diesen Maßnahmen wollen die Forscher Industrieroboter für die spanende Bearbeitung einsatzfähig machen. Das wirtschaftliche Potenzial bringen sie bereits mit: Erste Schätzungen auf Basis der Erkenntnisse aus INNOFLEX sagen ein Einsparpotenzial von 20 bis 30 Prozent im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungszentren über den gesamten Lebenszyklus voraus.

Forschen für die Luftfahrt von Morgen – IFW stellt Ergebnisse vor

Neben der roboterbasierten Fertigung von Flugzeugstrukturen widmen sich die Forscherteams um Professor Dr. Berend Denkena auch vielen weiteren Themen rund um die Herstellung und Instandsetzung innovativer Luftfahrtbauteile. Vorgestellt werden die Forschungsergebnisse bei der internationalen Machining Innovations Conference „Neue Fertigungs­technologien für die Luft- und Raumfahrt“, zu der das Machining Innovations Network e. V. in Kooperation mit dem IFW einlädt.

Die Konferenz findet am 18. und 19. November 2015 im Produktionstechnischen Zentrum Hannover (PZH) in Garbsen statt. Im Fokus steht die Fertigung komplexer Strukturbauteile. Das Konferenzprogramm und weitere Informationen sind unter www.machining-network.com/conference zu finden. 

von Jan Brüning

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Bild 1: Roboter im Einsatz: Zerspanung für die Luftfahrt. (Foto: IFW)
  • Bild 2: Ganzheitliche Prozessoptimierung ist das Forschungsziel. (Foto: IFW)
  • Bild 3: Virtuelle Bahnplanung hilft, Fehler zu vermeiden. (Foto: IFW)
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