Um das Vollstanznieten für den Flugzeugbau qualifizieren und für die robotergestützte Applikation in der Flugzeug-Endmontage optimieren zu können, schlossen sich drei Unternehmen zusammen und entwickelten eine Komplettlösung.

Der Frage, wie eine Flugzeug-Endmontage produktiver und zugleich ergonomischer gestaltet werden kann, gingen Tox Pressotechnik, das Fraunhofer Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik (IGP) und der Flugzeugbauer Airbus nach. Zum anderen will der Flugzeugbauer mit Hilfe neuer Produktionstechnologien die bis dato überwiegend manuelle Endmontage effizienter gestalten.

Zurzeit werden die Längsstreben, Stringer genannt, einzelner Segmente des Rumpfes über Stringer-Kupplungen und durch herkömmliche Vollnieten manuell miteinander verbunden. Künftig jedoch sollen hier Vollstanznieten zum Einsatz kommen.

Das Verfahren verspricht eine Reduzierung der relevanten Prozessschritte, der Bearbeitungszeit pro Nietverbindung und damit der Montagezeit pro Segment sowie schließlich der Belastung des Montagepersonals. Das Vollstanzniet-Verfahren ist aus dem Automobil- und Fahrzeugbau bekannt und wird auch in sicherheitsrelevanten Bereichen angewendet.

Der Schnitt durch den Niet zeigt die fertige Vollstanzniet-Verbindung einer Stringer-Kupplung. (Bild: Tox Pressotechnik)

Wie bringt man beim Vollstanznieten großformatiger Segmente in der Flugzeug-Endmontage die benötigte Presskraft mit möglichst wenig körperlicher Anstrengung schnell und positionsflexibel an Ort und Stelle? Eine besondere Herausforderung sind die hohen Presskräfte, die beim Vollstanznieten auftreten. Entsprechend stabil muss die Auslegung der Grundaufnahme für die Niet-Werkzeuge und das Handling ausfallen, was zu einem relativ hohen Gewicht des Vollstanzniet-Setzgerätes führt.

Tox Pressotechnik modifizierte das Vollstanzniet-Setzgerät für den Einsatz am handgeführten Roboterarm. (Bild: Tox Pressotechnik)

Die gemeinsam erarbeitete Lösung basiert im Wesentlichen auf einer speziell entwickelten und integrierten Handzange mit Steuerung und Sensorik aus dem Tox-Baukasten, einer Nietzuführung sowie einem modifizierten kollaborierenden Robotersystem mit einer maximalen Traglast von 10 kg.

Tox Pressotechnik hat die Tox-Handzange, die bis zu fünf in der Länge verschiedene Vollstanznieten setzen soll, an den kollaborativen Roboter angepasst. Die Presskraft für den im Vollstanzniet-Setzgerät integrierten Hydraulik-Zylinder erzeugt das Tox-Kraftpaket X-ES. Der Druckübersetzer ist über eine 10 m lange Medienleitung für die Pneumatik, Hydraulik und Elektrik mit dem Setzgerät verbunden und damit positionsflexibel.

Der kollaborierende Roboter ist mechanisch und steuerungstechnisch mit dem Setzgerät gekoppelt und wird über die Handgriffe geführt und positioniert. Da die Stringer-Zange inklusive Nietzuführung, Blechdickenmessung, Nietkontrolle und Steuerelemente nur 6,5 kg wiegt, soll sie sich mittels Cobot leicht und zielgerichtet führen und positionieren lassen. Die Stringer-Zange ist für Presskräfte bis 50 kN ausgelegt und weist eine Rachenöffnung von 53 mm auf. Sie arbeitet mit einem Krafthub von 11 mm und einem Eilhub von 26,5 mm. Der Gesamthub liegt bei maximal 47 mm und die Werkzeug-Öffnung bei 37,5 mm. Die Hubauslösung erfolgt an den Handgriffen beziehungsweise über die Tox-2-Hand-Steuerung STE, die wiederum mit der Robotersteuerung korrespondiert.

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Ein implementierter Kraft-Momenten-Sensor (KMS) erfasst die jeweiligen Kräfte bei der Handführung des Vollstanzniet-Setzgeräts und des Roboters. Die während der Handführung geringen Kräfte übersetzt der Roboter in eine direkt unterstützte Bewegung. Dadurch sollen die Werker das Vollstanzniet-Setzgerät intuitiv und ohne körperliche Anstrengung frei im Raum zu den vorgegebenen Verbindungspositionen bewegen können.

Während Tox Pressotechnik, verantwortlich für Hardware und Steuerung, das Vollstanzniet-Setzgerät samt Nietzuführung und Roboter als funktionsfähiges Komplettsystem lieferte, entwickelte das Fraunhofer IGP die Roboterführung. Zusammen mit der Programmierung des KMS trägt diese ebenso zum Erfolg des gesamten Systems bei wie die Verbindungstechnologie.

Zu den Vorteilen zählen laut Unternehmen

Außerdem soll die Prozessdatenerfassung eine zusätzliche Transparenz der Fügeprozesse und eine effektive Qualitätssicherung in der Flugzeug-Endmontage bedeuten.

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