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09-07-2020 | Produktion + Produktionstechnik | Interview | Article

"Mobile Robotersysteme sind der Schlüssel"

Author:
Thomas Siebel
7 min reading time
Interviewee:
Dirk Niermann

ist Abteilungsleiter Automatisierung und Produktionstechnik am Fraunhofer IFAM in Stade.

Im Interview erläutert Dirk Niermann, ob sich die Luftfahrt von der Coronakrise erholt, wie sich die Automatisierung im Flugzeugbau vom Automobilbau unterscheidet und warum Prognosen für den passenden Werkstoff schwierig sind.

springerprofessional.de: Durch die Coronakrise ist die Produktion im Flugzeugbau eingebrochen. Hat sich damit auch Automatisierung im Flugzeugbau erledigt?

Dirk Niermann: Es stimmt schon: Die Airlines haben viele Aufträge storniert, beispielsweise hat Airbus seine Produktion um 40 Prozent zurückgefahren. Das dürfte aber nur ein Intermezzo sein. Wenn die Pandemie überwunden ist, entweder aus natürlichen Gründen oder weil es einen Impfstoff gibt, wird sich der Bedarf an neuen Flugzeugen, wie wir ihn vor der Coronakrise hatten, wieder einstellen – und damit auch der Bedarf an Automatisierung im Flugzeugbau. Die Welt wird nicht auf das Fliegen verzichten wollen.

Was macht Sie da so sicher? Die Zahl der Dienstreisen dürfte abnehmen, vielleicht werden auch Urlauber vorsichtiger.

Natürlich verändert sich unser Geschäftsverhalten durch die Telekommunikationsmöglichkeiten, die wir während der Krise nun auch stark nutzen. Trotzdem geht im Geschäftsleben nichts über den direkten Kontakt. Und auch der private Sektor mit den Urlaubsflügen wird sich sicherlich erholen. Allerdings verstellt die Diskussion über das Flugverhalten den Blick auf eine Entwicklung, die sich bereits vor der Pandemie in der Luftfahrt abgezeichnet hat.

Welche Entwicklung meinen Sie?

Genau genommen sind es zwei parallele Entwicklungen: Zum einen mussten die Werke wegen der steigenden Nachfragen nach Flugzeugen auf gleicher Fläche immer schneller produzieren. Das war ja eine der Ursachen für die Automatisierung. Zum zweiten, und das ist in der Öffentlichkeit noch nicht richtig angekommen, reagieren die Flugzeugbauer in ihrer Entwicklung auch auf den Klimawandel.

Flugzeugbauer reagieren mit neuen Produktionsweisen auf den Klimawandel?

Mitunter, denn für klimafreundliche Flugzeuge sind ja nicht nur neue Antriebskonzepte erforderlich. Es geht auch darum, Flugzeuge leicht zu bauen.

Welche Rolle spielt die Automatisierung angesichts des weltweiten Konkurrenzdrucks im Flugzeugbau?

Amerika, Europa, China, Russland, die Luftfahrtnationen können es sich aus elementaren wirtschaftlichen und Prestigegründen nicht leisten, auf den Flugzeugbau zu verzichten und werden ihre Industrien entsprechend aufrechterhalten. Zugleich erleben wir, dass im Rahmen der Globalisierung sehr viel ausgelagert worden ist, aufgrund von billigen Arbeitskräften. Allerdings ist aber auch sehr viel Arbeit wieder in die Hochtechnologieländer zurückgeflossen, aus Qualitätsgründen, aber auch wegen der zunehmenden Automatisierung. Dass wir als Hochtechnologieland mit relativ hohem Lohnniveau als Produktionsstandorte auf Dauer interessant bleiben, ist eines der Hauptargumente für die Automatisierung.

Die Automatisierung einer Produktionslinie erfordert allerdings auch hohe Investitionen. Wann lohnt sich die Automatisierung im Flugzeugbau?

Wir automatisieren heute anders als in den Jahren vor der Jahrtausendwende. Insofern stellt sich diese Frage nach der Rentabilität eigentlich gar nicht mehr. Die durch den Automobilbau geprägte Automatisierung der 1980er-Jahre hat sich danach gerichtet, dass Roboter eigentlich immer das Gleiche machen und die Wirtschaftlichkeit von der Stückzahl abhing. Im Flugzeugbau haben wir es aber mit Unikaten zu tun, bedingt durch die sehr großen Bauteile. Es ist heute noch nicht möglich, diese Teile in einer sehr hohen geometrischen Präzision zu fertigen. Wenn der Roboter an einem großen Bauteil bohrt, dann unterscheidet sich dieses Bauteil geometrisch deutlich von einem zweiten und dritten Bauteil. Deswegen muss der Roboter jedes Bauteil als Unikat erkennen und den Prozess danach ausrichten.

Welche Entwicklungen ermöglichen heute die Automatisierung bis hin zur Losgröße Eins?

Den Unterschied machen insbesondere eine neue Generation von Sensoren und hochleistungsfähige Rechner.

Wie unterscheidet sich die künftige von der bisherigen Flugzeugproduktion?

Im Vergleich zum Automobilbau haben die Flugzeugbauer nicht nur relativ begrenzte Stückzahlen, sondern auch unterschiedliche Typen: A320, A330, A350 und so weiter. Für die Herstellung von Bauteilen und Strukturen mussten sie bislang schon Maschinen haben, die eine gewisse Automatisierung mit sich brachten. Solche Sondermaschinen gab es dann weltweit vielleicht vier oder fünfmal und die waren enorm teuer. Wenn Sie heute die Möglichkeit der Automatisierung nutzen, dann übernehmen die Roboter nicht nur die Arbeiten der Sondermaschinen, denn sie können noch viel mehr. Zum Beispiel sind die Roboter hinsichtlich der Bauteilgrößen nicht mehr begrenzt. Diese neue Flexibilität macht die Automatisierung auch vom Preis her interessant. Einige unserer wichtigen Entwicklungen und aktuellen Projektergebnisse präsentieren wir momentan im Rahmen der "ILA Goes Digital 2020", insbesondere auch in unserem Live-Event "Automation in Aerospace Industry @ Fraunhofer IFAM".

Eine zentrale Rolle dürften dabei mobile Robotersysteme spielen.

Sie sind der Schlüssel. Die Idealvorstellung der Flugzeugproduktion ist es, in einer Halle Produktionsmittel zu haben, die ganz unterschiedliche Flugzeuge fertigen könnten: Heute mal einen A320, morgen einen A350 – und das alles mit den gleichen Anlagen. Dazu müssen sich diese Anlagen auch bewegen können. Und sie müssen so flexibel einsetzbar sein, dass sie bei kleineren genauso wie bei größeren Bauteilen funktionieren. Eine solche Vision kann man mit mobilen Robotern umsetzen.

Wie aufwendig ist die Zulassung solcher mobilen Robotersysteme im Flugzeugbau?

Je nach Einsatzzweck ist die Zulassung unterschiedlich aufwendig. Die Robotertechnologie ist ja eine recht alte Technologie, deren Sicherheit im Automobilbau bereits nachgewiesen wurde. Solange wir die Roboter getrennt vom Menschen betreiben, ist die Zulassung unproblematisch. Das gilt auch, wenn zwischen Roboter und Mensch anstelle eines Zauns nur noch eine Lichtschranke steht. Selbst für ein Nebeneinanderarbeiten von Mensch und Roboter gibt es am Markt immer mehr Roboter, die von sich aus erkennen, wenn eine Berührung mit dem Menschen stattfindet. Wenn man am Roboter keine scharfen Ecken oder Kanten einbringt, ist die Zulassung ebenfalls unproblematisch.

Es gibt also keine Beschränkungen mehr für den Einsatz der mobilen Roboter?

Nicht ganz, denn die für die Kooperation mit dem Menschen verfügbaren Roboter sind in ihrer Kraft beschränkt. Die Payload, also die Nutzlast, ist bis zwölf oder 14 Kilogramm Tragkraft begrenzt. Eine weitere Grenze ist erreicht, sobald Roboter und Mensch sich berühren sollen, zum Beispiel wenn ein Roboter ein Teil hält, während ein Mensch es montiert. Der Roboter darf bei einer solchen Berührung nicht abschalten. Wie solche Berührungen sicher ablaufen, ist gegenwärtig Teil unserer Forschung.

In Ihren Forschungen befassen Sie sich auch mit der Fertigung von Großbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Welche Zukunft hat denn der einstige Luftfahrtwerkstoff Aluminium noch?

Wenn wir eines gelernt haben, dann, dass Werkstoffe eine stürmische Entwicklungsphase durchlaufen. Das galt für Aluminiumwerkstoffe, die man ausgiebig hinsichtlich ihrer preisgünstigen Herstellung getestet hat, das galt für den Werkstoff Glare, der ja im großen Umfang im A380 eingesetzt wurde, und im Moment passiert das mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen. Auch hier wird sehr intensiv geforscht, wie Teile aus CFK preisgünstig herzustellen sind und wie man sie integrieren kann. Also per Integralbauweise, in der das Teil mit all seinen Streben, Verstärkungen, Haken, Ösen in einem Schuss gefertigt wird, oder in Differenzialbauweise, in der ich Versteifungen und Profile an eine separate Platte montiere. Immer wieder stellt sich die Frage, welcher Aufwand für eine komplizierte Integralbauweise noch zu rechtfertigen ist, und wann ich doch besser zu einer differenziellen Bauweise übergehe. Für jede Struktur und für jedes Teil muss diese Frage separat gelöst werden.

An der Bauweise entscheidet sich dann die Frage nach dem richtigen Werkstoff?

Ja. Und das Spannende ist, dass die Vorhersagen, welcher Werkstoff beispielsweise für einen neuen Flügelmittelkasten oder eine neue Hecksektion optimal wäre, nicht immer zutreffen. Da sagen Ingenieure, vom Gefühl her müsste es CFK sein, dann arbeitet man daran und stellt fest, dass hinsichtlich Preis und Aufwand Aluminium die beste Lösung ist. Andersrum passiert es natürlich genauso. Die Frage nach dem Material ist also extrem spannend, denn niemand kann ohne gründliche Untersuchungen genau vorhersagen, welcher Werkstoffmix am besten für eine bestimmte Flugzeuggröße oder -struktur geeignet ist. 

Was bedeutet das für den Werkstoffmix der Zukunft?

Wir werden einen immer ausgefeilteren Mix an verschiedenen Werkstoffen im Flugzeug bekommen. Übrigens, auch Stahl spielt in diesem Mix eine Rolle. An den denkt man im Flugzeugbau zu allerletzt. Dabei sind zahlreiche Bauteile im Flugzeug aus Stahl. Dazu kommen Titanbauteile, unterschiedlichste Kunststoffbauteile, die verschiedenen Aluminiumlegierungen, Aluminium-Lithium, Aluminium-Scandium und so weiter. Die Palette ist außerordentlich vielfältig. Für den Ingenieur ist das natürlich ein Paradies, weil sich damit die Möglichkeiten vervielfältigen, Ideen umzusetzen und Neues zu kreieren.

Herr Dr. Niermann, vielen Dank für das Interview.

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