Neuartige Systemtechnik zum Rührreibschweißen großformatiger Luftfahrtbauteile

Motivation

Kombinierte Schweiß- / Fräsanlage MUVAX zum Fügen von mehrfach gekrümmten Flugzeugrumpf-Versuchsträgern
© Fraunhofer IWS Dresden
Kombinierte Schweiß- / Fräsanlage MUVAX zum Fügen von mehrfach gekrümmten Flugzeugrumpf-Versuchsträgern

Die aktuellen Herausforderungen in der Luftfahrzeugfertigung bestehen vor allem darin, einen hohen Leichtbaugrad zu ermöglichen und gleichzeitig der großen Nachfrage nach neuen Flugzeugen, insbesondere im Kurz- und Mittelstreckenbereich, gerecht zu werden. Hier spielen neue Fertigungsstrategien und -prozesse eine besondere Rolle. So stellt die perspektivische Substitution des Nietverfahrens durch effiziente Schweißverfahren, wie das Rührreibschweißen einen vielversprechenden Ansatz dar, Kosten und Strukturgewicht reduzieren zu können. Hier sind jedoch neue Konzepte gefragt, dieses Verfahren an biegeschlaffen Großkomponenten der Flugzeugfertigung anzuwenden. Derartige Flugzeuggroßkomponenten haben eine Länge von bis zu 12 m, besitzen dreidimensional verlaufende Nahtpfade und sind aufgrund der bereits integrierten Innenausbauteile in der Flugzeugendmontage (FAL) nur einseitig zugänglich.

Lösung

Die am Fraunhofer IWS durchgeführten Vorarbeiten zum Rührreibschweißen (FSW) sind Voraussetzung für die systemtechnische Entwicklung eines neuen Anlagenkonzeptes zum Rührreibschweißen.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Luftfahrtforschungsprogrammes LuFo IV wurde am Fraunhofer IWS in Zusammenarbeit mit der Airbus Operations GmbH ein solches neuartiges Konzept entwickelt und in Form der Pilotanlage MUVAX (Multi Use Vacuum Assisted eXoskeleton) aufgebaut und getestet.

Diese Rührreibschweißanlage besteht aus einem neuartigen Spannsystem für dreidimensional verlaufende Schweißnahtgeometrien und einem kombinierten Schweiß-/Fräsroboter (Trolley), welcher sich autark entlang des Spannsystems bewegt.

Der Trolley bewegt sich raupenförmig entlang eines Schienensystems und leitet die prozesstypischen Vorschubkräfte lokal in die Spanntechnik ein.

Der Rührreibschweißprozess wird mit einem Doppelschulterwerkzeug durchgeführt. Das für den FSW-Prozess typische rückseitige Widerlager ist somit nicht notwendig und es wird somit der einseitigen Zugänglichkeit in der Montage von Flugzeugen Rechnung getragen.

Die Spanntechnik ist modular aufgebaut und ermöglicht das Fügen von nahezu beliebig langen Bauteilen. In der aktuellen Konfiguration der Pilotanlage können Bauteile mit einer Maximallänge von 2.500 mm gefügt werden.

Das Gesamtsystem ist so ausgelegt, dass sowohl der für die Einhaltung der geforderten Spalttoleranzen notwendige Fräsprozess als auch der Rührreibschweißprozess in einer Aufspannung durchgeführt werden können.

Ein besonderes Merkmal dieses Systemaufbaus ist es, dass trotz der hohen kinematischen Flexibilität und des hohen Leichtbaugrades der entwickelten Systemtechnik eine hohe Genauigkeit im Schweißprozess erreicht werden kann. Dies ist durch eine lokale Ableitung der Prozesskräfte im Bereich der Fügezone möglich. Hierzu wurden sogenannte Dynamic Bolts entwickelt und patentrechtlich geschützt. Die Ableitung der Kräfte erfolgt hierbei im unmittelbaren Bereich der Fügezone wodurch die Prozesskräfte nicht durch den Schweißkopf hindurch, sondern direkt von einer in die andere Spanntechnikhälfte abgeleitet werden. Dadurch ist eine präzise Führung des Schweißkopfes ohne der Gefahr eines Verklemmens des kombinierten Schweiß-/Fräsroboters möglich.

Die Erprobung des MUVAX-Systems hat gezeigt, dass das neue Konzept für große, biegeschlaffe Bauteile mit komplexen dreidimensional verlaufenden Schweißpfaden geeignet ist. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend, sodass eine Erweiterung auf Großkomponenten von bis zu 9 m derzeit in Arbeit ist.