Fertigungsoptimierung aus dem All

So können Hersteller am Boden von den Fertigungsmethoden der Luft- und Raumfahrt profitieren 

Der Bau von Flugzeugen und Raumschiffen stellt Technik und Fertigung vor einige der schwierigsten Herausforderungen der Menschheit. Glücklicherweise muss man nicht unbedingt Raketen bauen, um von der Raketenwissenschaft zu profitieren. Hersteller fast aller Arten von Produkten können ihre Effizienz und Rentabilität steigern, wenn sie einige der Ansätze der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Bewältigung von Produktionsproblemen wie Ausschuss, Nacharbeiten und technische Änderungen studieren.

 

SWaP-C-Faktoren

Unternehmen, die mit Verbundwerkstoffen arbeiten, wie Spirit, GKN, Boeing, Airbus, Albany Engineered Composites und SpaceX, geben normalerweise keine geschützten Verfahren weiter, aber sie tauschen sich über häufige Hürden in der Technik und Fertigung aus. Die Luftfahrt – und alle anderen Fertigungsbranchen – müssen Größe, Gewicht, Leistung und Kosten in Betracht ziehen. Und sie müssen diese Faktoren im Rahmen eines kompletten Systems oder Produkts berücksichtigen.

„Beim Militär und in der Luft- und Raumfahrt gibt es den Begriff SWaP-C, der für ‚size, weight and power‘ (Größe, Gewicht und Leistung) steht. Das C am Ende steht dabei für ‚Cost‘ (Kosten)“, erklärt John Earnshaw, Produktmanager für Laserprojektion bei FARO. „Immer dann, wenn man den Faktor Größe oder Gewicht reduzieren kann, während Kraft und Qualität beibehalten werden, hat das positive Auswirkungen auf die Leistungs- bzw. Kostenfaktoren der SWaP-C-Formel.“

In der Luft- und Raumfahrtindustrie hat sich die Verwendung von Verbundwerkstoffen aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Stärke zu Gewicht durchgesetzt. Im Rahmen der SWaP-C-Anforderungen bedeuten leichtere Teile einen geringeren Energieverbrauch durch das Flugzeug, was verschiedene Vorteile hat, wie längere Flugzeiten, Treibstoffersparnis und höhere Nutzlast. Das heißt, je leichter das Trägersystem, desto mehr Nutzlast kann es befördern und desto weniger Treibstoff verbraucht es dabei.

Die Nutzung von Laserprojektionslösungen hat typischerweise Einsparungen von 50 % bis 70 % bei den Arbeitskosten gegenüber herkömmlichen Verfahren mit physischen Schablonen zur Folge.
Je nach Produktionsvolumen beträgt der Amortisationszeitraum in der Regel maximal ein Jahr.

Als Verbundwerkstoffe auf den Markt kamen, hatten ihre einzigartigen Eigenschaften wundersame Auswirkungen auf die Gewichts- und Leistungsaspekte der SWaP-C-Formel. Leider reduzierten die arbeitsintensiven Konstruktions- und Fertigungsprozesse mit Verbundwerkstoffen nicht den Kostenfaktor. Die Laserprojektionstechnologie trägt dazu bei, das zu ändern.

Wir bringen die Ideen der Luft- und Raumfahrt zurück zur Erde

In vielen Fällen sind etablierte Produktionsmethoden das Ergebnis von Einschränkungen bei der Technologie. Fortschritte in der Technologie ermöglichen effizientere Konstruktionsmethoden, die zu Verbesserungen bei einem oder mehreren der SWaP-C-Prinzipien führen. Das gilt für alle Fertigungsbranchen, nicht nur die Luft- und Raumfahrt. Zu diesen Branchen gehören zum Beispiel Schiffbau, LKW und Sattelzugmaschinen, Kleinflugzeuge, Marine- und Privatyachten und Bootsbau, Windturbinen sowie andere Montagebetriebe, die mit Verbundwerkstoffen arbeiten, einschließlich Lieferanten der 1., 2. und 3. Ebene für die Luft- und Raumfahrt. Praktisch alle Unternehmen, bei denen es auf die Festigkeit und das Gewicht der Produkte ankommt, sollten Verbundwerkstoffe in Betracht ziehen.

So wie der Einsatz von Verbundwerkstoffen für die Existenzfähigkeit der Luftfahrtindustrie entscheidend ist, ist der Einsatz der Laserprojektionstechnologie entscheidend für die Nutzung von Verbundwerkstoffen als kostengünstiges Material in der allgemeinen Fertigungsindustrie. 
  
„Wenn man Verbundwerkstoffe für den Bau eines Rennrads, eines Schiffsrumpfes oder eines Windturbinenmotors einsetzt, möchte man das Gewicht minimieren und die Festigkeit maximieren, und an diesem Punkt kommt das Detail-Engineering ins Spiel“, so Jerry Reitmayer, Veteran der Verbundwerkstoffbranche und Key Account Manager bei FARO. „Man muss genau festlegen, wie viele Lagen an welcher Stelle benötigt werden, um die Struktur zu verstärken und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren. Laserprojektion ist im Bereich Verbundwerkstoffe zu einem wichtigen Werkzeug geworden, da man damit kleine Teile innerhalb eines Geleges in bestimmten Bereichen positionieren kann.“

Die meisten Verbundwerkstoff-Gelege umfassen mehrere Lagen. Die Verwendung von veralteten Werkzeugen wie Maßbändern und Mylar^®-Schablonen macht den Laminierungsprozess langsam, anstrengend und zuweilen ungenau. Beim Einsatz von Mylar-Schablonen verlangsamt schon allein der Vorgang des Heraussuchens der richtigen Mylar für die nächste Lage (auch als Nicht-Laminierzeit bezeichnet) die Produktion und den Durchsatz, ganz zu schweigen davon, dass bei jeder technischen Änderung eine neue Schablone benötigt wird.

Im Vergleich dazu werden beim lasergeführten Laminieren Bilder von der zu platzierenden Lage während des Aufbaus Schritt für Schritt direkt auf die Oberfläche projiziert.

„Bei der Entwicklung und Einführung eines neuen Produkts gibt es eine unglaubliche Menge an Änderungsaufträgen“, bemerkt Reitmayer. „Wenn man für jeden Änderungsauftrag eine neue Mylar-Schablone herstellen muss, wird man sich wünschen, man hätte Aktien eines Mylar-Unternehmens gekauft.“

Tracer^M-Projektion mehrerer Lagen auf eine Verbundwerkstoff-Form

Die Möglichkeit, spontan technische Änderungen vorzunehmen, zum Beispiel durch Hinzufügen von segmentierten Lagen, hat bemerkenswerte Entwicklungsmöglichkeiten bei technischen Planungen und Anwendungen eröffnet, einfach weil diese Technologie als spezifischer Teil der Luftfahrtindustrie betrachtet und übersehen wurde.

Die Zeit einzusparen, die man zur Herstellung physischer Schablonen benötigt, ist ein wichtiger Punkt zur Senkung der Innovations- und Fertigungskosten. Durch den Einsatz der Laserprojektion werden die Schwachpunkte des Änderungsauftragsprozesses erheblich reduziert. Wenn das CAD-Modell geändert wird, werden die Änderungen der Laserprojektion auf den Computer geladen, der den Projektor steuert, und die Änderung wird unmittelbar für die nächste Produktionseinheit umgesetzt.

Laserprojektion im Produktionsbereich

Bei den meisten Herstellern von Verbundwerkstoffen kann ein effektives Risikomanagement den Unterschied zwischen kostendeckendem und rentablem Betrieb ausmachen.

Abhängig von der Größe und Komplexität eines Teils und davon, wie weit es auf der Produktionslinie gekommen ist, kann ein einziges Ausschussereignis zehn- bis hunderttausende Euro oder sogar Millionen Euro kosten. Das Problem sind jedoch nicht „nur“ die Kosten des Ausschussereignisses. Abgesehen von den hohen Kosten für die Arbeitszeit und Karbonfaserkomponenten gibt es manchmal Auswirkungen auf die Zeitplanung, die sich wie eine Welle durch den gesamten Fertigungsprozess ziehen. Verzögerungen in der Produktion können Vertragsstrafen zur Folge haben, die eventuell noch höher sind als die Kosten für das verschrottete Material.

Bei einer computer- und lasergeleiteten Montage wird die Wahrscheinlichkeit von Defekten während des Laminierungsprozesses stark reduziert. In der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Branchen werden häufig die fähigsten Mitarbeiter in der Hauptschicht eingesetzt. Wenn es eine zweite oder dritte Schicht gibt, kann es zu „kriechenden Schichten“ oder einem niedrigeren Fertigkeits- und Produktivitätsniveau kommen. Lasergeleitete Montagelösungen wie der FARO Tracer^M helfen, dieses Problem zu lösen.
 
Projektion auf eine Winglet-Form aus Verbundwerkstoff.
 

Return on Investment

Die Ausbreitung der schnellen Prototypenherstellung als ausgelagerte Dienstleistung ist ein Beleg für den Wert von Technologie, welche die Zeit bis zur Produkteinführung verkürzen kann. Sogar Hersteller außerhalb der Luft- und Raumfahrtbranche stellen fest, dass in vielen Fällen ein Laserprojektionssystem in ihren Betrieben wirtschaftlich sinnvoll ist.

Die Nutzung einer Laserprojektionslösung hat typischerweise Einsparungen von 50 % bis 70 % bei den Arbeitskosten gegenüber herkömmlichen Verfahren mit physischen Schablonen zur Folge.
Bei einigen Unternehmen hatten die Tracer^M-Lösungen von FARO eine Kapitalrendite oder Amortisationsdauer von nur einem Monat. Je nach Produktionsvolumen beträgt der Amortisationszeitraum in der Regel maximal ein Jahr. Wenn man bedenkt, dass ein Tracer^M eine typische Nutzungsdauer von zehn Jahren hat, ist die langfristige Rendite herausragend.

Schnellere Montage- und Laminierungszeit, verbesserte Qualität und Genauigkeit, weniger oder kein/e Ausschuss und Nacharbeiten: Das alles trägt zur Rendite für jedes Unternehmen und jede Branche bei.

Fazit

Es gibt in der Fertigung einen alten Grundsatz, der wie folgt aussieht: 
Tagesmenü:

• Hohe Qualität
• Schnelle Bearbeitung
• Niedriger Preis

… Entscheiden Sie sich für eins. Technologie wie die Laserprojektion könnte diesen Grundsatz verändern Es ist eine einfache Rechnung: Eine effizientere Produktion mit weniger Nacharbeiten resultiert in niedrigeren Produktionskosten. Niedrigere Produktionskosten bedeuten eine höhere Gewinnmarge. Eine höhere Gewinnmarge erlaubt es Ihnen, Ihre hochwertigen Produkte zu einem niedrigeren Preis zu verkaufen und trotzdem den Ertrag zu erhöhen. Egal ob in der Luftfahrt, der Automobilindustrie oder bei individuell gefertigten Fahrrädern: Wenn Sie nicht die beste Technologie nutzen, erzielen Sie nicht die optimale Wertschöpfung.