Ein Cobot überprüft überprüft die Oberfläche eines Raketenrumpfes

Ein Cobot im Dienste der NASA: Mittels eines thermographischen Verfahrens überprüft dieser UR10 die Oberfläche eines Raketenrumpfes auf Defekte. - Bild: UR

Während Astronauten vor dem Einsatz langwierige Trainings und Tests durchlaufen, muss auch die eingesetzte Ausrüstung penibel geprüft werden. Um hierbei maximale Genauigkeit zu gewährleisten, holen sich Raumfahrttechnik-Unternehmen wie die NASA - aber auch Raumfahrtunternehmen aus Deutschland - Unterstützung von kollaborierenden Robotern.

Eines der Markenzeichen dieser Leichtbauroboter ist ihre enorm hohe Wiederholgenauigkeit, mit der sie ein und dieselbe Bewegung über Stunden exakt gleich ausführen. Dies prädestiniert sie für repetitive Aufgaben, die große Konzentration erfordern – beispielsweise in der Qualitätsprüfung. Auch die Luft- und Raumfahrtbranche hat dieses Potenzial für sich erkannt.

Cobot unterstützt Qualitätsprüfung bei der NASA

Im Langley Research Center der NASA im US-Bundesstaat Virginia unterstützt zum Beispiel ein UR10-Cobot die Forschungsmitarbeiter. Er überprüft Flugzeug- und Raketenrümpfe auf Materialfehler. Dafür nutzt er das Verfahren der Infrarot-Thermographie: Dabei wird jeder Quadratzentimeter der Bauteiloberfläche kurz mit Infrarotlicht bestrahlt, wodurch er sich erhitzt.

Während das Material abkühlt, analysieren die Wissenschaftler, wie genau die Hitze abfließt und damit interagiert. So können sie etwaige Defekte oder Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenstruktur erkennen. Das Verfahren ist sehr genau – das Testgerät jedoch unhandlich und schwer. Mehrere Mitarbeiter mussten damit die gesamte Oberfläche des Luftfahrzeugs auf der Innen- und Außenseite abfahren, um Defekte sicher auszuschließen. Dies machte die Produktion teurer und komplex.

Dank Cobots: Prüfkosten beim Messen im Blick

In der Luftfahrt werden Cobots unter anderem zur automatischen Messung und Auswertung von Radien, Fasen und Kantenbrüchen an Turbinenscheiben und Turbinengehäusen eingesetzt. Den ganzen Beitrag dazu gibt es auf unserem Schwesterportal Fertigung. - Bild: Alicona

Nur noch ein Mitarbeiter kontrolliert den Prüfprozess

Daher beschlossen die Forscher, einen Cobot mit einzubeziehen. Heute unterstützt sie ein UR10, der dafür mit einem FLIR Infrarot-Inspektionssystem ausgestattet ist. Die Applikation funktioniert mit der Software von UR+ Partner RoboDK, über die sich Prüfmuster simulieren und programmieren lassen. Mit ihrer Hilfe kann heute ein Mitarbeiter den Prüfprozess allein begleiten.

Der Roboter folgt dabei einem vorprogrammierten Pfad, um seinen Inspektionskopf an die genau definierten Prüfstellen zu bewegen. Dann richtet er die Kamera auf die betreffende Fläche, während der Mitarbeiter die Temperaturdaten abliest, die mögliche Struktur- oder Materialfehler offenbaren. Die automatisierte Durchführung des Verfahrens ist nicht nur einfacher zu bewerkstelligen, sie trägt auch zu einer besseren Dokumentation der Daten bei. Dadurch lassen sich Abweichungen bei späteren Kontrollen leichter feststellen.

Raumfahrtunternehmen in Deutschland setzen auf Cobots

Auch in Deutschland setzen Raumfahrtunternehmen auf Cobot-Technologie – zum Beispiel die ArianeGroup aus Ottobrunn bei München. Als international führendes Unternehmen für Weltraumtransporte entwickelt sie Lösungen im Bereich Startsysteme für die zivile und militärische Nutzung. Im Kompetenzzentrum in Ottobrunn stellt das Team Triebwerkskomponenten und Ventile für Trägerraketen und Weltraumfahrzeuge her.

Dort entstehen auch die Schubkammern für die europäischen Trägerraketen Ariane 5 und Ariane 6. Damit ein Raketentriebwerk beim Start reibungslos funktioniert, müssen flüssiger Sauer- und Wasserstoff im richtigen Verhältnis in die Brennkammer geleitet werden. Dies gewährleisten über 500 einzelne Einspritzelemente, die während der Betriebszeit einem enormen Druck ausgesetzt sind.

Damit sie diesem standhalten, müssen die Komponenten optimal verarbeitet sein – und dies bedarf gründlicher Testung, wie André Kiessling erklärt: „Für den Raketenstart haben wir nur eine Chance“, berichtet der Head of Industrial Test der ArianeGroup. „Das bedeutet für uns als Testabteilung: hoher Druck und hohe Verantwortung. Entsprechend hoch sind die Qualitätsanforderungen für die Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung der Tests.“

ArianeGroup: UR5e bereitet Raketen-Einspritzkopf für Tests vor

In der Testabteilung der ArianeGroup GmbH entlastet ein UR5 Cobot von Universal Robots A/S die Mitarbeiter im Testing. Er bestückt über 500 Einspritzelemente der Raketenschubkammer mit Kunststoffstöpseln und verschraubt sie mit einer Messinghülse.

Kraft-Drehmoment-Sensor des Roboters ersetzt Fingerspitzengefühl

Um dies zu gewährleisten, mussten die Mitarbeiter früher jedes der über 500 Einspritzröhrchen einzeln mit einem Kunststoffstöpsel abdichten und mit einer Messinghülse verschrauben. Nach dem Test galt es, beide Elemente wieder zu entfernen. Da dies viel Fingerspitzengefühl erforderte, gestaltete sich die Suche nach einer Automatisierungslösung zunächst schwierig.

Fündig wurde die ArianeGroup schließlich bei den Cobots von Universal Robots: Die Modelle der e-Series verfügen über einen am Werkzeugflansch integrierten Kraft-Drehmoment-Sensor, der eine Wiederholgenauigkeit von +/- 0,03 mm gewährleistet. So kann heute ein Roboterarm vom Typ UR5e die Raketentests vor- und nachbereiten. Dazu ist er mit einem Greifer und einem Schraubenzieher ausgestattet, die automatisch wechseln, damit der Cobot die jeweilige Aufgabe erledigen kann.

„Der UR-Cobot übernimmt jetzt für mich die Aufgaben und führt sie mit der gleichen Qualität aus“, erklärt Testtechniker Marius Schütterle. „Dadurch kann ich meinen Arbeitsalltag ganz anders gestalten und mehrere Tests gleichzeitig betreuen.“

Der Cobot dichtet in einem Test Röhrchen ab, verschraubt diese und öffnet sie anschließend wieder.
Der Cobot muss pro Testzyklus 500 Röhrchen abdichten, verschrauben und anschließend wieder öffnen. Dafür ist er mit einem Greifer und einem magnetischen Schraubenzieher ausgestattet. - Bild: UR

Submikrometergenau Messungen automatisiert durchführen

Auch das IInstitut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart nutzt den Cobot, um seine Prüfprozesse effizienter umzusetzen. Dort untersuchen Forscher den Einsatz von Werkzeugen in den spanenden Fertigungsprozessen verschiedener Branchen – neben Automobilherstellung, Medizintechnik, Maschinenbau, Möbel- und Holzbau, zählt dazu auch die Luft- und Raumfahrttechnik.

Das IfW untersucht mitunter den Grad des Werkzeugverschleißes und dessen Auswirkungen auf einzelne Werkstücke. Diese müssen in der Regel von hoher Qualität sein, weshalb es wichtig ist, den Werkzeugverschleiß gering zu halten. „Die Werkzeug- und Bauteilvermessung an stationären Messeinrichtungen sind zum Teil sehr aufwendig“, berichtet Sarah Eschelbacher, Gruppenleiterin in der Prozessüberwachung und -regelung am IfW Stuttgart.

„Die zu prüfenden Werkzeuge müssen manuell aus den Maschinen ausgespannt, zu den stationären Messeinrichtungen gebracht und dort wieder neu eingespannt werden. Nach der Messung wird das Werkzeug erneut ausgespannt, um in der Maschine ein weiteres Mal eingespannt zu werden. Erst dann können die Versuche fortgeführt werden. Dieses Vorgehen nimmt jedoch viel Zeit in Anspruch und durch die Umspannungen können Mess- beziehungsweise Positionierungenauigkeiten hinzukommen.“

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Cobot beschleunigt Messprozess und erhöht die Präzision

Daher implementierte das Institut ein Cobot-System, das den Messprozess beschleunigt und seine Präzision erhöht. Die Lösung besteht aus einem UR10e von Universal Robots sowie einem hochauflösenden optischen 3D-Messsensor und einem Unterbau von Bruker Alicona. Damit lässt sich der Cobot direkt an die Maschine heranfahren, um das darin eingespannte Werkzeug zu messen.

Dieses muss dabei nicht mehr extra herausgenommen werden, was Zeit spart. Der hochpräzise optische Sensor misst im Mikro- und Nanometerbereich. In Kombination mit der stabilen UR-Robotik sorgt dies für maximale Genauigkeit bei den Messungen.

Wie eine Schokoladen-Produktion von Robotik profitiert

Robotik in der Schokoladen-Produktion. Bild: Zotter

Automatisierung in der Schokoladenherstellung: Wie eine platzsparende Kuka-Roboterzelle von einem österreichischen Chocolatier genutzt wird und welche Mehrwerte sich ergeben, lesen Sie hier:

Automatisierung ist keine Rocket Science

Die Beispiele zeigen, wie die präzise Arbeitsweise kollaborierender Roboter die Luft- und Raumfahrttechnik vor allem in elaborierten Prüfprozessen unterstützt. Neben der hohen Wiederholgenauigkeit erweisen sich dabei auch die einfache Programmierung und Flexibilität der Technologie als Vorteil: Unternehmen können die Roboter ohne viel Aufwand an ihre spezifischen Bedürfnisse anpassen.

Das Team der ArianeGroup etwa hat den Aufbau der Cobot-Anwendung selbst konzipiert und umgesetzt. Nachdem sich der erste Roboterarm als wertvolle Unterstützung erwiesen hat, arbeitet es bereits an zwei weiteren Anwendungen. Das Langley Research Center der NASA möchte den Cobot-Einsatz ebenfalls ausweiten, und auch am IfW Stuttgart denkt man über die Implementierung weiterer Cobot-Systeme sowie eine Vollautomatisierung der Mess- und Auswertungsprozesse nach. So helfen UR-Cobots den Technik-Pionieren, auch in Zukunft bahnbrechende Leistungen in der Raumfahrt zu erzielen.

Cobot arbeitet an Nieten einer Flugzeug-Schale
Viel Arbeit auf wenig Raum: Solche Quadratmeter mit hoher Wertschöpfung entlang der Flugzeugschale sind ideale Einsatzorte für den im Technologiezentrum Nordenham entwickelten Cobot. - Foto: Premium Aerotec

Auch bei Premium Aerotec setzt man vermehrt auf den Einsatz von Cobots. Dass Roboter seit Jahren die Fertigung von Flugzeugteilen unterstützen, ist nicht neu. So bohren sie völlig automatisch beispielsweise in Sekundenschnelle Tausende Löcher in Flugzeugbauteile, was höchst effizient ist - aber abgeschirmt von Menschen.

Doch nun soll ein Cobot an einem Nietfeld an einer aufgestellten Flugzeug-Schale arbeiten, mit einigen hundert Bolzen auf geringer Fläche. Für einen Menschen wäre das mühsame und ermüdende Kleinarbeit. „Der Roboter ist dabei nicht schneller als der Mensch, aber ungeheuer stoisch und konstant", sagt Christian Kulik von Premium Aerotec aus dem Technologiezentrum Nordenham. Dabei wäre in der Flowline im Werk eine zeitliche oder räumliche Trennung von Menschen und Robotern nicht umsetzbar. Deshalb kommt auch hier ein Cobot zum Einsatz.

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