Digitalisierung in der industriellen Fertigung – mehr Transparenz in der Montage

Wurde die Kabinentür wie geplant geliefert? Weist sie die gleiche Temperatur auf wie der Flugzeugrumpf? Und funktioniert der Einbau wie vorgesehen? Das Fraunhofer IFF entwickelt digitale Mess- und Informationsnetzwerke, die mehr Transparenz in die Montageprozesse des Flugzeugbauers Airbus bringen. Ziel ist es, Störungen im Ablauf frühzeitig zu erkennen und das Zusammenspiel von Menschen und Maschinen zu optimieren.

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Bevor eine Kabinentür in den Rumpf eines Passagierflugzeugs von Airbus montiert werden kann, ist sie bereits einmal quer durch Deutschland gereist. Auf dem Weg vom Hersteller zum Hamburger Werk kann allerdings viel passieren, was den Montageplan gefährdet. Ein Stau verzögert womöglich die Anlieferung des Bauteils. Oder ein Unfall verursacht einen Schaden an der Tür. Wenn Airbus davon nicht rechtzeitig erfährt, kann es zu großen Verzögerungen kommen. Kostspieliger kann der Bau eines Flugzeugs nicht sein.

Der Einbau einer Kabinentür ist nur ein Montageprozess von vielen, um ein Flugzeug zu fertigen. Allerdings ist er so vielstufig und anspruchsvoll, dass Airbus ihm im Rahmen des Forschungsprojektes iVeSPA ganz besondere Aufmerksamkeit widmet.

Wir wollen herausfinden, wie wir unsere Montage automatisieren und schlanker steuern können. Dabei eignen sich die Prozesse rund um den Einbau einer Kabinentür besonders gut, um zu ermitteln, welche Daten wir wie und wo erfassen, wie wir sie verarbeiten und wie wir sie in Echtzeit zurück in den Montageprozess koppeln können.

Eugen Gorr, bei Airbus in Hamburg für die Entwicklung innovativer Montageprozesse zuständig

iVeSPA steht für »Integrierte Verifikation, Sensoren und Positionierung in der Flugzeugfertigung«. Im Teilprojekt HAP 2 wurde das Fraunhofer IFF von Airbus beauftragt, Sensor- und Datenverarbeitungskonzepte zur Prozessüberwachung und deren stufenweise Integration in das Montageumfeld zu entwickeln. Drei Erwartungen an die Lösung galten
als gesetzt: Sie soll leistungsfähig, individuell konfigurierbar und möglichst kostengünstig sein.

Ist die Tür zu kalt?

Im Falle der Kabinentür rückte der Materialwagen (MDU), auf dem die Tür vom Lieferanten bis zum Flugzeugrumpf transportiert wird, in den Mittelpunkt der Lösung. Er wurde mit diversen Sensoren und Datenspeichern ausgerüstet, die die Airbus-Logistiker und -Logistikerinnen zu jeder Zeit und an jedem Ort während des gesamten Prozesses mit relevanten Informationen versorgen. Für welches Flugzeug ist die Tür gedacht? Handelt es sich um eine linke oder um eine rechte Tür? Wurde sie während der Fahrt so kräftig erschüttert, dass sie vor dem Einbau noch einmal geprüft werden muss? Hat sich die Tür bereits auf die Temperatur des Rumpfes erwärmt? Liegt sie noch auf der MDU? Oder wurde sie bereits verbaut? Wenn ja: Gab es beim Einbau Abweichungen vom Plan? Diese Meldung könnte auf konstruktive Mängel hinweisen. Muss Airbus womöglich den Lieferanten darüber informieren? Fragen über Fragen, die einer Antwort bedürfen, um die Montage reibungslos durchzuführen.

Bislang basiert die Kommunikation in den Montagehallen mehr auf Papierdokumenten und Zuruf und weniger auf elektronischen Hilfsmitteln und da die Rückmeldungen über den aktuellen Fertigungszustand nur einmal in der Woche erfolgen, sind sie deutlich entkoppelt vom Zeitpunkt ihrer Ausführung.

Martin Woitag, Fraunhofer IFF, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Fertigungsmesstechnik und digitale Assistenzsysteme

Um aus den erfassten Daten ohne Zeitverzug relevante Informationen abzuleiten, entwickelten Woitag und sein Team die mobile Sensorbox »AirBOX«. Sie erlaubt, Sensoren zu einem flexiblen Netzwerk zusammenzuschalten und aus den Daten Ereignisse abzuleiten, die für die Prozessüberwachung benötigt werden und ein schnelles Agieren ermöglichen. Die übermittelte Datenmenge bleibt dabei so klein, dass das Funknetz in der Montagehalle nicht mehr als notwendig belastet wird. »Unser Ziel war es, die AirBOX technisch so auszulegen, dass keine zusätzlichen Modifikationen in die vorhandene Infrastruktur notwendig sind«, erklärt Woitag. Er nennt diese Eigenschaft »non invasiv«.

Ein Beispiel: Die AirBOX erfasst zwar kontinuierlich die Position und die Temperatur der Kabinentür; ein Signal an den Server aber schickt sie erst dann, wenn die Sensordaten zwei Kriterien erfasst haben. Zum einen die Position des Montageplatzes, zum zweiten die Raumtemperatur. Erst jetzt ist die Kabinentür zur Montage bereit. Denn sie wurde nicht nur angeliefert, sondern hat sich auch auf das Niveau des Rumpfes erwärmt. Um die Airbus-Logistiker:innen über dieses Ereignis zu informieren, reicht ein einziges Bit.

Komplette Neuentwicklung

Die Idee für die AirBOX entstand im Rahmen der Zusammenarbeit mit dem Digitalisierungsteam der Airbus Endmontage, zu dem auch Mohamad Chehadeh, Digitalisierungsexperte bei Airbus, und Dr. Frank Bitte, Product Owner Digitalisierung, gehören. Auf der Suche nach einer industriellen Lösung stellten die Fachleute gemeinsam fest, dass alle verfügbaren Angebote erhebliche Schwächen für den Einsatz in der Montage mit sich brachten. Entweder erlaubten sie keinen modularen Einsatz oder die verfügbaren Schnittstellen waren nicht kompatibel. Oder sie waren schlichtweg zu teuer. Das Team entschloss sich daher, die Box nach den Spezifikationen von Mohamad Chehadeh selbst zu entwickeln.

Die 600 Gramm leichte AirBOX misst 12 × 12 × 7 Zentimeter …
… und versorgt die Logistiker:innen bei Airbus jederzeit mit allen relevanten Informationen zum Zustand der transportierten Bauteile.
Auf dem Foto rechts ist die AirBOX am Materialwagen einer Kabinentür montiert. Fotos: Airbus


In der aktuellen Version wiegt sie etwa 600 Gramm und misst 12 × 12 × 7 Zentimeter. Damit ist sie etwa so groß wie ein kleines Päckchen Kaffee. Sie verfügt über einen leistungsfähigen Prozessor, eine Echtzeituhr, verschiedene drahtlose Schnittstellen und ein intelligentes Energiemanagement (AirSLEEP), das sie unabhängig von der Nähe zu einer Steckdose agieren lässt. Im mobilen Aluminiumgehäuse mit LED-Statusanzeigen und frei definierbaren Eingabetasten lässt sie sich lokal per PC-Kabel oder über das Netzwerk konfigurieren. Sie verwendet das IoT-Standardprotokoll MQTT und Verschlüsselungstechnologien. Die Sensordaten und Ereignisse werden in einer lokalen Datenbank gespeichert und webbasiert visualisiert.

Mit der AirBOX erschließt sich eine Fülle von Digitalisierungsmöglichkeiten zur operativen Unterstützung der Produktion.

Dr. Frank Bitte, Airbus, Product Owner Digitalisierung

Für den Aufbau des Sensornetzwerks lassen sich bis zu sechs Sensoren an die Box anschließen, die automatisch erkannt und vorkonfiguriert werden (Plug & Sense). Bei der Sensorwahl besteht die Möglichkeit, entweder aus einem vorgegebenen Katalog auszuwählen (AirBRICKs) oder industrielle Standardsensoren zu nutzen. »Stand heute kann der Kunde aus 40 Sensoren für die AirBOX wählen«, sagt Woitag. »Dafür haben wir die Sensoren hinsichtlich Genauigkeit, Robustheit, Integrierbarkeit und Preis geprüft.« Die Erwartungen, die Airbus im Rahmen des »Kabinentür-Projekts« an den Aufbau eines digitalen Informationsnetzwerks formulierte, sieht Airbus-Manager Gorr mit der AirBOX erfüllt. »Wir sind heute in der Lage den gesamten physikalischen Prozess darüber abzubilden«, sagt er. »Angefangen bei den Kommunikationsschnittstellen über die Analysesoftware bis hin zur Anbindung an übergeordnete Softwaresysteme.« Auch Dr. Frank Bitte ist aus Sicht der Produktion sehr zufrieden: »Mit der AirBOX erschließt sich eine Fülle von Digitalisierungsmöglichkeiten zur operativen Unterstützung der Produktion.«

Visuelle Assistenzsysteme und Steuerung mit KI

Airbus und das Fraunhofer IFF erproben daher bereits weitere Anwendungsfälle. Beispielsweise könnte das Konzept helfen, ein visuelles Assistenzsystem für den Fügeprozess von Tragfläche und Rumpf zu entwickeln. Dafür werden die Daten, die verschiedene Messuhren an die AirBOX übermitteln, zu einer Grafik verrechnet, die den Monteur:innen hilft, die bewegliche Plattform, die die Tragfläche aufnimmt – auch »Flügel-Tisch« genannt – positionsgenau zu steuern.

Denkbar ist auch, mehrere AirBOXen zu einem Netzwerk zusammenzuschalten, das große Datenmengen mit Hilfe von Verfahren der künstlichen Intelligenz (KI) direkt vor Ort analysiert. Expert:innen sprechen in diesem Zusammenhang auch von »Edge-KI«. Ziel ist auch hier, das externe Netzwerk so wenig wie möglich zu belasten. »Anwender könnten die Analyse der Daten dann diesem selbstlernenden Netzwerk überlassen, ohne sich selbst um den exakten Lösungsweg zu kümmern«, erklärt Woitag. »Das wäre wie bei einem autonomen Fahrzeug, dem man nur noch das Ziel vorgibt, aber nicht mehr den Weg dorthin.«

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