프라운호퍼 IFAM, CFRP 동체 프레임 자동 사전 조립으로 효율성 향상

자동화는 생산 효율성 증대의 가장 중요한 전략 중 하나다. 독일 연방 경제부 및 에너지부(BMWi)가 지원하는 '임펄스(Impulse)' 프로젝트와 '템포(Tempo, CFRP 동체 컴포넌트의 효율적 조립 및 생산을 위한 기술)' 하위 프로젝트 내에서 새로운 위치 결정 및 드릴링 엔드 이펙터가 개발되었다.

이 엔드 이펙터는 항공기 동체 제조를 위한 CFRP 일체형 프레임의 보강 요소(클리트)의 사전 조립을 자동화한다. 기존 수동 생산은 더 많은 공정 단계가 필요했다. 또는 이 콤팩트한 엔드 이펙터는 표준 산업용 로봇에도 장착할 수 있다. 이를 통해 일정한 품질과 낮은 비용으로 생산 속도 증대가 가능하다.

에어버스 함부르크(독일)와 프라운호퍼 제조 기술 및 첨단 소재 연구소(IFAM, 슈타데) 파트너들이 개발한 이 자동화 솔루션은 이미 실물 크기 프로토타입에서 양산 직전 생산 환경에서 검증되었다. 프로젝트는 2020년 성공적으로 완료되었다.

CFRP 프레임 사전 조립

프레임은 항공기 동체의 횡방향 보강 요소이다. 에어버스 A350에서 CFRP와 혁신적인 일체형 동체 구조를 사용하면 중량과 생산 공정이 절감된다. 프레임이 옆으로 휘는 것을 방지하기 위해 추가 보강 요소(클리트)가 필요하다. 최대 6미터 길이의 리브들은 모두 기하학적으로 서로 다르기 때문에, 수동으로 클리트를 0.2밀리미터 공차로 장착하려면 각 리브마다 특수 몰드 템플릿이 필요하다. 이 템플릿은 비싸고 사용이 복잡하다. 또한 수동 클리트 공급과 사전 조립에는 큰 편차가 필요하며, 정확한 위치 정렬을 위한 결합 부품의 광범위한 측정 단계도 필수적이다.

"'템포' 프로젝트는 공정 단계들을 자동화하여 공정 시간과 복잡성을 모두 줄이는 과제를 안겨주었습니다."라고 프라운호퍼 IFAM의 프로젝트 매니저 레안더 브리스코른은 설명한다. "클리트는 자동으로 픽업되어 프레임에 공급되어야 합니다. 프레임과 클리트를 리벳으로 결합하기 위해 두 부품을 관통 드릴링해야 했습니다. 우리는 새로 개발한 고정밀 엔드 이펙터를 사용하여 프레임에 클리트를 장착했습니다. 또한 프레임은 슈타데의 양산 직전 동체 조립 플랜트에서 동체 셸에 틈 없이 장착되었습니다."

CFRP 일체형 프레임의 자동화된 고정밀 품질 보증 사전 조립을 위한 위치 결정 및 드릴링 엔드 이펙터

개발된 위치 결정 및 드릴링 엔드 이펙터는 다양한 클리트를 수령하고, 서로 다른 일체형 프레임에 위치시키며, 두 부품을 동시에 이중 드릴링하는 작업을 수행한다. 콤팩트하게 제작된 엔드 이펙터는 포털 시스템뿐만 아니라 표준 산업용 로봇에도 장착할 수 있다. 더 높은 위치 결정 정밀도를 위해 포털 시스템이 선택된다. 일체형 프레임은 포털 아래 받침대 위에 고정되어 여러 기계적 조정 옵션을 사용하여 공간에서 방향을 잡을 수 있다. 엔드 이펙터는 다양한 방향의 클리트를 픽업하고 홀더에 고정할 수 있는 대칭 홀더를 가진다. 스프링 댐핑 기계식 스톱을 사용하여 각각의 결합 위치에 국부적 정밀도로 접근한다. 클리트 보강 요소가 위에서 일체형 프레임 표면에 배치되고 내장 메커니즘으로 두 부품이 클램핑되는 동안, CFRP가 헤어지는 것을 방지하기 위해 프레임 뒷면에서 드릴링 공정이 수행된다. 추출 시스템이 발생한 드릴링 분진을 포집한다. 부품이 드릴링되면 프레임上的 클리트 위치가 정의된다. 그러면 클리트를 프레임에 리벳으로 고정할 수 있다.

엔드 이펙터는 시스템 PLC로 제어되며, 컴포넌트의 수입된 CAD 데이터에서 전역 위치 데이터를 수신한다. 새로운 조립 상황은 레이저 트래커를 사용한 빠른 상류 측정을 통해 조정된다. 혁신적인 기술은 신뢰할 수 있는 공정과 높은 위치 결정 정확도를 가능하게 한다. 제어 패널의 시작 버튼을 누르는 것 외에는 모든 것이 자동으로 실행된다. 특별히 개발된 사용자 친화적인 운영자 인터페이스는 자명 이미지를 통해 입력을 용이하게 하여 경험이 없는 직원도 시스템 제어에 빠르게 익숙해질 수 있다.

클리트 픽업에 적절한 수정을 가하면, 엔드 이펙터는 기하학적으로 약간 다른 클리트 유형도 장착하고 다양한 유형의 일체형 프레임에 정밀하게 위치시킬 수 있다. 자동 공급 정확도는 ±0.1밀리미터로 정확도 요구사항을 200% 초과 달성한다.

위치 결정 및 드릴링 엔드 이펙터에 통합된 측정 기술은 필수 접촉 압력 200뉴턴과 클리트의 일체형 프레임 사전 조립을 위한 최적 조건 모니터링을 위한 기타 많은 파라미터를 정확히 문서화한다. 이는 온라인 품질 보증을 보장한다.

'템포' 하위 프로젝트에서의 추가 R&D 작업

클리트가 장착된 일체형 프레임은 '템포' 하위 프로젝트에서 프라운호퍼 IFAM 슈타데 기술 센터의 양산 직전 동체 조립 시스템에 동체 셸에 장착되었다. 일체형 프레임과 동체 피부 사이의 조인트 갭 측정 결과 모두 0.3밀리미터 미만으로, 추가 갭 충진이 불필요했다.

프레임의 사전 조립, 위치 결정 및 드릴링을 위해 개발된 엔드 이펙터는 장착 시스템을 조정하면 풍력 터빈, 철도 차량, 상용차, 자동차, 조선 등 다른 산업의 컴포넌트 조립에도 사용할 수 있다.

BMWi 독일 연방 경제부 및 에너지부가 지원하는 연구 프로젝트 '임펄스'(CFRP 동체 컴포넌트를 위한 혁신적이고 중기적으로 구현 가능하며 비용 절감적인 솔루션)와 하위 프로젝트 '템포'는 3년 반의 기간 후 2020년 종료되었다. BMWi 지원 번호: 20W1526F. 프라운호퍼 IFAM은 BMWi의 지원에 감사를 표한다.