Innovative Strategien für neue Leichtbaukonzepte - Kongress Produktionsforschung 2016
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Innovative Strategien für neue Leichtbaukonzepte Kongress Produktionsforschung 2016 Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) 23. Juni 2015 Andreas Stöckle; AIRBUS HELICOPTERS
Einleitung
Seit Generationen steht Airbus Helicopters für Hochtechnologie und innovativen Wandel. Am Markt
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bewähren sich die Hubschrauber durch exzellente Leistungsparameter und durch einen hohen Grad an
Customisierung. Gerade im Hubschrauber-Leichtbau, geprägt von Kleinserienfertigung, kommt es
dabei weniger auf effiziente Massenproduktion, sondern vielmehr auf revolutionäre Designlösungen,
Flexibilität und Qualität bei den Endprodukten an.
Kongress Produktionsforschung 2016, Innovative Strategien für neue Leichtbaukonzepte 23. Juni 2016 - Andreas Stöckle
Bei der Neuausrichtung der Industriellen Strategie wird der Fokus nun verstärkt auf industrielle
Innovation gelegt, um weiterhin hochflexibel, aber effizienter produzieren zu können. Methoden und
Verfahren des digitalen Zeitalters werden uns dabei helfen, die Leichtbaukonzepte der Zukunft schneller
und kostengünstiger in der Produktion realisieren zu können.
23. Juni 2016 2
Zivile Hubschrauber - Portfolio
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H130
Einmotorige
Hubschrauber H125
H120
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Zweimotorige Hubschrauber
H145
leichte Gewichtsklasse H135 EC145
Zweimotorige Hubschrauber
mittlere Gewichtsklasse
H175
AS365 H155 H160
Hubschrauber mittlerer/
schwerer Gewichtsklasse
H215 H225
23. Juni 2016 3
Militärische Hubschrauber - Portfolio
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Leichte
Hubschrauber
H125M H135M H145M
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Hubschrauber
mittlerer Gewichtsklasse
AS565
Hubschrauber mittlerer/
Schwerer Gewichtsklasse H215M H225M
Spezialhubschrauber
Tiger NH90
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Markt und Umsatzverteilung
Ziviler und halbstaatlicher Markt für Maschinen über 1,3 Tonnen
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Gesamtes Marktvolumen 2015: 627 Hubschrauber
19.5% 18.5% 9% 5% 3%
Airbus Helicopters Bell Agusta Westland Sikorsky Russian Weitere
Militärischer Markt
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Gesamtes Marktvolumen 2015: 886 Hubschrauber
22% 19.5% 13.5% 9% 9% 7% 4.5% 4% 4% 4% Weitere
3.5%
Sikorsky Russian Boeing Avicopter Airbus Bell AW Bell- NHI HAL
Helicopters Boeing
Umsatzverteilung:
Militärisch Support Inland
& Services Inland
50% 30%
47%
50% 53
5 %
Serien- 70%
produktion
Zivil Export
23. Juni 2016 5
Innovationsstufen bei Airbus Helicopters
Vier Stufen der Produktentwicklung
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Exploration Phase Disruptive Innovation Inkrementelle Innovation Industrielle Innovation
1 2 3 4
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Innovative Ideen Neue Technologie als Technische Optimierung Systems Engineering
“Game Changer“ der Bauweisen
Demonstrator Neues Produkt Optimiertes Produkt Optimiertes
Gesamtsystem
- Experimental Konzepte Marktführer durch Verbesserte Detaillösungen Das Produkt als Teil eines
- Forschung Alleinstellungsmerkmal in Entwicklung und (industriellen) Gesamtsystems
- Erprobungsträger Industrialisierung
Pionierarbeit bei „Design-to-fibre“ „Industrie 4.0“
Entwicklung, Zulasssung
und Industrialisierung
23. Juni 2016 6
Produktentwicklung über die Zeit
Anteil Composites beim Strukturgewicht
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100%
NH90
Anteil Composites in % am Strukturgewicht
Military
Helicopters Tiger
2
H160
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militärisch
75% „BK 117 Faserzelle“ Erstumsetungen Exzellenz durch
4
zivil in der Serie Industrie 4.0
(incl. Rotorblätter )
Inkrementelle
1 Innovative Idee Entwicklung (TB H145)
=> Demonstrator H 135 3 787 A350
50%
Commercial Helicopters
BK 117 AS 355
A380
25%
Bo 105
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Erstflug 16.2.1967 13.6.1979 15.2.1994 18.12.1995 15.12.2009 14.06.2013 13.06 2015
23. Juni 2016 7
Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 1, Experimental Konzepte, Demonstratoren
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Exploration Phase X³ High-Speed Demonstrator
Neue Architektur / Hubschrauberkonzept
1 • Deutliche höhere Geschwindikeit im Vertikalflug (ca. 470km/h)
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• Neues Potential für Kundenmissionen
• Erfahrung für künftige Neuentwicklungen (CleanSky)
Innovative Ideen
Demonstrator
BMR, lagerloses Rotorsystem auf Versuchsträger (BO108)
Lagerloses Rotor System
• Geringes Gewicht durch Einsatz von Composite Materialien
• Wenig Füge und Gelenkpunkte
• Sicher, wartungsarm, leicht, etc.
- Experimental Konzepte
- Forschung
- Erprobungsträger “BK 117 Faserzelle”
Einsatz neuer Materialien zur drastische Gewichtsreduzierung
• 30% geringeres Gewicht, erhöhte Leistungsfähigkeit beim Endprodukt
• Potentiell weniger Einzelteile und Fügestellen
• Neue konstruktive Möglichkeiten (Design nach Lastfluss, höhere
Formfreiheit, etc.)
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Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 1, Experimental Konzepte, Demonstratoren
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Exploration Phase Faserzelle BK117
1
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Innovative Ideen
Demonstrator
- Experimental Konzepte
- Forschung
- Erprobungsträger
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Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 1, Experimental Konzepte, Demonstratoren
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Exploration Phase Vorteile der neuen Technologieanwendung
1 Gewicht (kg) Anzahl Teile
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Ein- Composit Ein-
Al-Zelle Composite Zelle Al-Zelle
sparung e sparung
Innovative Ideen
Hauptbaugruppe gerechnet gewogen
Demonstrator Bodenstruktur 47,2 32,5 32,3 32 % 362 56 84 %
Seitenschalen 30,1 20,4 19,1 36 % 234 45 81 %
Cockpit 21,8 14,9 13,8 37 % 107 25 77 %
- Experimental Konzepte
- Forschung Mittelpfosten 4.3 3 2,8 35 % 18 4 78 %
- Erprobungsträger
Elektrik Kit incl. 3,4 20
Nieten,
incl. 2,5 (12000) (1500) (0,87 %)
Dichtungen, etc.
103,4 70,8 73,9 29 % * 721 150 79 %
* dies ist die Gewichtseinsparung, wenn nur die Composite Bauteile verglichen werden; unberücksichtigt bleibt Lackierung etc.
23. Juni 2016 10Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 2, Implementierung grundlegend neuer Technologien
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Serienanwendung Lagerloser Rotorkopf (BMR)
Disruptive Innovation
H135 Rotor System
2 • Geringes Gewicht durch Einsatz von Composite Materialien
• Wenig Füge- und Gelenkpunkte
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• Sicher, wartungsarm, leicht, etc.
Neue Technologie als • Teuer im Unterhalt
“Game Changer“
Fenestron Heckausleger in Faserverbundbauweisen
Neues Produkt
H135 Heckausleger in Composite Design
• Schalenbauweise mit geringem Gewicht
• Modulare Bauweise (integrierter Heckrotor / Fenestron)
• Differenzialbauweise, verhältnismäßig hoher montageaufwand
Marktführer durch
Alleinstellungsmerkmal
Erstes Canopy in Schlauchbauweise
Pionierarbeit bei
H135 Kabinengerüst in Composite Schlauchbauweise
Entwicklung, Zulasssung • Extrem geringes Gewicht
und Industrialisierung • Hochintegrales Bauteildesign (ein Teil)
• Hohe Steifigkeit mit geringem Materialeinsatz - Raum für Transparenz
23. Juni 2016 11Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 2, Implementierung grundlegend neuer Technologien
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Disruptive Innovation vom Demonstrator zur ersten Serienanwendung
2
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Neue Technologie als BK117 CFK Struktur H 135 / H145 Cockpit
“Game Changer“
Neues Produkt
Marktführer durch
Alleinstellungsmerkmal
Pionierarbeit bei
Entwicklung, Zulasssung
und Industrialisierung
23. Juni 2016 12Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Next Generation Airframe
Inkrementelle Innovation
erste zivile Serienanwendung aus >70% Faserverbundbauweisen (H160)
3 • Aerodynamische Loftline, ansprechendes Design
• Geringstmögliches Strukturgewicht
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• Modulare Bauweise
• Funktionale Struktur
Technische Optimierung
der Bauweisen
Optimierter Heckausleger in Faserverbundbauweisen
Optimiertes Produkt
H145 Heckausleger in Schlauchbauweise
• Weniger Einzelteile und Fügepunkte
• Erhöhte Steifigkeit, besseres dynamisches Verhalten
• Geringeres Gewicht
• Niedrigere Kosten durch geringeren Montageaufwand
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und
Industrialisierung ATR Advanced Technology Rotor
„Design-to-fibre“ Lagerloses Blattsystem mit abnehmbaren und schwenkbaren Blattspitzen
• Besseres Produkthandling
• Optimierte Wartungskosten (DMCs) beim Kunden
• Flexible Missionsgestaltung (optionale Blattprofile)
23. Juni 2016 13Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Inkrementelle Innovation am Beispiel H145 Tailboom
3
In 2014 erhielt die H 145 ein Major Upgrade.
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Technische Optimierung Neue Triebwerke erforderten ein stärkeres Anti Torque System.
der Bauweisen Der ursprüngliche Tailrotor wurde durch einen FENESTRON® ersetzt.
Optimiertes Produkt Die bisherige Aluminium Stringer Bauweise wurde durch Carbon Composites ersetzt.
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und
Industrialisierung
„Design-to-fibre“
23. Juni 2016 14Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Inkrementelle Innovation am Beispiel H145 Tailboom
3 Optimierte Bauweise (Design-to-Fibre):
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Der Tailboom ist als “One shot” Sandwich-Bauteil konzipiert.
Technische Optimierung Wenig Montageaufwand, vereinfachtes Tolerancing
der Bauweisen Der Druckaufbau wird durch einen innenliegenden Schlauch
gewährleistet („Schlauchbauweise“)
Optimiertes Produkt
Der untere Bereich ist flach
um eine einfachere Antennen-
integration zu erreichen.
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und
Industrialisierung
„Design-to-fibre“
23. Juni 2016 15Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Inkrementelle Innovation am Beispiel H145 Tailboom
3
Optimierte Bauweise (Design-to-Fibre):
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Technische Optimierung LH Fenestron ® Gehäuse (Schale mit Tunnel)
der Bauweisen Hoch integriertes Strukturbauteil
Dies wird mit einem getrennten Lagenaufbau der Schale und des
Optimiertes Produkt Tunnels mit zwei separaten Tools bewerkstelligt. Die Tools werden
dann vor dem Aushärtevorgang im Autoklav zusammengefügt und
resultieren letztendlich in einem hoch-integralen Bauteil
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und
Industrialisierung
„Design-to-fibre“
23. Juni 2016 16Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Inkrementelle Innovation am Beispiel H145 Tailboom
3
Optimierte Montage:
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Technische Optimierung Das Fenestron-Gehäuse (Shroud) besteht aus den zwei Schalen und einem Spant.
der Bauweisen Die Verbindung mit dem Tailboom geschieht mit einer Nietreihe entlang des Spantes
Die Vernietung befindet sich in einem wenig belastetet Gebiet und ermöglicht so
Optimiertes Produkt gutmütiges dynamisches Verhalten
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und
Industrialisierung
„Design-to-fibre“
23. Juni 2016 17Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Inkrementelle Innovation am Beispiel H145 Tailboom
3
Erweiterte Integration (Antennen und Kabel):
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Technische Optimierung Der Tailboom hat vordefinierte Einbauorte für Antennen und anderes Equipment
der Bauweisen Die Verkabelung wird auf Kabelschienen vormontiert und später im Tailboom fixiert.
Dies erlaubt eine simultane Produktion und ermöglicht späte Konfigurations-
Optimiertes Produkt änderungen durch Kundenwünsche.
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und
Industrialisierung
„Design-to-fibre“
Maximale Antennenkonfiguration
23. Juni 2016 18Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 3, Weiterentwicklung, kontinuierliche Verbesserung
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Optimierung am Beispiel H145 Tailboom
Inkrementelle Innovation
3 Parametrische Hochrechnung zu
Fenestron Lösung Einzelteile
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Montage
Technische Optimierung 100% Material
der Bauweisen
Kosten-
Optimiertes Produkt 80% ersparniss
*
Kosten
60% 76%
65%
Verbesserte Detaillösungen
in Entwicklung und 40%
Industrialisierung
„Design-to-fibre“ 1 2 3
20%
Technologie- Serien- Technische
sprung anwendung Optimierung
0%
EC145 EC135 EC145 T2
Metallstruktur Composite Struktur Composite Struktur
23. Juni 2016 19Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 4, ganzheitliche Betrachtung – Systems Engineering
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Industrielle Innovation Real time Konfigurations- und Änderungssteuerung
Kürzere Entwicklungzeiten, time-to-market
4
Beherrschung einer kundenorientierten Einzelteilfertigung
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Systems Engineering
Virtual Reality und Simulation in der Produktion
Unmittelbares Nutzen von 3D Daten (Project Full3D)
Optimiertes Beherrschung komplexer technischer Systeme
Gesamtsystem
Produkt – Prozess Kopplung zur Optimierung des Prozessoutputs
Das Produkt als Teil eines robuste, sich selbst steuernde Produktionsabläufe (lernende Systeme)
(industriellen) gesicherte Qualitätslage, “Big Data Analysis“ statt 100% inspection
Gesamtsystems
Integrierte Dokumentation
„Industrie 4.0“
automatisierte Dokumentenerstellung
Aufbereitung der Daten für Entwicklung (upstream)
und Wartung (downstream)
23. Juni 2016 20Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 4, ganzheitliche Betrachtung – Systems Engineering
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Industrielle Innovation am Beispiel “Simulation von Herstellprozessen”
4 Das Ergebnis:
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Korrektur von unerwünschten spring-in Verhalten durch Simulation und a-priori
Systems Engineering Vorrichtungskorrektur führte zu verbesserter Bauteilqualität und geringeren
NRCs (first time right)
Optimiertes
Gesamtsystem
Das Produkt als Teil eines
(industriellen)
Gesamtsystems
Frame 3
„Industrie 4.0“ errechneter spring-in Wert -5…6 mm
Vorrichtungskorrektur +4,0 mm
Gemessener spring-in Wert -1,1 mm
23. Juni 2016 21Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 4, ganzheitliche Betrachtung – Systems Engineering
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Industrielle Innovation am Beispiel “Intelligent Manufacturing Systems”
4 Das Ergebnis:
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Optimierte Toolings, Simulationsdaten und Smart Sensors führen zu optimieren
Systems Engineering Autoklavzyklen.
Proaktive Adaption der Autoklavzyklen bei wechselnder Beschickung
=> Gesicherte Bauteilqualität und geringerer Energiebedarf
Optimiertes Automatisierte Dokumentenerstellung
Gesamtsystem
Das Produkt als Teil eines
(industriellen)
Gesamtsystems
„Industrie 4.0“
23. Juni 2016 22Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 4, ganzheitliche Betrachtung – Systems Engineering
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Industrielle Innovation am Beispiel MiRA (Mixed Reality Application)
4
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Systems Engineering
Optimiertes
Gesamtsystem
Das Produkt als Teil eines MiRA
(industriellen)
Gesamtsystems Kundenspezifische Vorgabe von Einbauteilen und
Einbauort
„Industrie 4.0“ 3D Abgleich mit der Realität
Qualitätsprüfung bzgl. Konfiguration, Vollständigkeit,
Einbauort, etc.
Automatisierte Dokumentenerstellung
Hololens
23. Juni 2016 23Differenzierung durch technologischen Fortschritt
Stufe 4, ganzheitliche Betrachtung – Systems Engineering
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Industrielle Innovation am Beispiel MiRA (Mixed Reality Application)
4
Verknüpfung und Aufbereitung
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aller relevanten Daten
Systems Engineering
3D via Composer
Optimiertes Kundenspezifischer
Gesamtsystem Fertigungsauftrag
Logistikdaten
Wiring description Arbeitsplatzdaten
Das Produkt als Teil eines
(industriellen)
Gesamtsystems
„Industrie 4.0“ Produktion:
Verschmelzen der Funktionen,
BFlow
Planung und Steuerung
Design Data (kundenneutral)
electrical tools Bereitstellung
Einrüstung
Inspektion
23. Juni 2016 24Fazit
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Die klassische Entwicklungsarbeit im Hubschrauberbau fokussierte bisher sehr stark
auf die Produktentwicklung.
Kongress Produktionsforschung 2016, Innovative Strategien für neue Leichtbaukonzepte 23. Juni 2016 - Andreas Stöckle
Die Entwicklung von Industriellen Systemen (Automatisierung, etc.) spielte wegen der
geringen Stückzahlen eher eine untergeordnete Rolle.
Die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit von AIRBUS HELICOPTERS wird massiv von der
Industriellen Exzellenz abhängen.
Durch „INDUSTRIE 4.0“ werden diese komplexen Systeme (die in kundenspezifischer
Kleinserie gefertigt werden) beherrschbar.
23. Juni 2016 25Fachtagung Carbon Composites 2014 ; Andreas Stöckle; AIRBUS HELICOPTERS © Airbus Helicopters rights reserved
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