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Luftfahrtforschung

Die Zukunft des Flugzeugbaus

Airbus und Boeing schrauben ihre Produktiosraten immer weiter hoch. Um dabei effizienter zu werden, müssen die Flugzeugbauer den Fertigungsprozess neu denken.

Alle Bilder: Airbus/Stefan Kruijer

Produktion von Airbus: Der Flugzeugbau steht vor Veränderungen.

Die meisten Menschen denken sicher zuerst an das Flugzeug selbst: Form, Aerodynamik oder Antrieb. Insbesondere beim Design sehen wir jedoch seit Längerem recht wenig Revolutionäres. Bestes Beispiel ist das US-Start-up Boom Supersonic, dessen geplanter Passagierjet Overture spätestens nach dem in Farnborough präsentierten Facelift immer stärker der Concorde aus den 1960er-Jahren ähnelt.

Der Grund ist simpel: die Gesetze der Physik lassen sich einfach nicht verändern und so kennen wir bereits seit vielen Jahrzehnten für viele Flugzeugarten die mehr oder weniger optimalen Formen. Mehr Potenziale für Revolutionen in der Luftfahrt gibt es in Bereichen, die einem vielleicht nicht auf dem ersten Blick ins Auge springen. Beispielsweise in der Fertigung.

70 Flugzeuge pro Monat sind das Ziel

Mit welchen Herausforderungen der heutige Flugzeugbau umgehen muss, sehen wir insbesondere in Hamburg, der Heimat der Airbus-A320-Familie. Nach einem pandemiebedingten Dämpfer blickt man beim europäischen Hersteller wieder mit ausgeprägtem Optimismus in die Zukunft – und die prallen Orderbücher, insbesondere für das Single-Aisle-Segment und der fast konkurrenzlosen, in den Startlöchern stehenden Variante A321 XLR, scheinen den Optimisten Recht zu geben.

Schon bald möchte Airbus mehr als 70 Flugzeuge der A320-Familie pro Monat produzieren, selbst die Zahl 80 scheint plötzlich keine weltfremde Illusion mehr zu sein. Das wären etwa 40 Flugzeuge pro Monat allein aus Finkenwerder, denn im Werk in Hamburg wird die Hälfte aller Flugzeuge aus der A320-Familie ausgeliefert.

Früher undenkbare Produktionsraten

Für die Fertigung sind diese Zahlen bereits heute eine Herausforderung. Denn als der A320 in den 1980er-Jahren konzipiert wurde, hätten sich selbst die kühnsten Visionäre eine solche monatliche Rate nicht träumen lassen. Im Vergleich: vom allerersten Airbus, dem A300, wurden insgesamt 561 produziert, von der kleinen Schwester A310 lediglich 255. Schon heute ist die A320-Familie bei über 10.000 ausgelieferten Exemplaren angekommen.

In der Automobilindustrie kann man zwar über solche Raten nur schmunzeln. Doch bereits im Design-Prozess eines neuen Fahrzeugmodells ist klar, dass hiervon später bestenfalls Millionen Stück vom Band rollen werden. So wird die Fertigung auch meist vom ersten Schritt mitgedacht, die Werke sind auf hohe Raten mit hohen Automatisierungsgraden optimiert.

Wartezeit von acht Jahren für einen A320 Neo

Auch Airbus und Boeing haben ihre Fertigungsprozesse über die Jahre an höhere Raten angepasst. Dennoch wird in der Luftfahrt bis heute, grob gesprochen, erst das Flugzeug selbst entworfen und dann überlegt, wie sich dieses denn am besten produzieren lässt.

So treiben die vollen Auftragsbücher Hersteller wie Airbus mittlerweile vor sich her. Denn selbst bei deutlichen Ratensteigerungen werden Kunden, die heute einen A320 Neo bestellen, etwa acht Jahre auf ihr Flugzeug warten müssen. Boeing hat die schnellere Verfügbarkeit ihrer 737 Max inzwischen als Verkaufsargument entdeckt, doch auch in Seattle ist das Problem im Grunde das Gleiche. Wie ließe sich also die Fertigungsgeschwindigkeit weiter steigern?

Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine

Diese Frage hat sowohl eine menschliche als auch eine technologische Dimension. Zuerst die menschliche: Unabhängig davon, dass qualifiziertes Personal allein schon aus demografischen Gründen zunehmend schwer zu bekommen (und zu halten) ist, sind einige Tätigkeiten in der Flugzeugfertigung mit signifikanten körperlichen Anstrengungen verbunden. Etwa in der Kabineninstallation: Hier müssen die Werker regelmäßig rund 30 Kilogramm schwere schwere Gepäckfächer-Module stemmen, während eine andere Person diese verschraubt.

Bei einer Produktionsrate von sieben Flugzeugen pro Monat sind diese Arbeitsschritte vielleicht noch zumutbar, bei 70 jedoch nicht mehr. Wie der Mensch hier künftig unterstützt werden kann, ist daher ein wesentlicher Gegenstand der aktuellen Forschung. Ein Beispiel sind sogenannte Exoskelette, die unter anderem von der Helmut-Schmidt-Universität mit entwickelt wurden und die sich ähnlich wie ein Anzug über den Körper streifen lassen. Sie unterstützen die Menschen in den Arbeitsprozessen in der Halle, sodass auch schwere Lasten problemlos von einer Person gehoben werden können, ohne dass ergonomische Risiken eingegangen werden. Der Mensch bleibt dabei voll beweglich, ist also nicht, wie es dystopische Hollywoodfilme anmuten würden in seinem Exoskelett gefangen.

Flugzeugbau ist noch immer Manufaktur

Apropos Dystopie: Eine immer wieder geäußerte Angst, wenn es um die Zukunft der Produktion geht, ist der vermeintliche Konkurrenzkampf zwischen Mensch und Maschine bei konkreten Fertigungsaufgaben. Für die Luftfahrt können wir jedoch sehr sicher sagen: das Gegenteil ist der Fall. Die Produktionsschritte in der Fertigung werden zukünftig von Mensch und Maschine gemeinsam vorgenommen werden und das ist gut so.

Schließlich gibt es eine Reihe von Tätigkeiten im Flugzeugbau, die von einem Roboter schneller und präziser gemacht werden können (beispielsweise Nietverfahren im Rumpf) und die zudem viele Menschen gerne an Kollege Roboter abtreten würden, da sie ebenfalls körperlich stark belastend sind (auch hier beispielsweise beim Nieten: das Arbeiten über Kopf oder auf dem Rücken liegend in engen Rumpfsektionen). Gleichzeitig ist der Flugzeugbau weiterhin zu sehr Manufaktur, als dass sich wie im Automobilbau ein großflächiges Umschwenken auf automatisierte Verfahren lohnt. Durch Automatisierung wird jedoch auch in der Luftfahrt Raum für parallele andere Tätigkeiten durch den Menschen geschaffen, wo durch eine nochmalige Beschleunigung und Effizienzsteigerung ermöglicht werden kann.

Großes Potenzial für Künstliche Intelligenz

Ein neben Robotik und Automatisierung weiterer potenzialträchtiger Bereich ist die Künstliche Intelligenz. Insbesondere im Qualitätsmanagement können KI-Technologien schon heute eine deutliche Steigerung der Effizienz von Prüfverfahren bei gleichzeitiger Reduzierung der Fehlerquote erwirken. Wo jahrzehntelang mit Messschiebern, Zetteln und Klemmbrettern geprüft und dokumentiert wurde, können nun Tablets in Kombination mit Smart Glasses oder Smart Gloves zum Einsatz kommen.

Im Idealfall muss ein Bauteil damit nur in die Hand genommen werden, um eine Qualitätsprüfung durchzuführen, und die Dokumentation steht unmittelbar digital, transparent und dauerhaft zur Verfügung. Selbst eine Kunde, der das Flugzeug 30 Jahre später betreibt, kann mittels dieses «digitalen Zwillings» theoretisch noch auf Daten von konkreten Bauteilen zurückgreifen. Regale voller Aktenordner für jedes ausgelieferte Flugzeug wären passé.

Produktion von Anfang an mitdenken

Auch der Fertigungsprozess selbst generiert immer mehr Daten: Smart Tools erschließen neue Niveaus im Qualitätsmanagement, indem neben groben Mängeln selbst Verschleißerscheinungen von Werkzeugen durch nanometergenaue Abgleichung von Bohrlöchern oder Umdrehungen nun früh diagnostiziert und behoben werden können – genauso ein unsauberes Arbeiten vom Menschen. Die Produktion wird so effizienter und gleichzeitig günstiger, da weniger nachgearbeitet werden muss.

Noch spannender ist der Blick in die etwas fernere Zukunft, etwa für den potenziellen Nachfolger der A320-Familie. Hier könnte man zum ersten Mal in der Geschichte des Verkehrsflugzeugbaus von Anfang an auch die Fertigung in hohen Raten in der Entwicklung mitdenken, um die Flugzeugproduktion nicht nur schneller, sondern auch kostengünstiger zu gestalten.

Keine Zukunft für den linearen Produktionsprozess

Das Flugzeug würde damit noch attraktiver für Airline-Kunden, Orders und Auslieferungen könnten dann noch einmal weiter ansteigen. Aber speziell auch neue Technologien wie Wasserstoff-Nutzung könnten somit schneller und kostengünstiger in entsprechenden Stückzahlen in den Markt gebracht werden, um die Klimaziele der Luftfahrt zu erreichen.

Das wesentliche Stichwort bei so einer möglichen Neuausrichtung der Fertigung lautet Flexibilität. Noch immer sind Fertigungsstraßen im Flugzeugbau linear aufgebaut. Wenn es an einer Station stockt, bleibt schlimmstenfalls der ganze Produktionsprozess stehen. Zudem sind an vielen Stationen aufwendige Aufbauten installiert und im Hallenboden verankert, die sich nicht einfach verändern lassen – und wenn, dann ist der Umbau dauerhaft.

Sehr volatile Zeiten

Welche Herausforderungen die derzeitigen Layouts der Hallen mit sich bringen, konnte man bei Airbus bei der Umstellung der A321neo-Rumpfgestaltung auf das neue ACF-Design (unter anderem mit zwei neuen Notausstiegen über der Tragfläche, dafür einer Passagier-Tür weniger) bereits sehen.

Dazu zeigen allein die letzten drei Jahre, in welch volatilen Zeiten wir mittlerweile leben. Sicher geglaubte Zulieferwege können förmlich über Nacht ausfallen und benötigte Teile damit plötzlich fehlen (Havarie der Ever Given im Suez-Kanal, Ukraine-Krieg, …) und nicht zuletzt die ersten Wochen der Corona-Pandemie zerstörte in vielen Branchen sämtliche bestehende Langfrist-Planungen. Dass sich unsere Branche nun mit so viel Optimismus erholt, ist ein tolles Zeichen, doch das Re-Ramp-Up kommt mit viel Geknirsch daher.

Digitale Prozesse statt feste Hardware

In einem flexibler gestalteten Fertigungsprozess könnte man die Produktionshalle dagegen grundsätzlich als leeres Spielfeld denken und mehr Schwerpunkte auf digitale Prozesse statt auf feste Hardware legen. Ein fehlendes Bauteil an Station X würde somit nicht mehr den kompletten Fertigungsprozess zum Stillstand bringen, da sich andere Produktionsschritte vorziehen ließen.

Theoretisch könnten sogar mehrere Flugzeugfamilien in der gleichen Halle gefertigt werden, auf unvorhergesehene Ereignisse wie eine Pandemie oder Wirtschaftskrise könnte viel schneller und effizienter reagiert werden. Hier käme der Flugzeugindustrie sogar zugute, dass sie mit deutlich geringeren Stückzahlen und komplexeren Einzelarbeitsschritten arbeitet als die Automobilindustrie, die durch die hohe Taktzahl wesentlich stärker an einer schnellen Abfolge von Arbeitsschritten hängt.

Informationen in der Cloud statt im Aktenordner

Im Büroleben lässt sich ein Trend zu mehr Flexibilität übrigens schon seit Längerem sehen: Shared Desks ersetzen immer mehr die fest zugeordneten Schreibtische, Informationen liegen zunehmend in der Cloud und nicht länger im Aktenordner hinten links vor dem Pausenraum. Zum Glück! Digitale Prozesse vereinfachen und beschleunigen vieles – und mit einer neuen Flugzeuggeneration könnte auch in der Luftfahrt «Industrie 4.0» noch einmal ganz neu gedacht werden.

Bis dahin werden aber noch viele A320 Neo und Boeing 737 Max vom Band beziehungsweise aus den Manufakturen rollen. Durch die immer höheren Raten gibt es jedoch immer weniger Möglichkeiten, in den bereits existierenden Produktionsprozess einzugreifen, um diesen weiter zu optimieren. Ein zentraler Grund, warum wir in Hamburg das ZAL Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung gebaut haben. So können Industrie 4.0 Anwendungen bis zur Serienreife getestet werden, bevor sie dann in den «laufenden Operationsprozess» integriert werden. Beim Ramp-Up für den neuen Airbus A321 XLR beispielsweise hat sich dieser Prozess bereits hervorragend bewährt.

Der Mensch bleibt im Mittelpunkt

Was jedoch auch bei uns sichtbar wird: Bei allen Entwicklungen rund um Automatisierung, Robotik und künstliche Intelligenz bleibt der Mensch im Mittelpunkt. Flugzeugbau wird auch im 21. Jahrhundert ein Stück Manufaktur sein, von gut ausgebildeten Menschen mit Leidenschaft und unterstützt vom neuesten Stand der Technologie. In Zeiten wie diesen finde ich eine solche Zukunftsperspektive besonders schön.

Roland Gerhards ist freier Kolumnist von aeroTELEGRAPH. Er ist Geschäftsführer des Zentrums für Angewandte Luftfahrtforschung ZAL in Hamburg. Die Meinung der freien Kolumnisten muss nicht mit der der Redaktion übereinstimmen.