Ariane 6: Präzision, die durchstartet

Am 9. Juli 2024 war es so weit: Die neue Ariane-6-Rakete startete erfolgreich vom «Weltraumbahnhof» Kourou in Französisch-Guyana und erfüllte ihre Mission, zahlreiche Satelliten im Orbit für Forschungszwecke zu platzieren. Die ArianeGroup entwickelte die 62 Meter lange Schwerlast-Trägerrakete Ariane 6 im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Damit ist Europas eigenständiger Zugang zum Weltraum gesichert.

Nach dem Erststart hat sich im März 2025 die nächste Ariane-Trägerrakete auf den Weg ins Weltall gemacht. Dazu benötigt sie mehr als 140 Tonnen Treibstoff aus Wasser- und Sauerstoff. Den Boden und Deckel der vier Treibstofftanks bilden sogenannte Domsegmente aus einer speziell für diesen Zweck hergestellten Aluminiumlegierung. Diese kuppelförmigen Bauteile zählen zu den am stärksten beanspruchten Teilen der Rakete und bestehen aus mehreren verschweissten Paneelen. Damit die Bauteile den hohen Belastungen während des kurzen Fluges ins All standhalten, müssen sie vor dem Verschweissen masshaltig und frei von Rissen und Eigenspannungen sein. Dies geschieht durch das sogenannte «Peen Forming» oder Kugelstrahlen. Bei diesem Umformprozess wird ein Bauteil – ähnlich dem klassischen Schmieden – durch den intensiven Beschuss mit unterschiedlich grossen Stahlkugeln in Form gebracht.

Kugelstrahlen ist ein sehr anspruchsvoller Prozess, erklärt Alexander Hoschka, Projektleiter bei MT Aerospace: «Die Kugeln werden mit Druckluft präzise und in exakt definierter Menge auf das Bauteil geschossen. Die Kunst ist es, alle Prozessparameter wie Durchflussmenge, Prozessdruck, Kugelgeschwindigkeit und Düsenführung entlang des Werkstücks im Griff zu haben. Da mit dem Fortschreiten der Umformung punktueller gestrahlt wird, müssen die Roboter den Strahl innerhalb von 0,1 Sekunden von der Werkstückoberfläche weg- und zurückbewegen.» Ein patentiertes Dosiersystem regelt die Durchflussmengen der Kugeln. Es ist für Durchflussmengen bis zu 30 kg/min ausgelegt und fünf verschiedene Kugeldurchmesser bis 10 mm können ohne Umstellung verarbeitet werden. Wichtig ist, zerbrochene Kugeln oder allenfalls auch Fremdteile wie Schrauben umgehend aus dem Prozess zu entfernen, sie könnten sonst zu irreparablen Schäden am Raketenteil führen.

Entwickelt hat dieses spezielle Verfahren die Firma MT Aerospace. Der Technologieführer für Leichtbau-Strukturen aus Metall und Composite Materialien stellt die Domsegmente im bayrischen Augsburg her. «Die Anlage ist weltweit einzigartig», verrät Hoschka. «Wir haben speziell für diese Aufgabe verschiedene Partner an Bord geholt.» So wurde das Strahlprozesstechnikunternehmen Sentenso mit dem Bau einer Testmaschine beauftragt, um den Peening-Prozess zu entwickeln. Der Datenspezialist Nebumind nutzte die so gewonnenen Erkenntnisse, um ausgeklügelte Algorithmen für die automatische Generierung der Peening-Programme zu implementieren und um den Prozess zu überwachen. Parallel dazu hat der Maschinenbauer Freymatic in enger Zusammenarbeit mit MT Aerospace und TBM Automation die Kugelstrahlanlage inkl. dem Teilehandling entwickelt und gebaut.

Für das Herzstück der Anlage, den anspruchsvollen Dosierprozess der Kugeln, war das Automatisierungsunternehmen TBM Automation zuständig. Dazu Geschäftsführer Silvester Tribus: «Wir mussten dafür sorgen, dass die Anlage in den Strahldüsen jederzeit die richtige Menge Kugeln mit der richtigen Geschwindigkeit zur Verfügung stellt. Zudem werden die Kugeln wiederverwendet und müssen entsprechend automatisch sortiert werden.» Um diese und zahlreiche weitere Funktionen wie das komplexe Transportsystem, Schutzmechanismen, die Entfernung defekter Kugeln sowie die beiden Roboter in die Anlage zu integrieren, setzt das Unternehmen aus dem Rheintal verschiedene Siemens-Komponenten ein. In der Anlage sind vier Simatic-Steuerungen mit diversen Peripheriegeräten am Werk. Siwarex Mess- und Wägesysteme überwachen präzise die Kugelmenge. Weiter sorgen 16 Stück G120-Antriebe, mehrere HMI, RFID-Systeme und eine unterbrechungsfreie Sitop-Stromversorgung für reibungslose Abläufe.

Die Steuerungen und Roboter liefern ihre Daten über eine OPC-UA-Verbindung an einen Edge-Computer. So stehen alle Prozessdaten der Anlage für die KI-gestützte Auswertung und Programmkorrektur zur Verfügung. Die Automation haben die TBM-Fachleute vollständig im TIA Portal realisiert. «Diese Plattform ermöglicht eine komfortable Programmierung, Konfiguration und Überwachung von Automatisierungssystemen. Sie ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Bei uns arbeiten vier zertifizierte TIA-Programmierer», sagt Hubert Mathis, Projektverantwortlich für die Hardware bei TBM. TBM Automation zählt seit 2012 zu den Siemens Solution Partnern, die über fundiertes Fachwissen und Erfahrung im Einsatz von Siemens-Technologien und -Produkten verfügen

Die Bauteile werden nach ihrer Fertigung gründlich geprüft. Um ihre Qualität jederzeit lückenlos nachweisen zu können, wird auf der von Nebumind entwickelten Datenbank von jedem Domsegment ein digitaler Zwilling abgelegt. Er enthält die Messdaten der unzähligen in der Maschine verbauten Sensoren und gibt Auskunft über alle Achsstellungen der Roboter. Sollten bei der externen Qualitätskontrolle Ungereimtheiten auftreten, lassen sich so alle Vorgänge exakt nachvollziehen. Die grosse Datenmenge soll zudem wertvolle Informationen für die Entwicklung künftiger Produkttypen liefern.

Bald wird die nächste Ariane-6-Rakete die Erde verlassen und ihre Dienste im All tun. Viele weitere Weltraummissionen sollen folgen. Die Nachfrage nach Raketen-Startsystemen sei derzeit hoch, sowohl bei den institutionellen als auch bei den kommerziellen Kunden von MT Aerospace, gibt Hoschka preis: «Wir sind stolz auf das erfolgreiche Projekt, das dank der innovationsfreudigen Zusammenarbeit aller Beteiligten im wahrsten Sinne des Wortes durchgestartet ist.»