Ariane 6: Präzision, die sich durchsetzt

Am 9. Juli 2024 war es soweit: Die neue Ariane-6-Rakete wurde erfolgreich vom „Weltraumbahnhof“ Kourou in Französisch-Guayana gestartet und erfüllte ihre Mission, zahlreiche Satelliten zu Forschungszwecken in die Umlaufbahn zu bringen. ArianeGroup entwickelte die 62 Meter lange Schwerlast-Trägerrakete Ariane 6 im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Das sichert Europas unabhängigen Zugang zum Weltraum.

Nach dem ersten Start fand die nächste Ariane-Trägerrakete im März 2025 ihren Weg ins All. Dafür benötigt es mehr als 140 Tonnen Treibstoff aus Wasserstoff und Sauerstoff. Der Boden und die Oberseite der vier Kraftstofftanks bestehen aus sogenannten Kuppelsegmenten aus einer speziell für diesen Zweck hergestellten Aluminiumlegierung. Diese kuppelförmigen Bauteile gehören 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 Schweißen maßgenau und frei von Rissen und Eigenspannungen sein. Dies wird durch sogenanntes „Penformen“ oder Kugelstrahlen erreicht. Bei diesem Umformprozess wird ein Bauteil — ähnlich wie beim klassischen Schmieden — durch intensiven Beschuss mit Stahlkugeln unterschiedlicher Größe geformt.

Das Kugelstrahlen ist ein sehr anspruchsvoller Prozess, erklärt Alexander Hoschka, Projektmanager bei MT Aerospace: „Die Kugeln werden mit Druckluft präzise und in exakt definierten Mengen auf das Bauteil geschossen. Die Kunst besteht darin, alle Prozessparameter wie Durchflussrate, Prozessdruck, Kugelgeschwindigkeit und Düsenführung entlang des Werkstücks zu kontrollieren. Da die Formgebung durch gezielteres Strahlen voranschreitet, müssen die Roboter den Strahl innerhalb von 0,1 Sekunden von der Werkstückoberfläche weg und zurück zur Werkstückoberfläche bewegen.“ Ein patentiertes Dosiersystem reguliert die Durchflussraten der Bälle. Es ist für Durchflussraten von bis zu 30 kg/min konzipiert und fünf verschiedene Kugeldurchmesser bis zu 10 mm können ohne Umrüstung verarbeitet werden. Es ist wichtig, zerbrochene Kugeln oder möglicherweise Fremdteile wie Schrauben sofort aus dem Prozess zu entfernen, da sie sonst zu irreparablen Schäden am Raketenteil führen könnten.

Dieses spezielle Verfahren wurde von MT Aerospace entwickelt. Der Technologieführer für Leichtbaukonstruktionen aus Metall und Verbundwerkstoffen produziert die Kuppelsegmente in Augsburg, Bayern. „Das System ist weltweit einzigartig“, verrät Hoschka. „Wir haben speziell für diese Aufgabe verschiedene Partner mit ins Boot geholt.“ Das Unternehmen für Strahltechnik Sentenso wurde beauftragt, eine Testmaschine zur Entwicklung des Strahlverfahrens zu bauen. Der Datenspezialist Nebumind nutzte die gewonnenen Erkenntnisse, um ausgeklügelte Algorithmen für die automatische Generierung von Strahlprogrammen zu implementieren und den Prozess zu überwachen. Parallel dazu entwickelte und baute der Maschinenbauer Freymatic in enger Zusammenarbeit mit MT Aerospace und TBM Automation das Kugelstrahlsystem einschließlich der Teilehandhabung.

Das Automatisierungsunternehmen TBM Automation war für das Herzstück des Systems verantwortlich, den anspruchsvollen Dosiervorgang der Bälle. Geschäftsführer Silvester Tribus erklärt: „Wir mussten sicherstellen, dass das System immer die richtige Menge an Bällen mit der richtigen Geschwindigkeit in die Strahldüsen bringt. Außerdem werden die Bälle wiederverwendet und müssen automatisch entsprechend sortiert werden.“ Um diese und zahlreiche andere Funktionen wie das komplexe Transportsystem, Schutzmechanismen, Entfernung defekter Bälle und die beiden Roboter in das System zu integrieren, verwendet das Unternehmen aus dem Rheintal verschiedene Siemens-Komponenten. Vier Simatic-Controller mit verschiedenen Peripheriegeräten arbeiten im System. Die Mess- und Wiegesysteme von Siwarex überwachen präzise die Ballmenge. Darüber hinaus sorgen 16 G120-Laufwerke, mehrere HMIs, RFID-Systeme und eine unterbrechungsfreie Sitop-Stromversorgung für einen reibungslosen Betrieb.

Die Steuerungen und Roboter liefern ihre Daten über eine OPC-UA-Verbindung an einen Edge-Computer. Dadurch stehen alle Prozessdaten des Systems für eine KI-gestützte Auswertung und Programmkorrektur zur Verfügung. Die TBM-Spezialisten haben die Automatisierung vollständig in TIA Portal implementiert. „Diese Plattform ermöglicht eine komfortable Programmierung, Konfiguration und Überwachung von Automatisierungssystemen. Es ist aus unserer täglichen Arbeit unverzichtbar. Wir haben vier zertifizierte TIA-Programmierer, die für uns arbeiten „, sagt Hubert Mathis, Projektmanager für Hardware bei TBM. TBM Automation gehört seit 2012 zu den Siemens Solution Partners, die über fundiertes Fachwissen und Erfahrung im Einsatz von Siemens-Technologien und -Produkten verfügen.

Die Komponenten werden nach ihrer Herstellung gründlich geprüft. Um ihre Qualität jederzeit lückenlos nachweisen zu können, wird ein digitaler Zwilling jedes Kuppelsegments in der von Nebumind entwickelten Datenbank gespeichert. Es enthält die Messdaten der unzähligen Sensoren, die in der Maschine installiert sind, und liefert Informationen über alle Achspositionen der Roboter. Sollte es bei der externen Qualitätskontrolle zu Inkonsistenzen kommen, können alle Prozesse exakt nachvollzogen werden. Die große Datenmenge sollte auch wertvolle Informationen für die Entwicklung zukünftiger Produkttypen liefern.

Bald wird die nächste Ariane-6-Rakete die Erde verlassen und ihre Dienste im Weltraum verrichten. Viele weitere Weltraummissionen werden folgen. Die Nachfrage nach Raketenstartsystemen ist derzeit hoch, sowohl bei institutionellen als auch bei kommerziellen Kunden von MT Aerospace, verrät Hoschka: „Wir sind stolz auf das erfolgreiche Projekt, das dank der innovationsfreundlichen Zusammenarbeit aller Beteiligten buchstäblich in Schwung gekommen ist.“