Expertos:El aumento de la automatización es fundamental para satisfacer la demanda de aeronaves

Solo las necesidades comerciales durante los próximos 20 años sugieren una duplicación de las tasas de producción

Antes de que la pandemia de coronavirus trastornara la vida normal y esencialmente cerrara los aviones comerciales, la industria de la aviación tenía una necesidad proyectada de 40 000 aviones nuevos (aviones, helicópteros, taxis aéreos y vehículos aéreos no tripulados) en los próximos 20 años. El volumen incluye reemplazos para embarcaciones que envejecen fuera de servicio después de una vida útil promedio de 25 a 30 años y se suma a una acumulación de aproximadamente ocho años.

Si la demanda de vuelos vuelve a su nivel anterior una vez que disminuyan las restricciones relacionadas con la pandemia, la única forma de satisfacer la necesidad proyectada es a través de una mayor automatización, dijeron algunos expertos de la industria.

A diferencia de muchos otros sectores, la industria de la aviación es una en la que el trabajo manual es común porque no existen procesos de fabricación alternativos actuales que sean factibles. Pero considerando el registro de Statista de aumentos año tras año en la demanda entre 2006 y 2019 para la demanda mundial de pasajeros del tráfico aéreo (los aumentos oscilaron entre el 2,4 % y el 8,1 %, excepto en 2009, en el punto álgido de la Gran Recesión) y otros factores, se necesita una mayor eficiencia. obligatorio si la industria va a mantenerse al día.

Los investigadores están tratando de descubrir cómo automatizar algunos procesos, como la disposición manual. Pero hay otras medidas automatizadas que están disponibles actualmente, incluida la proyección de instrucciones para el montaje en estaciones de trabajo y para procesos automatizados de sellado, sujeción, marcado y manipulación de materiales.

Solo las necesidades de la aviación comercial requerirían una duplicación efectiva de las tasas de producción, dijo John D. Russell, jefe de la rama de tecnología de estructuras en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.

Además de los aviones comerciales, el ejército está explorando aviones atractivos que podrían producirse por miles.

Finalmente, el concepto de aerotaxi ha estado ganando terreno de las empresas de aviación tradicionales y empresas como Uber y requeriría aún más producción.

“Para cualquiera de estos casos individualmente, escuché de mis contactos en la industria que EE. UU. no tiene la capacidad actualmente”, dijo Russell, advirtiendo que su información es de antes de que el virus llegara a todo el mundo. “Si los tres se hacen realidad al mismo tiempo, la industria tendrá que ser creativa sobre cómo resolver el problema de la capacidad.

“La gran alternativa que escucho es el uso de la automatización para aumentar la productividad y el rendimiento, especialmente para la aviación comercial. Las empresas están investigando cualquier forma en que la automatización pueda mejorar las cosas, desde la fabricación de piezas hasta el ensamblaje. Escuché que el gasto de capital para la automatización es menor que el de agregar nuevas líneas de producción”.

Russell dijo que no le sorprendería ver que la industria de los taxis aéreos busque producción en el extranjero porque es probable que el precio del vehículo sea un gran impulsor de su modelo de negocio. Tiene dudas de que veamos la deslocalización de la aviación comercial porque es probable que la industria se adhiera a las relaciones establecidas con los proveedores debido al alto nivel de habilidad involucrado para la fuerza laboral. Obviamente, la deslocalización no sería una opción para ningún vehículo militar, señaló.

Entregar 40 000 aviones en 20 años requeriría producir 2000 aviones por año, mucho más que las entregas antes de la pandemia.

Se generó un retraso en las entregas cuando los fabricantes no pudieron equiparse lo suficientemente rápido para satisfacer la mayor demanda creada por un repunte en el transporte aéreo.

Además, los consumidores ahora ven los viajes aéreos como una necesidad en lugar de un lujo y tienen los medios para pagar los viajes personales.

Como resultado, las aerolíneas comerciales ampliaron sus ofertas para brindar flexibilidad en los horarios de despegue a esos consumidores hambrientos de vuelos.

Boeing tenía una cartera de pedidos de 5049 aviones el 1 de mayo, mientras que los pedidos pendientes de Airbus se habían acumulado hasta 7650 al 31 de marzo.

Antes de la pandemia, se esperaba que la reactivación de la competencia entre Boeing y Airbus diera como resultado una entrega récord de sus populares plataformas de fuselaje estrecho y un crecimiento interanual del 9,4 % en la producción en 2019. Se proyectaba que Boeing y Airbus producirían más de 1750 aviones el año pasado, frente a las 1606 unidades en 2018, según un comunicado de prensa de mediados de junio de 2019 de la firma de investigación y análisis Frost &Sullivan.

Sin embargo, en agosto, otros estaban recortando esos números.

La producción mundial de aviones se redujo en una cuarta parte después de la puesta a tierra del avión 737 Max de Boeing en marzo de 2019 luego de dos accidentes fatales, según un artículo del periódico The Guardian. ADS, el grupo de cabildeo aeroespacial británico, dijo que se entregaron 88 aviones en julio de 2019, un 24 por ciento menos que las entregas durante el mismo mes del año anterior, y la caída se debió en gran parte a la caída en la producción de aviones de pasillo único como el 737.

A fines del año pasado, Airbus y Boeing combinados habían entregado 1243 aviones.

La industria está actuando para aumentar esos números.

“Los dos mayores fabricantes de aviones comerciales, Boeing y Airbus, están invirtiendo mucho dinero adicional para aumentar la tasa de producción”, dijo Bill Bigot, vicepresidente de desarrollo comercial para la industria aeroespacial y de defensa de JR Automation.

A fines del año pasado, en Hamburgo, Alemania, Airbus implementó su línea de ensamblaje altamente automatizada de estructura de fuselaje de la Familia A320.

La nueva instalación cuenta con 20 robots, un nuevo concepto de logística, posicionamiento automatizado por medición láser, así como un sistema de adquisición de datos digitales, dijo la compañía.

Además del uso de robots, Airbus también está implementando nuevos métodos y tecnologías en la logística de materiales y piezas para optimizar la producción, mejorar la ergonomía y acortar los plazos de entrega. Esto incluye la separación de los niveles de logística y producción, el reabastecimiento de material orientado a la demanda y el uso de vehículos guiados autónomos.

Sin embargo, casi al mismo tiempo, Boeing finalizó un esfuerzo de automatización total de cuatro años en su fábrica de Everett, Washington, que usó brazos robóticos para insertar sujetadores en dos secciones principales del fuselaje de sus aviones 777 y el 777X, optando en cambio por la inserción manual por mecánicos expertos.

Los robots todavía perforan los orificios para los sujetadores en un sistema automatizado de "pista flexible", lo que da como resultado un proceso combinado humano-robótico, según informes publicados.

Sin embargo, el esfuerzo puede dar sus frutos al final.

Los intentos fallidos de usar la robótica le enseñaron a Boeing algunas lecciones valiosas de su "primera inmersión muy profunda en ese tipo de tecnología", dijo Jason Clark, vicepresidente de Boeing que supervisa la producción del 777X, a Los Angeles Times. "Nos enseñó cómo diseñar para la automatización", se citó a Clark en un artículo de noviembre.

El nuevo método crea menos desgaste para los trabajadores ya que las máquinas desarrolladas por Electroimpact Inc. manejan una de las tareas más exigentes físicamente del ensamblaje del fuselaje:taladrar agujeros a través del metal, según el artículo del Times.

Además, "Rediseñamos partes de la construcción para reemplazar los remaches con formas de sujetadores menos difíciles, mejorando aún más la ergonomía", dijo un portavoz de la compañía.

No todas las medidas para aumentar la producción incluyen nuevas líneas y robots.

En su planta de North Charleston, Carolina del Sur, Boeing:equipó a los mecánicos con exoesqueletos diseñados para reducir la tensión del trabajo sostenido por encima de la cabeza; implementó llaves inteligentes habilitadas para Bluetooth para garantizar que los trabajadores apliquen el par correcto a una tuerca y usen la realidad virtual para que los mecánicos prueben nuevas herramientas, según Reuters.

¿Pueden los robots hacerse cargo de colocar las manos?

Antes de que las estructuras de fuselaje se envíen a Hamburgo o a las fábricas de Boeing en el estado de Washington, se fabrican en procesos de fabricación de compuestos automatizados (ACM), incluida la colocación automática de fibra y la disposición de cinta automatizada.

ACM es adecuado para piezas medianas o grandes como fuselajes, alas y mamparos que también son planos o ligeramente contorneados.

Pero las piezas compuestas pequeñas y medianas se fabrican a mano, un proceso muy ineficiente que desperdicia mucho material.

Esto es un gran problema porque estas piezas (clips, soportes, vigas en I y puertas de acceso) pueden representar hasta la mitad del peso de una estructura y se cuentan por miles para un solo plano.

“Además, estas partes que tienen que colocarse a mano deben cortarse y lanzarse, apretarse, lo que sea”, dijo Les Cohen, un consultor de materiales compuestos. "Eso significa que su relación de compra por vuelo puede ser un factor de 2:si está trabajando con un material que cuesta $ 40 por libra, es efectivamente un material de $ 80 por libra".

Un equipo de la Universidad del Sur de California completó recientemente un proyecto de demostración para automatizar la bandeja con brazos robóticos.

Si bien no es automatización, todavía hay espacio para mejorar los materiales utilizados en la construcción de aviones.

La industria entiende que el tiempo que se tarda en esterilizar en autoclave las piezas en curso en las operaciones de reducción de volumen cada pocas capas junto con el curado de la pieza final lleva mucho tiempo. Las resinas de curado rápido que tienen las propiedades de las piezas curadas en autoclave pero sin el proceso de autoclave son la respuesta, pero no están disponibles, dijo Cohen. Con inversiones que promedian hasta cinco años y un costo estimado de $10 millones para desarrollar nuevos materiales, sin garantía de que serán aceptados, es comprensible que este desafío no se cumpla, dijo.

La cuarta revolución industrial tarda en despegar en la industria aeroespacial

La Industria 4.0, con su promesa de mayor productividad y calidad, también podría ayudar a impulsar la producción de aviación, pero la industria ha tardado en adoptar el mundo conectado, digitalizado y basado en datos de la cuarta revolución industrial.

“Diría que ahora las cosas se están poniendo en línea en producción y entregando resultados. Estamos muy metidos en esto y estamos justo en el punto en que podemos implementar esto a nivel de programa y realmente dar algo a una fábrica que afectará absolutamente su eficiencia”, dijo Andrew Purvis, gerente de proyectos de automatización y colocación de materiales compuestos. en Electroimpact Inc. “Cuando empiezas a obtener los datos y empiezas a calcular los números, empiezas a encontrar mucho oro en esa montaña de datos y muchas veces diamantes, cosas que realmente empiezan a aumentar tu producción.”

Maduro para la automatización es el lado de la calidad de la producción, dijo Purvis.

Electroimpact incorpora sistemas de control de calidad con tecnología de inspección que miden todo lo que hacen sus máquinas AFP mientras fabrican o imprimen una pieza. La inspección automática permite un proceso que la compañía llama "ajuste continuo".

“El sistema en realidad se mantiene calibrado observando lo que hace, y se sintoniza continuamente”, dijo. "Al igual que una máquina AFP o una impresora pueden mirar la salida con una cámara o sensores y decir 'Oye, noté que estás empezando a desviarte un poco, así que voy a compensar'".

En este punto, adoptar la Industria 4.0 es más una aspiración que un logro, en parte debido a las implicaciones de la ciberseguridad y la gestión de datos, dijo Mick Maher, presidente de la consultora Maher Associates.

“No creo que la industria aeroespacial lo esté recuperando más lentamente que cualquier otra industria”, dijo. “Creo que la Industria 4.0 aún es demasiado inmadura para entregarle las riendas en este momento. Dicho esto, la automatización es un componente clave de la Industria 4.0. Pero así como hay partes de la automatización que están maduras, como la colocación de cintas, la colocación de fibras, aún se requiere mucho desarrollo”.

Grandes ganancias por obtener

Randy Roukles, quien ha sido director técnico para la industria aeroespacial en JR Automation, estuvo anteriormente en Spirit Aerosystems, donde formó parte de un equipo para implementar la Industria 4.0 a principios de 2019.

La producción objetivo heredada en Spirit, una planta anterior de Boeing que se vendió en 2005, era de 21 aviones por mes en función de sus limitaciones físicas y tamaño, dijo Roukles. Antes de irse, la producción mensual de la planta era de 57 aviones, ayudada junto con turnos adicionales, más empleados y una mayor automatización, específicamente en la sujeción.

“Uno de los (últimos) proyectos antes de irme fue la recopilación de datos de Industry 4.0 sobre la utilización de equipos y eso realmente cambió el rostro de esa empresa al comprender qué estaba haciendo su equipo y qué era capaz de hacer”, dijo Rounkles. “Y tuvo un impacto significativo en el gasto de capital para tarifas futuras”.

“Incursionando en lo digital”

Se están realizando investigaciones en todo el mundo sobre la aplicación de la Industria 4.0 en la fabricación aeroespacial, pero la adopción es lenta y la producción actual de aeronaves es más analógica que digital, dijo Russell de AFRL.

"Las empresas están incursionando en lo digital para resolver puntos débiles específicos, como el seguimiento de activos, pero pocos fabricantes tienen un verdadero entorno de Industria 4.0 en toda la empresa", dijo.

En cuanto al estado actual de los componentes de la Industria 4.0, se está estudiando la fabricación aditiva para herramientas y piezas no estructurales, algunos procesos están automatizados con el uso de robots y, en lo que respecta al análisis de datos, se ha realizado I+D para vincular la inspección no destructiva los datos a los modelos originales para comprender el impacto de los defectos de fabricación en el rendimiento de las piezas, dijo Russell.

En el video publicado en YouTube, un brazo robótico Kuka con un rodillo en el extremo del brazo alisa la capa de compuesto preimpregnado sobre la capa anterior, mientras que dos robots con pinzas sujetan el material tenso a cada lado.

¿Cuántos artistas de colocación manual han deseado este equivalente de una tercera mano que se demostró en la grabación de la célula robótica inteligente?

La celda, y toda la tecnología detrás de ella, es un proyecto de demostración de Satyandra K. Gupta, profesor de ingeniería mecánica y ciencias de la computación en la Universidad del Sur de California, sus colegas y sus estudiantes. Hicieron la pieza basándose en sugerencias de Boeing, Lockheed Martin y United Technologies, con el objetivo de evaluar la viabilidad de la automatización. Los resultados de las pruebas de las piezas fabricadas con su automatización robótica se enviaron a las tres empresas, dijo Gupta.

“En este momento, el desafío clave que enfrentan todos en la industria aeroespacial es la escasez de mano de obra”, dijo.

Con brazos robóticos haciendo bandejas, un operador humano podría supervisar varias celdas a la vez, explicó. Esto no solo aumentaría la capacidad, sino que posiblemente eliminaría el paso de reducción en el proceso de fabricación de piezas y, al mismo tiempo, garantizaría la calidad.

Esto se debe a que, para una pieza crítica hipotética hecha de 100 capas de preimpregnado, la pieza en proceso debe embolsarse y someterse a una aplicación de vacío cada tres (o cinco) capas para garantizar que no haya huecos, para un total de 33 reducciones.

Pero con los robots, la presión de la herramienta robótica se puede medir, a diferencia de la mano humana, por lo que la calidad está asegurada y el proceso puede ser más rápido.

Automatizar el proceso no solo lo hace consistente y simplificado. La disposición manual es un trabajo tedioso que exige mucho esfuerzo físico.

Trabajando durante dos años y medio, Gupta y su equipo integraron los brazos robóticos con herramientas de extremo de brazo, visión artificial, detección de fuerza, algoritmos de inteligencia artificial, controladores avanzados y una interfaz hombre-máquina. Sus piezas de demostración consistían en hasta 15 capas de capas preimpregnadas estándar de fibra de carbono a base de epoxi.

La parte más desafiante de su trabajo fue integrar la visión artificial en tiempo real.

“Tienes que tomar la cámara para ver qué defectos se están formando”, dijo Gupta. “(Ahora) si el robot ve una arruga a veces tirará de la sábana para un lado, luego para otro…”

Cuando la celda encuentra un problema que no puede solucionar, alerta a un operador humano con un pitido, correo electrónico o mensaje de texto.

Pero eso es solo si es necesario.

"A veces, todo el proceso transcurre sin problemas", dijo Gupta.

¡Mira, mamá, sin manos! (Las herramientas de fin de brazo hacen una disposición automática de preimpregnado)

La adición que Rego-Fix abrió hace tres años incorpora funciones avanzadas de conservación de energía y recursos naturales. Estos incluyen un sistema especial de ventilación de intercambio de aire, calefacción de pellets de madera, múltiples unidades progresivas de aire acondicionado, un techo "verde" y el uso de iluminación natural y controlada por sensores.

El sistema de ventilación de intercambio de aire intercambia el aire dentro del nuevo edificio siete veces por hora. Extrae el calor residual de la planta de fabricación, calor generado principalmente por el gran equipo compresor de aire necesario para las máquinas herramienta de la empresa. Durante los meses fríos, que representan el resto del año, el calor residual recuperado se utiliza para calentar el aire fresco entrante que el sistema extrae del exterior del edificio y circula hacia la planta de fabricación.

Además, el agua circulante en un sistema cerrado ayuda a mantener fríos los compresores de aire del piso de fabricación durante la operación. En el proceso de enfriamiento, el agua se calienta y esta agua calentada se almacena en un tanque de 1849 gal (7007 l). Esta agua se usa para ayudar a calentar aún más el edificio a través de un sistema de calefacción integrado en los pisos de las áreas de oficinas del edificio.

La instalación también incorpora un sistema de calefacción de 390 kW que quema pellets de madera en lugar de combustibles fósiles. Los pellets son un subproducto de las industrias maderera y mueblera, comunes en la zona. El sistema consume cantidades muy pequeñas de pellets porque funciona como respaldo a las otras fuentes de calor y se recurre solo cuando las temperaturas exteriores son extremadamente bajas.

Durante los veranos, un sistema de aire acondicionado de tres unidades de tipo progresivo de ahorro de energía que trabaja junto con el sistema en el piso y el sistema de intercambio de aire, mantiene la adición fresca. La unidad de intercambio de aire extrae el calor del edificio y el agua fría circula a través del sistema del piso.

Si la temperatura dentro del edificio sube por encima de un cierto nivel, una de las unidades del sistema de aire acondicionado progresivo se encenderá para respaldar el sistema de piso y la unidad de intercambio de aire. Las unidades de aire acondicionado están reguladas por rpm, por lo que si los niveles de temperatura continúan aumentando, obligando a la primera unidad de aire acondicionado a exceder su límite, se activará la segunda unidad de aire acondicionado en el sistema. Y a su vez si la segunda unidad llega a su límite de rpm, la tercera unidad se activa. Una vez que el edificio comience a enfriarse, las unidades de aire acondicionado individuales se apagarán en secuencia inversa.

Las paredes exteriores del edificio están completamente aisladas. A diferencia de los diseños de techo típicos, el que eligió Rego-Fix es bastante inusual con altas propiedades aislantes. Conocido como un techo "verde" o "plantado", está cubierto con tierra que tiene césped real creciendo en él. Además de su valor de aislamiento, el techo captura el agua de lluvia que luego se recolecta en un tanque de 13 200 gal (50 000 l) y se usa para descargar los inodoros en los baños del edificio.

Combinadas, todas las características de calefacción y refrigeración del edificio proporcionan temperaturas ambientales estables y constantes dentro del área de fabricación. Esto tiene un beneficio de fabricación crítico. La temperatura constante ayuda a mantener una precisión constante de la máquina herramienta para producir los sistemas portaherramientas de alta precisión de la empresa.

Para un mayor ahorro de energía, el nuevo edificio de fabricación cuenta con muchas ventanas grandes con aislamiento de triple panel que dejan entrar abundante luz natural. Además, las ventanas están equipadas con persianas que se abren y cierran automáticamente. Esta es una gran ayuda para mantener el edificio fresco en el verano. Si bien las pantallas bloquean mucho el calor, están perforadas para dejar pasar la luz.

Cuando se necesita iluminación adicional, se utilizan luces de ahorro de energía tipo LED, junto con activación de control de movimiento. No hay interruptores de pared en el edificio, y las luces se encienden solo cuando las áreas están ocupadas y luego se apagan cuando no lo están.