Revolucionando la fabricación de compuestos: herramienta AFP-XS ligera de Addcomposites

«Nuestro objetivo es reducir las barreras para la fabricación de compuestos», dice Pravin Luthada, CEO de Addcomposites. Addcomposites ha desarrollado una herramienta de colocación automática de fibra (AFP) que se monta en cualquier brazo robótico existente.

La AFP-XS está disponible para compra, pero también para alquiler. Es ligera, pesa 6,5 kg en vacío, y compacta. «La enviamos en una caja aproximadamente del tamaño de una torre de escritorio», dice Luthada. «Las cuchillas de corte de repuesto y consumibles también están incluidos en el coste de alquiler».

Para mí, esto tiene un alto potencial de disrupción y es casi inevitable a medida que la industria avanza hacia líneas de producción inteligentes Industry 4.0 y fábricas. Ya estamos viendo tales líneas establecidas por la asociación de Airborne con SABIC y el Factory 4.0 Testlab en la Universidad de Swinburne. También vemos la convergencia de AFP e impresión 3D y la combinación de múltiples procesos en sistemas o celdas automatizadas únicas (ej. AFP y bobinado de filamento, mecanizado CNC, tratamiento superficial láser y unión, etc.) para lograr nueva flexibilidad, multifuncionalidad y velocidad. Si Addcomposites tiene su camino, las grandes y costosas celdas AFP pronto podrían ser cosa del pasado.

Pasión por la fabricación de compuestos accesible

La visión para la herramienta AFP-XS de Addcomposites se originó hace varios años mientras su CEO trabajaba para la Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO). Notablemente, la India es uno de los mercados de más rápido crecimiento para compuestos, y sin embargo, «no hay sistemas AFP en la India que yo sepa», dice Luthada. «En ISRO, lanzamos una licitación para un sistema automatizado para fabricar compuestos, principalmente laminados y estructuras sándwich para satélites y vehículos de lanzamiento, pero todas las respuestas que recibimos eran demasiado caras. ISRO tuvo bastante éxito en sus programas espaciales, pero continuó fabricando la mayoría de sus productos compuestos usando colocación manual».

Así nació la pasión de Luthada por desarrollar fabricación de compuestos accesible. «En el camino a fundar Addcomposites, construí y desplegué máquinas de bobinado de fibra e impresoras 3D para plásticos y cerámicas». Cuando se mudó a Finlandia para cursar su Máster en la Universidad Aalto cerca de Helsinki, Luthada pudo iniciar un proyecto de investigación para hacer la automatización en compuestos más accesible. «Aalto no es tan fuerte en compuestos, pero son muy fuertes en fabricación digital, gracias al ecosistema de innovación abierta en Finlandia», explica. «Pudimos empezar de cero y repensar todo el diseño de la herramienta AFP, explorando cómo mantener el coste lo más bajo posible».

«Simplemente abordamos el problema de forma distinta a los proveedores actuales», dice Luthada. «Donde ellos construyen grandes y costosas celdas independientes, hemos desarrollado una herramienta que se enchufa y funciona en infraestructura existente —es decir, cualquier brazo robótico. Así, nuestros clientes no tienen que invertir en otra celda». Aún así, el equipo no estaba dispuesto a sacrificar calidad aeroespacial. Luthada señala que la herramienta AFP-XS es robusta, construida con piezas de alta calidad. «Nuestro principal esfuerzo fue en software y control».

Ecosistema abierto y adaptable para Composites 4.0

«Empezamos a ver cómo desarrollar software de programación offline», continúa. «Hablamos con Dassault Systèmes y Autodesk, entre otros, pero los sistemas se volverían demasiado caros para nuestros clientes. Así que miramos qué sistemas de software abierto existían. ¿El ganador? Rhino 3D. «Está disponible por una tarifa de licencia de por vida de unos 1.000 euros», dice Luthada. «También permite programación visual, lo que facilita escribir cambios personalizados dentro del programa, por ejemplo, crear un plan de movimiento basado en el lenguaje específico de cada máquina».

«Aunque intentamos ya proporcionar la mayor parte de lo que el usuario necesita», continúa, «el software ha sido diseñado para que los operadores puedan acceder a los controles y acceder a los datos. Conectar y controlar las herramientas AFP/ATL (colocación automática de cinta) disponibles actualmente a cualquier plataforma de movimiento existente como un brazo robótico o máquina CNC suele ser bastante desafiante. Los proveedores de ATL/AFP suelen restringir la E/S (entrada/salida) de la herramienta. Decidimos, sin embargo, usar controles EtherCAT, que operan como un tren de información de alta velocidad que corre constantemente entre los puertos E/S del controlador del brazo robótico y la herramienta. Los datos se recogen o entregan en cada estación basándose en comandos predeterminados para proporcionar acceso total, retroalimentación y control de la información transmitida entre el robot y la herramienta AFP-XS. Este enfoque permite control y comunicación en tiempo real para aplicaciones Industry 4.0».

Luthada señala que este ecosistema de apertura ofrece mucha flexibilidad. «Permitimos una accesibilidad muy alta para que cualquiera que trabaje con CAM (fabricación asistida por ordenador) pueda integrarlo en su plataforma robótica. Por ejemplo, puedes adaptar la AFP-XS para hablar con sistemas de monitorización en línea o con un bobinador de filamento robótico». Señala que los proveedores de automatización reconocieron lo que se ofrece desde el comunicado de prensa inicial de la empresa (véase «Addcomposites presenta AFP/ATL plug & play»). «Varios de ellos nos contactaron, queriendo integrar nuestro sistema en sus ofertas de celdas de fabricación». Aún más importante, señala Luthada, «nuestro diseño también hace que sea sencillo empezar y funcionar con este sistema».

La AFP-XS usa el software Addpath, una plataforma abierta basada en Rhino 3D.
FUENTE | Addcomposites

Materiales y especificaciones

La herramienta AFP-XS puede procesar fibra seca y cintas prepreg en anchos de 5 mm a 20 mm. «A medida que desarrollamos la herramienta, la hemos optimizado para cada material», explica Luthada. «Empezamos primero con fibra seca pero ahora trabajamos con prepreg termofijo y prepreg termoplástico de baja temperatura, es decir, materiales con Tg por debajo de 200 °C, como PLA y poliamida. Al correr cinta termoplástica, estamos mejorando el sistema para realizar consolidación in-situ (ISC)». Dice que la empresa pronto tendrá una buena cantidad de datos basados en un proyecto de cinta termoplástica ISC que lleva tiempo realizando. «También estamos corriendo prepreg termofijo fuera de autoclave (OOA) a finales de este mes».

Respecto a la herramienta, Addcomposites desarrolló cada componente con el objetivo de mantener costes bajos, pero logrando calidad aeroespacial. «Desarrollamos nuestro propio cortador», dice Luthada. «Tuvo muchas iteraciones, pero es extremadamente ligero, muy compacto y robusto. Actualmente cumplimos -0/+2 mm en precisión pero trabajamos para lograr tolerancias aún más ajustadas».

El bajo peso de todos los componentes es clave. «El peso de la herramienta es menos de 10 kg, variando solo por cuánta fibra el usuario quiera cargar en la bobina», dice el director de desarrollo de negocio de Addcomposites, James Kuligoski. Anteriormente ingeniero de calidad en Hexcel, añade: «Esto ayuda a minimizar el tamaño del robot necesario, y así reduce costes de equipamiento y operación».

Para calentamiento, la AFP-XS usa actualmente infrarrojos y aire caliente. «No usamos láseres porque son demasiado caros, además tienen costes de operación y mantenimiento más altos», señala Kuligoski. Esta es una razón por la que los termoplásticos de alta temperatura siguen en I+D. Sin embargo, Addcomposites también está explorando otras tecnologías de calentamiento que ofrezcan rendimiento pero sean asequibles.

AFP mediante Hardware-as-a-service (HaaS)

Addcomposites ofrece la AFP-XS para compra, pero también para alquiler a tarifas de 2.000 a 3.000 euros al mes según el periodo de alquiler. «Nuestra idea era que incluso como una pequeña startup o grupo de investigación, pudieras alquilar la herramienta para ayudar con el diseño de producción», explica Luthada. «Tienes tu FEA y diseño de pieza listos pero ahora necesitas optimizar para fabricabilidad. El diseñador puede solicitar una simulación de la fabricación de la pieza vía nuestra web. La empresa puede entonces alquilar la herramienta el tiempo necesario, enchufándola en un robot disponible. También podemos ayudar con proveedores locales de robots si es necesario. Cuando terminen, pueden devolver el equipo o comprarlo a precio reducido».

Para principios de 2020, Addcomposites quiere desplegar este programa en todos los países de la UE, empezando por Francia, Alemania, Polonia y el Reino Unido. «El próximo año queremos tener 20 herramientas en Europa y EE. UU.», dice Luthada.

Addcomposites ya ha usado la AFP-XS para trabajo de desarrollo en la industria espacial en Finlandia y trabajado con otra empresa finlandesa que desarrolla cintas termoplásticas. También acaba de completar un proyecto de automatización de fabricación con el mayor fabricante de compuestos de Finlandia y está realizando trabajos piloto iniciales para una empresa en EE. UU.

«Nuestro mercado incluye universidades y centros de investigación pero también empresas pequeñas y medianas que actualmente fabrican compuestos con colocación manual y quieren ganar experiencia en AFP y automatización», dice Kuligoski. «Podemos hacer pruebas y grabar la máquina mientras hace las piezas. Luego pueden alquilar y/o comprar la herramienta tras verla en uso en sus productos».

¿Cómo se compara?

Luthada concede que la salida de la herramienta AFP-XS no es aún tan alta como las grandes celdas vendidas actualmente por proveedores de sistemas AFP. «Pero no perdemos velocidad de colocación», contraargumenta. «Los materiales que procesamos son los mismos. Vemos mejores resultados con cintas que tienen baja variación, como todos. Pero en cuanto a la calidad de los laminados finales producidos, no hay diferencia». Como la empresa no infunde ni cura estos laminados finales, sino que suministra el equipamiento a fabricantes, aún está en proceso de recopilar datos de laminados. Con varios programas terminando ahora, señala que estos datos se publicarán pronto en la web de Addcomposites.

«Empezamos el proyecto de investigación en la Universidad Aalto en 2017 y fundamos Addcomposites en 2018», dice Luthada. «Hemos aprendido mucho trabajando con una gama de fabricantes y continuamos avanzando el sistema AFP-XS. Estas mejoras se desplegarán a todos los usuarios a medida que se prueben y validen. Ahora el sistema funciona con robots Kuka y está en proceso de validarse con ABB y Universal Robots».

«Creemos que los compuestos son el futuro para la fabricación avanzada», dice Kuligoski, «y estamos apasionados por llevar producción inteligente y automatizada a todos los fabricantes de compuestos de forma asequible».

Visiten Addcomposites en Composites Europe, 9-12 sep. (Stuttgart, Alemania) y estén atentos a más actualizaciones de CW.