Flappybot de DLR: revolucionando la fabricación de compuestos en la Convención 2019

 

El intrigantemente llamado Flappybot de DLR (Flexible autonomous production, placement and assembly robot) prototipo es una salida radical de las grandes y costosas máquinas estáticas comunes en la fabricación de grandes componentes aeroespaciales. Esta unidad AFP compacta y autónoma está diseñada para 'conducir' directamente sobre el molde. Fuente | DLR
 

Si la industria de compuestos ha de seguir creciendo y mejorando su competitividad, debe explotar las oportunidades que la digitalización y la automatización traen. Dos recientes conferencias enfocadas en aeroespacial en Alemania miraron lo que el futuro de la fabricación de compuestos podría deparar.

Visitando la fábrica del futuro en Stade

Future Factory for Composites fue el tema de la Convención de Compuestos de este año en Stade, Alemania, celebrada 12-13 de junio. Organizada conjuntamente por CFK Valley e.V. (Stade, Alemania) y Carbon Composites e.V. (Augsburgo, Alemania), el evento atrajo una asistencia récord de casi 450 personas. Una fuerte presencia de EE. UU. resultó de una colaboración con la Iniciativa de Materiales Avanzados y Fabricación de Utah (UAMMI, Kaysville, Utah, EE. UU.) como red asociada y Estados Unidos como país asociado.

En la ponencia inaugural, titulada «Digitalización: Transición de Fabricación Asistida por Ordenador a Automatización Asistida por Humano», el Dr. Jan Stüve, jefe del Centro de Tecnología de Producción Ligera en el Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR; Stade, Alemania) ofreció un anticipo del programa. Tecnologías de fábrica del futuro en desarrollo en DLR incluyen múltiples robots cooperativos que trabajan juntos para reducir tiempo de producción y gemelos digitales de máquinas que permiten optimización de proceso. Otra área clave concierne robots móviles autónomos para escenarios de producción flexibles. Estos incluyen el prototipo FlappyBot, una unidad de colocación de fibra compacta que viaja sobre el molde. Stüve advirtió de los peligros potenciales de la sobre-automatización y discutió cómo la digitalización debería reinvolucrar a los humanos en el proceso de fabricación.

La pared trasera CFRP del Audi A8, el componente mayor de la célula de pasajeros, se fabrica por Voith Composites en un proceso altamente automatizado permitiendo volúmenes de producción de 65.000 componentes al año. Fuente | CFK Valley

En una segunda ponencia, «Fabricación Rápida y Compuestos Termoplásticos — Tendencias y Tecnologías», el Dr. Robert G. Bryant, ingeniero senior de materiales en el Centro de Investigación Langley de NASA (Hampton, Virginia, EE. UU.), llevó a los delegados lejos de los confines de la fábrica terrestre hacia la construcción en el espacio. Una presencia humana a largo plazo en el espacio requerirá refugios y plataformas como primer paso. El desarrollo de cohetes cada vez mayores para colocar estructuras cada vez más complejas fuera del planeta no es económicamente sostenible. Las soluciones requieren fabricación in-situ o cerca. El uso de un proceso de colocación de cinta avanzada (ATP) sin utillaje que permita consolidación in-situ de piezas compuestas termoplásticas podría ser la respuesta. En esta nueva técnica, dos robots ATP trabajan uno frente al otro, uno para depositar la cinta prepreg termoplástica, el otro actuando como herramienta. La fabricación sin utillaje podría reducir el coste de la fabricación aeroespacial, mejorando la economía de la exploración espacial y beneficiando a otros sectores de mercado (más info en «General Atomics Aeronautical desarrollando proceso de compuestos termoplásticos sin utillaje»).

Sostenibilidad

Los avances en fabricación también deben ir acompañados de reducciones en impacto ambiental. En esa línea, en la siguiente sesión, Jörg Spitzner, fundador de Spitzner Engineers GmbH (Finkenwerder, Alemania), argumentó que para cumplir objetivos climáticos, se necesitan tecnologías de emisiones negativas. La empresa de Spitzner afirma que su concepto patentado de turbina eólica Blancair mejora la eficiencia de la turbina y elimina CO₂ de la atmósfera. El aire entra en un módulo de filtro montado en la góndola, donde el CO₂ se separa para almacenamiento y reciclaje en producción de combustibles sintéticos y otras aplicaciones. El aire limpio se libera a través de aberturas en las puntas de las palas del rotor. Un vídeo explicando el concepto está disponible en la web de Blancair.

Los organizadores de la sesión también presentaron un concepto para evaluación inteligente de eco-eficiencia en producción de compuestos (DLR), y prepregs endurecidos a temperatura ambiente, fuera de autoclave, con capacidad de fuego, humo y toxicidad (FST) (TCR Composites; Ogden, Utah, EE. UU.).

Empoderamiento mediante simulación

Para el resto del primer día de la conferencia, la atención se centró en simulación.

El Dr. Lars Herbeck, director de tecnología en Voith Composites (Garching, Alemania), discutió cómo el Aplicador de Roving Voith de colocación automática de fibra (AFP) simplifica la cadena de proceso, permitiendo un proceso de preformado automatizado eficiente con tiempos de ciclo reducidos. Esbozó la simulación estructural y de proceso realizada para la línea de fabricación automatizada capaz de producir 65.000 componentes al año para la pared trasera de fibra de carbono (CFRP) del Audi A8.

Mark Bludszuweit de MET Motoren- und Energietechnik GmbH (Rostock, Alemania) explicó cómo la simulación ofrece visión sobre la mejor forma de cargar piezas en un autoclave, permitiendo optimización del proceso de curado y mayor productividad. Un gemelo digital desarrollado para el mayor autoclave en la instalación de DLR en Stade puede correr en paralelo con el proceso real, o más rápido para ofrecer predicciones de comportamiento de pieza.

Otros temas de desarrollo virtual de proceso cubrieron modelado de procesos SMC (ESI Group; Chartres-de-Bretagne, Francia) y simulación de proceso de paneles sándwich para entender problemas de aplastamiento de núcleo y arrugado de prepreg en autoclave (Airbus Helicopters; Marignane, Francia).

Volviendo a modelado de seguridad virtual, Jochen Rühl de Reichenbacher Hamuel GmbH (Dörfles-Esbach, Alemania), parte de Scherdel Gruppe, discutió cómo un enfoque basado en simulación para gestionar polvo y partículas producidas durante mecanizado de piezas CFRP ha entregado beneficios para clientes como Airbus y Premium Aerotec (Augsburgo, Alemania). Simulaciones de mecanizado y visualización de distribuciones de partículas ayuda a fabricantes a cumplir legislación de salud y seguridad cada vez más estricta y mejora resultados de mecanizado, así como reduce tiempo de inactividad y mantenimiento de máquinas, todo lo cual en última instancia se traduce en menor coste por pieza.

La sesión de simulación también mostró un proyecto patrocinado por Boeing sobre modelado virtual de costes de fabricación de compuestos, teniendo en cuenta las complejas interacciones entre diseño, producción y finanzas para identificar impulsores de coste (Instituto de Tecnología de Massachusetts; Cambridge, Mass., EE. UU.), y un concepto de planificación de fábrica digital basado en modelado simulativo de cadenas de valor óptimas de compuestos (Fraunhofer IGCV; Augsburgo, Alemania).

El concepto de mecanizado móvil MBFast18 está compuesto por un vehículo guiado automático, robot y máquina CNC portátil y ofrece mayor productividad en la fabricación de grandes piezas CFRP de aviones. Fuente | Fraunhofer IFAM

Ganadores del premio

Este año, dos proyectos compartieron el Premio a la Innovación CFK Valley y los 7.500 euros de premio.

Primer lugar (y 4.500 euros) fue para el proyecto de sistemas robóticos móviles MBFast18, que desarrolló un sistema de mecanizado CNC móvil basado en vehículo guiado automático (AGV) para grandes piezas de aviones CFRP.

Fuente | Fraunhofer IFAM

Comparado con los costosos sistemas de mecanizado estáticos actuales para grandes estructuras de aviones, sistemas robóticos móviles más pequeños permiten fabricación flexible y mayor productividad.

El sistema MBFast18 emplea una plataforma autónoma de 4,6 metros construida por FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG (Fulda, Alemania), sensores de navegación y seguridad suministrados por SICK AG (Waldkirch, Alemania), y una máquina CNC de 5 ejes de SAUER/DMG MORI (Suhl y Bielefeld, Alemania). Un rastreador láser móvil desarrollado por el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados (IFAM; Stade, Alemania) posiciona el robot precisamente. La unidad de taladrado, con espacio de trabajo de hasta 0,5 metros cuadrados, se sujeta al componente usando pinzas de vacío; las posiciones de taladrado se calculan y transmiten a la máquina usando software desarrollado por BCT GmbH (Dortmund, Alemania). Este concepto también es aplicable a operaciones de manipulación y ensamblaje y otras industrias como energía eólica y ferrocarril.

Ver vídeo sobre el proyecto MBFast18:

Segundo lugar fue para la startup Hyconnect GmbH (Hamburgo, Alemania) por su tecnología de unión metal-compuesto FAUSST. La empresa se dirige inicialmente al sector naval, donde la unión de compuestos a metal es una barrera importante para una adopción más amplia de compuestos. La solución FAUSST emplea un tejido híbrido consistente en fibras de vidrio y metal urdidas que permite unir firmemente metales y compuestos mecánicamente. El lado de fibra metálica se une a un perfil de acero que puede soldarse a estructuras metálicas, y el otro lado se lamina al componente compuesto. La tecnología patentada se dice acelera significativamente el proceso de diseño y unión. Aplicaciones de prototipo iniciales están actualmente en prueba.

Ver introducción al proceso de unión FAUSST:

 

Habilitación mediante automatización

El Día Dos vio el proyecto premiado MBFast18 explorado en más detalle en presentaciones de Christoph Brillinger, gerente de proyecto en Fraunhofer IFAM, y Dr. Gregor Graßl de FFT, quienes discutieron los desafíos de desarrollar sistemas inteligentes de control de proceso y planta para operaciones multi-robot. Jerome Berg, ingeniero de personal en Northrop Grumman Innovation Systems (Clearfield, Utah, EE. UU.), describió la fabricación automatizada de largueros de aviones Airbus en la instalación de la empresa en Utah usando un proceso AFP desarrollado internamente, y Uwe Lang de Evonik Resource Efficiency GmbH (Darmstadt, Alemania) presentó «Tecnología Sándwich 4.0», una tecnología de fabricación automatizada para altas tasas de producción que emplea su material de núcleo de espuma ROHACELL. Un proceso de preformado altamente automatizado para una puerta de tren de aterrizaje delantero de avión ha sido demostrado en una colaboración con DLR y el centro tecnológico de Airbus CTC GmbH (Stade, Alemania).

Ver vídeo del proceso de preformado:

Haciendo un viaje a la realidad virtual, Felix Hünecke, jefe de desarrollo de negocio en ABSOLUTE Reality GmbH (Hamburgo, Alemania), mostró cómo modelos 3D de edificios pueden crearse, editarse y complementarse con imágenes, documentos y vídeos para crear entornos virtuales que pueden verse desde cualquier parte del mundo. La empresa creó un tour 3D de una sala de producción de DLR en Stade.

Dar un paseo por la sala de producción de DLR:

Felix Schreiber, CEO, ARK Group (Aachen, Alemania), discutió los beneficios de proceso y coste de datos de máquina estructurados en una línea de producción de moldeo por transferencia de resina (RTM) automatizada, mientras Sascha Backhaus de CTC GmbH discutió automatización modular en fabricación de compuestos y el proyecto Hybr-iT, que está desarrollando equipos donde humanos y robots trabajan juntos con sistemas de asistencia basados en software.

Ningún evento sobre la fábrica del futuro podría descuidar el tema de inteligencia artificial (IA), y Amir Ben-Assa, CMO de Plataine (Waltham, Mass., EE. UU.) discutió las oportunidades y desafíos de implementar IA en fabricación de compuestos. Presentó aplicaciones prácticas de IA, desde alertas (por ejemplo, retrasos de producción o problemas de calidad) a recomendaciones (por ejemplo, selección optimizada de material). Asistentes digitales basados en IA en Google Glass podrían ser otra posibilidad, ofreciendo interacción de usuario «manos libres» con IA en la planta de producción y presentación en tiempo real de audio y vídeo de alertas.

La Celda Robótica Multifuncional en ZLP Augsburgo fue diseñada para permitir el desarrollo de procesos integrados para fabricar grandes componentes compuestos a escala industrial. Fuente | DLR

Otros temas incluyeron:

• Detección por fibra óptica para monitorización inteligente de proceso en grandes estructuras compuestas (MT Aerospace AG; Augsburgo, Alemania);
• Sistema de control inteligente para fabricación automatizada de compuestos (Centro Nacional de Compuestos, Bristol, Reino Unido);
• Sistema de control de calidad basado en modelo para termoformado de componentes pequeños (Faserinstitut Bremen e.V.; FIBRE, Bremen, Alemania);
• Proceso de moldeo por compresión de termoplásticos reforzados con fibra discontinua para aplicaciones de aviones, basado en automatización flexible y escalable a gran tamaño de pieza (ACT Aerospace; Gunnison, Utah, EE. UU.);
• Proceso RTM isotérmico ofreciendo tiempos de ciclo reducidos para producción de alta volumen de piezas CFRP (Airbus Helicopters)
• Producción a gran escala de perfiles termoplásticos de alto rendimiento de fibra de carbono complejos para puntales, tubos y ejes de transmisión usando preformas de cinta cerca de la forma neta y formado por inyección (herone GmbH; Dresde, Alemania). Más sobre herone y este proceso en «Formado por inyección para estructuras termoplásticas unitizadas de alto rendimiento».

10 años de progreso en Augsburgo

En un evento separado, el 5º Coloquio de Tecnología de Producción de DLR el 15 de mayo vio reunirse a cerca de 200 invitados en su Centro de Tecnología de Producción Ligera (Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie, ZLP) en Augsburgo. El evento celebró el 10º año de ZLP en Augsburgo, donde hoy aproximadamente 60 empleados se centran en automatización y digitalización de producción de compuestos.

Un gripper robótico para drapeado automatizado, parte del proceso de fabricación integrado de ZLP Augsburgo para componentes estructurales a escala real. Fuente | DLR

El día comenzó con dos presentaciones de la Universidad de British Columbia (UBC; Vancouver, Canadá), que inició una cooperación con DLR en 2016. Prof. Dr. Anoush Poursartip, co-director de la Iniciativa de Fábrica de Aprendizaje Digital de UBC, introdujo el concepto de una fábrica de aprendizaje para compuestos inspirada en hospitales de enseñanza médica. La fábrica de aprendizaje de compuestos, que se ubicará en el campus Okanagan de UBC, será diseñada para integrar investigación y educación con actividades industriales. Un gemelo digital alojado en UBC Vancouver combinará datos de la fábrica física con simulación para optimizar procesos de producción de compuestos aeroespaciales. A continuación, el Prof. Dr. Homayoun Najjaran de UBC y Marian Körber de DLR discutieron optimización de procesos de fabricación complejos en entorno virtual, y cómo la experiencia de UBC en técnicas de aprendizaje automático e inteligencia artificial se están usando para reducir el tiempo y coste de desarrollo de sistemas robóticos en DLR. Un método de aprendizaje profundo se usó para entrenar el gripper robótico de ZLP para drapeado automatizado, una parte clave de la cadena de proceso automatizado de la instalación de Augsburgo para fabricar grandes piezas CFRP. El gripper, que cuenta con 127 módulos de succión con fuerza de succión variable, reconoce y recoge material cortado; los módulos asumen la geometría requerida para drapearlo en posición en el molde.

Los componentes compuestos termoplásticos para el diseño de mamparo trasero de presión de Premium Aerotec se unen usando una técnica de soldadura por resistencia desarrollada en ZLP Augsburgo. Fuente | Premium Aerotec

Las tecnologías termoplásticas son otro foco para ZLP Augsburgo. Un proyecto para desarrollar el primer mamparo trasero de presión (RPB) termoplástico del mundo para aviones de pasillo único fue esbozado por Ralph Männich y Alexander Sänger de Premium Aerotec GmbH. La empresa colabora con ZLP Augsburgo, Toray Advanced Composites y el Instituto de Materiales Compuestos (IVW) en un diseño que consiste en ocho segmentos CFRP con largueros integrados unidos usando una tecnología de soldadura por resistencia desarrollada por ZLP. Procesos automatizados con tiempos de ciclo cortos permiten producción de alto volumen. Finalización de tecnología (hasta TRL 6) programada para 2020 con implementación objetivo para 2021/2022. En el Salón Aeronáutico de París de junio, Premium Aerotec exhibió un demostrador 1:1 para un avión serie Airbus A320. Comparado con los mamparos de presión actuales de A320 hechos de componentes de aluminio remachados, se dice que la pieza termoplástica entrega las mismas propiedades mecánicas con 10-15% ahorro de peso y 50% reducción en tiempo de producción. En la siguiente charla, el Dr. Stefan Jarka y Manuel Endraß de DLR continuaron el tema de soldadura termoplástica, profundizando en las capacidades de unión y END de ZLP Augsburgo, y su papel en el proyecto RPB.

ZLP Augsburgo está investigando AFP in-situ de compuestos termoplásticos basado en lámpara de destello, una solución de energía pulsada que elimina los recintos de seguridad requeridos para AFP basado en láser. Fuente | DLR

Los compuestos termoplásticos también ofrecen oportunidades en aplicaciones espaciales. Presentaciones de Ralf Hartmond, MT Aerospace AG y Lars Brandt, gerente de proyecto para aplicaciones espaciales en DLR, esbozaron el desarrollo de una etapa superior de fibra de carbono termoplástica reforzada para el próximo lanzador de cohetes Ariane de próxima generación. Brandt detalló el trabajo de DLR en cribado de materiales para el tanque de hidrógeno líquido (LH₂) —donde fibra de carbono PEEK y PAEK de bajo punto de fusión (LM) ofrecen promesa— y desarrollo de un proceso AFP de compuestos termoplásticos in-situ para permitir un enfoque de fabricación aditiva esbelta. ZLP está comparando un nuevo proceso AFP in-situ asistido por lámpara de destello contra AFP asistido por láser tradicional.

Las tecnologías de unión serán clave para la introducción exitosa de compuestos termoplásticos en futuras aplicaciones aeroespaciales. ZLP en Augsburgo ha desarrollado un sistema de soldadura ultrasónica continua basado en robot consistente en un efector final montado en un robot KUKA QUANTEC KR210 en una pista lineal de 7 m. Esto ha sido probado en componentes incluyendo un panel de fuselaje reforzado y un mamparo trasero de presión. Fuente | DLR

El día concluyó con una ponencia reflexiva del Prof. Dr. Michael Kupke, jefe de ZLP Augsburgo, titulada «Digitalización y Producción Flexible». Preguntó si el auge de la economía de plataformas digitales presenta oportunidades o riesgos para fabricantes de compuestos, y señaló que la TI se está convirtiendo en una competencia central y debería tratarse como una ventaja competitiva que añade valor en lugar de un centro de coste. También dijo que hay un cambio de paradigma en curso de planificación detallada a auto-organización (producción esbelta) y automatización combinada con digitalización. La IA, dice, hace posible la producción autónoma y flexible. Sin embargo, Kupke concluyó, es esencial valorar e integrar habilidades humanas, que son vitales para la toma de decisiones y mejora de procesos.