Revolucionando la colocación automática de fibra para aviones de próxima generación

Si la colocación automática de fibra (AFP) y la colocación automática de cinta (ATL) fueron los procesos de fabricación que permitieron la aplicación generalizada de compuestos en el Boeing 787 y Airbus A350, entonces también serán AFP/ATL los que lideren el camino para la próxima generación de aviones comerciales, ahora en tableros de dibujo. La diferencia esta vez? La cadencia.

Boeing estima que, para 2037, el mundo necesitará más de 31.000 nuevos aviones de pasillo único para satisfacer la demanda de pasajeros. Airbus pronostica una necesidad de más de 28.000 aviones de pasillo único para 2037. Ambas empresas están considerando reemplazos de sus pilares de pasillo único —el 737 (Boeing) y el A320 (Airbus). Se espera que ambas empleen compuestos significativamente en cualquier nuevo avión que desarrollen. Ambas empresas están diciendo a sus cadenas de suministro que esperen tasas de producción para estos aviones de 60-100 aviones por mes, con énfasis en 100. La categoría de pasillo único, para ambas empresas, representa aproximadamente dos tercios de la demanda global total, lo que significa que el entorno de fabricación desarrollado para aviones de pasillo único se convertirá en el entorno de fabricación por defecto para aerocompuestos en el futuro previsible.

Todo esto significa que la tecnología de automatización debe desarrollarse ahora si quiere mantenerse al día con los requisitos de calidad y cadencia de producción de aviones de próxima generación. Nada de esto se le escapa al ingeniero senior de Electroimpact (EI, Mukilteo, Washington, EE. UU.) Todd Rudberg. Rudberg y EI entraron en el mundo de los compuestos en 2004 cuando la empresa desarrolló tecnología AFP para la fabricación de la sección 41 del fuselaje frontal del 787 fabricada por Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, EE. UU.). EI pasó posteriormente a producir sistemas AFP y ATL para la fabricación de otras estructuras del 787, estructuras del A350, estructuras de motores y, más recientemente, largueros de ala del Boeing 777X. Ahora, Rudberg mira el futuro de la fabricación de aviones de próxima generación y ve oportunidades para que AFP mejore. Sustancialmente.

Las oportunidades, dice Rudberg, son obvias cuando se miran los datos. De hecho, EI ha desarrollado varias métricas para ayudar a la empresa a entender qué hace bien su maquinaria y qué puede mejorar. Primero, al observar el panorama AFP de 2019, Rudberg ve miríadas de amenazas a la tecnología AFP actual, incluyendo ATL, estratificación manual, cargas planas de tejidos tejidos y, por supuesto, aluminio.

Las métricas AFP que Rudberg desarrolló provienen de un proyecto de demostrador de producción completa (FPD) para el cual EI realizó cuatro pre-producciones. Los datos de una de esas construcciones, hecha en febrero de 2019 con tecnología AFP "estándar" de EI, revelaron un desafío sustancial de utilización de máquina, con el tiempo de uso de la máquina cayendo en uno de siete cubos:

• Proyección láser: 30%
• Ejecución: 27%
• Inspección: 22%
• Pausa: 10%
• Parada inducida por operador: 6%
• Recuperación de error: 3%
• Imagen: 2%

Visto de otra manera, con la tecnología actual, hay una operación de valor añadido en AFP (ejecución), con todo lo demás considerado operaciones de no valor añadido. Así, la proporción de operaciones de valor a no valor es 1:3. "La industria realmente quiere 3:1, y yo también", dice Rudberg, "y me gustaría lograr esto antes de jubilarme". El objetivo, simplemente, es reducir el tiempo consumido por operaciones de no valor añadido.

También hay una métrica AFP general que necesita explicación: tiras medias antes de fallo (MSBF). Este es el número medio de hilos de fibra colocados entre fallos de colocación. Cuanto mayor sea este número, por supuesto, más fiable es la máquina y el proceso. La construcción FPD de febrero, dice Rudberg, tuvo un MSBF de 5.365.

Los objetivos

Mirando más de cerca la operación AFP, dice Rudberg, EI tiene control directo solo sobre tres operaciones: ejecución, recuperación de error e inspección. Y aquí es donde la empresa está centrando sus esfuerzos. Dicho esto, Rudberg señala que el fabricante de aeronaves también tiene un papel que jugar, particularmente en la reducción de inspecciones de calidad, pausas y paradas inducidas por operador. "Tenemos que darnos cuenta de que los tiempos de ejecución se han vuelto realmente bajos porque las máquinas son muy rápidas", dice, "y cualquier cosa que no sea de valor añadido tiene un impacto masivo en tu utilización. Así que resulta que esto es un deporte de equipo. No solo el OEM —yo— tiene que hacerlo mejor, el fabricante de aeronaves también tiene alguna responsabilidad".

Para la fabricación de aviones de próxima generación, Rudberg quiere aumentar MSBF a >20.000, aumentar el tiempo de ejecución al 77 % y eliminar completamente la proyección láser, parada inducida por operador e imagen. ¿Cómo? Rudberg identifica tres áreas tecnológicas que pueden facilitar esta transición: creels accionados por servo, inspección en proceso al 100 % y gestión de datos, o EI 4.0.

Las tres han sido evaluadas por EI en una serie de construcciones recientes del proyecto FPD después de esa construcción inicial de febrero. Los datos del propio proyecto FPD demuestran que EI va en la dirección correcta. Rudberg dice que el sistema AFP usado —llamado MuSCLE— logró 1.500 caballos de potencia pico, aceleración/desaceleración de 0,5G, tasa de colocación de 4.000 pulgadas/minuto, tiempo de giro de cabeza de 1 segundo, velocidad de esquina de larguero de 120 grados/segundo y 6.000 MSBF (logrado en producción).

La conversión a creels de motor servo, y alejándose de creels neumáticos servo, dice Rudberg, se ha hecho para aumentar la velocidad de colocación de hilo, precisión de colocación, control de tensión de hilo y fiabilidad general de construcción. La empresa ha pasado los últimos dos años trabajando en un accionamiento servo compacto que puede instalarse en la cabeza modular EI. Los resultados de la tecnología, hasta ahora, son prometedores; las pruebas muestran: 15.000 MSBF, 87 % más velocidad de adición, 36 % más velocidad de corte, mejor precisión de colocación final. Además, EI demostró que el sistema de creel de motor servo podía usarse para colocar fibras de carbono en seco.

La clave para la inspección es la parte "en proceso". EI ya tiene tecnología de inspección, desarrollada con Aligned Vision (Chelmsford, Massachusetts, EE. UU.) y desplegada en la línea de fabricación del ala 777X que usa tecnología láser y de visión para comprobar solapes, huecos, arrugas, errores de colocación final y residuos de objetos extraños (FOD). Este sistema, sin embargo, existe independientemente del sistema AFP y requiere un campo de visión claro para operar —lo que significa que la cabeza AFP debe moverse. Rudberg y EI han desarrollado un nuevo sistema de inspección, llamado RIPIT, que es integral a la cabeza AFP e inspecciona la colocación de fibra tan pronto como ocurre.

Mientras Boeing y Airbus consideran procesos de fabricación de compuestos fuera de autoclave, la capacidad de sistemas AFP para colocar eficientemente fibras de carbono en seco será crítica. Este demostrador de larguero muestra fibra en seco colocada por un sistema Electroimpact. Fuente | Electroimpact

EI no revelará la naturaleza de la tecnología detrás de RIPIT excepto para decir que no es basada en láser ni visión. En cualquier caso, Rudberg dice que las pruebas del sistema revelan que es capaz de detectar, en tiempo real, deslizamiento de hilo a ±0,030 pulgada, colocación de adición a ±0,050 pulgada y colocación de corte a ±0,050 pulgada. Además, dice Rudberg, "Hemos hecho muchas pruebas correlacionando datos RIPIT con el sistema de visión calificado por Boeing [sistema Aligned Vision usado en 777X] y obtenemos correlación".

El valor de la gestión de datos, dice Rudberg, reside en la capacidad de los sistemas de EI para ayudar a los fabricantes a ver más claramente qué tan bien funciona el proceso AFP. Para ese fin, EI ha desarrollado software de visualización de datos —EI 4.0— que ofrece visibilidad no solo de cómo realizó una máquina dada (basado en MSBF) durante una construcción dada, sino de cómo realizaron hilos y secuencias individuales. Básicamente, el software ayuda al operador a ver exactamente dónde en la cabeza AFP está el problema. "Así que usaremos este EI 4.0 para indicar dónde [los operadores] necesitan ir a mirar en la cabeza AFP para hacer cambios", dice Rudberg.

Usando este software, es posible mostrar gráficamente MSBF para una variedad de funciones de máquina e identificar hilos de fibra problemáticos y secuencias particularmente desafiantes. El software también mide e informa otras actividades de máquina que podrían erosionar la utilización. Usando estas herramientas de gestión de datos, EI fue capaz de optimizar y reducir el tiempo de construcción para el OPS de más de 50 minutos a justo menos de 40 minutos. Otras herramientas incluyen comparaciones de rendimiento por turno y comparaciones de ángulo de capa.

"Creo que una utilización del 75 % es una meta o expectativa realista", afirma Rudberg. "Pero va a requerir trabajo en equipo, va a requerir iniciativa organizacional y seguimiento por parte del fabricante de aeronaves, va a requerir nuestra tecnología mejorada, va a requerir mejor mantenimiento preventivo y predictivo, y mejores herramientas para analizar el uso de celda y rendimiento de máquina".