Expertos instan a mayor automatización para satisfacer la futura demanda de aviones

Solo las necesidades comerciales en los próximos 20 años sugieren duplicar las tasas de producción

Antes de que la pandemia de coronavirus trastornara la vida normal y esencialmente cerrara las aerolíneas comerciales, la industria de la aviación tenía una necesidad proyectada de 40.000 aeronaves nuevas —aviones, helicópteros, taxis aéreos y vehículos aéreos no tripulados— en los próximos 20 años. El volumen incluye reemplazos para aeronaves que envejecen fuera de servicio después de una vida media de 25-30 años y se suma a un atraso de aproximadamente ocho años.

Si la demanda de vuelos reanuda su nivel anterior una vez que se alivien 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 donde el trabajo manual es común porque no hay procesos de fabricación alternativos actuales que sean factibles. Pero considerando el registro de Statista de aumentos año tras año en la demanda de 2006-2019 para la demanda global de pasajeros de tráfico aéreo (los aumentos oscilaron entre 2,4 por ciento y 8,1 por ciento, excepto 2009 en el apogeo de la Gran Recesión) y otros factores, una mayor eficiencia es obligatoria si la industria va a mantenerse al día.

Los investigadores están intentando averiguar cómo automatizar algunos procesos, como el hand layup (colocación manual). Pero hay otras medidas automatizadas que están disponibles actualmente, incluyendo proyectar instrucciones para ensamblaje en estaciones de trabajo y para procesos automatizados de sellado, fijación, marcado y manipulación de materiales.

Las necesidades de la aviación comercial por sí solas requerirían un duplicado efectivo 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 aviones comerciales, los militares están explorando aeronaves prescindibles que podrían producirse por miles.

Finalmente, el concepto de taxi aéreo ha estado ganando tracción de firmas de aviación tradicionales y empresas como Uber y requeriría aún más producción.

“Para cualquiera de estos casos individualmente, estoy oyendo 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 golpeara mundialmente. “Si los tres se hacen realidad al mismo tiempo, la industria va a tener que ser creativa sobre cómo resolver el problema de capacidad.

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

Russell dijo que no se sorprendería de ver a la industria de taxis aéreos buscar producción en el extranjero porque el precio del vehículo probablemente sea un gran impulsor de su modelo de negocio. Dudaría que viéramos deslocalización para aviación comercial porque la industria probablemente se apegaría a relaciones de proveedores establecidas 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 aeronaves en 20 años requeriría producir 2.000 aviones por año, lo cual es mucho más alto que las entregas antes de la pandemia.

Un atraso en entregas se creó 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 el viaje aéreo como una necesidad en lugar de un lujo y tienen los medios para pagar viajes personales.

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

Boeing tenía un atraso de 5.049 aeronaves el 1 de mayo, mientras que los pedidos pendientes de Airbus se habían acumulado a 7.650 al 31 de marzo.

Antes de la pandemia, se esperaba que un renacimiento de la competencia entre Boeing y Airbus resultara en entregas récord de sus populares plataformas de pasillo estrecho y un crecimiento interanual del 9,4 por ciento en producción en 2019. Boeing y Airbus proyectaban producir más de 1.750 aeronaves el año pasado, frente a 1.606 unidades en 2018, según un comunicado de prensa de mediados de junio de 2019 de la firma de investigación y análisis Frost & Sullivan.

Para agosto, sin embargo, otros estaban recortando esos números.

La producción global de aeronaves había caído un cuarto después de la inmovilización del 737 Max de Boeing en marzo de 2019 tras dos accidentes fatales, según un artículo en el periódico The Guardian. ADS, el grupo de presión aeroespacial británico, dijo que se entregaron 88 aeronaves en julio de 2019, un 24 por ciento menos que las entregas durante el mismo mes del año anterior, con la caída debido en gran parte al desplome en la producción de aviones de pasillo único como el 737.

A finales del año pasado, Airbus y Boeing combinados habían entregado 1.243 aeronaves.

La industria está actuando para aumentar esos números.

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

A finales 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 logístico, posicionamiento automatizado por medición láser, así como un sistema de adquisición de datos digital, dijo la empresa.

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

Alrededor de la misma época, sin embargo, Boeing terminó un esfuerzo de automatización total de cuatro años en su fábrica de Everett, Wash., que usaba brazos robóticos para insertar sujetadores en dos secciones principales de fuselaje de sus jets 777 y 777X, optando en su lugar por inserción manual por mecánicos cualificados.

Los robots aún taladran los agujeros para los sujetadores en un sistema automatizado “flex track”, resultando en un proceso combinado humano-robótico, según informes publicados.

El esfuerzo puede valer la pena al final, sin embargo.

Los esfuerzos fallidos de usar robótica enseñaron a Boeing algunas lecciones valiosas de su “primera inmersión muy profunda en ese tipo de tecnología”, dijo Jason Clark, vicepresidente de Boeing supervisando la producción del 777X, al Los Angeles Times. “Nos enseñó cómo diseñar para automatización”, fue citado Clark en un artículo de noviembre.

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

Además, “Rediseñamos partes de la construcción para reemplazar remaches con formas de sujetadores menos difíciles, mejorando aún más la ergonomía”, dijo un portavoz de la empresa.

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

En su planta de North Charleston, S.C., Boeing: equipó a los mecánicos con exoesqueletos diseñados para reducir la tensión del trabajo sostenido sobre la cabeza; desplegó llaves inteligentes con Bluetooth para asegurar que los trabajadores apliquen el par correcto a una tuerca, y use realidad virtual para que los mecánicos prueben nuevas herramientas, según Reuters.

¿Pueden los robots hacerse cargo del hand layup?

Antes de que cualquier estructura de fuselaje se envíe a Hamburgo o a las fábricas de Boeing en el estado de Washington, se fabrican en procesos de fabricación de compuestos automatizados (ACM), incluyendo colocación automatizada de fibra y colocación automatizada de cinta.

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

Pero las piezas de compuestos pequeñas y medianas se fabrican por hand layup, 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 numerar en miles para un solo avión.

“Además, estas piezas que tienen que ser colocadas a mano tienen que ser recortadas y dartadas, exprimidas, lo que sea”, dijo Les Cohen, consultor de compuestos. “Así que eso significa que tu ratio buy-to-fly puede ser un factor de 2: si estás trabajando con un material que cuesta $40 la libra, efectivamente es material de $80 la libra”.

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

Aunque no es automatización, todavía hay margen para mejorar los materiales usados en la construcción de aviones.

La industria entiende que el tiempo que toma autoclavear piezas en proceso en operaciones de desvoluminizado cada pocas capas junto con el curado de la pieza final toma mucho tiempo. Resinas de curado rápido que tienen las propiedades de 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 de tiempo y un estimado de $10 millones en costes para desarrollar nuevos materiales, sin garantía de que serán aceptados, es comprensible que este desafío no se haya resuelto, dijo.

4ª Revolución Industrial lenta en despegar en aeroespacial

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

“Diría que esas cosas están empezando a estar en línea ahora en producción y entregando resultados. Estamos muy metidos en esto y justo en el punto donde podemos implementarlo a nivel de programa y realmente dar algo a una fábrica que afectará absolutamente su eficiencia”, dijo Andrew Purvis, gerente de proyecto para layup de compuestos y automatización en Electroimpact Inc. “Cuando empiezas a obtener los datos y empiezas a procesar los números, empiezas a encontrar mucho oro en esa montaña de datos y muchas veces diamantes, cosas que realmente empiezan a subir tu producción”.

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

Electroimpact incorpora monitoreo de calidad en sistemas con tecnología de inspección que mide todo lo que sus máquinas AFP hacen mientras construyen o imprimen una pieza. La inspección automática permite un proceso que la empresa llama “ajuste continuo”.

“El sistema en realidad se mantiene en calibración observando lo que está haciendo, y se ajusta continuamente a sí mismo”, dijo. “Como una máquina AFP o impresora puede mirar la salida con una cámara o sensores y decir 'Oye, noté que estás empezando a derivar un poco así que voy a compensar'”.

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

“No creo que la industria aeroespacial lo esté adoptando más lento que cualquier otra industria”, dijo. “Creo que Industria 4.0 sigue siendo demasiado inmaduro para entregarle las riendas en este punto. Dicho esto, la automatización es un componente clave de Industria 4.0. Pero al igual que hay partes de automatización que son maduras, como colocación de cinta, colocación de fibra, todavía hay mucho desarrollo requerido”.

Grandes ganancias por obtener

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

La producción objetivo heredada en Spirit, una planta anterior de Boeing que se desinvirtió en 2005, era de 21 aeronaves por mes basada en sus limitaciones físicas y tamaño, dijo Rounkles. Antes de irse, la producción mensual de la planta era de 57 aeronaves, ayudada por turnos adicionales, más empleados y mayor automatización, específicamente en fijación.

“Uno de los (últimos) proyectos antes de irme fue la recolección de datos de Industria 4.0 sobre utilización de equipos y eso realmente cambió la cara de esa empresa en entender lo que sus equipos estaban haciendo y lo que eran capaces de hacer”, dijo Rounkles. “Y tuvo un impacto significativo en el gasto de capital para tasas futuras”.

‘Dabbling in digital’

Hay investigación en curso en todo el mundo sobre la aplicación de Industria 4.0 en 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 tanteando en digital para resolver puntos de dolor específicos, como seguimiento de activos, pero pocos fabricantes tienen un verdadero entorno Industria 4.0 a nivel empresarial”, dijo.

En términos del estado actual de componentes de Industria 4.0, la fabricación aditiva se está considerando para utillaje y piezas no estructurales, algunos procesos están automatizados con el uso de robots y, en cuanto a análisis de datos, se ha hecho I+D para vincular datos de inspección no destructiva de vuelta a los modelos originales para entender el impacto de defectos de fabricación en el rendimiento de la pieza, dijo Russell.

En el video publicado en YouTube, un brazo robótico Kuka con un rodillo de extremo de brazo alisa la capa de pre-preg compuesto sobre la capa anterior mientras dos robots con pinzas mantienen el material tenso a cada lado.

¿Cuántos artistas de hand layup han deseado este equivalente de una tercera mano que se demostró en la grabación de la celda 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 ciencia 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 factibilidad de la automatización. Los resultados de pruebas en piezas hechas con su automatización robótica fueron enviados a las tres empresas, dijo Gupta.

“Ahora mismo, el desafío clave que todos enfrentan en aeroespacial es una escasez de mano de obra”, dijo.

Con brazos robóticos haciendo layup, un operador humano podría supervisar varias celdas a la vez, explicó. Esto no solo aumentaría la capacidad, podría posiblemente eliminar el paso de desvoluminizado en el proceso de fabricación de piezas mientras se asegura la calidad.

Eso es porque, para una pieza crítica hipotética hecha de 100 capas de pre-preg, la pieza en proceso tiene que ser embolsada y someterse a aplicación de vacío cada tres (o cinco) capas para asegurar que no hay vacíos, para un total de 33 desvoluminizados.

Pero con robots, la presión de la herramienta robótica puede medirse, a diferencia de la mano humana, así que la calidad está asegurada, y el proceso puede ir más rápido.

Automatizar el proceso no solo lo hace consistente y optimizado. Hand layup es un trabajo tedioso que es físicamente exigente.

Trabajando durante dos años y medio, Gupta y su equipo integraron los brazos robóticos con utillaje de extremo de brazo, visión por computadora, detección de fuerza, algoritmos de inteligencia artificial, controladores avanzados e interfaz hombre-máquina. Sus piezas de demostración consistían en hasta 15 capas de ply de pre-preg de fibra de carbono epoxi estándar.

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

“Tienes que hacer que la cámara vea qué defectos se están formando”, dijo Gupta. “(Ahora) si el robot ve una arruga a veces tirará de la hoja por aquí, luego por allá...”.

Cuando la celda encuentra un problema que no puede arreglar, alerta a un operador humano con un pitido, email o texto.

Pero eso es solo si es necesario.

“A veces todo el proceso irá sin problemas”, dijo Gupta.

¡Mira, Mamá, Sin Manos! (Utillaje de Extremo de Brazo Hace Layup Automatizado de Pre-Preg)

La adición Rego-Fix abierta hace tres años incorpora características avanzadas de conservación de energía y recursos naturales. Estas incluyen un sistema especial de ventilación de intercambio de aire, calefacción de pellets de madera, múltiples unidades de aire acondicionado progresivas, un techo “verde”, y el uso de iluminación tanto natural como 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 del suelo de fabricación —calor generado principalmente por el gran equipo de compresores 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 usa luego para calentar el aire fresco entrante que el sistema extrae del exterior del edificio y circula al suelo de fabricación.

Además, el agua circulada en un sistema cerrado ayuda a mantener fríos los compresores de aire del suelo de fabricación durante la operación. En el proceso de enfriamiento, el agua se calienta, y esta agua calentada se almacena luego en un tanque de 1849 gal (7007 l). Esta agua se usa para ayudar aún más a calentar el edificio a través de un sistema de calefacción construido 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 de fabricación de muebles, que son comunes en la zona. El sistema consume cantidades muy pequeñas de pellets porque opera como respaldo de las otras fuentes de calefacción y se recurre a él solo cuando las temperaturas exteriores son extremadamente bajas.

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

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

Las paredes exteriores del edificio están completamente aisladas. A diferencia de los diseños de techo típicos, el que Rego-Fix optó es bastante inusual con altas propiedades aislantes. Referido como techo “verde” o “plantado”, está cubierto con tierra que tiene césped real creciendo en él. Además de su valor de aislamiento, el techo captura agua de lluvia que luego se recoge en un tanque de 13.200 gal (50.000 l) y se usa para descargar 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 crítico de fabricación. La temperatura constante ayuda a mantener la precisión consistente de la máquina herramienta para producir los sistemas de sujeción de herramientas de alta precisión de la empresa.

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

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