Aerotec FFT EDAG sviluppa celle automatizzate per realizzare parti della fusoliera in materiale composito

Obiettivo:
Automatizzare la costruzione di un guscio della fusoliera in materiale composito per l'Airbus A350 XWB. A causa dell'impegno correlato all'utilizzo di resine in fibra di carbonio, tradizionalmente questo tipo di lavoro è sempre stato eseguito a mano.

Soluzione:
Sviluppare una cella di produzione automatizzata in cui i montanti per rinforzare la fusoliera sono posizionati e saldati. Per questo lavoro, erano richiesti robot FANUC con maggiore estensione del braccio e capacità di carico al polso più elevata a causa delle dimensioni della sezione dello scafo della lunghezza di sette metri da rinforzare.

Risultato:
L'automazione di questo complesso processo a precisione elevata ha dimostrato che i robot sono in grado di fornire i rigorosi livelli di precisione richiesti da questi processi. La realizzazione della cella ha dimostrato che era possibile raggiungere questo risultato sia in termini tecnologici che economici.

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FFT EDAG ha realizzato la cella di produzione per componenti in carbonio

Il centro tecnologico di Nordenham è il luogo dove è nata una nuova tecnologia di produzione. Insieme a Premium Aerotec, FFT EDAG ha sviluppato una cella di produzione automatizzata per il posizionamento dei montanti per le parti della fusoliera CFRP. La cella di produzione sarà utilizzata per la produzione dell'Airbus A350 XWB. La produzione del nuovo Airbus è iniziata e il primo aeromobile è nella fase di assemblaggio finale. Gli impianti di produzione vengono migliorati, in particolare il grado di automazione deve essere esteso. Il nuovo aeromobile, le ali e la struttura dello scafo sono realizzati con materiali compositi in fibra di carbonio. Gli impianti di produzione saranno sviluppati congiuntamente dalla consociata di Premium Aerotec EADS e da FFT EDAG. Alle due società è stato affittato lo spazio nel nuovo centro tecnologico di Nordenham. Premium Aerotec è specializzato nella costruzione di componenti strutturali di aerei. Gli impianti di produzione richiesti vengono gestiti e ottimizzati da Premium Aerotec. FFT EDAG fornisce a molti settori, in particolare alle industrie automobilistica e aerospaziale, soluzioni già pronte per la produzione in serie e in lotti e linee di produzione chiavi in mano. L'azienda è riconosciuta sul mercato globale come la più grande società di sviluppo indipendente.

L'opportunità di introdurre nuove tecnologie nel settore aerospaziale non è sempre stata disponibile. Il motivo è facile da capire: per motivi di sicurezza vengono spesso preferite le pratiche tradizionali che implicano lavoro manuale. Se ora vi è un cambiamento fondamentale nei materiali utilizzati, sono essenziali nuovi metodi di produzione. Per produrre con qualità eccellente riproducibile e costi competitivi, la questione non è se, ma solo come automatizzare la produzione. La costruzione di un guscio della fusoliera in materiale composito richiede ancora molto lavoro manuale. La prima cella di produzione deve dimostrare che l'impostazione manuale dei montanti può essere automatizzata. Il principio è noto: La fibra di carbonio pre-impregnata con resina, denominata Prepreg, viene inserita in uno stampo, una sopra l'altra e in funzione dello spessore della parete richiesto in diversi strati. Le parti composite vengono indurite mediante cottura tramite riscaldamento in un forno sotto pressione a circa 180 °C. Per ottenere la rigidità richiesta per la fusoliera di un aereo, sostegni longitudinali aggiuntivi, denominati montanti, sono inseriti nel guscio prefabbricato, che ha già la forma della fusoliera. Poiché il processo avviene prima dell'indurimento, questa è denominata fase del "materiale fresco".

Per automatizzare queste fasi è necessario superare alcuni ostacoli. È molto difficile trasferire il know-how da altri processi. Negli aeromobili a precisione elevata, le strutture devono essere assemblate da parti di grandi dimensioni, non molto rigide. Allo stesso tempo, l'automazione deve convincere l'industria aeronautica non solo dal punto di vista tecnico ma anche economico. Come nella produzione automobilistica una strategia a piattaforma promette la massima flessibilità per quanto riguarda i requisiti di automazione. Mike Wehn, responsabile di progetto di FFT EDAG Nordenham, ricorda lo sviluppo delle specifiche: "Robot programmabili flessibili sostituiscono grandi apparecchiature non flessibili".

Flessibilità non solo per il test

Il risultato da trovare nel centro tecnologico di Nordenham è la prima cella di produzione effettiva. La prova viene eseguita con un componente che è già circa la metà dell'originale. Nella parte dello scafo della lunghezza di sette metri vengono inseriti 16 montanti in totale. Entrambi i robot FANUC nella cella di prova sono dotati di bracci con ampia estensione. Il robot modello R-2000iB/100P presenta un'estensione massima del braccio di 3.500 mm. Uno dei due robot è montato a pavimento. Il robot che sostiene la testa dell'utensile è montato su una rotaia. Il controllore del robot FANUC R-30iA controlla tutti gli assi. Sono collegati 17 assi in totale, due bracci del robot con sei assi ciascuno, una rotaia e altri quattro assi della testa di lavorazione. Inoltre, nella testa sono installati più attuatori, integrati tramite Profibus con il controllore del robot. Wehn: "I quattro servomotori FANUC integrati sono il fulcro della testa del robot." Questi servomotori consentono alle parti laterali di adattarsi l'una all'altra, in modo da poter adattare la testa alle diverse geometrie. L'idea è quella di utilizzare i programmi offline, non solo per la simulazione, ma anche per trasferire direttamente i dati offline nei programmi di produzione e di lavorare con i valori ottenuti, ad esempio, da RobCAD o Catia. Wehn, "Memorizzeremo le regolazioni manuali nella testa, perché i servomotori si adattano automaticamente per ciascun programma". In questa fase, gli sviluppatori FFT EDAG hanno preso in considerazione i vari gusci di Premium Aerotec. Originariamente ciascuna di queste forme richiedeva un utensile separato per il preciso posizionamento dei montanti. Questa cosiddetta testa di saldatura per rullatura, appositamente sviluppata, è progettata in modo che sia richiesto solo un utensile.
Tuttavia, la regolazione dei servomotori presenta vantaggi non solo per la produzione futura. Anche durante la fase di progettazione della cella vengono apportate ripetutamente modifiche.

In generale, i piani di sviluppo in molte zone non sono esattamente fissi, come afferma Wehn: "Stiamo collaborando con Aerotec per sviluppare un sistema di produzione, come potrebbe essere in una produzione effettiva futura, compresi gli aspetti di utilizzo dello spazio e di logistica".
FFT EDAG non sarebbe FFT EDAG, se questo sviluppo non portasse al successivo. Allo scopo di aumentare il valore aggiunto nel sistema di produzione per posare i montanti, stanno lavorando a un progetto per posare fogli di tessuto non tessuto o altri materiali ausiliari che vengono inseriti tra i montanti. Dovrebbe venire automatizzata anche la fase successiva: l'applicazione di una pellicola che copre i montanti e i materiali ausiliari.

Movimento sincrono della tecnologia multi-braccio

Il profilo di movimento del robot è "molto importante" afferma Mike Wehn. I robot R 2000iB utilizzati devono prelevare i montanti paralleli forniti allineati in parallelo con lo stampo, sollevarli capovolgendoli, quindi posizionarli con precisione millimetrica all'interno dello stampo. Ciò che è attualmente in fase di prova con solo due robot potrebbe presto assumere dimensioni maggiori: In seguito vi saranno 4 robot su ciascun lato lungo dello stampo per manipolare montanti fino a 18 m di lunghezza. Ciò richiede precisione ma ancora maggiore sincronizzazione del movimento. Con la programmazione tradizionale questa sarebbe un'impresa difficile. “Grazie alla funzione multi-braccio, la programmazione risulta molto semplice" dichiara Mike Wehn sulle operazioni di programmazione del robot.
In base alla sequenza i robot prelevano un montante ciascuno, quindi con un movimento di capovolgimento lo trasferiscono nello stampo e lo trattengono in posizione pochi centimetri al di sopra della superficie del materiale. Qualsiasi oscillazione incontrollata dei montanti deve essere impedita con ogni mezzo. Mediante una lunga striscia di nastro adesivo un'estremità del montante verrà quindi posizionata sulla superficie esattamente dalla testa. Il robot si muove lentamente con la cosiddetta testa di saldatura per rullatura lungo l'asse della rotaia finché non sono inseriti tutti i montanti. In questo modo il montante può essere inserito sostanzialmente senza alcuna forza reattiva.
Mike Wehn spiega perché anche l'inserimento deve essere eseguito senza alcuna forza o tensione: "Durante il posizionamento dobbiamo raggiungere una precisione di più/meno tre decimi di millimetro". Wehn: "Il nostro compito era, tra l'altro, di dimostrare che possiamo automatizzare questo posizionamento in maniera precisa, stabile e altamente ripetibile".
Per garantire la precisione assoluta sull'intera area di lavoro di 18 x 3,5 metri per l'intero processo, è stato aggiunto un sistema Leica che misura il robot nel suo movimento in tutti i montanti in prossimità del TCP e corregge le deviazioni che si verificano regolando il modello 3D.