Aerotec FFT EDAG développe une cellule automatisée pour fabriquer des pièces de fuselage en matériaux composites

Objectif :
Automatiser la construction d'une coque de fuselage en composite pour l'Airbus A350 XWB. Ce genre de travail s'est toujours fait manuellement étant donné la difficulté du travail avec les résines armées de fibres de carbone.

Solution :
Développer une cellule de fabrication automatisée dans laquelle les traverses qui renforcent le fuselage, sont positionnées et collées en place. Il a fallu choisir des robots FANUC avec un grand rayon d'action et des charges admissibles élevées pour manipuler la coque de sept mètres de long.

Résultat :
L'automatisation de ce process très délicat a prouvé que les robots sont capables d'exécuter ce type de tâches avec une grande régularité. L'élaboration de la cellule est la preuve que ce process était réalisable aussi bien technologiquement qu'économiquement.

Prêt au décollage !

FFT EDAG conçoit des cellules de fabrication pour composants en carbone

C'est au centre technologique de Nordenham qu'une nouvelle technologie de production a vu le jour. Avec l'aide de Premium Aerotec, FFT EDAG a développé une cellule de fabrication automatisée pour positionner les traverses des pièces de fuselage CFRP. La cellule de production va être utilisée pour la production de l'Airbus A350 XWB. Le démarrage de la production du nouvel Airbus est en cours et le premier avion est en phase finale de montage. Des améliorations ont été apportées dans les usines de production, notamment en ce qui concerne le degré d'automatisation. Le nouvel avion, que ce soient les ailes ou la structure de la coque, est fabriqué à partir de la technologie des composites en fibre de carbone. La production sera développée conjointement par Premium Aerotec, filiale EADS, et FFT EDAG. Chacune des deux entreprises a loué un espace dans le nouveau centre technologique de Nordenham. Premium Aerotec est spécialisé dans la construction de composants structurels pour avion. Les installations de production EADS sont supervisées par Premium Aerotec, également source d'améliorations. FFT EDAG fournit un grand nombre d'industries, tout particulièrement dans le secteur automobile et aérospatial avec des solutions prêtes à l'emploi pour la production en série et par lot, mais également pour les chaînes de production clés en main. L'entreprise est connue sur le marché international pour être la plus grande entreprise indépendante en matière de développement.

L'introduction de nouvelles technologies dans le domaine aérospatial n'a pas toujours été d'actualité. C'est assez facile à comprendre : pour des raisons de sécurité, la préférence allait souvent aux pratiques traditionnelles impliquant le travail manuel. Aujourd'hui, les matériaux utilisés ont radicalement changé et de nouvelles méthodes de production doivent impérativement être mises en place. Pour produire avec toujours le même niveau de qualité à des coûts concurrentiels, la question n'est pas de savoir si cela doit passer par l'automatisation, mais plutôt comment automatiser la production. La construction d'une coque de fuselage en composite demande encore aujourd'hui un bon nombre d'heures de travail manuel. La première cellule de production permet de faire la preuve que la fabrication des traverses peut être automatisée. Le principe est connu : les pré-imprégnés, fibre de carbone imprégnée de résine, également appelés Prepeg, sont placés dans un moule, les uns au-dessus des autres et selon l'épaisseur de la paroi requise. Les pièces en métriaux composites sont renforcées par « cuisson ». Elles sont donc chauffées dans un four sous pression à environ 180 ° C pour être ensuite durcies. Pour atteindre la rigidité nécessaire au fuselage d'un avion, des renforts supplémentaires appelés traverses, ont été insérés longitudinalement dans la coque préfabriquée, celle-ci ayant déjà la forme du fuselage. Ce process intervenant avant le durcissement, cette phase est intitulée « matériau humide ».

Certains obstacles ont dû être surmontés au cours de l'automatisation de ces étapes. Il est très difficile de transférer le savoir-faire d'un process à l'autre. Mais surtout, le degré élevé de précision demandé sur les structures fait que les pièces d'assemblage volumineuses ne doivent pas être trop rigides. En même temps, il faut convaincre le secteur aéronautique que l'automatisation est un plus non seulement au niveau technique, mais également au niveau économique. Tout comme pour la production automobile, une stratégie de plateforme garantit un maximum de flexibilité tout en tenant compte des exigences de l'automatisation. Mike Wehn, Directeur de projet de FFT EDAG Nordenham, rappelle ce que le développement des spécifications signifie : « Les robots programmables flexibles doivent remplacer les grands bâtis rigides. »

Flexibilité au delà des essais

Aujourd'hui, c'est la première cellule de production qui doit sortir du centre technologique de Nordenham. Elle est testée avec un composant dont la largeur représente déjà la moitié de la pièce d'origine. Dans un coque de sept mètres de long, 16 traverses sont insérées. Les deux robots FANUC de la cellule d'essai sont équipés de bras ayant un grand rayon d'action. Le rayon d'action maximal du R-2000iB/100P est de 3 500 mm. Un des deux robots est monté au sol. Le robot sur lequel est installé la tête de l'outil est monté sur un rail. Le contrôleur robotisé FANUC R-30iA commande tous les axes. Au total sont connectés : 17 axes, deux bras de robot avec six axes chacun, un rail et quatre autres axes de la tête de traitement. De plus, plusieurs actionneurs sont installés dans la tête. Ils sont intégrés au contrôleur du robot via Profibus. Selon Mike Wehn : « Les quatre servomoteurs FANUC intégrés représentent le point fort de la tête du robot. » Ces servomoteurs permettent l'ajustement des pièces latérales entre elles. Il est ainsi possible d'adapter la tête à différentes géométries. L'idée étant d'utiliser des programmes hors ligne pour la simulation, mais également pour transférer directement les données hors ligne dans des programmes de production et pour travailler avec des valeurs provenant, par exemple, de RobCAD ou Catia. Selon Mike Wehn : « Les servomoteurs s'ajustent automatiquement à chaque programme, nous allons donc pouvoir limiter les ajustements de la tête. » À partir de là, les développeurs FFT EDAG ont pris en compte les différentes coques Premium Aerotec. À l'origine, un outil spécifique à chaque forme était nécessaire pour placer avec précision les traverses. Grâce à sa conception particulière, cette tête remplace tous les outils requis.
L'ajustement par les servomoteurs a un avantage, et pas seulement pour la production à venir. Même pendant la phase de conception de la cellule, les changements sont permanents.

En général, les plans de développement d'un grand nombre de secteurs ne sont pas définis avec précision, comme le dit Mike Wehn : « Nous travaillons avec Aerotec pour développer un système de production, qui pourrait être celui utilisé très prochainement, et nous étudions notamment les questions de l'utilisation de l'espace et de logistique. »
FFT EDAG ne serait pas FFT EDAG, si ce développement ne visait pas celui qui suivra. Un projet est à l'étude pour augmenter la valeur ajoutée du système de production lors de la superposition des traverses. Il prévoit d'insérer des feuilles non tissées ou d'autres matériaux auxiliaires entre les traverses. L'étape suivante doit également être automatisée : l'application d'un film, qui recouvre les traverses et les matériaux auxiliaires.

Mouvement synchronisé de la technologie à plusieurs bras

Comme le précise Mike Wehn : « Le déplacement du robot est très important. » Les anciens robots R 2000iB doivent récupérer les traverses parallèles qui sont alignées en parallèle dans le moule, les lever en les retournant, puis les placer au millimètre près dans le moule. Ce qui aujourd'hui est testé avec seulement deux robots, pourrait bientôt se faire sur de plus grandes dimensions : Il y aura alors 4 robots de chaque côté du moule pour manipuler des traverses mesurant jusqu'à 18 m. Cela demande une grande précision, mais aussi un mouvement plus synchronisé. Un travail délicat avec une programmation traditionnelle ! « Grâce à l'option multibras, l'apprentissage est un jeu d'enfant ! » a déclaré Mike Wehn au sujet des opérations de programmation des robots.
Lors de cette séquence, les robots récupèrent chacun une traverse, puis la retourne pour la transférer dans le moule et la maintenir à quelques centimètres au-dessus de la surface du matériau. Le moindre balancement des traverses doit absolument être évité. Tout comme le collage d'une longue bande d'adhésif, une extrémité de la traverse sera ensuite placée avec précision sur la surface. Le robot se déplace lentement avec la tête de type Roll-Bond le long de l'axe du rail jusqu'à ce que toutes les traverses soient insérées. De cette manière, la traverse peut être insérée en grande partie sans forcer.
Mike Wehn explique pourquoi même l'insertion doit être réalisée sans aucune force ou tension : « Pendant le positionnement, nous devons atteindre une précision de plus ou moins trois dixièmes de millimètre. » Selon Mike Wehn : « Notre tâche était, entre autres, de prouver que nous pouvions automatiser ce positionnement avec une précision et une stabilité constantes. »
Afin de garantir une précision absolue sur toute la zone de travail de 18 X 3,5 mètres et sur l'ensemble du process, un système Leica a été ajouté. Celui-ci mesure le robot pendant son déplacement sur les traverses proches du TCP et rectifie les écarts qui se produisent pendant l'ajustement du modèle 3D.