Aerotec FFT EDAG ontwikkelt een geautomatiseerde cel voor het bouwen van composiete romponderdelen

Taak:
Het automatiseren van de constructie van een composiete rompschaal voor de Airbus A350 XWB. Traditioneel gezien wordt dit werk handmatig uitgevoerd vanwege de uitdaging die gepaard gaat met het werken met koolstofvezelharsen.

Oplossing:
Het ontwikkelen van een geautomatiseerde productiecel waarin stringers ter versterking van de romp in de juiste positie worden geplaatst. Gezien de afmetingen van het zeven meter lange rompgedeelte waren FANUC-robots met een verlengd bereik en een hogere payloadcapaciteit vereist voor dit werk.

Resultaat:
De automatisering van dit bijzondere hogeprecisieproces heeft aangetoond dat robots in staat zijn de exacte mate van nauwkeurigheid te leveren die worden vereist door deze processen. Het bouwen van de cel bewees dat dit proces zowel technisch als economisch haalbaar was.

Startklaar om te lijmen

FFT EDAG bouwt productiecel voor koolstofcomponenten

Het technologiecentrum Nordenham is de geboorteplaats van een nieuwe productietechnologie. Samen met Premium Aerotec heeft FFT EDAG een geautomatiseerde productiecel ontwikkeld voor de plaatsing van stringers voor CFRP-romponderdelen. De productiecel gaat worden gebruikt voor de productie van de Airbus A350 XWB. De productie van het nieuwe Airbus-vliegtuig is momenteel gestart en het eerste vliegtuig bevindt zich in de laatste assemblagefase. De productiefaciliteiten worden verbeterd, en met name de automatisering wordt uitgebreid. Van het nieuwe vliegtuig zijn zowel de vleugels als de constructie van de romp gemaakt met koolstofvezelcomposiettechnologie. De productiefaciliteiten worden gezamenlijk ontwikkeld door de EADS-dochtermaatschappij Premium Aerotec en FFT EDAG. Deze twee bedrijven hebben ruimte gehuurd in het nieuwe technologiecentrum Nordenham. Premium Aerotec heeft zich gespecialiseerd in de bouw van constructiedelen van vliegtuigen. De vereiste productiefaciliteiten worden gerund en verbeterd door Premium Aerotec. FFT EDAG levert aan allerlei industrieën, met name de auto-industrie en de ruimte- en luchtvaartindustrie, gebruiksklare oplossingen voor massa- en batchproducten en kant-en-klare productielijnen. Het bedrijf wordt op de internationale markt erkend als het grootste onafhankelijke ontwikkelingsbedrijf.

De kans om nieuwe technologieën in de luchtvaartindustrie te introduceren, is er niet altijd geweest. Dat is eenvoudig te begrijpen: Vanwege veiligheidsredenen wordt vaak de voorkeur gegeven aan traditionele procedures met handmatige arbeid. Maar nu de gebruikte materialen drastisch zijn gewijzigd, zijn nieuwe productiemethoden van cruciaal belang. Om te kunnen produceren met reproduceerbare topkwaliteit en tegen concurrerende kosten, is het niet de vraag of, maar alleen hoe de productie kan worden geautomatiseerd. Tot nu toe vereist de bouw van een composiete rompschaal nog steeds veel handmatig werk. Met de eerste productiecel wordt aangetoond dat het handmatig instellen van de stringers kan worden geautomatiseerd. Het principe is bekend: Koolstofvezel voorgeïmpregneerd met hars, het zogeheten Prepreg, wordt in een vorm geplaatst, de een boven de ander, en afhankelijk van de vereiste wanddikte met meerdere lagen. De composietdelen worden harder gemaakt door ze te 'bakken'. Daarom worden ze in een oven onder druk op ongeveer 180 °C verwarmd en uitgehard. Om de vereiste stijfheid voor een vliegtuigromp te verkrijgen, worden verstevigingsplaten in de lengte, zogeheten stringers, in de geprefabriceerde behuizing geplaatst, die al de vorm van de romp heeft. Omdat dit proces plaatsvindt voorafgaand aan het uitharden, wordt deze fase 'nat materiaal' genoemd.

Voor de automatisering van deze stappen moet een aantal hindernissen worden genomen. Het is bijzonder moeilijk om knowhow uit andere processen toe te passen. Aan het einde moeten vliegtuigconstructiedelen met een hoge precisie worden geassembleerd uit grote, niet zeer starre delen. Tegelijkertijd moet de automatisering de luchtvaartindustrie niet alleen in technisch opzicht, maar ook in economisch opzicht overtuigen. Net als bij de productie van auto's belooft een platformstrategie een maximum aan flexibiliteit met betrekking tot de automatiseringsvereisten. Mike Wehn, projectmanager van FFT EDAG Nordenham, herinnert zich de ontwikkeling van specificaties: "Flexibele programmeerbare robots gaan inflexibele grote inrichtingen vervangen."

Flexibiliteit niet alleen voor de test

Het resultaat dat nu bestaat in technologiecentrum Nordenham is de eerste echte productiecel. Deze is getest met een component die al half zo groot is als het origineel. In het zeven meter lange rompgedeelte zijn in totaal 16 stringers geplaatst. Beide FANUC-robots in de testcel zijn uitgerust met een arm met een lang bereik. Het robotmodel R-2000iB/100P heeft een maximaal bereik van 3500 mm. Een van de twee robots is aan de vloer bevestigd. De robot die de gereedschapkop vasthoudt, is bevestigd aan een railunit. De FANUC-robotcontroller R-30iA bestuurt alle assen. Er zijn in totaal 17 assen bevestigd, twee robotarmen met elk zes assen, een railunit, en nog eens vier assen van de verwerkingskop. Verder zijn verschillende actuators geïnstalleerd in de kop, die via Profibus zijn geïntegreerd met de robotcontroller. Wehn: "Het opvallendste kenmerk van de robotkop zijn de vier geïntegreerde FANUC-servomotoren." Deze servomotoren maken het mogelijk om de zijdelen aan elkaar aan te passen, zodat de kop op verschillende geometrische vormen kan worden ingesteld. Het is het idee om offline programma's niet alleen te gebruiken voor simulatie, maar ook om offline data rechtstreeks te verzenden naar productieprogramma's en om te werken met de waarden die afkomstig zijn uit bijvoorbeeld RobCAD of Catia. Wehn vertelt "We zullen besparen op het handmatig aanpassen van de kop omdat de servomotoren zich automatisch aanpassen voor elk programma." In deze fase hebben de ontwikkelaars van FFT EDAG rekening gehouden met de verschillende behuizingen van Premium Aerotec. Oorspronkelijk vereiste elk van deze vormen een apart werktuig voor de precieze positionele plaatsing van de stringers. Deze speciaal ontwikkelde zogeheten rolverbindingskop is zo ontworpen dat er slechts één werktuig vereist is.
De aanpassing door servomotoren heeft niet alleen voordelen voor de toekomstige productie. Zelfs tijdens de ontwerpfase van de cel zijn er steeds opnieuw wijzigingen.

Over het algemeen staan de ontwikkelingsplannen op veel punten nog niet volledig vast, aldus Wehn: "We werken samen met Aerotec om een productiesysteem te ontwikkelen zoals het in een toekomstige productie zou kunnen zijn - inclusief aspecten van ruimtegebruik en inclusief de logistiek."
FFT EDAG zou FFT EDAG niet zijn als deze ontwikkeling niet weer een volgende ontwikkeling zou triggeren. Om de meerwaarde in het productiesysteem te verhogen voor het leggen van de stringers, zijn zij bezig met een project voor het leggen van non-woven platen of andere hulpmaterialen die tussen de stringers worden geplaatst. En ook de volgende stap moet worden geautomatiseerd: de toepassing van een folie die de stringers en hulpmaterialen bedekt.

Synchrone beweging van multi-armtechnologie

Het bewegingsprofiel van de robot is "uitermate belangrijk", aldus Mike Wehn. De R 2000iB-robots die worden gebruikt voor het oppakken van de parallelle stringers die op één lijn parallel met de vorm worden aangeleverd, tillen deze met een kantelbeweging op en plaatsen deze vervolgens op de millimeter nauwkeurig binnen de vorm. Wat momenteel met slechts twee robots wordt getest, kan snel grotere afmetingen aannemen: Dan zullen er 4 robots aan elke zijde van de vorm zijn die stringers van maximaal 18 meter hanteren. Dit vereist precisie, maar meer nog synchronisatie van de beweging. Met behulp van conventioneel programmeren zou dit een moeilijke onderneming zijn. “Dankzij de multi-armfunctie is dit zeer goed aan te leren", aldus Mike Wehn over het aanleren van vaardigheden aan robots.
De volgorde ziet er als volgt uit: de robots pakken elk een stringer op, dragen deze met een kantelbeweging over naar de vorm en houden deze een paar centimeter boven het materiaaloppervlak. Ongecontroleerde schommelbewegingen van de stringers moeten koste wat kost vermeden worden. Net als met het hechten van een lange strook plakband wordt het ene eind van de stringer door de kop vervolgens exact op het oppervlak geplaatst. De robot verplaatst zich langzaam met de zogeheten rolverbindingskop langs de railas totdat de gehele stringer is geplaatst. Op deze manier kan de stringer grotendeels zonder enige reactiekracht worden geplaatst.
Mike Wehn legt uit waarom zelfs het plaatsen zonder enige kracht of spanning moet worden uitgevoerd: "Tijdens het positioneren moeten we een nauwkeurigheid bereiken van plusminus drie tiende van een millimeter." Wehn: "Onze taak was, onder andere, aan te tonen dat we deze positionering op een uiterst herhaalbare, nauwkeurige en stabiele manier kunnen automatiseren."
Om een absolute nauwkeurigheid over het gehele werkgebied van 18 x 3,5 meter te verkrijgen voor het gehele proces, is een Leica-systeem toegevoegd. Dit meet de robot tijdens zijn beweging over de stringers bij de TCP en corrigeert afwijkingen die plaatsvinden door het 3D-model aan te passen.