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Aerotec FFT EDAG desarrolla una célula automatizada para la creación de piezas de fuselaje de composite

Tarea:
Automatizar la construcción de una carcasa de fuselaje compuesta para el Airbus A350 XWB. Tradicionalmente, este tipo de trabajo siempre se ha realizado manualmente a causa de la naturaleza compleja del trabajo con resinas de fibra de carbono.

Solución:
Desarrollar una célula de fabricación automatizada en la que se coloquen y se unan los stringers de refuerzo del fuselaje. Se necesitaban robots FANUC con mayores alcances y capacidades de carga para este trabajo a causa de las dimensiones de la sección del casco de siete metros de longitud que era necesario reforzar.

Resultado:
La automatización de este difícil proceso de alta precisión ha demostrado que los robots pueden ofrecer los rigurosos niveles de precisión exigidos por estos procesos. La creación de la célula demostró que este proceso era viable desde los puntos de vista tecnológico y económico.

Listo para pegar y despegar

Célula de FFT EDAG de fabricación de componentes de carbono

El centro tecnológico de Nordenham es la cuna de una nueva tecnología de producción. Junto con Premium Aerotec, FFT EDAG ha desarrollado una célula de fabricación automatizada para colocar stringers en las piezas del fuselaje de polímero reforzado con fibra de carbono, CFRP (Carbon Fiber-Reinforced Polymer). La célula se va a utilizar en la producción del Airbus A350 XWB. La producción de la nueva aeronave Airbus está empezando y el primer avión se encuentra en la fase final de ensamblaje. Se están mejorando las instalaciones de producción, con especial hincapié en ampliar el grado de automatización. Tanto las alas como la estructura del fuselaje del nuevo Airbus se fabrican con tecnología de compuestos de fibra de carbono. El desarrollo de las instalaciones de producción corre a cargo conjuntamente de la filial Premium Aerotec de EADS y FFT EDAG. Ambas empresas han alquilado un espacio en el nuevo centro tecnológico de Nordenham. Premium Aerotec se ha especializado en la construcción de componentes estructurales para aeronaves. Premium Aerotec se encargará de gestionar y mejorar las instalaciones de producción requeridas. FFT EDAG suministra a muchas industrias (en especial las de la automoción y aeroespacial) soluciones listas para usar de producción masiva y por lotes, así como líneas de producción llave en mano. La empresa goza de reconocimiento en el mercado internacional por ser la empresa de desarrollo independiente más importante.

No siempre existe la oportunidad de introducir nuevas tecnologías en la industria aeroespacial. Es fácil de entender: por motivos de seguridad, se suelen preferir las prácticas tradicionales con mano de obra manual. Sin embargo, se ha producido un cambio fundamental en los materiales empleados, lo que hace esencial contar con nuevos métodos de producción. Para producir con alta calidad repetible y costes competitivos, no se trata de decidir si se automatizará la producción, sino cómo se debe hacer. Hasta ahora, la construcción de una carcasa de fuselaje compuesta sigue exigiendo mucho trabajo manual. La primera célula de producción pretende demostrar que la configuración manual de los stringers se puede automatizar. Se aplica un principio conocido: la fibra de carbono, previamente impregnada con resina (denominada Prepreg), se coloca en un molde en capas sucesivas unas sobre otras, dependiendo del grosor requerido de las paredes. Las piezas compuestas se endurecen mediante "horneado", que consiste en calentarlas en un horno a presión a 180 °C para que adquieran la dureza deseada. A fin de lograr la rigidez necesaria para el fuselaje de una aeronave, se insertan refuerzos longitudinales, denominados stringers, en la carcasa prefabricada, que ya tiene la forma del fuselaje. Todo este proceso se lleva a cabo antes del secado, durante la fase denominada de "materiales húmedos".

Para automatizar estos pasos, es preciso superar algunos obstáculos. Resulta muy complicado transferir los conocimientos obtenidos en otros procesos. Al fin y al cabo, las estructuras de alta precisión de las aeronaves tienen que ensamblarse a partir de piezas grandes que no son demasiado rígidas. Al mismo tiempo, la industria de aviación debe quedar convencida de que la automatización no solo es ventajosa técnicamente, sino también desde el punto de vista económico. Al igual que en la producción de automóviles, una estrategia de plataforma promete la máxima flexibilidad por lo que respecta a los requisitos de automatización. Mike Wehn, responsable de proyecto de FFT EDAG de Nordenham, recuerda el desarrollo de las especificaciones: "Los robots programables y flexibles sustituirán los grandes accesorios inflexibles".

Flexibilidad no solo para las pruebas

El resultado que ahora se encuentra en el centro tecnológico de Nordenham es la primera célula de producción real. Se está probando con un componente cuyo tamaño es aproximadamente el doble del original. En la pieza del fuselaje, de 7 metros de longitud, se insertan un total de 16 stringers. Los dos robots FANUC de la célula de prueba están equipados con brazos de largo alcance. El modelo de robot R-2000iB/100P tiene un alcance máximo de 3.500 mm. Uno de los dos robots está montado sobre el suelo. El robot que sostiene el cabezal de herramientas se instala en una unidad montada sobre raíles. El sistema de control R-30iA del robot FANUC controla todos los ejes. Hay un total de 17 ejes conectados, dos brazos robotizados con 6 ejes cada uno, una unidad montada sobre raíles y otros 4 ejes en el cabezal de procesamiento. Además, hay varios accionadores instalados en el cabezal, que se integran mediante Profibus con el sistema de control del robot. Y añade: "Lo más destacado del cabezal del robot son los cuatro servomotores integrados de FANUC". Estos servomotores permiten que las piezas laterales se ajusten entre sí, a fin de poder adaptar el cabezal a distintas formas geométricas. Se trata de utilizar programas offline no solo para la simulación, sino también para transferir datos offline directamente a los programas de producción y trabajar con los valores procedentes de aplicaciones como RobCAD o Catia, por ejemplo. Wehn añade, "Evitaremos tener que efectuar ajustes manuales en el cabezal, porque los servomotores se ajustan automáticamente para cada programa". En esta fase, los desarrolladores de FFT EDAG han tenido en cuenta las distintas carcasas de Premium Aerotec. Originalmente, cada una de estas formas requería una herramienta distinta a fin de llevar a cabo la colocación posicional precisa de los stringers. Este cabezal de rodillo de aplicación de adhesivo desarrollado especialmente, se ha diseñado de tal forma que solo requiere una herramienta.
Pero el ajuste mediante servomotores no solo presenta ventajas para la producción futura. Incluso durante la fase de diseño de la célula, hay que efectuar numerosos cambios.

En general, los planes de desarrollo en muchas áreas no son exactamente definitivos; como afirma Wehn: "Estamos trabajando con Aerotec para desarrollar un sistema de producción tal y como podría ser en una situación de producción real, incluidos los aspectos de utilización del espacio y de logística".
Fieles a su filosofía, en FFT EDAG cada desarrollo desencadena el siguiente. Así pues, con objeto de aumentar el valor añadido del sistema de producción utilizado para colocar los stringers, están trabajando en un proyecto cuya finalidad es insertar entre ellos planchas de fibras no tejidas u otros materiales auxiliares. Y también hay que automatizar el siguiente paso: la aplicación de una película que recubre los stringers y los materiales auxiliares.

Movimiento síncrono de tecnología multibrazo

En palabras de Mike Wehn, el perfil de movimiento del robot es "muy importante". Los robots R-2000iB empleados tienen que agarrar los stringers que se suministran alineados en paralelo con el molde, levantarlos realizando un movimiento de volteo y, a continuación, colocarlos con precisión milimétrica en el interior del molde. Lo que actualmente se está probando con solo dos robots podría adquirir pronto grandes dimensiones: habrá 4 robots en cada uno de los laterales largos del molde, que manipularán stringers de hasta 18 m de longitud. Para esto se necesita precisión, pero, sobre todo, sincronización del movimiento. Con las técnicas de programación convencionales, sería una tarea complicada. “Gracias a la funcionalidad multibrazo, resulta muy fácil de enseñar", comenta Mike Wehn sobre las operaciones de aprendizaje del robot.
La secuencia consiste en que cada robot agarre un stringer, lo transfiera con un movimiento de volteo al molde y lo sostenga a unos centímetros de la superficie del material. Es preciso evitar a toda costa cualquier oscilación descontrolada de los stringers. Como si se tratara de una larga tira de cinta adhesiva, el cabezal colocará un extremo del stringer con exactitud sobre la superficie. Lentamente, el robot se desplazará con el cabezal de rodillo de aplicación de adhesivo a lo largo del eje del raíl, hasta que el larguerillo completo quede insertado. De esta forma, se puede insertar el stringer sin experimentar prácticamente ninguna fuerza de reacción.
Mike Wehn explica por qué incluso la inserción se tiene que efectuar sin fuerza ni tensión: "Durante el posicionamiento, debemos lograr una precisión de más/menos tres décimas de milímetro". Y añade: "Nuestra tarea, entre otras cosas, debía demostrar que podemos automatizar este posicionamiento de manera precisa, estable y altamente repetible".
Para garantizar la precisión absoluta en toda el área de trabajo de 18 x 3,5 metros para todo el proceso, se ha añadido un sistema Leica que mide el robot mientras se mueve a lo largo de los stringers cerca del TCP y corrige las desviaciones que se producen ajustando el modelo 3D.