Firmy Aerotec i FFT EDAG opracowują zautomatyzowaną celę do produkcji kompozytowych części kadłuba

Zadanie:
Zautomatyzowanie procesu budowy kompozytowej skorupy kadłuba do Airbusa A350 XWB. Tradycyjnie tego rodzaju zadania były zawsze wykonywane ręcznie z powodu trudnego charakteru pracy z żywicami do włókien węglowych.

Rozwiązanie:
Opracowanie zautomatyzowanej celi produkcyjnej, w której podłużnice wzmacniające kadłub są pozycjonowane i spajane z podłożem. Do tej pracy, ze względu na wymiary wzmacnianego kadłuba o długości siedmiu metrów, były potrzebne roboty FANUC o wydłużonych zasięgach i wyższych dopuszczalnych obciążeniach.

Wynik:
Automatyzacja tego niewygodnego procesu wymagającego dużej precyzji pokazała, że roboty są w stanie zagwarantować odpowiednio wysoki stopień dokładności. Skonstruowanie celi udowodniło, że ten proces jest osiągalny technologicznie i opłacalny.

Gotowe do sklejenia i lotu

FFT EDAG buduje celę produkcyjną do podzespołów z włókien węglowych

Centrum technologiczne w Nordenham to miejsce narodzin nowej technologii produkcji. Wspólnie z Premium Aerotec firma FFT EDAG opracowała zautomatyzowaną celę produkcyjną do umieszczania podłużnic w częściach kadłuba wykonanych z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknami węglowymi (CFRP). Cela będzie wykorzystywana do wytwarzania samolotów Airbus A350 XWB. Produkcja tego nowego modelu właśnie się rozpoczyna i pierwszy egzemplarz jest obecnie w fazie montażu końcowego. Zakład produkcyjny przechodzi istotną modernizację, szczególnie pod względem zwiększenia poziomu automatyzacji. Zarówno skrzydła, jak i struktura kadłuba, są wykonane z kompozytów opartych na włóknach węglowych. Zakład produkcyjny zostanie zbudowany wspólnie przez filię EADS o nazwie Premium Aerotec oraz FFT EDAG. Obie firmy wydzierżawiły przestrzeń w nowym centrum technologicznym w Nordenham. Premium Aerotec specjalizuje się w wytwarzaniu elementów strukturalnych samolotów. Firma będzie odpowiadała za całościowe funkcjonowanie zakładu produkcyjnego i jego unowocześnienie. FFT EDAG zaopatruje firmy z wielu branż, szczególnie motoryzacyjnej i lotniczej, w gotowe rozwiązania do produkcji seryjnej i masowej oraz kompletne linie produkcyjne. Firma jest uznawana za największego niezależnego dostawcę takich rozwiązań na świecie.

Szansa wprowadzenia nowych technologii do przemysłu lotniczego nie zdarza się często. Łatwo to zrozumieć: ze względów bezpieczeństwa często preferuje się tradycyjne techniki, wykorzystujące pracę ręczną. Jednak gdy dochodzi do fundamentalnej zmiany w używanych materiałach, nowe metody produkcji są nieodzowne. Jeśli trzeba produkować z powtarzalną wysoką jakością i przy konkurencyjnej cenie, pytanie nie brzmi „czy”, ale „jak” automatyzować produkcję. Dotychczas wytwarzanie kompozytowej skorupy kadłuba nadal w dużym stopniu odbywa się ręcznie. Pierwsza cela produkcyjna ma pokazać, że ręczne pozycjonowanie podłużnic można zautomatyzować. Ogólna zasada jest już znana: Włókno węglowe wstępnie zaimpregnowane żywicą, tzw. półfabrykat laminatu zbrojonego (prepreg), umieszcza się w formie, kilka warstw jedna nad drugą, gdzie liczba warstw zależy od żądanej grubości ściany. Elementy kompozytowe są utwardzane poprzez „wypiekanie”, tzn. podgrzewa się je w piecu w temperaturze ok. 180°C pod wysokim ciśnieniem. Aby uzyskać żądaną sztywność kadłuba, wkłada się wzdłużnie dodatkowe klamry, tzw. podłużnice, do prefabrykowanej skorupy, która ma już kształt kadłuba. Ponieważ odbywa się to przed utwardzaniem, etap ten nosi nazwę „faza materiału mokrego”.

Chcąc zautomatyzować te czynności, należało pokonać kilka przeszkód. Trudno było tu bezpośrednio przenieść wiedzę z innych procesów. Bardzo precyzyjne elementy konstrukcji samolotu należało zmontować z dużych, mało sztywnych części. Jednocześnie automatyzacja powinna przynieść korzyści nie tylko techniczne, ale również ekonomiczne. Podobnie jak w produkcji motoryzacyjnej strategia platformowa zapewnia największą elastyczność pod względem możliwości stosowania automatyki. Mike Wehn, kierownik projektu w FFT EDAG Nordenham, pamięta opracowywanie specyfikacji: „Elastyczne programowalne roboty powinny zastąpić sztywne wielkogabarytowe urządzenia”.

Elastyczność nie tylko na potrzeby testów

Rezultatem, który można podziwiać w centrum technologicznym w Nordenham, jest pierwsza faktyczna cela produkcyjna. Została przetestowana z użyciem podzespołu, który jest ok. dwukrotnie większy niż docelowy oryginał. Do 7-metrowej części kadłuba wkłada się łącznie 16 podłużnic. Oba roboty FANUC pracujące w celi są wyposażone w długie ramiona. Robot R-2000iB/100P ma maksymalny zasięg 3500 mm. Jeden z robotów jest przymocowany do podłogi. Robot trzymający głowicę narzędzia jest zamontowany na szynie. Wszystkimi osiami ruchu zarządza kontroler FANUC R-30iA. Cały układ zawiera łącznie 17 osi: po 6 na każde z dwóch ramion robotów, 1 dla szyny i 4 w głowicy obróbczej. Ponadto w głowicy zainstalowano kilka siłowników, które za pośrednictwem magistrali Profibus są zintegrowane ze sterownikiem. Kierownik Wehn mówi: „Najważniejszym elementem głowicy robota są cztery zintegrowane serwomotory FANUC”. Silniki te umożliwiają regulowanie położenia części bocznych względem siebie, czyli pozwalają przystosowywać głowicę do różnych geometrii. Ma to umożliwić nie tylko wykorzystywanie programów off-line do symulacji, ale również przenoszenie z nich danych do programów produkcyjnych, a także pracę z wartościami z programów takich jak RobCAD i Catia. Kierownik kontynuuje: „Wyeliminujemy konieczność ręcznego ustawiania głowicy, ponieważ serwomotory dopasowują się automatycznie do każdego programu”. Na tym etapie projektanci z FFT EDAG wzięli pod uwagę różnorodność skorup produkowanych przez Premium Aerotec. Pierwotnie każda z tych form wymagała osobnego narzędzia do precyzyjnego spozycjonowania podłużnic. Natomiast specjalna głowica do łączenia przez walcowanie jest zaprojektowana w taki sposób, aby wystarczało użycie jednego narzędzia.
Jednak regulowanie przez serwomotory ma wiele zalet nie tylko w przypadku bezpośredniej produkcji. Nawet w trakcie projektowania celi co chwilę pojawiały się zmiany.

Ogólnie rzecz biorąc, plany projektowe w wielu obszarach nie mają charakteru ostatecznego, co potwierdza sam Wehn: „Wspólnie z Aerotec pracujemy nad stworzeniem systemu produkcji w formie, w jakiej może wyglądać w przyszłości, z uwzględnieniem aspektów takich jak wykorzystanie przestrzeni i logistyka”.
Dzięki rzeczowemu podejściu FFT EDAG ten projekt stał się przyczynkiem do kolejnego projektu. Aby system układania podłużnic przynosił jeszcze większą wartość dodaną, postanowiono opracować system układania arkuszy włóknin lub innych materiałów pomocniczych wkładanych między podłużnice. Automatyzacja objęłaby również następny etap: nakładanie folii przykrywającej podłużnice i materiały pomocnicze.

Synchroniczny ruch w technologii wieloramiennej

„Bardzo ważny”, tak Mike Wehn opisuje profil ruchu robotów. Zastosowane roboty R 2000iB muszą chwycić podłużnice ułożone równolegle obok formy, podnieść je z równoczesnym obracaniem, a następnie umieścić wewnątrz formy z milimetrową precyzją. To, co obecnie testuje się na dwóch robotach, wkrótce może przyjąć znacznie większą skalę: na każdym boku długiej strony formy będą 4 roboty przenoszące podłużnice o długości sięgającej 18 metrów. Wymagałoby to nie tylko wysokiej precyzji, ale też bardzo zaawansowanej synchronizacji ruchu. Osiągnięcie tego za pomocą konwencjonalnego programowania byłoby bardzo trudne. Jak jednak Mike Wehn objaśnia proces uczenia robotów, “dzięki obecności wielu ramion uczenie przebiega bardzo sprawnie”.
Kolejność czynności wygląda następująco: każdy robot podnosi jedną podłużnicę, ruchem obrotowym przenosi ją do formy, po czym utrzymuje kilka centymetrów nad powierzchnią materiału. Bezwzględnie należy uniknąć wszelkich niekontrolowanych ruchów podłużnic. Podobnie jak się to robi z przyklejaniem długiego paska taśmy samoprzylepnej, jeden koniec podłużnicy zostanie następnie przyłożony do powierzchni dokładnie przy głowicy. Robot z tzw. głowicą do łączenia przez walcowanie powoli przesuwa się na szynie, aż zostaną włożone całe podłużnice. W ten sposób podłużnica może zostać włożona praktycznie bez wywoływania sił reakcji.
Mike Wehn wyjaśnia, dlaczego nawet wkładanie powinno się odbywać bez przykładania siły ani powodowania naprężeń: „W trakcie pozycjonowania musimy uzyskać dokładność rzędu +/- trzech dziesiątych milimetra”. Kierownik projektu kontynuuje: „Naszym zadaniem było m.in. pokazanie, że potrafimy zautomatyzować tę operację pozycjonowania z bardzo dużą powtarzalną precyzją i stabilnością”.
Aby zagwarantować maksymalną dokładność w granicach całego obszaru roboczego 18 x 3,5 metra na wszystkich etapach procesu, dodano układ firmy Leica, który mierzy położenie robota podczas jego ruchu nad podłużnicami w pobliżu centralnego punktu narzędzia i kasuje występujące odchylenia poprzez odpowiednie korygowanie modelu 3D.