A Aerotec FFT EDAG desenvolve uma célula automatizada para construir peças de fuselagem em composto

Tarefa:
Automatizar a construção de uma caixa de fuselagem em composto para o A350 XWB. Tradicionalmente, este tipo de trabalho sempre foi feito manualmente, dada a natureza exigente do trabalho com resinas de fibra de carbono.

Solução:
Desenvolver uma célula de produção automatizada na qual são posicionadas e fixadas vigas para reforçar a fuselagem. Foram necessários robôs da FANUC com um alcance alargado e maior capacidade de carga útil devido às dimensões da secção de sete metros a reforçar.

Resultado:
A automação deste processo invulgar de alta precisão demonstrou que os robôs conseguem proporcionar os graus rigorosos de precisão exigidos por estes processos. A construção da célula provou que este processo era tecnológica e economicamente exequível.

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Célula de produção criada pela FFT EDAG para componentes de carbono

O centro tecnológico de Nordenham é o berço de uma nova tecnologia de produção. Em parceria com a Premium Aerotec, a FFT EDAG desenvolveu uma célula de produção automatizada para o posicionamento de vigas para peças de fuselagem CFRP. A célula de produção será utilizada para a produção do Airbus A350 XWB. A produção da nova aeronave da Airbus está atualmente a ser iniciada e o primeiro aparelho encontra-se na fase final de montagem. As instalações de produção estão a ser melhoradas, em especial, o nível de automação, que está a ser alargado. A nova aeronave, ambas as asas e a estrutura do casco, são fabricadas com base na tecnologia de compostos de fibra de carbono. As instalações de produção serão desenvolvidas conjuntamente pela filial da EADS, a Premium Aerotec, e pela FFT EDAG. Estas duas empresas alugaram um espaço no novo centro tecnológico de Nordenham. A Premium Aerotec especializou-se na construção de componentes estruturais para aeronaves. As instalações de produção necessárias são operadas e foram otimizadas pela Premium Aerotec. A FFT EDAG abastece muitos setores da indústria, em particular, o setor da indústria automóvel e aeroespacial, disponibilizando soluções preparadas para a produção em massa e por lote, bem como linhas de produção “chave na mão”. A empresa é reconhecida no mercado global como a maior empresa independente de desenvolvimento.

A oportunidade para introduzir novas tecnologias no setor aerospacial nem sempre esteve disponível. Tal é fácil de compreender: por motivos de segurança, são frequentemente preferidas as práticas tradicionais que envolvem mão-de-obra manual. Mas visto a mudança decisiva ocorrida nos materiais utilizados, é fundamental recorrer a novos métodos de produção. Para produzir com uma qualidade de reprodução superior e custos competitivos, a questão não é "se", mas simplesmente "como" automatizar a produção. De momento, a construção de uma caixa de fuselagem em composto continua a requerer muito trabalho manual. A primeira célula de produção tem como finalidade demonstrar que a definição manual das vigas pode ser automatizada. O princípio é conhecido: é colocada fibra de carbono pré-impregnada com resina, denominada Prepreg, num molde, um por cima do outro e, consoante a espessura de parede necessária, serão utilizadas várias camadas. Os compostos são endurecidos através do processo de "cozedura", ou seja, são aquecidos num forno sob pressão, a cerca de 180 °C, e endurecidos. Para obter a rigidez necessária para a fuselagem de uma aeronave, são inseridas guias adicionais longitudinalmente, denominadas longarinas, na caixa pré-fabricada, já com a forma da fuselagem. Como este processo ocorre antes da secagem, esta fase denomina-se "material húmido".

A automação destes passos requer que alguns obstáculos sejam ultrapassados. É muito difícil transferir a experiência adquirida noutros processos. No final, as estruturas de aeronave de alta precisão devem ser montadas com peças grandes, não muito rígidas. Ao mesmo tempo, a automação deve convencer o setor da aviação, não só do ponto de vista técnico, como também do ponto de vista económico. Tal como na produção automóvel, uma estratégia de plataformas garante uma flexibilidade máxima, no que diz respeito aos requisitos de automação. Mike Wehn, gestor de projetos da FFT EDAG Nordenham, relembra o desenvolvimento das especificações: "Os robôs programáveis flexíveis devem substituir os equipamentos inflexíveis de grande dimensão."

Flexibilidade não só para fins de teste

De momento, o resultado, que pode ser encontrado no centro tecnológico de Nordenham, é a primeira célula de produção real. Os testes foram realizados com um componente de uma dimensão quase equivalente à metade da dimensão original. Numa peça de casco com sete metros é inserido um total de 16 longarinas. Ambos os robôs FANUC na célula de teste estão equipados com braços de longo alcance. O modelo de robô R-2000iB/100P tem um alcance máximo de 3500 mm. Um dos robôs está montado no chão. O robô que segura a cabeça porta-ferramentas está montado num carril. O controlador do robô FANUC R-30iA controla todos os eixos. Existe um total de 17 eixos associados, dois braços de robô com seis eixos cada, um carril e ainda quatro eixos da cabeça de processamento. Além disso, estão instalados vários atuadores na cabeça, integrados através de Profibus no controlador do robô. Wehn: "O destaque da cabeça do robô consiste nos quatro servomotores FANUC integrados." Estes servomotores permitem que as peças laterais se ajustem umas às outras, para que possa adaptar a cabeça a diferentes geometrias. O objetivo consiste em utilizar os programas de forma independente, não só para simulação, mas também para a transferência de dados de modo direto e independente para programas de produção, e ainda para trabalhar com os valores provenientes, por exemplo, do RobCAD ou Catia. Wehn, "Deixaremos os ajustes manuais para a cabeça, uma vez que os servomotores ajustam-se automaticamente a cada programa." Nesta fase, os programadores da FFT EDAG tiveram em conta as diferentes caixas da Premium Aerotec. Inicialmente, cada uma destas formas requeria uma ferramenta distinta para o posicionamento preciso das longarinas. Esta cabeça tipo roll-bond, especialmente desenvolvida, foi concebida para que fosse necessária apenas uma ferramenta.
No entanto, o ajuste através de servomotores tem outras vantagens, além da utilização na produção futura. Inclusivamente durante a fase de design da célula, em que as mudanças se sucedem.

De um modo geral, os planos de desenvolvimento não estão completamente finalizados, em muitas áreas, como afirma Wehn: "Estamos a trabalhar em colaboração com a Aerotec para desenvolver um sistema de produção, como poderá vir a ser implementado numa produção real futura, incluindo aspetos da utilização do espaço e aspetos de logística."
A FFT EDAG não seria a FFT EDAG se este desenvolvimento não desse origem ao próximo desenvolvimento. Por exemplo, para valorizar ainda mais o sistema de produção, para a colocação de longarinas, estão a trabalhar num projeto que visa inserir folhas de material não tecido ou outros materiais auxiliares entre as longarinas. Também o passo seguinte deverá vir a ser automatizado: a aplicação de um revestimento, que cobre as longarinas e os materiais auxiliares.

Movimento sincronizado da tecnologia multi-braço

"De grande importância", como afirma Mike, é o perfil de movimento do robô. Os robôs R 2000iB utilizados têm de recolher as longarinas paralelas fornecidas alinhadas paralelamente com o molde, elevá-las com um movimento invertido e, em seguida, colocá-las com precisão milimétrica dentro do molde. O que atualmente está a ser testado com apenas dois robôs poderá, em breve, assumir maior dimensão: nessa altura, haverá quatro robôs em cada lado longitudinal do molde a manusear longarinas com 18 m de comprimento. Estes procedimentos requerem precisão, mas, acima de tudo, sincronização de movimentos. Com a programação convencional, esta tarefa seria difícil de realizar. “Graças a esta função multi-braço, a respetiva aprendizagem é muito simples", afirma Mike Wehn acerca das operações de aprendizagem do robô.
Aparentemente segundo a sequência, os robôs recolhem cada um uma longarina e, de seguida, com um movimento invertido transferem-na para o molde e sustêm-na alguns centímetros acima da superfície do material. Deve recorrer-se a todos os meios para evitar qualquer oscilação não controlada das longarinas. Tal como ao colocar uma tira comprida de fita-cola, uma das extremidades da longarina será colocada na superfície exatamente pela cabeça. Lentamente o robô move a cabeça tipo roll-bond ao longo do eixo do carril até inserir as longarinas completamente. Deste modo, a longarina pode ser em grande parte inserida sem praticamente qualquer força reativa.
Mike Wehn explica por que motivo, inclusivamente, a inserção deve ser efetuada sem qualquer força ou tensão: "Durante o posicionamento, é necessário obter uma precisão até mais/menos três décimas de milímetro." Wehn: "A nossa tarefa era, entre outras, demonstrar que podemos automatizar este posicionamento de forma exata e estável, com grande capacidade de repetição."
Para garantir uma precisão absoluta em toda a área de trabalho de 18 x 3,5 metros, durante todo o processo, foi adicionado um sistema Leica que avalia o robô ao movimentar as longarinas junto do TCP e corrige os desvios existentes ajustando o modelo 3D.