Эксперты:Повышение уровня автоматизации имеет решающее значение для удовлетворения спроса на авиатехнику

Только коммерческие потребности в течение следующих 20 лет предполагают удвоение производительности

До того, как пандемия коронавируса нарушила нормальную жизнь и фактически закрыла коммерческие авиалайнеры, авиационной отрасли прогнозировалась потребность в 40 000 новых самолетов — самолетов, вертолетов, аэротакси и беспилотных летательных аппаратов — в следующие 20 лет. Этот том включает в себя замену судов, вышедших из эксплуатации после среднего срока службы 25–30 лет, и является дополнением к восьмилетнему отставанию.

Некоторые отраслевые эксперты считают, что если спрос на авиарейсы вернется на прежний уровень после того, как ограничения, связанные с пандемией, ослабнут, единственный способ удовлетворить прогнозируемый спрос — это повысить уровень автоматизации.

В отличие от многих других секторов, в авиационной промышленности широко распространен ручной труд, поскольку в настоящее время не существует альтернативных производственных процессов, которые были бы осуществимы. Но, учитывая данные Statista о годовом увеличении спроса в период с 2006 по 2019 год для глобального пассажирского спроса на авиаперевозки (увеличение варьировалось от 2,4 до 8,1 процента, за исключением 2009 года в разгар Великой рецессии) и других факторов, более высокая эффективность обязательно, если отрасль собирается идти в ногу со временем.

Исследователи пытаются выяснить, как автоматизировать некоторые процессы, такие как ручная укладка. Но в настоящее время доступны и другие автоматические меры, включая проецирование инструкций по сборке на рабочие станции и автоматизированные процессы герметизации, крепления, маркировки и обработки материалов.

По словам Джона Д. Рассела, начальника отдела строительных технологий Исследовательской лаборатории ВВС, одни только потребности коммерческой авиации потребуют эффективного удвоения производительности.

В дополнение к коммерческим самолетам военные изучают истребительные самолеты, которые могут быть произведены тысячами.

Наконец, концепция воздушного такси набирает обороты у традиционных авиационных фирм и компаний, таких как Uber, и требует еще большего производства.

«Что касается каждого из этих случаев в отдельности, я слышу от своих контактов в отрасли, что в настоящее время у США нет потенциала», — сказал Рассел, предупредив, что его информация получена до того, как вирус распространился по всему миру. «Если все три условия осуществятся одновременно, отрасли придется творчески подходить к решению проблемы пропускной способности.

«Большая альтернатива, которую я слышу, — это использование автоматизации для повышения производительности и пропускной способности, особенно для коммерческой авиации. Компании изучают, как автоматизация может улучшить ситуацию, от производства деталей до сборки. Я слышал, что капитальные затраты на автоматизацию меньше, чем на добавление новых производственных линий».

Рассел сказал, что он не удивится, увидев, что индустрия воздушного такси будет искать оффшорное производство, потому что цена транспортного средства, вероятно, будет важным фактором для их бизнес-модели. Он сомневается, что мы увидим офшоринг коммерческой авиации, потому что отрасль, вероятно, будет придерживаться установленных отношений с поставщиками из-за высокого уровня квалификации рабочей силы. «Очевидно, что офшоринг не подходит ни для одной военной техники», — отметил он.

Для поставки 40 000 самолетов за 20 лет потребуется производить 2 000 самолетов в год, что намного больше, чем поставки до пандемии.

Отставание в поставках возникло, когда производители не смогли достаточно быстро подготовиться, чтобы удовлетворить возросший спрос, вызванный ростом авиаперевозок.

Кроме того, потребители теперь рассматривают авиаперелеты как необходимость, а не как роскошь, и у них есть средства для оплаты личных поездок.

В результате коммерческие авиакомпании расширили свои предложения, чтобы предоставить жаждущим полетов потребителям гибкость во время взлета.

На 1 мая у Boeing было 5 049 самолетов, а по состоянию на 31 марта количество невыполненных заказов Airbus достигло 7 650.

До пандемии ожидалось, что возрождение конкуренции между Boeing и Airbus приведет к рекордным поставкам их очень популярных узкофюзеляжных платформ и росту производства на 9,4% в годовом исчислении в 2019 году. Прогнозировалось, что Boeing и Airbus произведут больше Согласно пресс-релизу исследовательской и аналитической компании Frost &Sullivan от середины июня 2019 года, в прошлом году было продано более 1750 самолетов по сравнению с 1606 единицами в 2018 году.

К августу, однако, другие сократили эти цифры.

Согласно статье в газете The Guardian, мировое производство самолетов упало на четверть после того, как в марте 2019 года самолет Boeing 737 Max был остановлен после двух авиакатастроф со смертельным исходом. ADS, британская аэрокосмическая лоббистская группа, заявила, что в июле 2019 года было поставлено 88 самолетов, что на 24% меньше, чем в том же месяце предыдущего года, причем падение в основном связано с падением производства узкофюзеляжных самолетов, таких как 737. /Р>

К концу прошлого года Airbus и Boeing вместе поставили 1243 самолета.

Промышленность стремится увеличить эти цифры.

«Два крупнейших производителя коммерческих самолетов, Boeing и Airbus, вкладывают много дополнительных средств в увеличение темпов производства, — сказал Билл Биго, вице-президент по развитию бизнеса в аэрокосмической и оборонной отраслях JR Automation.

В конце прошлого года в Гамбурге (Германия) компания Airbus внедрила высокоавтоматизированную сборочную линию конструкции фюзеляжа семейства A320.

По словам компании, новый объект включает 20 роботов, новую концепцию логистики, автоматическое позиционирование с помощью лазерных измерений, а также систему сбора цифровых данных.

Помимо использования роботов, Airbus также внедряет новые методы и технологии в логистике материалов и деталей для оптимизации производства, улучшения эргономики и сокращения сроков выполнения заказов. Это включает в себя разделение уровней логистики и производства, пополнение запасов материалов в зависимости от спроса и использование автономных управляемых транспортных средств.

Однако примерно в то же время компания Boeing завершила четырехлетнюю работу по полной автоматизации на своем заводе в Эверетте, штат Вашингтон, который использовал роботизированные руки для вставки креплений в две основные секции фюзеляжа своих лайнеров 777 и 777X, выбрав вместо этого ручную вставку с помощью квалифицированный механик.

Согласно опубликованным отчетам, роботы по-прежнему сверлят отверстия для крепежа на автоматизированной системе «гибкой дорожки», что приводит к объединению процессов, выполняемых человеком и роботом.

Однако в конце концов усилия могут окупиться.

Неудачные попытки использовать робототехнику преподали Boeing несколько ценных уроков из его «первого очень глубокого погружения в этот тип технологии», как сказал в интервью Los Angeles Times Джейсон Кларк, вице-президент Boeing, курирующий производство 777X. «Он научил нас проектировать для автоматизации», — цитирует Кларка в ноябрьской статье.

Новый метод меньше утомляет рабочих, поскольку машины, разработанные Electroimpact Inc., выполняют одну из самых сложных задач сборки фюзеляжа:сверление отверстий в металле, согласно статье в Times.

Кроме того, «мы переработали некоторые части конструкции, заменив заклепки менее сложными формами крепежа, что еще больше улучшило эргономику», — сказал представитель компании.

Не все меры по увеличению производства включают новые линии и роботов.

На своем заводе в Северном Чарльстоне, Южная Каролина, компания Boeing:оснастила механиков экзоскелетами, предназначенными для снижения нагрузки при длительной работе над головой; по данным Reuters, развернула интеллектуальные гаечные ключи с поддержкой Bluetooth, чтобы рабочие применяли правильный крутящий момент к гайке, и использовала виртуальную реальность для механиков для тестирования новых инструментов.

Могут ли роботы заменить руки?

Прежде чем любые конструкции фюзеляжа будут отправлены в Гамбург или на заводы Boeing в штате Вашингтон, они изготавливаются в рамках процессов автоматизированного производства композитных материалов (ACM), включая автоматическую укладку волокна и автоматическую укладку ленты.

ACM подходит для средних и крупных деталей, таких как фюзеляжи, крылья и переборки, которые также могут быть плоскими или слегка изогнутыми.

Но мелкие и средние композитные детали изготавливаются вручную, что является очень неэффективным процессом, при котором расходуется много материала.

Это очень важно, потому что эти детали — зажимы, кронштейны, двутавровые балки и дверцы доступа — могут составлять до половины веса конструкции, а их количество может исчисляться тысячами только для одной плоскости.

«Кроме того, эти части, которые должны быть уложены вручную, должны быть вырезаны и выброшены, сжаты, что у вас есть», — сказал Лес Коэн, консультант по композитам. "Это означает, что соотношение "покупка/полет" может быть умножено на два:если вы работаете с материалом, который стоит 40 долларов США за фунт, фактически он стоит 80 долларов США за фунт".

Команда из Университета Южной Калифорнии недавно завершила демонстрационный проект по автоматизации укладки с помощью роботов-манипуляторов.

Хотя это и не автоматизация, все же есть возможности для улучшения материалов, используемых в конструкции самолета.

Промышленность понимает, что время, необходимое для автоклавирования незавершенных деталей при операциях по удалению объема через каждые несколько слоев, а также отверждение конечной детали, занимает много времени. По словам Коэна, быстроотверждаемые смолы, обладающие свойствами деталей, отверждаемых в автоклаве, но без автоклавного процесса, являются ответом, но они недоступны. По его словам, с инвестициями в среднем до пяти лет и затратами на разработку новых материалов, которые оцениваются в 10 млн долларов, без гарантии того, что они будут приняты, понятно, что эта задача не решена.

Четвертая промышленная революция медленно набирает обороты в аэрокосмической отрасли

Индустрия 4.0, обещающая более высокую производительность и качество, также может помочь увеличить авиационное производство, но отрасль медленно осваивает подключенный, цифровой и управляемый данными мир четвертой промышленной революции.

«Я бы сказал, что сейчас эти вещи только появляются в сети и приносят результаты. Мы очень увлечены этим, и мы подошли к тому моменту, когда можем развернуть это на программном уровне и действительно дать фабрике что-то, что абсолютно повлияет на ее эффективность», — сказал Эндрю Первис, руководитель проекта по укладке и автоматизации композитных материалов. в Electroimpact Inc. «Когда вы начинаете получать данные и начинаете обрабатывать цифры, вы начинаете находить много золота в этой горе данных и много раз алмазов, вещей, которые действительно начинают увеличивать ваше производство». /Р>

По словам Первиса, созрела для автоматизации и качественная сторона производства.

Компания Electroimpact встраивает систему контроля качества в системы с технологией контроля, которая измеряет все, что делают ее машины AFP, когда они изготавливают или печатают деталь. Автоматическая проверка обеспечивает процесс, который компания называет «непрерывной настройкой».

«Система на самом деле поддерживает калибровку, наблюдая за тем, что она делает, и она постоянно настраивается», — сказал он. «Подобно тому, как машина или принтер AFP может посмотреть на результат с помощью камеры или датчиков и сказать:«Эй, я заметил, что вы начинаете немного дрейфовать, поэтому я собираюсь это компенсировать».

На данный момент внедрение Индустрии 4.0 является скорее стремлением, чем достижением, отчасти из-за последствий для кибербезопасности и управления данными, сказал Мик Махер, президент консалтинговой фирмы Maher Associates.

«Я не думаю, что аэрокосмическая отрасль развивается медленнее, чем любая другая отрасль», — сказал он. «Я думаю, что Индустрия 4.0 еще слишком незрела, чтобы передать ей бразды правления. Тем не менее, автоматизация является ключевым компонентом Индустрии 4.0. Но несмотря на то, что некоторые элементы автоматизации уже разработаны, например размещение ленты и волокна, требуется еще много доработок».

Большие прибыли

Рэнди Рунклес, технический директор по аэрокосмической отрасли в JR Automation, ранее работал в Spirit Aerosystems, где в начале 2019 года входил в группу по развертыванию Индустрии 4.0.

По словам Рунклза, унаследованное целевое производство на Spirit, предыдущем заводе Boeing, который был продан в 2005 году, составляло 21 самолет в месяц, исходя из его физических ограничений и размера. До его отъезда ежемесячное производство завода составляло 57 самолетов, чему способствовали дополнительные смены, больше сотрудников и усиление автоматизации, особенно в креплении.

«Одним из (последних) проектов перед моим уходом был сбор данных об использовании оборудования в рамках Индустрии 4.0, и это фактически изменило лицо этой компании в понимании того, что делает их оборудование и на что оно способно», — сказал Рунклес. «И это оказало значительное влияние на капитальные затраты на будущие ставки».

«Освоение цифровых технологий»

По словам Рассела из AFRL, во всем мире проводятся исследования по применению Индустрии 4.0 в аэрокосмическом производстве, но внедрение идет медленно, а текущее производство самолетов больше аналоговое, чем цифровое.

«Компании прибегают к цифровым технологиям для решения определенных проблем, таких как отслеживание активов, но лишь немногие производители имеют настоящую общекорпоративную среду Индустрии 4.0», — сказал он.

С точки зрения текущего состояния компонентов Индустрии 4.0, аддитивное производство рассматривается для инструментов и неконструкционных деталей, некоторые процессы автоматизируются с использованием роботов, а в отношении анализа данных были проведены исследования и разработки, связанные с неразрушающим контролем. По словам Рассела, данные возвращаются к исходным моделям, чтобы понять влияние производственных дефектов на производительность деталей.

В видео, размещенном на YouTube, рука робота Kuka с роликом на конце руки выравнивает слой препрега композита поверх предыдущего слоя, в то время как два робота с захватами удерживают материал в натянутом состоянии с обеих сторон.

Сколько мастеров по укладке рук мечтали об этом эквиваленте третьей руки, который был продемонстрирован в записи умной роботизированной ячейки?

Ячейка и все лежащие в ее основе технологии — это демонстрационный проект Сатьяндры К. Гупты, профессора машиностроения и компьютерных наук Университета Южной Калифорнии, его коллег и студентов. Они сделали деталь на основе предложений Boeing, Lockheed Martin и United Technologies с целью оценки возможности автоматизации. По словам Гупты, результаты испытаний деталей, изготовленных с помощью их роботизированной автоматизации, были отправлены трем компаниям.

"Сейчас основной проблемой, с которой сталкиваются все аэрокосмические компании, является нехватка рабочей силы", – сказал он.

По его словам, когда роботы-манипуляторы выполняют укладку, человек-оператор может контролировать несколько ячеек одновременно. Это не только увеличило бы производительность, но и позволило бы исключить этап уменьшения объема в процессе изготовления деталей, сохраняя при этом качество.

Это связано с тем, что для гипотетической критической детали, состоящей из 100 слоев препрега, обрабатываемая деталь должна быть упакована в пакеты и подвергаться вакуумированию через каждые три (или пять) слоев, чтобы гарантировать отсутствие пустот, всего 33 уменьшения объема. /Р>

Но с помощью роботов можно измерить давление роботизированного инструмента, в отличие от человеческой руки, поэтому качество гарантировано, а процесс может идти быстрее.

Автоматизация процесса не только делает его последовательным и оптимизированным. Ручная укладка — утомительная работа, требующая физических усилий.

Работая в течение двух с половиной лет, Гупта и его команда интегрировали роботизированные руки с инструментами на конце руки, компьютерным зрением, датчиком силы, алгоритмами искусственного интеллекта, усовершенствованными контроллерами и человеко-машинным интерфейсом. Их демонстрационные детали состояли из 15 слоев стандартного препрег-слоя из углеродного волокна на эпоксидной основе.

Самой сложной частью их работы была интеграция компьютерного зрения в реальном времени.

«Вы должны получить камеру, чтобы увидеть, какие дефекты формируются», — сказал Гупта. «(Теперь) если робот увидит складку, иногда он будет тянуть лист то туда, то сюда…»

Когда ячейка сталкивается с проблемой, которую не может устранить, она уведомляет оператора звуковым сигналом, электронным письмом или текстом.

Но это только в случае необходимости.

"Иногда весь процесс проходит без сучка и задоринки", – сказал Гупта.

Смотри, мам, без рук! (Инструмент End-of-Arm обеспечивает автоматическую укладку Pre-Preg)

Дополнение Rego-Fix, открытое три года назад, включает в себя передовые функции экономии энергии и природных ресурсов. К ним относятся специальная система вентиляции с обменом воздуха, отопление на древесных гранулах, несколько прогрессивных кондиционеров, «зеленая» крыша и использование как естественного, так и управляемого датчиками освещения.

Вентиляционная система воздухообмена меняет воздух внутри новостройки семь раз в час. Он отводит отработанное тепло из производственного цеха — тепло, вырабатываемое главным образом крупными воздушными компрессорами, необходимыми для станков компании. В холодные месяцы, на которые приходится остаток года, утилизированное отработанное тепло затем используется для нагрева поступающего свежего воздуха, который система забирает снаружи здания и циркулирует в производственном цеху.

Кроме того, циркулирующая вода в закрытой системе помогает поддерживать охлаждение производственных напольных воздушных компрессоров во время работы. В процессе охлаждения вода становится горячей, и эта нагретая вода затем хранится в баке емкостью 1849 галлонов (7007 л). Эта вода используется для дальнейшего обогрева здания с помощью системы отопления, встроенной в полы офисных помещений здания.

Объект также включает в себя систему отопления мощностью 390 кВт, которая сжигает древесные гранулы, а не ископаемое топливо. Пеллеты являются побочным продуктом деревообрабатывающей и мебельной промышленности, которые распространены в этом районе. Система потребляет очень небольшое количество пеллет, потому что она работает в качестве резерва для других источников тепла и прибегает к ней только при очень низких температурах наружного воздуха.

Летом дополнительная прохлада поддерживается энергосберегающей трехблочной системой кондиционирования воздуха прогрессивного типа, работающей вместе с напольной системой и системой воздухообмена. Воздухообменник забирает тепло из здания, а холодная вода циркулирует по внутрипольной системе.

Если температура внутри здания поднимается выше определенного уровня, включается один из блоков прогрессивной системы кондиционирования воздуха для резервирования напольной системы и воздухообменной установки. Блоки кондиционирования воздуха регулируются по частоте вращения, поэтому, если уровни температуры продолжают расти, вынуждая первый блок кондиционирования воздуха превышать свой предел, активируется второй блок кондиционирования воздуха в системе. И, в свою очередь, если второй блок достигает предела оборотов, активируется третий блок. Как только здание начнет остывать, отдельные кондиционеры отключатся в обратной последовательности.

Наружные стены здания полностью утеплены. В отличие от обычных конструкций крыш, та, которую выбрала Rego-Fix, довольно необычна и обладает высокими изоляционными свойствами. Называемая «зеленой» или «посаженной» крышей, она покрыта почвой, на которой растет настоящий дерн. В дополнение к своим изоляционным свойствам крыша собирает дождевую воду, которая затем собирается в резервуар емкостью 13 200 галлонов (50 000 л) и используется для смыва туалетов в туалетах здания.

В совокупности все функции отопления и охлаждения здания обеспечивают стабильную и постоянную температуру окружающей среды в производственной зоне. Это имеет важное производственное преимущество. Постоянная температура помогает поддерживать постоянную точность станка для производства высокоточных систем крепления инструмента компании.

Для дальнейшего энергосбережения в новом производственном здании установлено множество больших окон с тройным стеклопакетом, пропускающих много естественного света. Кроме того, окна оснащены шторами, которые автоматически открываются и закрываются. Это является важным подспорьем в сохранении прохлады в здании летом. Несмотря на то, что шторы блокируют много тепла, они имеют перфорацию, пропускающую свет.

Там, где необходимо дополнительное освещение, используются энергосберегающие светильники светодиодного типа, а также активация управления движением. В здании нет настенных выключателей, и свет включается только тогда, когда кто-то занят, а когда нет, выключается.