Flappybot DLR: Революция в производстве композитов на конвенции 2019 года

Если отрасль композитов должна продолжать расти и улучшать свою конкурентоспособность, она должна использовать возможности, которые привносят оцифровка и автоматизация. Две недавние авиационно-ориентированные конференции в Германии посмотрели на то, что может держать будущее производства композитов.

Посещение фабрики будущего в Штаде

Future Factory for Composites была темой этого годового Composites Convention в Штаде, Германия, проведенного 12–13 июня. Совместно организованная CFK Valley e.V. (Штаде, Германия) и Carbon Composites e.V. (Аугсбург, Германия), встреча привлекла рекордную посещаемость почти 450 человек. Сильное присутствие США получилось от сотрудничества с Utah Advanced Materials and Manufacturing Initiative (UAMMI, Кейсвилл, Юта, США) как партнерской сетью и Соединенными Штатами как партнерской страной.

В افتتاحной ключевой презентации, названной «Оцифровка: Переход от Computer Aided Manufacturing к Human Aided Automation», доктор Ян Штюве, руководитель Центра технологий легкого производства в Немецком аэрокосмическом центре (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR; Штаде, Германия) дал вкус программы. Технологии фабрики будущего, разрабатываемые в DLR, включают множество кооперирующих роботов, которые работают вместе для сокращения времени производства и цифровых двойников машин, которые позволяют оптимизацию процесса. Другая ключевая область касается мобильных автономных роботов для гибких производственных сценариев. К ним принадлежит прототип FlappyBot, компактный блок укладки волокна, который перемещается над формой. Штюве предупредил о потенциальных опасностях переавтоматизации и обсудил, как оцифровка должна снова вовлекать людей в производственный процесс.

Во второй ключевой презентации, «Быстрое производство и термопластичные композиты — Тренды и Технологии», доктор Роберт Г. Брайант, старший инженер по материалам в NASA Langley Research Center (Хэмптон, Вирджиния, США), увел делегатов от земных фабрик к строительству в космосе. Долгосрочное человеческое присутствие в космосе потребует укрытий и платформ как первый шаг. Разработка все более крупных ракет для размещения все более сложных структур вне планеты не экономически устойчива. Решения требуют близкого или на месте производства. Использование безоснасточного процесса укладки ленты (ATP) с in-situ консолидацией термопластичных композитных деталей может быть ответом. В этой новой технике два робота ATP работают напротив друг друга, один для укладки термопластичной препрег-ленты, другой выступая в роли инструмента. Безоснасточное изготовление может снизить стоимость авиационного производства, улучшая экономику космических исследований, а также выгодно влияя на другие рыночные секторы (узнайте больше в «General Atomics Aeronautical разрабатывает безоснасточный процесс термопластичных композитов»).

Устойчивость

Продвижение в производстве также должно сопровождаться снижением воздействия на окружающую среду. В этих линиях, в следующей сессии, Йерг Шпицнер, основатель Spitzner Engineers GmbH (Финкенвердер, Германия), аргументировал, что для достижения климатических целей нужны технологии негативных выбросов. Компания Шпицнера заявляет, что ее запатентованная концепция ветряка Blancair как улучшает эффективность турбины, так и удаляет CO₂ из атмосферы. Воздух втягивается в фильтрующий модуль, установленный на гונדоле, где CO₂ отделяется для хранения и переработки в производстве синтетического топлива и других применений. Очищенный воздух выпускается через отверстия на кончиках лопастей ротора. Видео, объясняющее концепцию, доступно на веб-сайте Blancair.

Организаторы сессии также представили концепцию умной эко-эффективности оценки в производстве композитов (DLR), и вне-автоклавные комнатной температуры, устойчивые к трещинам препреги с способностью к огню, дымом и токсичности (FST) (TCR Composites; Огден, Юта, США).

Усиление через симуляцию

На остаток первого дня конференции внимание обратилось на симуляцию.

Доктор Ларс Хербек, главный технологический директор Voith Composites (Гархинг, Германия), обсудил, как Voith Roving Applicator автоматизированная укладка волокна (AFP) машина упрощает цепочку процессов, позволяя эффективный автоматизированный предформационный процесс с сокращенными временами цикла. Он обрисовал структурную и процессную симуляцию, выполненную для автоматизированной производственной линии, способной производить 65 000 компонентов в год для задней стенки Audi A8 из углеродно-волокнистого пластика (CFRP).

Марк Блудсвуйт из MET Motoren- und Energietechnik GmbH (Росток, Германия) объяснил, как симуляция дает понимание лучшего способа загрузки деталей в автоклав, позволяя оптимизацию процесса отверждения и большую продуктивность. Цифровой двойник, разработанный для крупнейшего автоклава на объекте DLR в Штаде, может работать параллельно с реальным процессом, или быстрее для предложения предсказаний поведения детали.

Дальнейшие темы виртуальной разработки процесса покрыли моделирование процессов SMC (ESI Group; Шартр-де-Бретани, Франция) и симуляцию процесса сэндвич-панелей для понимания задач раздавливания ядра и морщинистости препрега в автоклаве (Airbus Helicopters; Мариньян, Франция).

Перейдя к виртуальному моделированию безопасности, Йохен Рюль из Reichenbacher Hamuel GmbH (Дёрфлес-Эсбах, Германия), часть Scherdel Gruppe, обсудил, как симуляционно-ориентированный подход к управлению пылью и твердыми частицами, производимыми при механической обработке CFRP деталей, принес выгоды для клиентов, таких как Airbus и Premium Aerotec (Аугсбург, Германия). Симуляции обработки и визуализация распределения частиц помогают производителям соблюдать ужесточающее законодательство по охране здоровья и безопасности и улучшают результаты обработки, а также снижают простои станков и обслуживание, все это в конечном счете переводится в более низкую стоимость на деталь.

Сессия симуляции также представила Boeing-спонсируемый проект виртуального моделирования затрат производства композитов, учитывающий сложные взаимодействия между дизайном, производством и финансами для идентификации драйверов затрат (Massachusetts Institute of Technology; Кембридж, Массачусетс, США), и концепцию цифрового планирования фабрики на основе симуляционного моделирования оптимальных цепочек создания стоимости композитов (Fraunhofer IGCV; Аугсбург, Германия).

Победители награды

В этом году два проекта разделили CFK Valley Innovation Award и призовой фонд 7500 евро.

Первое место (и 4500 евро) досталось проекту мобильных роботизированных систем MBFast18, разработавшему автоматизированную навигационную платформу (AGV)-базированную мобильную СНК систему обработки для крупных CFRP авиационных деталей.

По сравнению с сегодняшними дорогими статичными системами обработки для крупных авиационных структур, более мелкие мобильные роботизированные системы позволяют гибкое производство и более высокую продуктивность.

Система MBFast18 использует 4,6-метровую автономную платформу, построенную FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG (Фульда, Германия), навигационные и безопасные датчики, поставляемые SICK AG (Вальдкирх, Германия), и 5-осевой СНК станок от SAUER/DMG MORI (Суль и Билефельд, Германия). Мобильный лазерный трекер, разработанный Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM; Штаде, Германия), позиционирует робота точно. Сверлильный блок, с рабочей зоной до 0,5 квадратных метров, зажимается к компоненту с вакуумными захватами; сверлильные позиции вычисляются и передаются на станок с использованием программного обеспечения, разработанного BCT GmbH (Дортмунд, Германия). Эта концепция также применима к операциям обработки и сборки и другим отраслям, таким как ветроэнергетика и ж/д транспорт.

Второе место досталось стартапу Hyconnect GmbH (Гамбург, Германия) за его технологию соединения металл-композит FAUSST. Компания изначально нацелена на судостроительный сектор, где соединение композитов с металлом является главным барьером для более широкого принятия композитов. Решение FAUSST использует гибридную ткань, состоящую из вязаных стекловолокна и металлических волокон, которая позволяет надежно соединять металлы и композиты механически. Металлическое волокнистое сторона соединяется со стальным профилем, который может быть сварен к металлическим структурам, а другая сторона ламинируется к композитному компоненту. Запатентованная технология, как говорится, значительно ускоряет процесс проектирования и склеивания. Первые прототипные применения сейчас на тестах.

Обеспечение через автоматизацию

День Два увидел проект MBFast18, получивший награду, исследованный более детально в презентациях от Кристофа Бриллингера, менеджера проекта в Fraunhofer IFAM, и доктора Грегора Грасли из FFT, которые обсудили вызовы разработки умных процессов и систем управления завода для многоробототехнических операций. Джером Берг, штатный инженер Northrop Grumman Innovation Systems (Клирфилд, Юта, США), описал автоматизированное производство стрингеров самолетов Airbus на объекте компании в Юте с использованием внутренне разработанного AFP процесса, и Уве Ланг из Evonik Resource Efficiency GmbH (Дармштадт, Германия) представил «Сэндвич Технологию 4.0», автоматизированную производственную технологию для высоких темпов производства, использующую их пенообразный материал ROHACELL. Высокоавтоматизированный предформационный процесс для двери переднего шасси самолета был продемонстрирован в сотрудничестве с DLR и технологическим хабом Airbus CTC GmbH (Штаде, Германия).

Отправившись в путешествие в виртуальную реальность, Феликс Хюнеке, руководитель бизнес-развития ABSOLUTE Reality GmbH (Гамбург, Германия), показал, как 3D модели зданий могут быть созданы, отредактированы и дополнены изображениями, документами и видео для создания виртуальных сред, которые можно просматривать из любой точки мира. Компания создала 3D тур производственного зала DLR в Штаде.

Феликс Шрайбер, CEO, ARK Group (Аахен, Германия), обсудил процесс и стоимостные выгоды структурированных машинных данных в автоматизированной производственной линии смольной передаточной формовки (RTM), в то время как Саша Бацхаус из CTC GmbH обсудил модульную автоматизацию в производстве композитов и проект Hybr-iT, разрабатывающий команды, где люди и роботы работают вместе с программно-базированными системами помощи.

Никакое событие о фабрике будущего не могло игнорировать тему искусственного интеллекта (AI), и Амир Бен-Асса, CMO Plataine (Уолтем, Массачусетс, США) обсудил возможности и вызовы внедрения AI в производство композитов. Он представил практические применения AI, от алертов (например, задержки производства или проблемы качества) до рекомендаций (например, оптимизированный выбор материала). AI-базированные цифровые ассистенты на Google Glass могут быть другой возможностью, предлагая «безруковое» взаимодействие пользователя с AI на производственном полу и аудио-визуальную презентацию алертов в реальном времени.

Дальнейшие темы включали:

• Волоконно-оптическое чувствительство для интеллектуального мониторинга процесса в крупных композитных структурах (MT Aerospace AG; Аугсбург, Германия);
• Интеллектуальная система контроля для автоматизированного производства композитов (National Composites Centre, Бристоль, Великобритания);
• Модельно-базированная система контроля качества для термоформовки мелких компонентов (Faserinstitut Bremen e.V.; FIBRE, Бремен, Германия);
• Процесс прессовки формовки прерывисто-волокно-армированных термопластиков для авиационных применений, основанный на гибкой автоматизации и масштабируемый к крупным деталям (ACT Aerospace; Ганнисон, Юта, США);
• Изотермический RTM процесс, предлагающий сокращенные времена циклов для высокообъемного производства CFRP деталей (Airbus Helicopters)
• Крупномасштабное производство сложных, углеродоволокнистых, высокопроизводительных термопластичных профилей для стоек, труб и приводных валов с использованием близких к чистовому размеру ленточных преформ и инжекционного формования (herone GmbH; Дрезден, Германия). Узнайте больше о herone и этом процессе в «Инжекционное формование для высокопроизводительных, унитарных термопластичных структур».

10 лет прогресса в Аугсбурге

В отдельном событии, 5-й Коллоквиум DLR по производственной технологии 15 мая собрал близко к 200 гостей в его Центре технологий легкого производства (Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie, ZLP) в Аугсбурге. Событие отметило 10-ю годовщину ZLP в Аугсбурге, где сегодня примерно 60 сотрудников фокусируются на автоматизации и оцифровке производства композитов.

День начался с двух презентаций из Университета Британской Колумбии (UBC; Ванкувер, Канада), который начал сотрудничество с DLR в 2016 году. Профессор доктор Аноуш Пурсартип, со-директор инициативы UBC Digital Learning Factory, представил концепцию обучающей фабрики для композитов, вдохновленную медицинскими обучающими больницами. Обучающая фабрика композитов, которая будет расположена на кампусе УБК Оканаган, будет спроектирована для интеграции исследований и образования с промышленной деятельностью. Цифровой двойник, размещенный в UBC Ванкувер, будет комбинировать данные с физической фабрики с симуляцией для оптимизации авиационных производственных процессов композитов. Далее, профессор доктор Хомаюн Наджжаран UBC и Мариан Кёрбер DLR обсудили оптимизацию сложных производственных процессов в виртуальной среде, и как экспертиза UBC в методах машинного обучения и искусственном интеллекте используется для сокращения времени и стоимости разработки роботизированных систем в DLR. Метод глубокого обучения использовался для обучения роботизированного захвата ZLP для автоматизированного драпирования, ключевой части автоматизированной цепочки процессов Аугсбургского объекта для производства крупных CFRP деталей. Захват, который имеет 127 всасывающих модулей с переменной силой всасывания, распознает и подбирает резаный материал; модули принимают геометрию, необходимую для драпирования его в позицию в форме.

Технологии термопластиков — еще один фокус ZLP Аугсбурга. Проект по разработке мира первого термопластичного заднего давительного переборки (RPB) для узкофюзеляжных самолетов был обрисован Ральфом Мэннихом и Александром Зенгером из Premium Aerotec GmbH. Компания сотрудничает с ZLP Аугсбург, Toray Advanced Composites и Институтом композитных материалов (IVW) над дизайном, состоящим из восьми CFRP сегментов с интегрированными стрингерами, соединенными с использованием ZLP-разработанной технологии сопротивления сварки. Автоматизированные процессы с короткими временами циклов позволяют высокообъемное производство. Завершение технологии (до TRL 6) запланировано на 2020 год с внедрением, нацеленным на 2021/2022. На июньском Парижском авиасалоне Premium Aerotec представил 1:1 демонстратор для самолета серии Airbus A320. По сравнению с текущими давительными переборками A320 из нитевитых алюминиевых компонентов, термопластичная деталь, как говорится, обеспечивает те же механические свойства с 10–15% экономией веса и 50% сокращением времени производства. В следующей беседе доктор Стефан Ярка и Мануэль Эндраш DLR продолжили тему термопластичной сварки, углубившись в возможности соединения и NDT ZLP Аугсбурга и его роль в проекте RPB.

ZLP Аугсбург исследует вспышечный ламповый in-situ AFP термопластичных композитов, импульсное энергетическое решение, которое устраняет защитные ограждения, необходимые для лазерного AFP.

Термопластичные композиты также предлагают возможности в космических применениях. Презентации от Ральфа Хартмонда, MT Aerospace AG и Ларса Брандта, менеджера проекта для космических применений в DLR, обрисовали разработку углеродоволокнистого термопластичного верхнего этапа для следующего поколения ракеты-носителя Ariane. Брандт детально описал работу DLR по скринингу материалов для бака жидкого водорода (LH₂) — где углеродное волокно PEEK и низкотемпературный (LM) PAEK предлагают перспективы — и разработку in-situ термопластичного композитного AFP процесса для обеспечения легкого аддитивного производственного подхода. ZLP бенчмаркает новый вспышечный ламповый in-situ AFP процесс против традиционного лазерного AFP.

Технологии соединения будут ключевыми для успешного внедрения термопластичных композитов в будущих авиационных применениях. ZLP в Аугсбурге разработал робототехническую непрерывную ультразвуковую сварочную систему, состоящую из энд-эффектора, смонтированного на роботе KUKA QUANTEC KR210 на 7-метровой линейной траке. Это было доказано на компонентах, включая жесткостенную фюзеляжную панель и заднюю давительную переборку.

День завершился мысленнозадающим ключевым выступлением профессора доктора Михаэля Купке, руководителя ZLP Аугсбурга, под названием «Оцифровка и Гибкое Производство». Он спросил, представляет ли подъем цифровой платформенной экономики возможности или риски для производителей композитов, и указал, что IT становится основной компетенцией и должна рассматриваться как ценностное конкурентное преимущество, а не как центр затрат. Он также сказал, что есть текущий парадигмальный сдвиг от детального планирования к самоорганизации (бережливое производство) и автоматизации, объединенной с оцифровкой. AI, говорит он, делает возможным автономное, гибкое производство. Однако Купке заключил, что важно ценить и интегрировать человеческие навыки, которые жизненно важны для принятия решений и улучшения процессов.