Революционизация автоматической укладки волокна для самолетов следующего поколения

Если автоматическая укладка волокна (AFP) и автоматическое лентообразование (ATL) были производственными процессами, позволившими широкое применение композитов в Boeing 787 и Airbus A350, то также AFP/ATL приводят путь для следующего поколения коммерческих самолетов, сейчас на чертежах. Разница на этот раз? Темп.

Boeing оценивает, что к 2037 году миру понадобится более 31 000 новых однопроходных самолетов для удовлетворения пассажирского спроса. Airbus прогнозирует потребность более чем в 28 000 однопроходных самолетов к 2037 году. Обе компании рассматривают замены своих однопроходных столпов — 737 (Boeing) и A320 (Airbus). Обе компании ожидают значительное применение композитов на любых новых самолетах, которые они разрабатывают. Обе компании говорят своим цепочкам поставок ожидать производственные темпы для этих самолетов 60–100 самолетов в месяц, с акцентом на 100. Категория однопроходных, для обеих компаний, представляет около двух третей общего глобального спроса, что означает, что производственная среда, разработанная для однопроходных самолетов, станет дефолтной производственной средой для аэрокомпозитов на предвидящееся будущее.

Все это означает, что технология автоматизации должна быть разработана сейчас, если она хочет поспевать за требованиями качества и производственных темпов самолетов следующего поколения. Ничего из этого не упущено старшим инженером Electroimpact (EI, Мукilteо, штат Вашингтон, США) Тоддом Радбергом. Радберг и EI вошли в мир композитов в 2004 году, когда компания разработала технологию AFP для производства секции 41 переднего фюзеляжа 787, изготовленной Spirit AeroSystems (Вичита, штат Канзас, США). EI впоследствии пошла на производство систем AFP и ATL для производства других структур 787, структур A350, структур двигателей и, недавно, крыльевых лонжеронов Boeing 777X. Теперь Радберг смотрит на будущее производства самолетов следующего поколения и видит возможности для улучшения AFP. Существенно.

Возможности, говорит Радберг, очевидны, когда смотришь на данные. Фактически, EI разработала несколько метрик, чтобы помочь компании понять, что ее машины делают хорошо, и что можно улучшить. Во-первых, глядя на ландшафт AFP 2019 года, Радберг видит множество угроз для текущей технологии AFP, включая ATL, ручную укладку, плоские заряды тканых тканей и, конечно, алюминий.

Метрики AFP, разработанные Радбергом, исходят из проекта полного производственного демонстратора (FPD), для которого EI провела четыре предпроизводственных сборки. Данные от одной из этих сборок, сделанной в феврале 2019 года со «стандартной» технологией AFP EI, раскрыли существенную проблему использования машины, с временем использования машины, попадающим в одно из семи ведер:

• Лазерная проекция: 30%
• Работа: 27%
• Инспекция: 22%
• Перерыв: 10%
• Остановка, инициированная оператором: 6%
• Восстановление после ошибки: 3%
• Изображение: 2%

Посмотрев иначе, с текущей технологией есть одна операция, создающая ценность, в AFP (работа), со всеми остальными считающимися не создающими ценности операциями. Таким образом, соотношение ценностных к неценностным операциям 1:3. «Индустрия действительно хочет 3:1, и я тоже», — говорит Радберг, «и я хотел бы сделать это до выхода на пенсию». Цель проста — сократить время, потребляемое неценностными операциями.

Также есть одна общая метрика AFP, требующая объяснения: среднее количество полос до отказа (MSBF). Это среднее количество уложенных волокнистых прутков между отказами укладки. Чем больше это число, тем надежнее машина и процесс. Февральская сборка FPD, говорит Радберг, имела MSBF 5 365.

Цели

Глядя ближе на операцию AFP, говорит Радберг, EI имеет прямой контроль только над тремя операциями: работа, восстановление после ошибки и инспекция. И именно здесь компания фокусирует свои усилия. Это сказано, Радберг указывает, что авиастроитель также имеет роль, особенно в сокращении качественных инспекций, перерывов и остановок, инициированных оператором. «Мы должны осознать, что время работы стало действительно низким, потому что машины очень быстры», — говорит он, — «и все, что не создает ценности, имеет массивное влияние на ваше использование. Так что оказывается, это командный спорт. Не только OEM — я — должен делать лучше, авиастроитель также имеет некоторую ответственность».

Для производства самолетов следующего поколения Радберг хочет увеличить MSBF до >20 000, поднять время работы до 77% и полностью устранить лазерную проекцию, остановки, инициированные оператором, и изображения. Как? Радберг выделяет три технологические области, которые могут облегчить этот переход: сервоприводные креели, 100% в-процессная инспекция и управление данными, или EI 4.0.

Все три были оценены EI в серии недавних сборок проекта FPD после той первой февральской сборки. Данные самого проекта FPD доказывают, что EI движется в правильном направлении. Радберг говорит, что использованная система AFP — называемая MuSCLE — достигла 1500 л.с. пиковой мощности, ускорения/замедления 0,5G, скорости укладки 4000 дюймов/мин, времени поворота головы 1 секунда, скорости угла лонжерона 120 град/сек и MSBF 6000 (достигнуто в производстве).

Переход на сервоприводные креели и от сервопневматических креелей, говорит Радберг, был сделан для увеличения скорости укладки прутка, точности укладки прутка, контроля натяжения прутка и общей надежности сборки. Компания потратила последние два года на работу над компактным сервоприводом, который может быть установлен на модульную голову EI. Результаты технологии до сих пор многообещающие; тесты показывают: MSBF 15 000, на 87% быстрее скорость добавления, на 36% быстрее скорость резки, лучшая точность размещения конца. Далее, EI доказала, что система сервоприводного крееля может использоваться для укладки сухих углеродных волокон.

Ключ для инспекции — часть «в-процесс». EI уже имеет технологию инспекции, разработанную с Aligned Vision (Челмсфорд, штат Массачусетс, США) и внедренную на производственной линии крыльев 777X, которая использует лазерную и зрительную технологию для проверки накладок, зазоров, морщин, ошибок размещения конца и инородных объектов (FOD). Эта система, однако, существует независимо от системы AFP и требует чистого поля зрения для работы — означая, что голова AFP должна быть перемещена. Радберг и EI разработали новую систему инспекции, называемую RIPIT, которая интегральна к голове AFP и инспектирует укладку волокна сразу после ее возникновения.

По мере того как Boeing и Airbus рассматривают внеавтоклавные процессы производства композитов, способность систем AFP эффективно укладывать сухие углеродные волокна будет критичной. Этот демонстратор лонжерона показывает сухое волокно, уложенное системой Electroimpact. Источник: Electroimpact

EI не раскроет природу технологии за RIPIT, кроме как сказать, что она не лазерная и не зрительная. В любом случае, Радберг говорит, тесты системы раскрывают, что она способна обнаруживать в реальном времени скольжение прутка до ±0,030 дюйма, размещение добавления до ±0,050 дюйма и размещение резки до ±0,050 дюйма. Далее, говорит Радберг, «Мы провели множество испытаний корреляции данных RIPIT с существующей Boeing-квалифицированной зрительной системой [системой Aligned Vision, используемой на 777X] и получаем корреляцию».

Ценность управления данными, говорит Радберг, лежит в способности систем EI помочь фабрикантам видеть более четко, насколько хорошо работает процесс AFP. В этот конец, EI разработала программное обеспечение визуализации данных — EI 4.0 — которое предлагает видимость не только в то, как данная машина выполнила (на основе MSBF) во время данной сборки, но как отдельные прутки и последовательности выполнили. По сути, программное обеспечение помогает оператору увидеть точно, где в голове AFP проблема. «Так что мы будем использовать этот EI 4.0, чтобы указать, куда им [операторам] нужно пойти смотреть в голове AFP, чтобы сделать изменения», — говорит Радберг.

Используя это программное обеспечение, возможно графически отображать MSBF для разного функционала машины и идентифицировать проблемные волокнистые прутки и особенно сложные последовательности. Программное обеспечение также измеряет и сообщает о других машиненных активностях, которые могут размывать использование. Используя эти инструменты управления данными, EI смогла оптимизировать и сократить время сборки для OPS с более чем 50 минут до чуть менее 40 минут. Другие инструменты включают сравнение производительности смен и сравнение углов слоев.

«Я верю, что использование 75% — реалистичная цель или ожидание», — утверждает Радберг. «Но это потребует командной работы, организационной инициативы и продолжения от авиастроителя, нашей улучшенной технологии, лучшего превентивного и предиктивного обслуживания, и лучших инструментов для анализа использования ячейки и производительности машины».