Эксперты призывают к большей автоматизации для удовлетворения грядущего спроса на самолеты

Только коммерческие нужды на ближайшие 20 лет требуют удвоения темпов производства

До того как пандемия коронавируса перевернула нормальную жизнь и практически остановила коммерческие авиалайнеры, авиапромышленность имела прогнозируемую потребность в 40 000 новых воздушных судах — самолетах, вертолетах, авиатакси и БПЛА — в ближайшие 20 лет. Объем включает замену судов, выходящих из эксплуатации после среднего срока службы 25–30 лет, и это поверх примерно восьмилетнего заказа.

Если спрос на полеты возобновит свой предыдущий уровень после ослабления пандемийных ограничений, единственный способ удовлетворить прогнозируемую потребность — через повышенную автоматизацию, говорят некоторые эксперты отрасли.

В отличие от многих других секторов, авиапромышленность — одна из тех, где ручной труд распространен, потому что нет текущих альтернативных производственных процессов, которые были бы выполнимы. Но учитывая запись Statista о годовых ростах спроса 2006–2019 на глобальный пассажирский авиатрафик (рост варьировался от 2,4% до 8,1%, за исключением 2009 года на пике Великой рецессии) и других факторов, большая эффективность обязательна, если отрасль хочет поспевать.

Исследователи пытаются понять, как автоматизировать некоторые процессы, такие как ручная укладка (hand layup). Но есть другие автоматизированные меры, доступные сейчас, включая проектирование инструкций для сборки на рабочие станции и автоматизированные процессы герметизации, крепления, маркировки и манипулирования материалами.

Только коммерческие авиапотребности потребуют эффективного удвоения темпов производства, сказал Джон Д. Рассел, начальник отдела технологий конструкций в Исследовательской лаборатории ВВС.

Помимо коммерческих самолетов, военные исследуют расходные летательные аппараты, которые могли бы производиться тысячами.

Наконец, концепция авиатакси набирает обороты от традиционных авиафирм и компаний вроде Uber и потребует еще больше производства.

«Для любого из этих случаев по отдельности я слышу от своих контактов в отрасли, что у США сейчас нет мощностей», — сказал Рассел, осторожно замечая, что его информация от до вируса во всем мире. «Если все три сбудутся одновременно, отрасль должна будет проявить креативность в решении проблемы мощностей.

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

Рассел сказал, что не удивится, если индустрия авиатакси посмотрит на офшоринг производства, потому что цена аппарата, вероятно, будет большим драйвером их бизнес-модели. Он сомневается, что увидим офшоринг для коммерческой авиации, потому что отрасль, вероятно, придерживается установленных поставщических отношений из-за высокого уровня квалификации рабочей силы. Очевидно, офшоринг не вариант для любого военного аппарата, заметил он.

Поставка 40 000 аппаратов за 20 лет потребовала бы производства 2000 самолетов в год, что намного выше поставок до пандемии.

Закор в поставках возник, когда производители не смогли достаточно быстро наладку для удовлетворения увеличенного спроса, созданного скачком авиаперевозок.

Кроме того, потребители теперь видят авиаперелеты как необходимость, а не роскошь, и имеют средства для личных поездок.

В результате коммерческие авиалинии расширили предложения, чтобы дать этим жаждущим полетов потребителям гибкость во времени вылета.

У Boeing был заказ на 5049 самолетов на 1 мая, тогда как заказы Airbus достигали 7650 на 31 марта.

До пандемии ожидалось возрождение конкуренции между Boeing и Airbus, приводящее к рекордным поставкам их высокопопулярных узкофюзеляжных платформ и 9,4% годового роста производства в 2019. Boeing и Airbus прогнозировали производство более 1750 самолетов в прошлом году, против 1606 единиц в 2018, по пресс-релизу от середины июня 2019 от исследовательской фирмы Frost & Sullivan.

К августу, однако, другие резали эти цифры.

Глобальное производство самолетов упало на четверть после заземления Boeing 737 Max в марте 2019 после двух фатальных крушений, по статье в The Guardian. ADS, британская авиационная лоббистская группа, сказала, что в июле 2019 было доставлено 88 самолетов, вниз на 24% от поставок в тот же месяц предыдущего года, с падением в основном из-за спада производства узкофюзеляжных самолетов вроде 737.

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

Отрасль действует для увеличения этих чисел.

«Два крупнейших коммерческих производителя самолетов, Boeing и Airbus, оба вкладывают много дополнительных денег в увеличение темпа производства», — сказал Билл Биго, вице-президент по бизнес-развитию для авиации и обороны в JR Automation.

В конце прошлого года в Гамбурге, Германия, Airbus внедрил свою высокоавтоматизированную линию сборки фюзеляжа семьи A320.

Новый объект включает 20 роботов, новую логистическую концепцию, автоматическое позиционирование лазерными измерениями, а также систему цифрового сбора данных, сказала компания.

Помимо использования роботов, Airbus также внедряет новые методы и технологии в логистике материалов и деталей для оптимизации производства, улучшения эргономики и сокращения лид-таймов. Это включает разделение логистических и производственных уровней, спрос-ориентированное пополнение материалов и использование автономных управляемых тележек.

Примерно в то же время, однако, Boeing прекратил четырехлетнюю попытку полной автоматизации на своем заводе в Эверетте, штат Вашингтон, которая использовала роботизированные манипуляторы для вставки крепежей на две основные секции фюзеляжа его 777 и 777X, выбрав вместо этого ручную вставку квалифицированными механиками.

Роботы все еще сверлят отверстия для крепежей на автоматизированной системе «flex track», в результате чего получается комбинированный человеко-роботизированный процесс, по опубликованным отчетам.

Усилия могут окупиться в конце.

Неудачные попытки использовать робототехнику научили Boeing ценным урокам из своего «первого очень глубокого погружения в этот тип технологии», сказал Джейсон Клак, вице-президент Boeing, курирующий производство 777X, Los Angeles Times. «Это научило нас проектировать для автоматизации», — цитировался Клак в ноябре статье.

Новый метод создает меньше износа и усталости у рабочих, так как машины, разработанные Electroimpact Inc., берут на себя одну из самых физически требовательных задач сборки фюзеляжа: сверление отверстий в металле, по статье Times.

Также «Мы перепроектировали части сборки для замены ните на менее сложные формы крепежей, дальше улучшая эргономику», — сказал представитель компании.

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

На своем заводе в Норт Чарлстоне, Южная Каролина, Boeing: оснастил механиков экзоскелетами, разработанными для снижения нагрузки от удерживаемой над головой работы; внедрил Bluetooth-умные динамометрические ключи для обеспечения правильного крутящего момента на гайке, и использует виртуальную реальность для механиков для тестирования новых инструментов, по Reuters.

Могут ли роботы взять на себя ручную укладку?

До того как какие-либо фюзеляжные структуры отправлены в Гамбург или заводы Boeing в штате Вашингтон, они фабрикуются в автоматизированных композитных производственных (ACM) процессах, включая автоматическое размещение волокон и автоматическую укладку ленты.

ACM подходит для средних или крупных деталей как фюзеляжи, крылья и переборки, которые также либо плоские, либо слегка контурированные.

Но мелкие и средние композитные детали фабрикуются ручной укладкой, очень неэффективным процессом, тратящим много материала.

Это большая проблема, потому что эти детали — клипсы, кронштейны, двутавры и люки доступа — могут составлять до половины веса структуры и насчитываться тысячами даже для одного самолета.

«Также эти детали, которые должны быть уложены вручную, должны быть вырезаны и удлинены, сжаты, что угодно», — сказал Лес Коэн, консультант по композитам. «Значит, ваш buy-to-fly ratio может быть фактором 2: если вы работаете с материалом за $40 за фунт, это фактически материал за $80 за фунт».

Команда в Университете Южной Калифорнии недавно завершила демонстрационный проект по автоматизации укладки роботизированными манипуляторами.

Хотя это не автоматизация, все еще есть место для улучшения материалов, используемых в строительстве самолетов.

Отрасль понимает, что время, необходимое для автоклавирования деталей в процессе в операциях дебалкинга каждые несколько слоев вместе с отверждением финальной детали, занимает много времени. Быстроотверждающие смолы, имеющие свойства автоклавированных деталей но без автоклавированного процесса — ответ, но они недоступны, сказал Коэн. С инвестициями в среднем до пяти лет времени и оцененными $10 млн затрат на разработку новых материалов, без гарантии их принятия, понятно, почему этот вызов не решен, сказал он.

4-я промышленная الثورة медленно взлетает в авиации

Индустрия 4.0, с обещанием большей производительности и качества, также может помочь поднять авиапроизводство, но отрасль медленно принимает связанный, оцифрованный и данные-ориентированный мир четвертой промышленной революции.

«Я бы сказал, что эта вещь только сейчас выходит онлайн в производстве и дает результаты. Мы очень в этом и мы только в точке, где можем развернуть это на уровне программы и действительно дать заводу что-то, что абсолютно повлияет на их эффективность», — сказал Эндрю Пурвис, менеджер проекта по композитной укладке и автоматизации в Electroimpact Inc. «Когда вы начинаете получать данные и начинаете их перемалывать, вы начинаете находить много золота в этой горе данных и много раз бриллианты, вещи, которые действительно начинают поднимать ваше производство».

Зрелым для автоматизации является сторона качества производства, сказал Пурвис.

Electroimpact встраивает мониторинг качества в системы с технологией инспекции, измеряющей всё, что делают их AFP-машины, пока они строят или печатают деталь. Автоматический инспекционный процесс позволяет процессу, который компания называет «непрерывной настройкой».

«Система фактически держит себя в калибровке, наблюдая за тем, что она делает, и непрерывно настраивает себя», — сказал он. «Как AFP-машина или принтер может посмотреть на выход камерой или датчиками и сказать: "Эй, я заметил, что вы начинаете немного дрейфовать, поэтому я собираюсь компенсировать"».

На этом этапе принятие Индустрии 4.0 больше стремления, чем достижения, частично из-за последствий кибербезопасности и управления данными, сказал Мик Маер, президент консалтинговой фирмы Maher Associates.

«Я не думаю, что авиапромышленность подхватывает это медленнее любой другой отрасли», — сказал он. «Я думаю, Индустрия 4.0 все еще слишком незрелая, чтобы передавать ей руль в этот момент. Это сказано, автоматизация — ключевой компонент Индустрии 4.0. Но так же как есть части автоматизации, которые зрелые, такие как укладка ленты, размещение волокон, все еще много разработки требуется».

Большие выигрыши возможны

Рэнди Рאונклс, который был техническим директором для авиации в JR Automation, ранее был в Spirit Aerosystems, где был частью команды по внедрению Индустрии 4.0 в начале 2019.

Целевое производственное задание Spirit, предыдущего завода Boeing, который был выделен в 2005, было 21 самолет в месяц, основанное на его физических ограничениях и размере, сказал Раунклс. Перед уходом месячное производство завода было 57 самолетов, помоги вместе с дополнительными сменами, большим числом сотрудников и увеличенной автоматизацией, конкретно в креплении.

«Один из (последних) проектов до ухода был сбор данных Индустрии 4.0 на использовании оборудования и это фактически изменило лицо той компании в понимании того, что их оборудование делало и на что было способно», — сказал Раунклс. «И это имело значительное влияние на капитальные расходы на будущие темпы».

«Поиск в цифровом»

Исследования идут по всему миру по применению Индустрии 4.0 в авиапроизводство, но принятие медленное и текущее авиапроизводство более аналоговое, чем цифровое, сказал Рассел AFRL.

«Компании поискивают в цифровом для решения конкретных болевых точек, таких как отслеживание активов, но мало производителей имеют истинную корпоративную среду Индустрии 4.0», — сказал он.

В терминах текущего состояния компонентов Индустрии 4.0, аддитивное производство рассматривается для инструментальных и неструктурных деталей, некоторые процессы автоматизированы с использованием роботов, и в отношении аналитики данных, НИОКР было сделано для связывания данных неразрушающего контроля обратно к исходным моделям для понимания влияния производственных дефектов на производительность детали, сказал Рассел.

В видео на YouTube роботизированная рука Kuka с концевиком-роллером сглаживает слой препрега композита над предыдущим слоем, пока два робота с захватами держат материал натянутым по бокам.

Сколько мастеров ручной укладки желали этого эквивалента третьей руки, продемонстрированного в записи умной робототехнической ячейки?

Ячейка и вся технология за ней — демонстрационный проект Сатьяндры К. Гупты, профессора механической инженерии и компьютерных наук в Университете Южной Калифорнии, его коллег и студентов. Они сделали деталь на основе предложений Boeing, Lockheed Martin и United Technologies, с целью оценки возможности автоматизации. Результаты тестов на деталях, сделанных их роботизированной автоматизацией, были отправлены трем компаниям, сказал Гупта.

«Прямо сейчас ключевой вызов, с которым все сталкиваются в авиации — нехватка труда», — сказал он.

С роботизированными манипуляторами, делающими укладку, человеческий оператор мог бы контролировать несколько ячеек одновременно, объяснил он. Это не только увеличит мощность, но возможно устранит шаг дебалкинга в процессе изготовления детали, сохраняя качество.

Потому что для гипотетической критической детали из 100 слоев препрега, деталь в процессе должна быть замешана и подвергнута вакууму каждые три (или пять) слоев для обеспечения отсутствия пустот, всего 33 дебалкинга.

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

Автоматизация процесса не только делает его последовательным и упрощенным. Ручная укладка — утомительная, физически требовательная работа.

Работая более двух с половиной лет, Гупта и его команда интегрировали роботизированные манипуляторы с концевиками, компьютерным зрением, силовым ощущением, алгоритмами ИИ, передовыми контроллерами и человеко-машинным интерфейсом. Их демонстрационные детали состояли до 15 слоев стандартного эпоксидного углеродного препрега.

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

«Нужно заставить камеру видеть, какие дефекты формируются», — сказал Гупта. «(Теперь) если робот видит морщину, иногда он тянет лист так, потом иначе...»

Когда ячейка сталкивается с проблемой, которую не может исправить, она оповещает оператора звуковым сигналом, email или смс.

Но это только если необходимо.

«Иногда весь процесс проходит без заминки», — сказал Гупта.

Смотри, ма, без рук! (Концевик делает автоматическую укладку препрега)

Добавление Rego-Fix, открытое три года назад, включает передовые функции экономии энергии и природных ресурсов. К ним относятся специальная система вентиляции с обменом воздухом, древеснопеллетное отопление, множественные прогрессивные блоки кондиционирования, «зеленая» крыша и использование как естественного, так и датчик-контролируемого освещения.

Система вентиляции с обменом воздухом меняет воздух в новом здании семь раз в час. Она выводит отработанное тепло с производственного пола — тепло, генерируемое в основном большим компрессорным оборудованием, необходимым для станков компании. В холодные месяцы, которые составляют большую часть года, восстановленное отработанное тепло затем используется для прогрева поступающего свежего воздуха, который система забирает снаружи здания и циркулирует на производственном полу.

Дополнительно, циркулирующая вода в замкнутой системе помогает держать компрессоры производственного пола прохладными во время работы. В процессе охлаждения вода становится горячей, и эта нагретая вода затем хранится в баке на 1849 гал (7007 л). Эта вода используется для дополнительного прогрева здания через систему отопления, встроенную в полы офисных зон здания.

Объект также включает 390-кВт отопительную систему, сжигающую древесные пеллеты вместо ископаемого топлива. Пеллеты — побочный продукт лесопиления и мебельного производства, распространенных в районе. Система потребляет очень малые количества пеллетов, потому что работает как резерв к другим источникам тепла и используется только при экстремально низких внешних температурах.

Летом экономящая энергию прогрессивная трехблочная система кондиционирования, работающая вместе с напольной системой и системой обмена воздухом, держит добавление прохладным. Блок обмена воздухом выводит тепло из здания, и холодная вода циркулирует через напольную систему.

Если температура внутри здания поднимается выше определенного уровня, один из блоков в прогрессивной системе кондиционирования включится для поддержки напольной системы и блока обмена воздухом. Блоки кондиционирования регулируются по об/мин, так как если температурные уровни продолжают расти, заставляя первый блок превысить свой лимит, второй блок в системе активируется. И в свою очередь, если второй блок достигает своего лимита по об/мин, активируется третий блок. Как только здание начинает остывать, отдельные блоки кондиционирования выключаются в обратной последовательности.

Наружные стены здания полностью изолированы. В отличие от типичных проектов крыш, тот, который выбрал Rego-Fix, довольно необычен с высокими изоляционными свойствами. Называется «зеленая» или «посаженная» крыша, она покрыта почвой с реальным газоном. Помимо изоляционной ценности, крыша захватывает дождевую воду, которая затем собирается в баке на 13 200 гал (50 000 л) и используется для смыва унитазов в санитарных узлах здания.

Вместе все функции отопления и охлаждения здания обеспечивают стабильные и постоянные окружающие температуры в производственной зоне. Это имеет критическое производственное преимущество. Постоянная температура помогает поддерживать последовательную точность станков для производства высокоточных систем зажимных устройств компании.

Для дальнейшей экономии энергии новое производственное здание имеет множество больших трехслойных изолированных окон, впускающих обильное естественное освещение. Кроме того, окна оборудованы жалюзи, которые автоматически открываются и закрываются. Это большая помощь в поддержании прохлады в здании летом. Пока жалюзи блокируют много тепла, они перфорированы для пропуска света.

Где нужно дополнительное освещение, используются LED-энергосберегающие лампы вместе с активацией по датчику движения. В здании нет настенных выключателей, и свет включается только когда зоны заняты, затем выключается, когда они свободны.