Роботизированная укладка волокон и 3D-печать движут достижения Industry 4.0

Преимущества, обещанные Industry 4.0, реализуются в Ingersoll Machine Tools в Рокфорде, штат Иллинойс. «Цифровой двойник» симуляции проектирования станков, более высокий роботизированный интеллект и сложное движение — основные инструменты здесь. Эти инструменты делают крупномасштабное производство форм, обработку деталей и автоматизацию процессов доступными для более широких секторов авиации, судостроения и других отраслей.

«Разрушение, обещанное Industry 4.0, уже началось», — сказал Джейсон Мелчер, вице-президент по продажам в Ingersoll. «Что еще более удивительно, это происходит в авиации, где проектирование станков для улучшения производства форм и деталей — это самое большое из больших, самое трудное из трудных».

«Здесь сопротивление процесса оценивается не просто час за часом, а минуту за минутой, и фунты в час», — объяснил Мелчер. «Мы видим большую технологичность, поддерживаемую в будущем ведущей платформой ЧПУ и движения авиапромышленности».

Улучшение процесса всегда было важно в Ingersoll. Долгие годы механические, программные и процессные инженеры компании объединяли усилия с инженерами Siemens для разработки конструкций станков крупного формата следующего поколения.

Но что именно делают Ingersoll и Siemens по-настоящему прорывным?

Теперь эти две технологические компании объединяют усилия с инженерными командами клиентов для изобретения, валидации и снижения рисков. Они сотрудничают в более масштабном виде, где интеллектуальная роботизированная укладка волокон и массовое производство деталей печать/фрезеровка больше не видение, а реальность.

Роботизированная укладка волокон

Долгогодичный игрок в автоматизированной укладке волокон (AFP) для авиации, выход Ingersoll в высококлассную робототехнику кажется естественным прогрессированием. Амбиция компании заключалась в том, чтобы сделать роботизированную укладку волокон доступной для производителей деталей второго и третьего эшелона авиации. Но этот подъем на авиационный рынок был сдерживаем несколькими земными реалиями, включая историческую неточность крупномасштабного роботизированного позиционирования, отсутствие роботизированного управления на уровне оператора станка и высокую стоимость проектирования и строительства более крупных, кастомизированных систем AFP.

Точное роботизированное позиционирование: Даже в последние годы точность позиционирования крупномасштабной робототехники была не лучше примерно 5 мм и с плохой повторяемостью. Для решения этого ограничения Siemens развила свой мощный ЧПУ Sinumerik 840D sl, включив Run MyRobot — свою высокоизощренную программу компенсации роботов.

Это позволило Ingersoll интегрировать робототехнику в свои новые конструкции станков Robotic FP для укладки волокон, достигнув повторяемой точности роботизированного позиционирования менее 1 мм. Точность сохраняется как для стандартного, так и для обратного роботизированного движения.

Роботизированное управление на станке: Роботизированное движение станка Robotic FP легко контролируется на станке с помощью интерфейса Siemens Sinumerik CNC Operate. Интуитивный графический интерфейс управления универсален по всей платформе ЧПУ Sinumerik. Авиационные клиенты могут достичь более высоких процессных эффективностей на всем заводе, так как операторы быстро становятся знакомыми и эффективными, используя интерфейс, который остается одинаковым от станка к станку, даже при переходе от трехосевых к пятиосевым или шестиосевым роботам с множеством дополнительных осей (вращательный стол, мандриль, линейные рельсы и т.д.). Опыт оператора одинаков, будь то управление традиционной укладкой волокон, роботизированной укладкой волокон, 3D-печатью, роботизированной 3D-печатью или любым процессом ЧПУ-обработки.

Симуляция проектирования станка: Промышленность станков давно ждала возможности виртуально проектировать, тестировать и перепроектировать цифровой двойник станка, формы или детали перед переходом к реальному производству. В авиации огромный размер станка или детали делал физическое прототипирование особенно дорогостоящим.

Традиционное пробное прототипирование давало огромные потери во времени и материале. Чтобы вырваться из этих ограничений, программные инженеры Ingersoll разработали симуляционное ПО, позволяющее процессным инженерам виртуально проектировать и разрабатывать станок, форму или деталь. ПО оборачивает симуляционное ПО ядра виртуального ЧПУ-контроллера Siemens (VNCK). Контроллер обрабатывает и симулирует практически все данные цикла обработки и траектории инструмента точно так, как они выполнялись бы на реальном станке, а интерфейс Sinumerik Operate графически отображает эту точную симуляцию цифрового двойника.

Крупномасштабная 3D-печать и фрезеровка

Самые крупные в мире термопластиковые 3D-принтеры мгновенно привлекают внимание авиационных инженеров, входящих в огромный Центр разработки Ingersoll Machine Tools.

Привыкнув к чистому размеру станка MasterPrint, что удерживает внимание инженеров — это перспектива более быстрого прототипирования, более коротких сроков выполнения и 90-процентного снижения производственных затрат. Инновации Ingersoll продолжаются с разработкой MasterPrint 5X — готовой к работе печать-фрезеровки станка с еще большими прорывами в производительности, который снова возможен благодаря платформе ЧПУ Siemens Sinumerik 840D sl.

Майкл Фальк — мехатронный инженер и лидер команды продаж Siemens, поддерживавшей Ingersoll в выпуске серии MasterPrint. Фальк часто видел реакции авиационных инженеров, посещающих Центр разработки Ingersoll, и может подтвердить, почему фактор «5X» — большое привлечение. «В 90% случаев все, что 3D-печатается, потребует финишной фрезеровки», — сказал Фальк. «Новый MasterPrint делает именно это как готовое решение для производства крупнейших в мире деталей с автоматизированной технологией смены головки, разработанной Ingersoll и поддерживаемой Siemens».

Фальк сказал, что то, что авиационные и судостроительные инженеры сейчас видят в Ingersoll — это их способность исследовать цели улучшения процесса, которые когда-то были недостижимы. «В октябре 2019 года Университет Мэн получил три рекорда Гиннесса за 3D-печать 25-футовой лодки, которая действительно плавает и перевозит людей», — сказал он. «Что замечательно, инженеры Ingersoll превзошли рекорд размера в несколько раз с тех пор».

Эффективность фрезеровка-печать: Подход MasterPrint к крупноформатной 3D-печати сочетает усиленную скорость, ловкость и точность пятиосевого движения. Тот же портал теперь может взаимодействовать функциями печати, фрезеровки, укладки волокон, укладки ленты, контроля, обрезки и многого другого.

3D-печать под любым углом: Ingersoll выпускает новый MasterPrint 5X, сказал Фальк. Станок может печатать под любым углом в свою полную пользу. Так что теперь можно быстро изготовить массивную форму или деталь, используя самую эффективную последовательность. Пятиосевая печатающая насадка меняет ориентацию соответственно, чтобы печатать гораздо более сложные детали.

Высокоскоростная синхронизация: «Действия синхронизации во время 3D-печати — там, где происходит большая часть магии», — сказал Фальк. «Вы получаете красивые детали с последовательной геометрией нити. Печать замедляется только по необходимости вокруг углов, затем возобновляет оптимальную скорость. Углы не перезаполняются. Нет проблем с наполнением, нет сужения нити, нет пустот в оснастке и нет накопления материала внутри детали».

Роботизированная 3D-печать: Ingersoll в полной мере воспользовался Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, программой компенсации роботов, которая теперь является ключевой функцией ЧПУ Siemens Sinumerik 840D sl. Ingersoll предлагает широкий спектр роботизированных систем, где ЧПУ на станке может управлять несколькими модулями, оперируемыми одним роботом.

Инструменты для будущего

Джейсон Мелчер и Майкл Фальк свидетельствовали беспрестанный энтузиазм среди инженеров Ingersoll Machine Tools, которые поднимают исследовательские вопросы в поддерживающей культуре. Они описывают лабораторную среду, где процессный инженер, недавно вышедший из колледжа, быстро учит вещей, которых даже самые передовые курсы мехатроники не охватывают.

В Ingersoll инженерам бросают вызов изобретать, валидировать, учиться и строить лучший процесс обработки — и им даны инструменты для этого.

«Siemens приносит открытый набор инструментов в процесс проектирования станка», — сказал Фальк.

«У вас есть пятиосевое управление Sinumerik 840D, полный набор моторов, приводов и компонентов. У вас есть симуляционное ПО и открытое приглашение к инновациям третьих сторон. Все это сходится вместе, с ЧПУ Sinumerik и его виртуальным аналогом, ядром VNCK, становящимися мозгом гораздо более эволюционированного процесса обработки».

Нейт Хауг — процессный инженер в Ingersoll. Он один из множества вдохновенных инженеров компании, подтверждающих преимущества использования более открытого набора инструментов ЧПУ и управления движением. «Siemens начинает с языка программирования, который позволяет нам делать гораздо больше, чем мы могли, используя управление, основанное «только на G-коде»», — сказал Хауг. «Есть два набора инструментов, по-настоящему. Один — язык Siemens, позволяющий открытый спектр функций и переменных. Другой набор позволяет нам внедрять условные функции в мозг ЧПУ. Без обоих этих наборов мы не смогли бы делать то, что делаем. Мы используем 840D на станке укладки волокон, на роботизированном станке укладки волокон, на 3D-принтере, на роботизированном 3D-принтере, на станках с двумя головками, вертикальными, с пятью головками, практически с любой конфигурацией».

Хауг сказал, что помимо улучшений среди существующих станков в Ingersoll, он и коллеги-инженеры используют свои наборы инструментов Siemens Sinumerik ЧПУ для исследования путей к разработке новых станков. Один из этих путей — в исследовании материалов.

«У каждого материала свои реологические свойства», — объяснил Хауг. «Управление Siemens позволяет нам модифицировать функции в коде для адаптации к материалу.

Платформа ЧПУ позволяет нам исследовать более широкий спектр материалов».

Вопросы свойств материалов исследуют переменные, такие как прочность, усадка, искривление и использование изотропных против анизотропных материалов. Материальные решения возникают в областях быстрого прототипирования для гражданских, оборонных и инфраструктурных применений. Возникает концепция уникального принтера, который может поддерживать амбициозные инициативы, такие как био-сырье с использованием целлюлозы, полученной из древесных ресурсов.

Самоконтроль станка: Хотя визуальные инспекции, проводимые вручную, все еще распространены сегодня, они становятся аналоговыми ответами на все более цифровую автоматизированную производственную задачу.

Ingersoll видит день, приходящий скоро, когда инспекции станут рутинной функцией станка как вторичного процесса. Процесс укладки волокон будет мониторить укладку, проверять на дефекты и гарантировать точность и надежность детали. Аналогично, гибридный процесс 3D-печати однажды будет печатать и обрабатывать спиной к спине с бесшовно интегрированным самоконтролем процесса.

Разработка этих автоматизированных процессов самоинспекции уже поддерживается платформой ЧПУ и управления движением Siemens, которая управляет точным позиционированием и обратной связью позиции. Станок может обнаруживать, трассировать и сообщать о любом отклонении.

Как продемонстрировали Ingersoll и Siemens, обещанные преимущества Industry 4.0 внедряются сегодня. Устранив границы крупноформатной роботизированной укладки волокон и 3D-печати, ожидания теперь растут в сторону прорывных улучшений по всему процессу производства деталей.

«Это мышление в масштабах большой картины», — сказал Джейсон Мелчер из Ingersoll. «Когда мы посещаем клиента, это для исследования улучшения процесса. Это не про лайнкард станков с фиксированными функциями. Мы вступаем в разговоры о адаптированных улучшениях процесса».

Для инженеров в авиации, судостроении и других прогрессивных секторах инновация в большом масштабе означает, что у них теперь есть неограниченный набор инструментов для исследования, как никогда раньше.