Flappybot DLR: Merevolusi Manufaktur Komposit di Konvensi 2019

 

Prototipe Flappybot DLR (Flexible autonomous production, placement and assembly robot) yang menarik namanya adalah radikal pergeseran dari mesin statis besar dan mahal yang umum dalam manufaktur komponen penerbangan luar angkasa besar. Unit AFP otonom kompak ini dirancang untuk 'mengemudi' langsung di atas cetakan. Sumber | DLR
 

Jika industri komposit akan terus tumbuh dan meningkatkan kompetitivitasnya, harus mengeksploitasi peluang yang dibawa oleh digitalisasi dan otomatisasi. Dua konferensi fokus penerbangan luar angkasa terbaru di Jerman melihat apa yang mungkin dijamin oleh masa depan manufaktur komposit.

Mengunjungi pabrik masa depan di Stade

Future Factory for Composites adalah tema untuk Komposisi Konvensi tahun ini di Stade, Jerman, yang diselenggarakan 12-13 Juni. Bersama-sama diorganisir oleh CFK Valley e.V. (Stade, Jerman) dan Carbon Composites e.V. (Augsburg, Jerman), acara ini menarik kehadiran rekor hampir 450 orang. Kehadiran AS yang kuat timbul dari kolaborasi dengan Utah Advanced Materials and Manufacturing Initiative (UAMMI, Kaysville, Utah, AS) sebagai jaringan mitra dan AS sebagai negara mitra.

Dalam presentasi pembicara utama pembuka, berjudul "Digitalisasi: Transisi dari Manufaktur Berbantu Komputer ke Otomatisasi Berbantu Manusia," Dr. Jan Stüve, kepala Pusat Teknologi Produksi Ringan di Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR; Stade, Jerman) memberikan cita rasa program yang akan datang. Teknologi pabrik masa depan yang sedang dikembangkan di DLR termasuk beberapa robot yang bekerja sama untuk mengurangi waktu produksi dan digital twin dari mesin yang memungkinkan optimasi proses. Area kunci lainnya berkaitan dengan robot otonom seluler untuk skenario produksi fleksibel. Ini termasuk prototipe FlappyBot, unit penempatan serat kompak yang bepergian di atas cetakan. Stüve memperingatkan tentang bahaya potensial dari otomatisasi berlebihan dan membahas bagaimana digitalisasi harus melibatkan manusia kembali dalam proses manufaktur.

Dinding belakang CFRP Audi A8, komponen terbesar dari sel penumpang, diproduksi oleh Voith Composites dalam proses yang sangat terotomatis yang memungkinkan volume produksi 65.000 komponen per tahun. Sumber | CFK Valley

Dalam pembicara utama kedua, "Rapid Manufacturing and Thermoplastic Composites – Trends and Technologies," Dr. Robert G. Bryant, insinyur material senior di NASA Langley Research Center (Hampton, Virginia, AS), membawa delegasi dari batas pabrik darat menuju pembangunan di luar angkasa. Kehadiran manusia jangka panjang di luar angkasa akan memerlukan tempat berlindung dan platform sebagai langkah pertama. Pengembangan roket yang semakin besar untuk meletakkan struktur yang semakin kompleks di luar planet tidak ekonomis berkelanjutan. Solusi memerlukan manufaktur dekat atau di lokasi. Penggunaan proses penempatan pita canggih (ATP) tanpa cetakan yang memungkinkan konsolidasi in-situ bagian komposit termoplastik mungkin menjadi jawaban. Dalam teknik baru ini, dua robot ATP bekerja berseberangan, satu untuk menaruh pita prepreg termoplastik, yang lain bertindak sebagai cetakan. Pembuatan tanpa cetakan dapat menurunkan biaya manufaktur penerbangan luar angkasa, meningkatkan ekonomi eksplorasi luar angkasa serta memberikan manfaat pada sektor pasar lainnya (pelajari lebih lanjut di "General Atomics Aeronautical developing toolless thermoplastics composites process").

Keberlanjutan

Kemajuan manufaktur juga harus diiringi dengan pengurangan dampak lingkungan. Garis tersebut, dalam sesi berikutnya, Jörg Spitzner, pendiri Spitzner Engineers GmbH (Finkenwerder, Jerman), berargumen bahwa untuk memenuhi target iklim, teknologi emisi negatif diperlukan. Perusahaan Spitzner mengklaim bahwa konsep turbin angin Blancair yang dipatenkan mereka baik meningkatkan efisiensi turbin serta mengeluarkan CO2 dari atmosfer. Udara ditarik ke dalam modul filter yang dipasang di nacelle, di mana CO2 dipisahkan untuk penyimpanan dan daur ulang dalam produksi bahan bakar sintetis dan aplikasi lainnya. Udara yang bersih dilepaskan melalui pembuka di ujung palang rotor. Video yang menjelaskan konsep tersebut tersedia di situs web Blancair.

Penyelenggara sesi juga menyajikan konsep untuk penilaian eco-efisiensi cerdas dalam produksi komposit (DLR), dan prepreg luar autoclave suhu ruangan, tahan banting dengan kemampuan api, asap dan toksis (FST) (TCR Composites; Ogden, Utah, AS).

Penguatan melalui simulasi

Untuk sisa hari pertama konferensi, perhatian beralih ke simulasi.

Dr. Lars Herbeck, chief technology officer di Voith Composites (Garching, Jerman), membahas bagaimana mesin penempatan serat otomatis (AFP) Voith Roving Applicator menyederhanai rantai proses, memungkinkan proses preforming otomatis yang efisien dengan waktu siklus yang dikurangi. Dia menguraikan simulasi struktural dan proses yang dilakukan untuk baris manufaktur otomatis yang mampu memproduksi 65.000 komponen per tahun untuk dinding belakang CFRP Audi A8.

Mark Bludszuweit dari MET Motoren- und Energietechnik GmbH (Rostock, Jerman) menjelaskan bagaimana simulasi memberikan wawasan tentang cara terbaik untuk memuat bagian ke dalam autoclave, memungkinkan optimasi proses pengeringan dan produktivitas yang lebih besar. Digital twin yang dikembangkan untuk autoclave terbesar di fasilitas Stade DLR dapat berjalan paralel dengan proses nyata, atau lebih cepat untuk menawarkan prediksi perilaku bagian.

Topik pengembangan proses virtual lainnya mencakup pemodelan proses SMC (ESI Group; Chartres-de-Bretagne, Prancis) dan simulasi proses panel sandwich untuk memahami masalah hancuran inti dan kerutan prepreg dalam autoclave (Airbus Helicopters; Marignane, Prancis).

Beralih ke pemodelan keamanan virtual, Jochen Rühl dari Reichenbacher Hamuel GmbH (Dorfles-Esbach, Jerman), bagian dari Scherdel Gruppe, membahas bagaimana pendekatan berbasis simulasi untuk mengelola debu dan partikel yang dihasilkan selama pemesinan bagian CFRP telah memberikan manfaat bagi pelanggan seperti Airbus dan Premium Aerotec (Augsburg, Jerman). Simulasi pemesinan dan visualisasi distribusi partikel membantu produsen mematuhi legislatif kesehatan dan keselamatan yang semakin ketat dan meningkatkan hasil pemesinan, serta mengurangi waktu henti dan pemeliharaan mesin, yang semuanya pada akhirnya diterjemahkan menjadi biaya per bagian yang lebih rendah.

Sesi simulasi juga memamerkan proyek yang disponsori Boeing tentang pemodelan biaya virtual manufaktur komposit, dengan mempertimbangkan interaksi kompleks antara desain, produksi dan keuangan untuk mengidentifikasi driver biaya (Massachusetts Institute of Technology; Cambridge, Massachusetts, AS), dan konsep perencanaan pabrik digital berdasarkan pemodelan simulatif rantai nilai komposit optimal (Fraunhofer IGCV; Augsburg, Jerman).

Konsep pemesinan seluler MBFast18 terdiri dari kendaraan terpandu otomatis, robot dan mesin CNC portabel dan menawarkan produktivitas yang ditingkatkan dalam manufaktur bagian pesawat CFRP besar. Sumber | Fraunhofer IFAM

Pemenang penghargaan

Tahun ini, dua proyek membagi CFK Valley Innovation Award dan hadiah uang sebesar €7.500.

Tempat pertama (dan €4.500) went to proyek sistem robot seluler MBFast18, yang mengembangkan sistem pemesinan CNC seluler berbasis kendaraan terpandu otomatis (AGV) untuk bagian pesawat CFRP besar.

Sumber | Fraunhofer IFAM

Dibandingkan sistem pemesinan statis mahal saat ini untuk struktur pesawat besar, sistem robot seluler yang lebih kecil memungkinkan manufaktur yang fleksibel dan produktivitas yang lebih tinggi.

Sistem MBFast18 menggunakan platform otonom panjang 4,6 meter yang dibangun oleh FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG (Fulda, Jerman), sensor navigasi dan keselamatan yang disuplai oleh SICK AG (Waldkirch, Jerman), dan mesin CNC 5-sumbu dari SAUER/DMG MORI (Suhl dan Bielefeld, Jerman). Pelacak laser seluler yang dikembangkan oleh Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM; Stade, Jerman) memosisikan robot dengan tepat. Unit bor, dengan ruang kerja hingga 0,5 meter persegi, dicekusi ke komponen menggunakan gripper vakum; posisi bor dihitung dan ditransmisikan ke mesin menggunakan perang lunak yang dikembangkan oleh BCT GmbH (Dortmund, Jerman). Konsep ini juga berlaku untuk operasi penanganan dan perakitan serta industri lain seperti energi angin dan kereta api.

Tonton video tentang proyek MBFast18:

Tempat kedua went to start-up Hyconnect GmbH (Hamburg, Jerman) untuk teknologi pengabungan logam-komposit FAUSST. Perusahaan awalnya menargetkan sektor pembuatan kapal, di mana pengabungan komposit ke logam adalah hambatan utama bagi adopsi komposit yang lebih luas. Solusi FAUSST menggunakan kain hybrid yang terdiri dari serat kaca dan logam yang dirajas yang memungkinkan logam dan komposit untuk diikat secara kuat secara mekanis. Sisi serat logam digabungkan ke profil baja yang dapat diweld ke struktur logam, dan sisi lainnya dilaminasi ke komponen komposit. Teknologi yang dipatenkan dikatakan mempercepat proses desain dan pengikatan secara signifikan. Aplikasi prototipe awal saat ini sedang diuji.

Tonton pengenalan proses pengabungan FAUSST:

 

Penguatan melalui otomatisasi

Hari kedua saw proyek penghargaan MBFast18 dieksplorasi lebih detail dalam presentasi dari Christoph Brillinger, manajer proyek di Fraunhofer IFAM, dan Dr. Gregor Graßl dari FFT, yang membahas tantangan pengembangan sistem kontrol pabrik dan proses cerdas untuk operasi multi-robot. Jerome Berg, staf insinyur di Northrop Grumman Innovation Systems (Clearfield, Utah, AS), menjelaskan manufaktur otomatis stringer pesawat Airbus di fasilitas Utah perusahaan menggunakan proses AFP yang dikembangkan internal, dan Uwe Lang dari Evonik Resource Efficiency GmbH (Darmstadt, Jerman) memperkenalkan "Sandwich Technology 4.0," teknologi manufaktur otomatis untuk tingkat produksi tinggi yang menggunakan bahan inti busa ROHACELL milik perusahaan. Proses preforming otomatis yang sangat tinggi untuk pintu landas roda depan pesawat telah divisualisasikan dalam kolaborasi dengan DLR dan hub teknologi Airbus CTC GmbH (Stade, Jerman).

Tonton video proses preforming: 

 

Melakukan perjalanan ke realitas virtual, Felix Hünecke, kepala pengembangan bisnis di ABSOLUTE Reality GmbH (Hamburg, Jerman), menunjukkan bagaimana model 3D bangunan dapat dibuat, diedit dan dilengkapi dengan gambar, dokumen dan video untuk menciptakan lingkungan virtual yang dapat dilihat dari mana saja di dunia. Perusahaan menciptakan tur 3D di aula produksi DLR di Stade.

Lakukan jalan-jalan di aula produksi DLR: 

Felix Schreiber, CEO, ARK Group (Aachen, Jerman), membahas manfaat proses dan biaya dari data mesin terstruktur dalam baris produksi RTM otomatis, sementara Sascha Backhaus dari CTC GmbH membahas otomatisasi modular dalam manufaktur komposit dan proyek Hybr-iT, yang mengembangkan tim di mana manusia dan robot bekerja sama dengan sistem bantuan berbasis perang lunak.

Tidak ada acara tentang pabrik masa depan yang bisa mengabaikan topik kecerdasan buatan (AI), dan Amir Ben-Assa, CMO di Plataine (Waltham, Massachusetts, AS), membahas peluang dan tantangan penerapan AI dalam manufaktur komposit. Dia menyajikan aplikasi praktis AI, dari peringatan (misalnya, keterlambatan produksi atau masalah kualitas) hingga rekomendasi (misalnya, optimasi pilihan material). Asisten digital berbasis AI di Google Glass mungkin menjadi kemungkinan lain, menawarkan interaksi pengguna "bebas tangan" dengan AI di lantai produksi dan presentasi audio dan visual waktu nyata dari peringatan.

Sel Robot Multifungsi di ZLP Augsburg dirancang untuk memungkinkan pengembangan proses terintegrasi untuk manufaktur komponen komposit besar pada skala industri. Sumber | DLR

Topik lainnya meliputi:

• Pemantauan proses cerdas berbasis serat optik untuk struktur komposit besar (MT Aerospace AG; Augsburg, Jerman);
• Sistem kontrol cerdas untuk manufaktur komposit otomatis (National Composites Centre, Bristol, Inggris);
• Sistem kontrol kualitas berbasis model untuk termoformasi komponen kecil (Faserinstitut Bremen e.V.; FIBRE, Bremen, Jerman);
• Proses kompresi molding untuk termoplastik terkawat serat tidak kontinu untuk aplikasi pesawat, berdasarkan otomatisasi fleksibel dan dapat diskalakan untuk ukuran bagian besar (ACT Aerospace; Gunnison, Utah, AS);
• Proses RTM isothermal yang menawarkan waktu siklus yang dikurangi untuk produksi bagian CFRP volume tinggi (Airbus Helicopters)
• Produksi skala besar profil termoplastik berkinerja tinggi serat karbon kompleks untuk strut, pipa dan driveshaft menggunakan preform pita hampir net-shape dan injeksi forming (herone GmbH; Dresden, Jerman). Pelajari lebih lanjut tentang herone dan proses ini di "Injection-forming for high-performance, unitized thermoplastic structures."

10 tahun kemajuan di Augsburg

Dalam acara terpisah, Kolokium DLR ke-5 tentang Teknologi Produksi pada 15 Mei saw hampir 200 tamu berkumpul di Pusat Teknologi Produksi Ringan (Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie, ZLP) di Augsburg. Acara merayakan tahun ke-10 ZLP di Augsburg, di mana saat ini sekitar 60 staf berfokus pada otomatisasi dan digitalisasi produksi komposit.

Gripper robotik untuk draping otomatis, bagian dari proses manufaktur terintegrasi ZLP Augsburg untuk komponen struktural skala penuh. Sumber | DLR

Hari dimulai dengan dua presentasi dari Universitas British Columbia (UBC; Vancouver, Kanada), yang memulai kerjasama dengan DLR pada 2016. Prof. Dr. Anoush Poursartip, co-direktur Inisiatif Pabrik Pembelajaran Digital UBC, memperkenalkan konsep pabrik pembelajaran untuk komposit yang terinspirasi dari rumah sakit pengajaran medis. Pabrik pembelajaran komposit, yang akan berlokasi di kampus Okanagan UBC, akan dirancang untuk mengintegrasikan penelitian dan pendidikan dengan aktivitas industri. Digital twin yang dihosting di UBC Vancouver akan menggabungkan data dari pabrik fisik dengan simulasi untuk mengoptimalkan proses produksi komposit penerbangan luar angkasa. Selanjutnya, Prof. Dr. Homayoun Najjaran UBC dan Marian Kőrber DLR membahas optimasi proses manufaktur yang kompleks dalam lingkungan virtual, dan bagaimana keahlian UBC dalam teknik pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan digunakan untuk mengurangi waktu dan biaya pengembangan sistem robotik di DLR. Metode pembelajaran dalam digunakan untuk melatih gripper robotik ZLP untuk draping otomatis, bagian kunci dari rantai proses otomatis fasilitas Augsburg untuk manufaktur bagian CFRP besar. Gripper, yang menawarkan 127 modul hisap dengan daya hisap yang variabel, mengenali dan mengambil material yang dipotong; modul asumsi geometri yang diperlukan untuk meletakkan material ke dalam posisi dalam cetakan.   

Komponen komposit termoplastik untuk desain bulkhead tekanan belakang Premium Aerotec digabung menggunakan teknik pengelasan resistensi yang dikembangkan di ZLP Augsburg. Sumber | Premium Aerotec

Teknologi termoplastik juga merupakan fokus untuk ZLP Augsburg. Sebuah proyek untuk mengembangkan bulkhead tekanan belakang (RPB) termoplastik pertama di dunia untuk pesawat satu koridor dirinci oleh Ralph Männich dan Alexander Sänger dari Premium Aerotec GmbH. Perusahaan bekerjasama dengan ZLP Augsburg, Toray Advanced Composites dan Institut Material Komposit (IVW) pada desain yang terdiri dari delapan segmen CFRP dengan stringer terintegrasi yang digabung menggunakan teknologi pengelasan resistensi yang dikembangkan ZLP. Proses otomatis dengan waktu siklus pendek memungkinkan produksi volume tinggi. Penyelesaian teknologi (ke TRL 6) dijadwalkan pada 2020 dengan implementasi ditargetkan untuk 2021/2022. Pada Paris Air Show Juni, Premium Aerotec menampilkan demonstrator 1:1 untuk pesawat seri Airbus A320. Dibandingkan bulkhead tekanan A320 saat ini yang terbuat dari komponen aluminium yang dipaku, bagian termoplastik dikatakan memberikan properti mekanis yang sama dengan penghematan berat 10-15% dan pengurangan waktu produksi 50%. Dalam pidato berikutnya, Dr. Stefan Jarka dan Manuel Endraß DLR melanjutkan tema pengelasan termoplastik, menyelami lebih dalam kemampuan gabungan dan NDT ZLP Augsburg, dan perannya dalam proyek RPB.  

ZLP Augsburg menyelidiki proses AFP in-situ berbasis lampu kilat komposit termoplastik, solusi energi dipulsa yang menghilangkan pelindung keselamatan yang diperlukan untuk AFP berbasis laser. Sumber | DLR

Komposit termoplastik juga menawarkan peluang dalam aplikasi luar angkasa. Presentasi dari Ralf Hartmond, MT Aerospace AG dan Lars Brandt, manajer proyek untuk aplikasi terkait luar angkasa di DLR, dirinci pengembangan tahap atas termoplastik terkawat serat karbon untuk peluncur roket generasi berikutnya Ariane. Brandt merinci pekerjaan DLR pada pemeriksaan material untuk tangki hidrogen cair (LH2) tangki — di mana serat karbon PEEK dan poliaretketon leleh rendah (LM) menjanjikan — dan pengembangan proses AFP komposit termoplastik in-situ untuk memungkinkan pendekatan manufaktur tambahan yang ringan. ZLP membenchmark proses AFP in-situ baru yang didukung lampu kilat dengan AFP berbasis laser tradisional.

Teknologi gabungan akan menjadi kunci keberhasilan perkenalan komposit termoplastik dalam aplikasi penerbangan luar angkasa masa depan. ZLP di Augsburg telah mengembangkan sistem pengelasan ultrasonik berkelanjutan berbasis robot yang terdiri dari end-effector yang dipasang pada robot KUKA QUANTEC KR210 pada lintasan linier 7 m. Ini telah terbukti pada komponen termasuk panel fuselage yang diperkuat dan bulkhead tekanan belakang. Sumber | DLR

Hari berakhir dengan pidato utama yang memicu pemikiran dari Prof. Dr. Michael Kupke, kepala ZLP Augsburg, berjudul "Digitalisasi dan Produksi Fleksibel." Dia bertanya apakah kemunculan ekonomi platform digital menawarkan peluang atau risiko bagi produsen komposit, dan menegaskan bahwa TI semakin menjadi kompetensi inti dan harus diperlakukan sebagai keuntungan kompetitif yang menambah nilai bukan sebagai pusat biaya. Dia juga mengatakan ada pergantian paradigma yang sedang berlangsung dari perencanaan rinci ke organisasi sendiri (produksi lean) dan otomatisasi digabungkan dengan digitalisasi. AI, katanya, memungkinkan produksi otonom dan fleksibel. Namun, Kupke menyimpulkan, penting untuk menghargai dan mengintegrasikan keterampilan manusia, yang vital untuk pengambilan keputusan dan peningkatan proses.