Merevolusi Penempatan Serat Otomatis untuk Pesawat Generasi Depan

Jika penempatan serat otomatis (AFP) dan penempatan tepat otomatis (ATL) adalah proses manufaktur yang memungkinkan aplikasi komposit yang luas pada Boeing 787 dan Airbus A350, maka juga akan menjadi AFP/ATL yang memimpin jalan bagi generasi pesawat komersial berikutnya, yang kini sedang di papan gambar. Perbedaan kali ini? Tingkat produksi.

Boeing memperkirakan bahwa, pada 2037, dunia akan membutuhkan lebih dari 31.000 pesawat narrow-body baru untuk memenuhi kebutuhan penumpang. Airbus memperkirakan kebutuhan lebih dari 28.000 pesawat narrow-body pada 2037. Kedua perusahaan mempertimbangkan penggantian pesawat unggulannya — 737 (Boeing) dan A320 (Airbus). Kedua perusahaan diharapkan akan menggunakan komposit secara signifikan pada setiap pesawat baru yang mereka kembangkan. Kedua perusahaan memberi tahu rantai pasokan mereka untuk mengharapkan tingkat produksi untuk pesawat ini sebesar 60-100 pesawat per bulan, dengan penekanan pada 100. Kategori narrow-body, untuk kedua perusahaan, mewakili sekitar dua pertiga dari total permintaan global, yang berarti lingkungan manufaktur yang dikembangkan untuk pesawat narrow-body akan menjadi lingkungan manufaktur default untuk aero-komposit untuk masa depan yang dapat ditentukan.

Semua ini berarti teknologi otomatisasi harus dikembangkan sekarang jika ingin mengikuti persyaratan kualitas dan tingkat produksi pesawat generasi depan. Tidak ada yang terlewatkan pada insinyur senior Electroimpact (EI, Mukilteo, Wash., AS) Todd Rudberg. Rudberg dan EI memasuki dunia komposit pada 2004 ketika perusahaan mengembangkan teknologi AFP untuk manufaktur bagian fuselage depan Section 41 787 yang diproduksi oleh Spirit AeroSystems (Wichita, Kan., AS). EI kemudian melanjutkan untuk menghasilkan sistem AFP dan ATL untuk manufaktur struktur 787 lainnya, struktur A350, struktur mesin, dan, baru-baru ini, tulang sayap Boeing 777X. Sekarang, Rudberg melihat masa depan manufaktur pesawat generasi depan dan melihat peluang untuk AFP untuk meningkat. Secara signifikan.

Peluang, kata Rudberg, jelas ketika seseorang melihat data. Faktanya, EI telah mengembangkan beberapa metrik untuk membantu perusahaan memahami apa yang dilakukan mesinnya dengan baik, dan apa yang dapat ditingkatkan. Pertama, dalam meninjau lanskap AFP 2019, Rudberg melihat banyak ancaman terhadap teknologi AFP saat ini, termasuk ATL, lay-up tangan, charge datar kain woven, dan, tentu saja, aluminium.

Metrik AFP yang dikembangkan Rudberg berasal dari proyek demonstrator produksi penuh (FPD) yang di mana EI melakukan empat build pre-produksi. Data dari salah satu build tersebut, yang dilakukan pada Februari 2019 dengan teknologi AFP “standar” EI, mengungkapkan tantangan utilizasi mesin yang signifikan, dengan waktu penggunaan mesin jatuh ke dalam satu dari tujuh kategori:

• Proyeksi laser: 30%
• Run: 27%
• Inspeksi: 22%
• Istirahat: 10%
• Stop yang diinduksi operator: 6%
• Pemulihan error: 3%
• Image: 2%

Dilihat dari cara lain, dengan teknologi saat ini, ada satu operasi bernilai tambah dalam AFP (run), dengan semua yang lain dianggap operasi non-bernilai tambah. Jadi rasio nilai ke non-nilai adalah 1:3. “Industri benar-benar ingin 3:1, dan saya juga,” kata Rudberg, “dan saya ingin menyelesaikan ini sebelum saya pensiun.” Tujuan, secara sederhana, adalah untuk mengurangi waktu yang dihabiskan oleh operasi non-bernilai tambah.

Ada juga satu metrik AFP menyeluruh yang membutuhkan penjelasan: mean strips before failure (MSBF). Ini adalah jumlah rata-rata tow serat yang ditempatkan antara kegagalan penempatan. Semakin besar angka ini, tentu saja, semakin andal mesin dan prosesnya. Build FPD Februari, kata Rudberg, memiliki 5.365 MSBF.

Tujuan

Melihat lebih dekat pada operasi AFP, kata Rudberg, EI hanya memiliki kontrol langsung atas tiga operasi: run, pemulihan error dan inspeksi. Dan ini adalah tempat perusahaan memfokuskan upayanya. Namun, Rudberg menunjukkan bahwa pembuat pesawat juga memiliki peran yang harus dimainkan, terutama dalam pengurangan inspeksi kualitas, istirahat dan stop yang diinduksi operator. “Kami harus menyadari bahwa waktu run sudah menjadi sangat rendah karena mesin sangat cepat,” katanya, “dan apa pun yang non-bernilai tambah memiliki dampak besar pada utilizasi Anda. Jadi, ternyata ini adalah olahraga tim. Tidak hanya OEM — saya — yang harus lebih baik, pembuat pesawat juga memiliki tanggung jawab.”

Untuk manufaktur pesawat generasi depan, Rudberg ingin meningkatkan MSBF ke >20.000, meningkatkan waktu run ke 77% dan sepenuhnya menghapus proyeksi laser, stop yang diinduksi operator dan image. Bagaimana? Rudberg mengidentifikasi tiga area teknologi yang dapat memfasilitasi transisi ini: creels servo-driven, inspeksi dalam proses 100% dan manajemen data, atau EI 4.0.

Ketiganya telah dievaluasi oleh EI dalam serangkaian build proyek FPD terbaru setelah build Februari awal. Data dari proyek FPD itu sendiri membuktikan bahwa EI sedang bergerak ke arah yang benar. Rudberg mengatakan sistem AFP yang digunakan — disebut MuSCLE — mencapai daya puncak 1.500 horsepower, percepatan/delelerasi 0,5G, laju pengecakan 4.000 inci/menit, waktu putar kepala 1 detik, kecepatan sudut sudut spar 120 derajat/detik dan 6.000 MSBF (dicapai dalam produksi).

Konversi ke creels servo motor, dan jauh dari creels servo pneumatic, kata Rudberg, telah dilakukan untuk meningkatkan kecepatan penempatan tow, akurasi penempatan tow, kontrol tegangan tow dan keandalan build secara keseluruhan. Perusahaan telah menghabiskan dua tahun terakhir bekerja pada servo drive kompak yang dapat dipasang pada kepala modular EI. Hasil teknologi ini, sejauh ini, menjanjikan; pengujian menunjukkan: 15.000 MSBF, 87% lebih cepat kecepatan penambahan, 36% lebih cepat kecepatan pemotongan, akurasi penempatan akhir yang lebih baik. Lebih lanjut, EI membuktikan bahwa sistem creels servo motor dapat digunakan untuk menempatkan serat karbon kering.

Kunci untuk inspeksi adalah bagian “in-process”. EI sudah memiliki teknologi inspeksi, yang dikembangkan dengan Aligned Vision (Chelmsford, Mass., AS) dan digunakan pada garis produksi sayap 777X yang menggunakan teknologi laser dan visi untuk memeriksa lap, celah, kerutan, kesalahan penempatan akhir dan debu asing (FOD). Sistem ini, namun, ada secara independen dari sistem AFP dan memerlukan lapangan pandang yang jelas untuk beroperasi — berarti kepala AFP harus dipindahkan. Rudberg dan EI telah mengembangkan sistem inspeksi baru, disebut RIPIT, yang merupakan bagian integral dari kepala AFP dan memeriksa penempatan serat segera setelah terjadi.

Saat Boeing dan Airbus mempertimbangkan proses manufaktur komposit out-of-autoclave, kemampuan sistem AFP untuk menempatkan serat karbon kering dengan efisien akan sangat penting. Demonstrator spar ini menunjukkan serat kering yang ditempatkan oleh sistem Electroimpact. Sumber | Electroimpact

EI tidak akan mengungkapkan sifat teknologi di balik RIPIT kecuali untuk mengatakan bahwa itu tidak berbasis laser atau visi. Dalam hal apa pun, Rudberg mengatakan tes sistem menunjukkan bahwa mampu mendeteksi, secara real-time, geseran tow hingga ±0,030 inci, penempatan add hingga ±0,050 inci dan penempatan pemotongan hingga ±0,050 inci. Lebih lanjut, kata Rudberg, “Kami telah melakukan banyak uji coba mengkaitkan data RIPIT dengan sistem visi yang berkualifikasi Boeing yang ada [sistem Aligned Vision yang digunakan pada 777X] dan kami mendapatkan korelasi.”

Nilai manajemen data, kata Rudberg, terletak pada kemampuan sistem EI untuk membantu pembuat melihat lebih jelas seberapa baik proses AFP bekerja. Untuk itu, EI telah mengembangkan perangkat lunak visualisasi data — EI 4.0 — yang menawarkan visibilitas tidak hanya bagaimana suatu mesin berperforma (berdasarkan MSBF) selama suatu build tertentu, tetapi bagaimana tow dan urutan individual berperforma. Pada dasarnya, perangkat lunak ini membantu operator melihat tepat di mana dalam kepala AFP masalahnya. “Jadi, kami akan menggunakan EI 4.0 ini untuk menunjukkan di mana mereka [operator] perlu pergi untuk melihat di kepala AFP untuk melakukan perubahan,” kata Rudberg.

Menggunakan perangkat lunak ini, mungkin untuk menampilkan grafik MSBF untuk berbagai fungsi mesin dan mengidentifikasi tow serat yang bermasalah dan urutan yang sangat menantang. Perangkat lunak juga mengukur dan melaporkan aktivitas mesin lain yang mungkin mengurangi utilizasi. Menggunakan alat manajemen data ini, EI mampu mengoptimalkan dan mengurangi waktu build untuk OPS dari lebih dari 50 menit menjadi kurang dari 40 menit. Alat lain termasuk perbandingan performa shift dan perbandingan sudut ply.

“Saya benar-benar percaya bahwa utilizasi 75% adalah tujuan atau harapan yang realistis,” mengakui Rudberg. “Tapi, itu akan membutuhkan kerja sama, itu akan membutuhkan inisiatif organisasi dan pelaksanaan dari pembuat pesawat, itu akan membutuhkan teknologi yang ditingkatkan kami, itu akan membutuhkan pemeliharaan pencegahan dan prediktif yang lebih baik, dan alat yang lebih baik untuk menganalisis penggunaan sel dan kinerja mesin.”