Ahli Mendorong Otomasi Lebih Besar untuk Memenuhi Permintaan Pesawat Mendatang

Kebutuhan komersial saja selama 20 tahun ke depan menunjukkan penglipatan ganda tingkat produksi

Sebelum pandemi coronavirus mengganggu kehidupan normal dan pada dasarnya mematikan pesawat penumpang komersial, industri penerbangan memiliki kebutuhan terduga untuk 40.000 pesawat baru—pesawat, helikopter, air taxi, dan kendaraan udara tanpa awak—dalam 20 tahun ke depan. Volume ini mencakup pengganti untuk pesawat yang usia pakai setelah umur pakai rata-rata 25-30 tahun dan di atas backlog sekitar delapan tahun.

Jika permintaan penerbangan kembali ke level sebelumnya setelah pembatasan terkait pandemi dihilangkan, satu-satunya cara untuk memenuhi kebutuhan yang diuraikan adalah melalui otomasi yang ditingkatkan, beberapa ahli industri katakan.

Tidak seperti banyak sektor lain, industri penerbangan adalah tempat di mana tenaga kerja manual umum karena tidak ada proses manufaktur alternatif yang saat ini layak. Namun mengingat pencatatan Statista tentang kenaikan tahun demi tahun dalam permintaan lalu lintas penumpang penerbangan global dari 2006-2019 (kenaikan berkisar dari 2,4 persen hingga 8,1 persen, kecuali untuk 2009 pada puncak Great Recession) dan faktor lain, efisiensi yang lebih besar wajib jika industri akan bisa bertahan.

Peneliti mencoba mengetahui cara mengotomatisasi beberapa proses, seperti hand layup. Namun ada tindakan otomatisasi lain yang saat ini tersedia, termasuk memproyeksikan instruksi perakitan ke workstation dan untuk sealant otomatis, fastening, marking dan proses penanganan material.

Kebutuhan penerbangan komersial saja akan memerlukan penglipatan ganda efektif dari tingkat produksi, kata John D. Russell, kepala cabang teknologi struktur di Air Force Research Laboratory.

Selain pesawat komersial, militer mengeksplorasi pesawat attritable yang dapat diproduksi dalam ribuan.

Akhirnya, konsep air taxi telah gaining traction dari perusahaan penerbangan tradisional dan perusahaan seperti Uber dan akan membutuhkan lebih banyak produksi.

“Untuk salah satu kasus ini secara individual, saya mendengar dari kontak saya di industri bahwa AS tidak memiliki kapasitas saat ini,” kata Russell, memperingatkan bahwa informasinya adalah dari sebelum virus menghantam seluruh dunia. “Jika ketiga semuanya menjadi nyata pada saat yang sama, industri akan harus kreatif tentang cara memecahkan masalah kapasitas.

“Alternatif besar yang saya dengar adalah penggunaan otomasi untuk meningkatkan produktivitas dan throughput, terutama untuk penerbangan komersial. Perusahaan meneliti cara mana pun otomasi dapat meningkatkan hal-hal, dari pembuatan bagian hingga perakitan. Saya mendengar biaya modal untuk otomasi lebih kecil dari menambahkan baris produksi baru.”

Russell mengatakan dia tidak akan terkejut melihat industri air taxi mencari produksi offshore karena harga kendaraan kemungkinan akan menjadi penggerak besar untuk model bisnis mereka. Dia ragu kita akan melihat offshore untuk penerbangan komersial karena industri kemungkinan akan tetap pada hubungan pemasok yang established karena tingkat keterampilan yang terlibat untuk tenaga kerja. Tentu, offshore tidak akan menjadi opsi untuk kendaraan militer apa pun, katanya.

Mengirimkan 40.000 pesawat dalam 20 tahun akan memerlukan produksi 2.000 pesawat per tahun, yang jauh lebih tinggi dari pengiriman sebelum pandemi.

Backlog pengiriman tercipta ketika produsen tidak dapat memasok alat cukup cepat untuk memenuhi permintaan yang meningkat yang disebabkan oleh kenaikan angkutan udara.

Selain itu, konsumen sekarang melihat perjalanan udara sebagai kebutuhan bukan mewah dan memiliki kemampuan untuk membayar perjalanan pribadi.

Akibatnya, maskapai komersial memperluas tawaran mereka untuk memberi konsumen yang lapar penerbangan fleksibilitas dalam waktu keberangkatan.

Boeing memiliki backlog 5.049 pesawat pada 1 Mei, sementara back order Airbus telah tumpuk hingga 7.650 pada 31 Maret.

Sebelum pandemi, peningkatan persaingan antara Boeing dan Airbus diharapkan menghasilkan pengiriman rekor platform narrow-body yang sangat populer mereka dan pertumbuhan produksi tahun demi tahun 9,4 persen pada 2019. Boeing dan Airbus diproyeksikan untuk memproduksi lebih dari 1.750 pesawat tahun lalu, naik dari 1.606 unit pada 2018, menurut berita pertengahan Juni 2019 dari perusahaan penelitian dan analisis Frost & Sullivan.

Pada Agustus, meskipun, beberapa orang memotong angka-angka tersebut.

Produksi pesawat global telah turun setempat setelah grounding Boeing 737 Max pada Maret 2019 setelah dua kecelakaan fatal, menurut artikel di The Guardian. ADS, kelompok lobi penerbangan Inggris, mengatakan 88 pesawat dikirim pada Juli 2019, turun 24 persen pada pengiriman selama bulan yang sama tahun sebelumnya, dengan penurunan sebagian besar karena penurunan produksi pesawat satu aisle seperti 737.

Pada akhir tahun lalu, Airbus dan Boeing secara gabungan telah mengirimkan 1243 pesawat.

Industri bertindak untuk meningkatkan angka-angka tersebut.

“Dua produsen pesawat komersial terbesar, Boeing dan Airbus, keduanya memasukkan banyak uang tambahan untuk meningkatkan tingkat produksi,” kata Bill Bigot, wakil presiden pengembangan bisnis untuk penerbangan dan pertahanan di JR Automation.

Akhir tahun lalu di Hamburg, Jerman, Airbus melaksanakan baris perakitan struktur fuselage A320 Family yang sangat terotomatisasi.

Fasilitas baru menampilkan 20 robot, konsep logistik baru, penempatan otomatis dengan pengukuran laser, serta sistem pengumpulan data digital, kata perusahaan.

Selain penggunaan robot, Airbus juga menerapkan metode dan teknologi baru dalam logistik material dan bagian untuk mengoptimalkan produksi, meningkatkan ergonomi dan mempersingkat waktu persedian. Ini termasuk pemisahan tingkat logistik dan produksi, pengisian ulang material yang berorientasi pada permintaan dan penggunaan kendaraan terpandu otonom.

Sekitar waktu yang sama, Boeing mengakhiri upaya otomatisasi total empat tahun di pabriknya di Everett, Wash., yang menggunakan lengan robot untuk memasukkan fastener pada dua bagian fuselage utama dari jet 777 dan 777X, memilih alih-alih pemasangan manual oleh mekanik terampil.

Robot masih membuat lubang untuk fastener pada sistem “flex track” terotomatisasi, menghasilkan kombinasi proses manusia-robot, menurut laporan yang dipublikasikan.

Upaya tersebut mungkin akan membuahkan hasil di akhirnya, meskipun.

Upaya gagal untuk menggunakan robotika telah mengajarkan Boeing beberapa pelajaran berharga dari “selam pertama yang sangat dalam ke jenis teknologi itu,” Jason Clark, wakil presiden Boeing yang mengawasi produksi 777X, kepada Los Angeles Times. “Itu telah mengajarkan kami cara merancang untuk otomasi,” kata Clark dikutip dalam artikel November.

Metode baru menghasilkan lebih sedikit aus dan kerusakan pada pekerja karena mesin yang dikembangkan oleh Electroimpact Inc. menangani salah satu tugas paling fisik dalam perakitan fuselage: membuat lubang melalui logam, menurut artikel Times.

Selain itu, “Kami meredesain bagian dari pembangunan untuk mengganti rivet dengan bentuk fastener yang lebih mudah, yang lebih meningkatkan ergonomi,” kata perwakilan perusahaan.

Tidak semua tindakan untuk meningkatkan produksi mencakup baris dan robot baru.

Di pabriknya di North Charleston, S.C., Boeing: melengkapi mekanik dengan exoskeleton yang dirancang untuk mengurangi stres dari pekerjaan di atas kepala yang berkelanjutan; menerapkan smart wrench dengan Bluetooth untuk memastikan pekerja menerapkan torsi yang benar pada baut, dan menggunakan virtual reality bagi mekanik untuk mencoba alat baru, menurut Reuters.

Dapatkah robot mengambil alih hand layup?

Sebelum struktur fuselage dikirim ke Hamburg atau pabrik Boeing di Washington State, mereka dibuat dalam proses manufaktur komposit terotomatisasi (ACM), termasuk automated fiber placement dan automated tape layup.

ACM cocok untuk bagian sedang atau besar seperti fuselage, sayap dan bulkhead yang juga datar atau sedikit berbentuk kontur.

Namun bagian komposit kecil dan sedang dibuat oleh hand layup, proses yang sangat tidak efisien yang membuang banyak material.

Ini adalah hal besar karena bagian-bagian ini—klip, braket, I-beam dan pintu akses—dapat mencakup hingga setengah berat struktur dan berjumlah ribuan untuk hanya satu pesawat.

“Selain itu, bagian-bagian ini yang harus di layup tangan harus dipotong dan di dart, dipecah, apa pun,” kata Les Cohen, konsultan komposit. “Jadi itu berarti rasio beli-terbang Anda dapat menjadi faktor 2: jika Anda bekerja dengan material yang $40 per pon, itu secara efektif $80-per-pon material.”

Tim di University of Southern California baru saja menyelesaikan proyek demonstrasi untuk mengotomatisasi layup dengan lengan robot.

Sementara bukan otomasi, masih ada ruang untuk meningkatkan material yang digunakan dalam konstruksi pesawat.

Industri memahami bahwa waktu yang dibutuhkan untuk mengautoklaf bagian-proses dalam operasi debulking setiap beberapa lapis bersama dengan curing bagian akhir memakan banyak waktu. Resin curing cepat yang memiliki properti bagian curing autoklaf tetapi tanpa proses autoklaf adalah jawaban tetapi tidak tersedia, kata Cohen. Dengan investasi rata-rata hingga lima tahun waktu dan estimasi $10 juta biaya untuk mengembangkan material baru, tanpa jaminan bahwa akan diterima, dapat dipahami bahwa tantangan ini belum terpenuhi, katanya.

Revolusi Industri ke-4 lambat meluncur di penerbangan

Industri 4.0, dengan janji produktivitas dan kualitas yang lebih besar, mungkin juga membantu meningkatkan produksi penerbangan, tetapi industri telah lambat untuk mengadopsi dunia yang terhubung, digitalisasi dan berbasis data dari revolusi industri keempat.

“Saya akan mengatakan hal itu baru saja mulai online di produksi dan memberikan hasil. Kami sangat terlibat dalam ini dan kami baru sampai ke titik tempat kami dapat meluncurkannya di tingkat program dan benar-benar memberikan sesuatu ke pabrik yang akan secara mutlak mempengaruhi efisiensi mereka,” kata Andrew Purvis, manajer proyek untuk layup komposit dan otomasi di Electroimpact Inc. “Saat Anda mulai mendapatkan data dan Anda mulai menghitung angka, Anda mulai menemukan banyak emas di gunung data itu dan banyak kali berlian, hal-hal yang benar-benar mulai meningkatkan produksi Anda.”

Matang untuk otomatisasi adalah sisi kualitas produksi, kata Purvis.

Electroimpact membangun pemantauan kualitas ke dalam sistem dengan teknologi inspeksi yang mengukur semuanya yang dilakukan mesin AFP saat mereka membangun atau mencetak bagian. Inspeksi otomatis memungkinkan proses yang perusahaan sebut “continuous tuning.”

“Sistem sebenarnya menjaga diri tetap dalam kalibrasi dengan memantau apa yang dilakukan, dan itu secara berkelanjangan menyesuaikan diri,” katanya. “Seperti mesin AFP atau printer dapat melihat output dengan kamera atau sensor dan mengatakan ‘Hei, saya perhatikan Anda mulai sedikit menyimpang jadi saya akan mengompensasi’.”

Pada titik ini, mengadopsi Industri 4.0 lebih merupakan aspirasi daripada pencapaian sebagian besar karena implikasi keamanan siber dan manajemen data, kata Mick Maher, presiden perusahaan konsultasi Maher Associates.

“Saya tidak pikir industri penerbangan mengadopsi itu lebih lambat dari industri lainnya,” katanya. “Saya pikir Industri 4.0 masih terlalu immature untuk menyerahkan kendali pada titik ini. Itu yang dikatakan, otomatisasi adalah komponen kunci Industri 4.0. Tetapi sama seperti ada bagian dari otomatisasi yang matang, seperti tape placement, fiber placement, masih banyak pengembangan yang diperlukan.”

Keuntungan besar yang bisa didapatkan

Randy Rounkles, yang telah menjadi teknis direktur untuk penerbangan di JR Automation, sebelumnya di Spirit Aerosystems di mana ia adalah bagian dari tim untuk meluncurkan Industri 4.0 awal 2019.

Target produksi warisan di Spirit, pabrik Boeing sebelumnya yang divest pada 2005, adalah 21 pesawat per bulan berdasarkan keterbatasan fisik dan ukurannya, kata Rounkles. Sebelum ia pergi, produksi bulanan pabrik adalah 57 pesawat, dibantu dengan shift tambahan, lebih banyak karyawan dan otomasi yang ditingkatkan, khususnya dalam fastening.

“Salah satu (proyek terakhir) sebelum saya pergi adalah pengumpulan data Industri 4.0 pada utilizasi peralatan dan itu sebenarnya mengubah wajah perusahaan tersebut dalam memahami apa yang dilakukan peralatan mereka dan apa yang mampu dilakukan,” kata Rounkles. “Dan itu memiliki dampak signifikan pada pengeluaran modal untuk tarif di masa depan.”

‘Dabbling in digital’

Ada penelitian yang sedang berlangsung di seluruh dunia tentang penerapan Industri 4.0 ke dalam manufaktur penerbangan, tetapi adopsi lambat dan produksi pesawat saat ini lebih analog daripada digital, kata Russell dari AFRL.

“Perusahaan sedang mencoba digital untuk menyelesaikan titik nyeri spesifik, seperti asset tracking, tetapi sedikit produsen yang memiliki lingkungan Industri 4.0 yang benar di seluruh perusahaan,” katanya.

Dalam hal kondisi saat ini komponen Industri 4.0, manufaktur aditif sedang dipelajari untuk alat dan bagian non-struktural, beberapa proses terotomatisasi dengan penggunaan robot, dan dalam hal analisis data, R&D telah dilakukan untuk menghubungkan data inspeksi non-destruktif kembali ke model asli untuk memahami dampak cacat manufaktur terhadap kinerja bagian, kata Russell.

Dalam video yang diposting di YouTube, lengan robot Kuka dengan roller ujung lengan melapis lapisan pre-preg komposit di atas lapisan sebelumnya sementara dua robot dengan gripper memegang material kental di kedua sisi.

Berapa banyak seniman layup tangan yang telah berharap untuk setara tangan ketiga yang dipertunjukkan dalam rekaman sel robotik cerdas ini?

Sel, dan semua teknologi di belakangnya, adalah proyek demonstrasi oleh Satyandra K. Gupta, profesor teknik mekanik dan ilmu komputer di University of Southern California, rekan-rekannya dan mahasiswanya. Mereka membuat bagian berdasarkan saran dari Boeing, Lockheed Martin dan United Technologies, dengan tujuan untuk menilai kelayakan otomatisasi. Hasil uji pada bagian yang dibuat dengan otomatisasi robotika mereka dikirim ke ketiga perusahaan, kata Gupta.

“Saat ini, tantangan utama yang dihadapi semua orang di penerbangan adalah kekurangan tenaga kerja,” katanya.

Dengan lengan robot melakukan layup, operator manusia dapat memantau beberapa sel sekaligus, katanya menjelaskan. Ini tidak hanya akan meningkatkan kapasitas itu mungkin dapat menghilangkan langkah debulking dalam proses pembuatan bagian sambil tetap memastikan kualitas.

Itu karena, untuk bagian hipotetik yang kritis yang terdiri dari 100 lapisan pre-preg, bagian dalam proses harus di kantong dan mengalami aplikasi vacuum setiap tiga (atau lima) lapisan untuk memastikan tidak ada void, untuk total 33 debulkings.

Tetapi dengan robot, tekanan alat robotik dapat diukur, tidak seperti tangan manusia, jadi kualitas terjamin, dan proses dapat berjalan lebih cepat.

Mengotomatisasi proses tidak hanya membuatnya konsisten dan efisien. Layup tangan adalah pekerjaan yang membosankan dan fisik yang menuntut.

Bekerja selama dua setengah tahun, Gupta dan timnya mengintegrasikan lengan robot dengan end-of-arm tooling, computer vision, force sensing, algoritma kecerdasan buatan, pengontrol canggih dan antarmuka manusia-mesin. Bagian demonstrasi mereka terdiri dari hingga 15 lapisan carbon fiber pre-preg berbasis epoxy standar.

Bagian paling tantang dari pekerjaan mereka adalah mengintegrasikan computer vision real-time.

“Anda harus membuat kamera melihat cacat yang sedang terbentuk,” kata Gupta. “(Sekarang) jika robot melihat kerutan kadang-kadang akan menarik lembar ini ke sana, kemudian ke sana … ”

Ketika sel mengalami masalah yang tidak dapat diperbaiki, itu memperingatkan operator manusia dengan suara beeping, email atau teks.

Tetapi itu hanya jika diperlukan.

“Kadang-kadang seluruh proses akan berjalan tanpa hambatan,” kata Gupta.

Look, Ma, No Hands! (End-of-Arm Tooling Does Automated Pre-Preg Layup)

Penambahan Rego-Fix yang dibuka tiga tahun yang lalu incorporates fitur penghematan energi dan sumber daya alam yang canggih. Ini termasuk sistem ventilasi pertukaran udara khusus, pemanas pelet kayu, beberapa unit pendingin udara progresif, atap “hijau”, dan penggunaan pencahayaan alami dan dikontrol sensor.

Sistem ventilasi pertukaran udara menukar udara di dalam bangunan baru tujuh kali per jam. Ini menarik buang panas dari lantai manufaktur—panas yang dihasilkan sebagian besar oleh alat kompresor udara besar yang diperlukan untuk mesin perkakas perusahaan. Bulan dingin, yang merupakan sisa tahun, panas buang yang dipulihkan kemudian digunakan untuk memanaskan udara segar yang masuk yang disistem tarik dari luar bangsir dan circulated ke lantai manufaktur.

Selain itu, air yang circulated dalam sistem tertutup membantu menjaga kompresor udara lantai manufaktur tetap dingin selama operasi. Dalam proses pendinginan, air menjadi panas, dan air panas ini kemudian disimpan dalam tangki 1849-gal (7007-l). Air ini digunakan untuk lebih lanjut membantu memanaskan bangunan melalui sistem pemanasan yang built-in di lantai area kantor bangunan.

Fasilitas juga incorporates sistem pemanasan 390-kW yang membakar pelet kayu sebagai ganti bahan bakar fosil. Pelet adalah produk samping industri kayu dan pembuatan mebel, yang umum di area. Sistem mengkonsumsi jumlah sangat kecil pelet karena beroperasi sebagai cadangan untuk sumber pemanasan lain dan hanya digunakan ketika suhu di luar sangat rendah.

Selama musim panas, sistem pendingin udara progresif tipe tiga unit yang hemat energi bekerja bersama dengan sistem di bawah lantai dan sistem pertukaran udara, menjaga tambahan tetap dingin. Unit pertukaran udara menarik panas dari bangunan, dan air dingin circulated melalui sistem di bawah lantai.

Jika suhu di dalam bangunan naik di atas tingkat tertentu, salah satu unit dalam sistem pendingin udara progresif akan menyala untuk mendukung sistem lantai dan unit pertukaran udara. Unit pendingin udara diatur rpm, jadi jika tingkat suhu terus naik, memaksa unit pendingin pertama untuk melebihi batasnya, unit pendingin kedua dalam sistem akan aktif. Dan giliran jika unit kedua mencapai batas rpmnya, unit ketiga diaktifkan. Setelah bangunan mulai dingin, unit pendingin udara individual akan mati dalam urutan terbalik.

Dinding luar bangunan sepenuhnya diisolasi. Tidak seperti desain atap tipikal, yang dipilih Rego-Fix cukup unusual dengan properti isolasi yang tinggi. Disebut sebagai atap “hijau” atau “tanaman”, itu dilapisi tanah yang memiliki rumput yang tumbuh di dalamnya. Selain nilai isolasinya, atap menangkap air hujan yang kemudian dikumpulkan dalam tangki 13.200-gal (50.000-l) dan digunakan untuk mencuci toilet di toilet bangunan.

Gabungan, semua fitur pemanasan dan pendinginan bangunan memberikan suhu lingkungan yang stabil dan konstan di dalam area manufaktur. Ini memiliki manfaat manufaktur yang kritis. Suhu konstan membantu dalam memelihara akurasi mesin perkakas yang konsisten untuk memproduksi sistem toolholding presisi tinggi perusahaan.

Untuk penghematan energi lebih lanjut, bangunan manufaktur baru features banyak jendela insulated triple-pane besar yang memungkinkan cahaya alami yang melimpah. Selain itu, jendela dilengkapi dengan shade yang otomatis membuka dan menutup. Ini sangat membantu dalam menjaga bangunan tetap dingin di musim panas. Sementara shade memblokir banyak panas mereka berlubang untuk membiarkan cahaya masuk.

Di tempat di mana pencahayaan tambahan diperlukan, lampu hemat energi tipe LED, bersama dengan aktivasi kontrol gerak, digunakan. Tidak ada saklar dinding di bangunan, dan lampu menyala hanya ketika area ditempati kemudian mati ketika tidak.