Penempatan Serat Robotik & Cetak 3D Mendorong Kemajuan Industri 4.0

Keuntungan yang dijanjikan oleh Industri 4.0 sedang terwujud di Ingersoll Machine Tools di Rockford, Ill. Simulasi desain mesin “digital twin,” kecerdasan robot yang lebih tinggi, dan gerakan kompleks adalah alat penting di sini. Alat-alat tersebut membuat produksi cetakan besar skala, pemesinan bagian, dan otomatisasi proses dapat diakses oleh sektor penerbangan, laut, dan industri lainnya yang lebih luas.

“Gangguan yang dijanjikan oleh Industri 4.0 sudah dimulai,” kata Jason Melcher, vice president penjualan di Ingersoll. “Yang lebih luar biasa lagi adalah hal ini terjadi di penerbangan, di mana desain mesin untuk produksi cetakan dan bagian yang lebih baik adalah yang terbesar dari yang besar, paling sulit dari yang sulit.”

“Di sini, hambatan proses dievaluasi tidak hanya jam demi jam, tetapi menit demi menit, dan pound-per-jam,” jelas Melcher. “Kami melihat buatan yang lebih baik, yang didukung di masa depan oleh platform teknologi CNC dan gerakan terbaik industri penerbangan.”

Peningkatan proses selalu menjadi hal yang besar di Ingersoll. Selama bertahun-tahun, insinyur mekanik, perangkat lunak, dan proses perusahaan bermitra dengan insinyur Siemens untuk mengembangkan desain mesin besar skala generasi berikutnya.

Namun apa yang sebenarnya dilakukan Ingersoll dan Siemens yang benar-benar merupakan inovasi?

Sekarang, kedua perusahaan teknologi ini bermitra dengan tim insinyur pelanggan untuk menciptakan, memvalidasi, dan mengurangi risiko. Mereka bekerja sama dalam skala yang lebih besar, di mana penempatan serat robotik yang cerdas dan produksi bagian cetak/frais besar skala tidak lagi sebuah visi tetapi kenyataan.

Penempatan Serat Robotik

Sebagai pemain lama dalam penempatan serat otomatis (AFP) untuk penerbangan, venture Ingersoll ke robotika kelas atas terlihat seperti perkembangan yang alami. Ambisi perusahaan telah membuat penempatan serat robotik terjangkau untuk produsen bagian penerbangan tingkat kedua dan ketiga. Namun, kenaikan tersebut ke pasar penerbangan telah ditahan oleh beberapa realitas bumi, termasuk ketidakakuratan historis dalam pemosisian robotik skala besar, kurangnya kontrol robotik pada tingkat operator mesin, dan biaya tinggi untuk merancang dan membangun sistem AFP skala besar yang disesuaikan.

Pemosisian robotik yang akurat: Bahkan dalam beberapa tahun terakhir, akurasi pemosisian robotik skala besar tidak lebih baik dari sekitar 5 mm dan dengan repeatabilitas yang buruk. Untuk mengatasi keterbatasan ini, Siemens mengembangkan Sinumerik 840D sl CNC yang kuat untuk menyertakan Run MyRobot, perangkat lunak kompensasi robotik yang sangat canggih.

Ini telah memungkinkan Ingersoll untuk mengintegrasikan robotika ke dalam desain mesin penempatan serat Robotic FP baru, mencapai akurasi pemosisian robotik yang dapat diulang hingga kurang dari 1 mm. Akurasi dipelihara untuk gerakan robotik standar dan invers.

Kontrol robotik di mesin: Gerakan robotik dari mesin Robotic FP dapat dikontrol dengan mudah di mesin menggunakan antarmuka Siemens Sinumerik CNC Operate. Kontrol yang intuitif dan grafik ini universal di seluruh platform kontrol Sinumerik CNC. Pelanggan penerbangan dapat mencapai efisiensi proses yang lebih tinggi di seluruh pabrik karena operator dengan cepat menjadi terbiasa dan efisien menggunakan antarmuka yang sama dari mesin ke mesin, bahkan saat beralih dari robot tiga sumbu ke lima sumbu atau enam sumbu dengan banyak sumbu lainnya (meja putar, mandril, rel linier, dll.). Pengalaman operator sama, baik mengontrol penempatan serat tradisional, penempatan serat robotik, cetak 3D, cetak 3D robotik, atau proses pemesinan CNC apa pun.

Simulasi desain mesin: Industri mesin pemotong telah lama mengantisipasi kemampuan untuk merancang, menguji, dan merancang ulang secara virtual digital twin dari mesin, cetakan, atau bagian sebelum pindah ke produksi aktual. Di penerbangan, ukuran yang besar dari mesin atau bagian membuat prototipe fisik sangat mahal.

Prototipe coba-coba tradisional akan menghasilkan kerugian waktu dan material yang besar. Untuk menghindari batasan ini, insinyur perangkat lunak di Ingersoll mengembangkan perangkat lunak simulasi yang memungkinkan insinyur proses untuk merancang dan mengembangkan secara virtual sebuah mesin, cetakan, atau bagian. Perangkat lunak ini membungkus perangkat lunak simulasi Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK). Kontroler memproses dan mensimulasikan hampir semua data siklus pemesinan dan jalur alat tepat seperti yang akan dilakukan pada mesin aktual, dan antarmuka Sinumerik Operate menampilkan secara grafis simulasi digital twin yang sama persis ini.

Cetak dan Pemesinan 3D Skala Besar

Pencetak 3D termoplastik terbesar di dunia menarik perhatian segera dari insinyur penerbangan saat mereka memasuki Development Center yang luas di Ingersoll Machine Tools.

Setelah menyesuaikan diri dengan ukuran besar dari mesin MasterPrint, apa yang mempertahankan perhatian insinyur adalah prospek prototipe yang lebih cepat, waktu kemunculan yang lebih pendek, dan pengurangan biaya manufaktur sebesar 90 persen. Inovasi Ingersoll terus berlanjut dengan pengembangan MasterPrint 5X—mesin cetak dan frais turnkey dengan inovasi produktivitas yang lebih besar lagi yang diaktifkan kembali oleh platform CNC Siemens Sinumerik 840D sl.

Michael Falk adalah insinyur mekatronika dan pemimpin tim penjualan Siemens yang telah mendukung Ingersoll dalam peluncuran seri MasterPrint. Falk telah sering menjadi saksi terhadap reaksi insinyur penerbangan yang mengunjungi Development Center Ingersoll, dan dia dapat bersaksi mengapa faktor “5X” adalah daya tarik besar. “90 persen waktu, apa pun yang dicetak 3D akan perlu di-fresh-mesin,” kata Falk. “MasterPrint baru ini melakukan itu tepat sebagai operasi turnkey untuk memproduksi bagian terbesar di dunia yang menggabungkan teknologi pergantian kepala otomatis, yang dikembangkan oleh Ingersoll dan didukung oleh Siemens.”

Falk berkata bahwa apa yang kini disaksikan insinyur penerbangan dan laut di Ingersoll adalah kemampuan mereka untuk mengeksplorasi tujuan peningkatan proses yang sebelumnya tidak tercapai. “Pada Oktober 2019, University of Maine menerima tiga Rekor Dunia Guinness untuk mencetak 3D sebuah perahu panjang 25 kaki yang benar-benar dapat melayang dan membawa orang,” katanya. “Yang luar biasa adalah bahwa insinyur Ingersoll telah melampaui rekor ukuran beberapa kali sejak saat itu.”

Efisiensi frais-cetak: Pendekatan MasterPrint terhadap cetak 3D skala besar menggabungkan kecepatan, kelincahan, dan akurasi yang diperkuat dari gerakan lima sumbu. Gantry yang sama kini dapat bercampur fungsi cetak, frais, penempatan serat, pemasangan tali, inspeksi, pemotongan, dan banyak lagi.

Cetak 3D dari sudut mana pun: Ingersoll sedang merilis MasterPrint 5X baru, kata Falk. Mesin dapat mencetak dari sudut mana pun untuk keuntungan penuh. Jadi, sekarang Anda dapat dengan cepat membuat cetakan atau bagian besar menggunakan urutan yang paling efisien. Nozzle cetak lima sumbu mengubah orientasi sesuai untuk mencetak bagian yang jauh lebih rumit.

Sinkronisasi kecepatan tinggi: “Aksi sinkron selama cetak 3D adalah tempat banyak keajaiban terjadi,” kata Falk. “Anda mendapatkan bagian yang tampak bagus dengan geometri benang yang konsisten. Cetakan hanya melambat sebagaimana yang diperlukan di sekitar sudut, lalu melanjutkan kecepatan optimal. Sudut tidak terisi berlebih. Tidak ada masalah infill, tidak ada penyempitan benang, tidak ada ruang kosong dalam alat, dan tidak ada tumpukan material di dalam bagian.”

Cetak 3D robotik: Ingersoll telah memanfaatkan penuh Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, perangkat lunak kompensasi robotik yang kini merupakan fitur kunci dari CNC Siemens Sinumerik 840D sl. Ingersoll menawarkan berbagai sistem robotik di mana CNC pada mesin dapat mengontrol beberapa modul yang dioperasikan oleh robot yang sama.

Alat untuk Masa Depan

Jason Melcher dan Michael Falk telah menjadi saksi terhadap antusiasme yang tak lelah di antara insinyur Ingersoll Machine Tools yang mengajukan pertanyaan eksploratif dalam budaya yang mendukung. Mereka menggambarkan lingkungan laboratorium di mana seorang insinyur proses yang baru lulus kuliah dengan cepat mempelajari hal-hal yang bahkan tidak dicakup oleh kursus mekatronika paling canggih.

Di Ingersoll, insinyur ditantang untuk menciptakan, memvalidasi, belajar, dan membangun proses pemesinan yang lebih baik—dan mereka telah diberikan alat untuk melakukannya.

“Siemens membawa kotak alat terbuka ke dalam proses desain mesin,” kata Falk.

“Anda memiliki kontrol Sinumerik 840D lima sumbu, satu set lengkap motor, drive, dan komponen. Anda memiliki perangkat lunak simulasi undangan terbuka untuk inovasi pihak ketiga. Semuanya menyatu, dengan CNC Sinumerik dan samplah virtualnya, inti VNCK, menjadi otak dari proses pemesinan yang jauh lebih berkembang.”

Nate Haug adalah insinyur proses di Ingersoll. Dia adalah salah satu dari banyak insinyur yang terinspirasi di perusahaan yang bersaksi tentang keuntungan menggunakan serangkaian alat CNC dan kontrol gerakan yang lebih terbuka. “Siemens memulai dengan bahasa pemrograman yang memungkinkan kami melakukan lebih banyak daripada yang bisa kami lakukan menggunakan kontrol berbasis “kode G-only,” kata Haug. “Ada dua serangkaian alat, sebenarnya. Satu adalah bahasa Siemens yang memungkinkan rentang fungsi dan variabel yang terbuka. Serangkaian alat lainnya memungkinkan kami menyuntikkan fungsi kondisional ke otak NC. Tanpa kedua serangkaian alat ini, kami tidak akan bisa melakukan apa yang kami lakukan. Kami menggunakan 840D pada mesin penempatan serat, pada mesin penempatan serat robotik, pada pencetak 3D, pada pencetak 3D robotik, pada mesin pemotong dengan dua kepala, dengan vertikal, dengan lima kepala, dengan dasarnya setiap konfigurasi.”

Haug berkata bahwa selain membuat perbaikan di antara mesin yang ada di Ingersoll, dia dan rekan insinyurnya menggunakan serangkaian alat CNC Sinumerik Siemens untuk mengeksplorasi jalur menuju pengembangan mesin baru. Salah satu jalur tersebut adalah dalam penelitian material.

“Setiap material memiliki properti aliran sendiri,” jelas Haug. “Kontrol Siemens memungkinkan kami untuk memodifikasi fitur dalam kode untuk menyesuaikan dengan material.

Platform CNC memungkinkan kami untuk mengeksplorasi rentang material yang lebih luas.”

Pertanyaan properti material menjelajahi variabel seperti kekuatan, penyusutan, penyimpangan, dan penggunaan material isotropik versus anisotropik. Solusi material muncul di bidang prototipe cepat untuk aplikasi sipil, pertahanan, dan infrastruktur. Konsep pencetak satu satunya juga muncul, satu yang dapat mendukung inisiatif ambisius seperti bahan bahan biobased menggunakan selulosa yang berasal dari sumber kayu.

Pemantauan mesin sendiri: Sementara inspeksi visual yang dilakukan secara manual masih umum saat ini, mereka menjadi jawaban analog untuk tantangan produksi yang semakin terotomatisasi secara digital.

Ingersoll melihat hari akan segera tiba ketika inspeksi rutin menjadi fungsi dari mesin sebagai proses sekunder. Proses pemesinan penempatan serat akan memantau penumpukan, memeriksa adanya cacat, dan memastikan akurasi dan keandalan bagian. Demikian pula, proses pencetakan 3D hibrid suatu hari akan mencetak dan memesin secara berturut-turut dengan pemantauan proses sendiri yang terintegrasi secara mulus.

Pengembangan proses inspeksi otomatis ini sudah didukung oleh platform CNC dan kontrol gerakan Siemens, yang mengatur pemosisian yang akurat dan umpan balik posisi. Sebuah mesin dapat mendeteksi, melacak, dan melaporkan setiap variansi.

Seperti yang telah menunjukkan oleh Ingersoll dan Siemens, keuntungan yang dijanjikan Industri 4.0 sedang diimplementasikan saat ini. Setelah menghilangkan batasan untuk penempatan serat robotik skala besar dan pencetakan 3D, harapan kini menuju perbaikan inovatif di seluruh proses produksi bagian.

“Ini pemikiran skala besar,” kata Jason Melcher dari Ingersoll. “Ketika kita mengunjungi pelanggan, itu untuk mengeksplorasi peningkatan proses. Ini bukan tentang daftar mesin yang memiliki fitur dan fungsi yang tetap. Kami memasuki percakapan tentang peningkatan proses yang disesuaikan.”

Bagi insinyur di penerbangan, laut, dan sektor progresif lainnya, inovasi dalam skala yang lebih besar berarti mereka sekarang memiliki kotak alat tak terbatas dari mana mereka dapat mengeksplorasi seperti sebelumnya.