Experts:meer automatisering cruciaal om aan de vraag naar vliegtuigen te voldoen

Alleen al de commerciële behoeften in de komende 20 jaar wijzen op een verdubbeling van de productiesnelheden

Voordat de coronaviruspandemie het normale leven op zijn kop zette en commerciële vliegtuigen in wezen stillegde, had de luchtvaartindustrie in de komende 20 jaar een verwachte behoefte aan 40.000 nieuwe vliegtuigen – vliegtuigen, helikopters, luchttaxi’s en onbemande luchtvaartuigen. Het volume omvat vervangingen voor vaartuigen die na een gemiddelde levensduur van 25-30 jaar buiten gebruik raken en bovenop een achterstand van ongeveer acht jaar komen.

Als de vraag naar vluchten weer op het oude niveau komt zodra de beperkingen in verband met het gemak van de pandemie, is de enige manier om aan de verwachte behoefte te voldoen door meer automatisering, zeiden sommige experts uit de sector.

In tegenstelling tot veel andere sectoren, is de luchtvaartindustrie er een waar handarbeid gebruikelijk is, omdat er momenteel geen alternatieve productieprocessen zijn die haalbaar zijn. Maar rekening houdend met Statista's registratie van jaar-op-jaar stijgingen in de vraag van 2006-2019 naar de wereldwijde vraag van passagiers in het luchtverkeer (de stijgingen varieerden van 2,4 procent tot 8,1 procent, behalve in 2009 op het hoogtepunt van de Grote Recessie) en andere factoren, is een grotere efficiëntie verplicht als de industrie gelijke tred wil houden.

Onderzoekers proberen erachter te komen hoe sommige processen, zoals handoplegging, kunnen worden geautomatiseerd. Maar er zijn momenteel andere geautomatiseerde maatregelen beschikbaar, waaronder het projecteren van instructies voor montage op werkstations en voor geautomatiseerde processen voor afdichting, bevestiging, markering en materiaalbehandeling.

Alleen al de behoeften van de commerciële luchtvaart zouden een effectieve verdubbeling van de productie vereisen, zegt John D. Russell, hoofd van de afdeling constructietechnologie van het Air Force Research Laboratory.

Naast commerciële vliegtuigen onderzoekt het leger ook toe te schrijven vliegtuigen die in duizenden kunnen worden geproduceerd.

Ten slotte heeft het luchttaxi-concept grip gekregen van traditionele luchtvaartbedrijven en bedrijven zoals Uber en zou nog meer productie nodig zijn.

"Voor elk van deze gevallen afzonderlijk hoor ik van mijn contacten in de industrie dat de VS momenteel niet over de capaciteit beschikt", zei Russell, waarschuwend dat zijn informatie afkomstig is van voordat het virus wereldwijd toesloeg. "Als ze alle drie tegelijkertijd uitkomen, zal de industrie creatief moeten worden in het oplossen van het capaciteitsprobleem.

“Het grote alternatief dat ik hoor is het gebruik van automatisering om de productiviteit en doorvoer te verhogen, vooral voor de commerciële luchtvaart. Bedrijven onderzoeken elke manier waarop automatisering dingen kan verbeteren, van de fabricage van onderdelen tot de montage. Ik hoor dat de kapitaaluitgaven voor automatisering lager zijn dan die voor het toevoegen van nieuwe productielijnen."

Russell zei dat het hem niet zou verbazen als de luchttaxi-industrie naar offshore zou kijken voor productie, omdat de prijs van voertuigen waarschijnlijk een grote drijfveer zal zijn voor hun bedrijfsmodel. Hij betwijfelt of we offshoring voor de commerciële luchtvaart zouden zien, omdat de industrie waarschijnlijk vasthoudt aan gevestigde leveranciersrelaties vanwege het hoge vaardigheidsniveau van het personeel. Het is duidelijk dat offshoring voor geen enkel militair voertuig een optie zou zijn, merkte hij op.

Om in 20 jaar 40.000 vliegtuigen te leveren, zouden er 2.000 vliegtuigen per jaar moeten worden geproduceerd, wat veel hoger is dan de leveringen vóór de pandemie.

Er ontstond een achterstand in leveringen toen de fabrikanten niet snel genoeg konden werken om te voldoen aan de toegenomen vraag als gevolg van een opleving van het luchtvervoer.

Bovendien beschouwen consumenten vliegreizen nu als een noodzaak in plaats van een luxe en hebben ze de middelen om persoonlijke reizen te betalen.

Als gevolg hiervan breidden de commerciële luchtvaartmaatschappijen hun aanbod uit om die vluchthongerige consumenten flexibiliteit te bieden bij het opstijgen.

Boeing had op 1 mei een achterstand van 5.049 vliegtuigen, terwijl de backorders van Airbus op 31 maart waren opgelopen tot 7.650.

Vóór de pandemie werd verwacht dat een heropleving van de concurrentie tussen Boeing en Airbus zou resulteren in een recordlevering van hun zeer populaire narrowbody-platforms en een productiegroei van 9,4 procent op jaarbasis in 2019. Boeing en Airbus zouden naar verwachting meer produceren volgens een persbericht van medio juni 2019 van onderzoeks- en analysebedrijf Frost &Sullivan meer dan 1.750 vliegtuigen, tegenover 1.606 eenheden in 2018.

Maar in augustus waren anderen die aantallen aan het verminderen.

Volgens een artikel in de krant The Guardian was de wereldwijde vliegtuigproductie met een kwart gedaald na het aan de grond houden van Boeing's 737 Max-jet in maart 2019 na twee dodelijke crashes. ADS, de Britse lobbygroep voor de luchtvaart, zei dat in juli 2019 88 vliegtuigen werden afgeleverd, een daling van 24 procent ten opzichte van de leveringen in dezelfde maand het voorgaande jaar, waarbij de daling grotendeels te wijten was aan de terugval in de productie van vliegtuigen met één gangpad, zoals de 737.

Eind vorig jaar hadden Airbus en Boeing samen 1243 vliegtuigen afgeleverd.

De industrie doet er alles aan om die aantallen te verhogen.

"De twee grootste commerciële vliegtuigfabrikanten, Boeing en Airbus, steken allebei veel extra geld in het verhogen van de productiesnelheid", zegt Bill Bigot, vice-president bedrijfsontwikkeling voor lucht- en ruimtevaart en defensie bij JR Automation.

Eind vorig jaar implementeerde Airbus in Hamburg, Duitsland, de sterk geautomatiseerde assemblagelijn van de A320 Family-rompstructuur.

De nieuwe faciliteit beschikt over 20 robots, een nieuw logistiek concept, geautomatiseerde positionering door lasermeting en een digitaal data-acquisitiesysteem, aldus het bedrijf.

Naast het gebruik van robots implementeert Airbus ook nieuwe methoden en technologieën in de materiaal- en onderdelenlogistiek om de productie te optimaliseren, ergonomie te verbeteren en doorlooptijden te verkorten. Dit omvat de scheiding van logistiek en productieniveau, vraaggerichte materiaalaanvulling en het gebruik van autonoom geleide voertuigen.

Rond dezelfde tijd beëindigde Boeing echter een vierjarige totale automatiseringsinspanning in zijn fabriek in Everett, Wash. bekwame monteurs.

Volgens gepubliceerde rapporten boren robots nog steeds de gaten voor de bevestigingsmiddelen op een geautomatiseerd "flex track"-systeem, wat resulteert in een combinatie van een mens-robotproces.

De moeite kan uiteindelijk zijn vruchten afwerpen.

De mislukte pogingen om robotica te gebruiken, hebben Boeing een aantal waardevolle lessen geleerd van zijn "eerste zeer diepe duik in dat soort technologie", vertelde Jason Clark, een vice-president van Boeing die toezicht houdt op de 777X-productie, aan de Los Angeles Times. "Het heeft ons geleerd hoe we moeten ontwerpen voor automatisering", werd Clark geciteerd in een artikel in november.

De nieuwe methode zorgt voor minder slijtage van werknemers, aangezien machines die zijn ontwikkeld door Electroimpact Inc. een van de fysiek meest veeleisende taken van de romp aankunnen:gaten boren door metaal, volgens het artikel in de Times.

"We hebben ook delen van de constructie opnieuw ontworpen om klinknagels te vervangen door minder moeilijke vormen van bevestigingsmiddelen, waardoor de ergonomie verder is verbeterd", aldus een woordvoerder van het bedrijf.

Niet alle maatregelen om de productie te verhogen, omvatten nieuwe lijnen en robots.

In de fabriek in North Charleston, S.C., heeft Boeing mechanica uitgerust met exoskeletten die zijn ontworpen om de belasting van langdurig werk boven het hoofd te verminderen; gebruikte slimme Bluetooth-sleutels om ervoor te zorgen dat werknemers het juiste moment op een moer toepassen, en gebruik virtual reality voor monteurs om nieuwe gereedschappen te testen, aldus Reuters.

Kunnen robots de handoplegging overnemen?

Voordat rompconstructies naar Hamburg of de fabrieken van Boeing in de staat Washington worden verscheept, worden ze gefabriceerd in geautomatiseerde composietproductieprocessen (ACM), inclusief geautomatiseerde plaatsing van vezels en geautomatiseerde tape-lay-up.

ACM is geschikt voor middelgrote of grote onderdelen zoals rompen, vleugels en schotten die ook plat of licht geprofileerd zijn.

Maar kleine en middelgrote composietonderdelen worden met de hand vervaardigd, een zeer inefficiënt proces dat veel materiaal verspilt.

Dit is een groot probleem omdat deze onderdelen - clips, beugels, I-balken en toegangsdeuren - tot de helft van het gewicht van een constructie kunnen uitmaken en duizenden voor slechts één vlak.

"Bovendien moeten deze onderdelen die met de hand moeten worden gelegd, worden gekapt en geschoten, geperst, wat heb je, "zei Les Cohen, een composietconsulent. "Dus dat betekent dat je buy-to-fly-ratio een factor 2 kan zijn:als je met een materiaal werkt dat $ 40 per pond kost, is het in feite $ 80-a-pound materiaal."

Een team van de University of Southern California heeft onlangs een demonstratieproject afgerond om layup te automatiseren met robotarmen.

Hoewel het geen automatisering is, is er nog steeds ruimte om de materialen die worden gebruikt in de vliegtuigbouw te verbeteren.

De industrie begrijpt dat de tijd die nodig is om onderdelen in uitvoering te autoclaveren bij debulking-operaties om de paar lagen, samen met het uitharden van het laatste onderdeel, veel tijd kost. Snel uithardende harsen die de eigenschappen hebben van autoclaaf-uitgeharde onderdelen maar zonder het autoclaafproces zijn het antwoord, maar ze zijn niet beschikbaar, zei Cohen. Met investeringen van gemiddeld vijf jaar en naar schatting $ 10 miljoen aan kosten om nieuwe materialen te ontwikkelen, zonder garantie dat ze zullen worden geaccepteerd, is het begrijpelijk dat deze uitdaging niet is aangegaan, zei hij.

4e industriële revolutie komt langzaam op gang in de lucht- en ruimtevaart

Industrie 4.0, met zijn belofte van meer productiviteit en kwaliteit, zou ook kunnen helpen om de luchtvaartproductie te stimuleren, maar de industrie heeft de geconnecteerde, gedigitaliseerde en datagestuurde wereld van de vierde industriële revolutie traag omarmd.

"Ik zou zeggen dat dingen nu net online komen in productie en resultaten opleveren. We zijn hier erg mee bezig en we zijn net op het punt dat we dit op programmaniveau kunnen uitrollen en echt iets aan een fabriek kunnen geven dat hun efficiëntie absoluut zal beïnvloeden, "zei Andrew Purvis, projectmanager voor composiet lay-up en automatisering bij Electroimpact Inc. "Als je de gegevens begint te verzamelen en de cijfers begint te kraken, begin je veel goud te vinden in die berg aan gegevens en vaak diamanten, dingen die je productie echt beginnen te verhogen."

Rijp voor automatisering is de kwaliteitskant van de productie, zei Purvis.

Electroimpact bouwt kwaliteitsbewaking in systemen met inspectietechnologie die alles meten wat zijn AFP-machines doen terwijl ze een onderdeel bouwen of printen. De automatische inspectie maakt een proces mogelijk dat het bedrijf 'continu afstemmen' noemt.

"Het systeem houdt zichzelf in feite in kalibratie door te kijken wat het doet, en het stemt zichzelf continu af", zei hij. "Zoals een AFP-machine of printer naar de uitvoer kan kijken met een camera of sensoren en zeggen:'Hé, ik heb gemerkt dat je een beetje begint af te drijven, dus ik ga compenseren'."

Op dit moment is het adopteren van Industrie 4.0 meer een ambitie dan een prestatie, deels vanwege de implicaties voor cyberbeveiliging en gegevensbeheer, zei Mick Maher, president van het adviesbureau Maher Associates.

"Ik denk niet dat de lucht- en ruimtevaartindustrie het langzamer oppakt dan enige andere industrie", zei hij. “Ik denk dat Industrie 4.0 nog te onvolwassen is om de teugels op dit moment over te dragen. Dat gezegd hebbende, automatisering is een belangrijk onderdeel van Industrie 4.0. Maar net zoals er delen van automatisering zijn die volwassen zijn, zoals plaatsing van tape, plaatsing van vezels, is er nog veel ontwikkeling nodig."

Grote winsten te behalen

Randy Roukles, technisch directeur lucht- en ruimtevaart bij JR Automation, werkte eerder bij Spirit Aerosystems, waar hij deel uitmaakte van een team om Industrie 4.0 begin 2019 te implementeren.

De legacy-doelproductie in Spirit, een eerdere Boeing-fabriek die in 2005 werd afgestoten, was 21 vliegtuigen per maand op basis van de fysieke beperkingen en grootte, zei Roukles. Voordat hij vertrok, bedroeg de maandelijkse productie van de fabriek 57 vliegtuigen, wat hielp met extra ploegen, meer werknemers en meer automatisering, met name bij de bevestiging.

"Een van de (laatste) projecten voordat ik wegging, was het verzamelen van Industry 4.0-gegevens over het gebruik van apparatuur en dat veranderde het gezicht van dat bedrijf door te begrijpen wat hun apparatuur aan het doen was en waartoe het in staat was," zei Roukles. "En het had een aanzienlijke impact op de kapitaaluitgaven voor toekomstige tarieven."

'Dabbling in digital'

Er wordt over de hele wereld onderzoek gedaan naar het toepassen van Industrie 4.0 in de lucht- en ruimtevaartproductie, maar de acceptatie verloopt traag en de huidige vliegtuigproductie is meer analoog dan digitaal, zei Russell van AFRL.

"Bedrijven ploeteren in digitaal om specifieke pijnpunten op te lossen, zoals het volgen van activa, maar weinig fabrikanten hebben een echte bedrijfsbrede Industrie 4.0-omgeving", zei hij.

Wat de huidige staat van Industrie 4.0-componenten betreft, wordt gekeken naar additieve fabricage voor gereedschappen en niet-structurele onderdelen, zijn sommige processen geautomatiseerd met het gebruik van robots en, met betrekking tot data-analyse, is R&D gedaan om niet-destructieve inspectie te koppelen gegevens terug naar de originele modellen om de impact van fabricagefouten op de prestaties van onderdelen te begrijpen, zei Russell.

In de video die op YouTube is geplaatst, maakt een robotarm van Kuka met een rol aan het uiteinde van de arm de laag pre-preg composiet glad over de vorige laag, terwijl twee robots met grijpers het materiaal aan beide kanten strak houden.

Hoeveel artiesten met handoplegging hebben dit equivalent van een derde hand gewenst dat werd gedemonstreerd in de opname van de slimme robotcel?

De cel, en alle technologie erachter, is een demonstratieproject van Satyandra K. Gupta, een professor werktuigbouwkunde en informatica aan de University of Southern California, zijn collega's en zijn studenten. Ze maakten het onderdeel op basis van suggesties van Boeing, Lockheed Martin en United Technologies, met als doel de haalbaarheid van automatisering te beoordelen. Testresultaten van onderdelen die met hun robotautomatisering zijn gemaakt, zijn naar de drie bedrijven gestuurd, zei Gupta.

"Op dit moment is de belangrijkste uitdaging waarmee iedereen in de lucht- en ruimtevaart wordt geconfronteerd, een tekort aan arbeidskrachten", zei hij.

Met robotarmen die de lay-out aan het doen waren, kon een menselijke operator meerdere cellen tegelijk in de gaten houden, legde hij uit. Dit zou niet alleen de capaciteit vergroten, het zou mogelijk de stap van het debulken in het proces van het maken van onderdelen kunnen elimineren, terwijl de kwaliteit toch gewaarborgd blijft.

Dat komt omdat, voor een hypothetisch kritisch onderdeel gemaakt van 100 lagen pre-preg, het onderdeel in proces moet worden verpakt en elke drie (of vijf) lagen vacuüm moet worden aangebracht om er zeker van te zijn dat er geen holtes zijn, voor in totaal 33 debulkings.

Maar met robots kan de druk van het robotgereedschap worden gemeten, in tegenstelling tot de menselijke hand, dus de kwaliteit is gegarandeerd en het proces kan sneller gaan.

Door het proces te automatiseren, wordt het niet alleen consistent en gestroomlijnd. Hand lay-up is een vervelende klus die fysiek veeleisend is.

Gupta en zijn team werkten meer dan twee en een half jaar en integreerden de robotarmen met end-of-arm tooling, computer vision, force sensing, kunstmatige intelligentie-algoritmen, geavanceerde controllers en een mens-machine-interface. Hun demonstratieonderdelen bestonden uit maximaal 15 lagen standaard pre-preg-laag van koolstofvezel op epoxybasis.

Het meest uitdagende deel van hun werk was het integreren van de realtime computervisie.

"Je moet de camera pakken om te zien welke defecten zich vormen," zei Gupta. “(Nu) als de robot soms een rimpel ziet, zal hij het laken deze kant op trekken, dan die kant op… ”

Wanneer de cel een probleem tegenkomt dat het niet kan oplossen, waarschuwt het een menselijke operator met een piepgeluid, e-mail of sms.

Maar dat is alleen als het nodig is.

"Soms gaat het hele proces vlekkeloos", zei Gupta.

Kijk, ma, geen handen! (End-of-Arm Tooling zorgt voor geautomatiseerde Pre-Preg Layup)

De toevoeging Rego-Fix die drie jaar geleden werd geopend, bevat geavanceerde functies voor het besparen van energie en natuurlijke hulpbronnen. Deze omvatten een speciaal ventilatiesysteem met luchtuitwisseling, verwarming op houtpellets, meerdere progressieve airconditioningunits, een "groen" dak en het gebruik van zowel natuurlijke als sensorgestuurde verlichting.

Het luchtverversingsventilatorsysteem ververst zeven keer per uur de lucht binnen de nieuwbouw. Het onttrekt restwarmte aan de productievloer - warmte die voornamelijk wordt gegenereerd door de grote luchtcompressorapparatuur die nodig is voor de werktuigmachines van het bedrijf. Tijdens de koude maanden, die verantwoordelijk zijn voor de rest van het jaar, wordt de teruggewonnen restwarmte gebruikt om de binnenkomende verse lucht te verwarmen die het systeem van buiten het gebouw aanzuigt en naar de productievloer circuleert.

Bovendien zorgt circulerend water in een gesloten systeem ervoor dat de luchtcompressoren van de productievloer tijdens bedrijf koel blijven. Tijdens het koelproces wordt het water heet en dit verwarmde water wordt vervolgens opgeslagen in een tank van 7007 liter. Dit water wordt gebruikt om het gebouw verder te verwarmen via een verwarmingssysteem dat in de vloeren van de kantoorruimtes van het gebouw is ingebouwd.

De faciliteit bevat ook een verwarmingssysteem van 390 kW dat houtpellets verbrandt in plaats van fossiele brandstoffen. De pellets zijn een bijproduct van de hout- en meubelindustrie, die in het gebied veel voorkomen. Het systeem verbruikt zeer kleine hoeveelheden pellets omdat het werkt als een back-up voor de andere verwarmingsbronnen en er wordt alleen gebruik van gemaakt als de buitentemperaturen extreem laag zijn.

Tijdens de zomers houdt een energiebesparend, progressief airconditioningsysteem met drie units, dat samenwerkt met het vloersysteem en het luchtuitwisselingssysteem, de toevoeging koel. De luchtuitwisselingsunit onttrekt warmte aan het gebouw en koud water circuleert door het systeem in de vloer.

Als de temperatuur in het gebouw boven een bepaald niveau stijgt, zal een van de units in het progressieve airconditioningsysteem inschakelen om het vloersysteem en de luchtuitwisselingsunit te ondersteunen. De airconditioningunits zijn toerentalgeregeld, dus als de temperatuur blijft stijgen, waardoor de eerste airconditioningunit zijn limiet overschrijdt, wordt de tweede airconditioningunit in het systeem geactiveerd. En op zijn beurt, als de tweede unit zijn toerentallimiet bereikt, wordt de derde unit geactiveerd. Zodra het gebouw begint af te koelen, worden de afzonderlijke airconditioningunits in omgekeerde volgorde uitgeschakeld.

De buitenmuren van het gebouw zijn volledig geïsoleerd. In tegenstelling tot typische dakontwerpen, is de gekozen Rego-Fix vrij ongebruikelijk met hoge isolerende eigenschappen. Het wordt een "groen" of "geplant" dak genoemd en is bedekt met aarde waarin echte graszoden groeien. Naast de isolatiewaarde vangt het dak regenwater op dat vervolgens wordt opgevangen in een tank van 13.200 gal (50.000 l) en wordt gebruikt voor het doorspoelen van toiletten in de toiletten van het gebouw.

Gecombineerd zorgen alle verwarmings- en koelingsfuncties van het gebouw voor stabiele en constante omgevingstemperaturen binnen de productieruimte. Dit heeft een cruciaal productievoordeel. De constante temperatuur helpt bij het handhaven van een consistente nauwkeurigheid van de bewerkingsmachines voor de productie van de uiterst nauwkeurige gereedschapsopnamesystemen van het bedrijf.

Voor verdere energiebesparingen beschikt het nieuwe productiegebouw over veel grote, driedubbele geïsoleerde ramen die veel natuurlijk licht binnenlaten. Daarnaast zijn de ramen voorzien van zonwering die automatisch open en dicht gaat. Dit is een grote hulp bij het koel houden van het gebouw in de zomer. Terwijl de tinten veel warmte blokkeren, zijn ze geperforeerd om licht binnen te laten.

Waar extra verlichting nodig is, worden energiebesparende LED-lampen gebruikt, samen met activering van bewegingsbesturing. Er zijn geen wandschakelaars in het gebouw en de lichten gaan alleen aan als de ruimtes bezet zijn en gaan uit als dat niet het geval is.