Robotic Fiber Placement, 3D Printing Spur Advances

De voordelen die worden beloofd door Industry 4.0 worden gerealiseerd bij Ingersoll Machine Tools in Rockford, Illinois. "Digital twin" machineontwerpsimulatie, hogere robotintelligentie en complexe beweging zijn hier de essentiële tools. Die tools maken grootschalige matrijsproductie, bewerking van onderdelen en procesautomatisering toegankelijk voor de bredere luchtvaart-, maritieme en andere industriële sectoren.

"De door Industry 4.0 beloofde disruptie is al begonnen", zegt Jason Melcher, vice-president sales bij Ingersoll. "Wat des te opmerkelijker is, is dat het gebeurt in de lucht- en ruimtevaart, waar machineontwerp voor verbeterde productie van matrijzen en onderdelen ongeveer de grootste van de grote is, de moeilijkste van de moeilijkste."

"Hier wordt de procesimpedantie niet alleen van uur tot uur geëvalueerd, maar van minuut tot minuut en pond-per-uur", legt Melcher uit. "We zien een grotere maakbaarheid, ondersteund in de toekomst door het beste CNC- en bewegingstechnologieplatform van de lucht- en ruimtevaartindustrie."

Procesverbetering is altijd groot geweest bij Ingersoll. Al vele jaren werken de mechanische, software- en procesingenieurs van het bedrijf samen met Siemens-ingenieurs om de volgende generatie grootformaat machineontwerpen te ontwikkelen.

Maar wat zijn Ingersoll en Siemens precies aan het doen, dat is echt een doorbraak?

Nu werken deze twee technologiebedrijven samen met technische teams van klanten om risico's uit te vinden, te valideren en te beperken. Ze werken samen op grotere schaal, waar intelligente plaatsing van robotvezels en massale productie van print-/freesonderdelen niet langer een visie maar een realiteit zijn.

Plaatsing van robotvezel

Ingersolls onderneming in high-end robotica lijkt al lang een speler op het gebied van geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) voor de lucht- en ruimtevaart en lijkt een natuurlijke ontwikkeling. De ambitie van het bedrijf was om het plaatsen van robotvezels betaalbaar te maken voor producenten van onderdelen uit de tweede en derde klasse. Maar die opgang naar de lucht- en ruimtevaartmarkt werd tegengehouden door verschillende aardgebonden realiteiten, waaronder de historische onnauwkeurigheid van grootschalige robotpositionering, het gebrek aan robotbesturing op het niveau van de machineoperator en de hoge kosten van het ontwerpen en bouwen van grootschalige, op maat gemaakte AFP-systemen.

Nauwkeurige robotpositionering: Zelfs in de afgelopen jaren was de positioneringsnauwkeurigheid van grootschalige robotica niet beter dan ongeveer 5 mm en met een slechte herhaalbaarheid. Om deze beperking aan te pakken, heeft Siemens zijn krachtige Sinumerik 840D sl CNC ontwikkeld met Run MyRobot, zijn zeer geavanceerde robotcompensatiesoftware.

Dit heeft Ingersoll in staat gesteld om robotica te integreren in haar nieuwe Robotic FP vezelplaatsingsmachine-ontwerpen, waardoor herhaalbare robotpositioneringsnauwkeurigheden tot minder dan 1 mm worden bereikt. De nauwkeurigheid blijft behouden voor zowel standaard als inverse robotbewegingen.

Robotbesturing bij de machine: De robotbeweging van een Robotic FP-machine kan eenvoudig op de machine worden bestuurd met behulp van de Siemens Sinumerik CNC Operate-interface. De intuïtieve, grafische interface van de besturing is universeel op het Sinumerik CNC-besturingsplatform. Lucht- en ruimtevaartklanten kunnen in de hele fabriek hogere procesefficiënties bereiken, aangezien operators snel vertrouwd en efficiënt worden met behulp van een interface die van machine tot machine hetzelfde blijft, zelfs wanneer ze van drie-assige naar vijf-assige of zes-assige robots met veel meer assen gaan (draaitafel, doorn, lineaire rail, enz.). De ervaring van de operator is hetzelfde, of het nu gaat om het besturen van traditionele vezelplaatsing, robotvezelplaatsing, 3D-printen, robot 3D-printen of een CNC-bewerkingsproces.

Machine-ontwerpsimulatie: De werktuigmachine-industrie heeft lang geanticipeerd op de mogelijkheid om de digitale tweeling van een machine, matrijs of onderdeel virtueel te ontwerpen, testen en opnieuw te ontwerpen voordat ze overgaat tot daadwerkelijke productie. In de lucht- en ruimtevaart heeft de enorme omvang van een machine of een onderdeel het maken van fysieke prototypes bijzonder kostbaar gemaakt.

Traditionele trial-and-error prototyping zou enorme verliezen in tijd en materiaal opleveren. Om aan deze beperkingen te ontsnappen, ontwikkelden software-ingenieurs bij Ingersoll simulatiesoftware waarmee procesingenieurs een machine, een matrijs of een onderdeel virtueel kunnen ontwerpen en ontwikkelen. De software wikkelt zich rond de Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK) simulatiesoftware. De controller verwerkt en simuleert vrijwel alle bewerkingscyclusgegevens en gereedschapspaden precies zoals ze zouden worden uitgevoerd op de eigenlijke machine, en de Sinumerik Operate-interface geeft deze exacte digitale tweelingsimulatie grafisch weer.

Grootschalig 3D printen en frezen

'S Werelds grootste thermoplastische 3D-printers trekken de onmiddellijke aandacht van lucht- en ruimtevaartingenieurs wanneer ze het immense ontwikkelingscentrum van Ingersoll Machine Tools betreden.

Na aanpassing aan de enorme omvang van de MasterPrint-machine, is de aandacht van de ingenieurs gericht op snellere prototyping, kortere doorlooptijden en 90 procent verlaging van de productiekosten. De innovatie van Ingersoll gaat verder met de ontwikkeling van de MasterPrint 5X - een kant-en-klare print-en-freesmachine met nog grotere productiviteitsdoorbraken die opnieuw mogelijk wordt gemaakt door het Siemens Sinumerik 840D sl CNC-platform.

Michael Falk is een mechatronica-ingenieur en de leider van het Siemens-verkoopteam dat Ingersoll heeft ondersteund bij de uitrol van de MasterPrint-serie. Falk is vaak getuige geweest van de reacties van de ruimtevaartingenieurs die het Ingersoll Development Center bezoeken, en hij kan beamen waarom de "5X"-factor een grote attractie is. "Negentig procent van de tijd moet alles dat 3D-geprint is, worden nagefreesd", zei Falk. "De nieuwe MasterPrint doet precies dat als een kant-en-klare operatie om 's werelds grootste onderdelen te produceren met geautomatiseerde wisselkoptechnologie, ontwikkeld door Ingersoll en ondersteund door Siemens."

Falk zei dat ruimtevaart- en marine-ingenieurs nu bij Ingersoll getuige zijn van hun vermogen om doelen voor procesverbetering te onderzoeken die ooit onbereikbaar waren. "In oktober 2019 ontving de Universiteit van Maine drie Guinness World Records voor het 3D-printen van een 25 meter lange boot die echt kan drijven en mensen kan vervoeren", zei hij. "Opmerkelijk is dat de ingenieurs van Ingersoll het formaatrecord sindsdien verschillende keren hebben overtroffen."

Mill-print efficiëntie: De MasterPrint-benadering van 3D-printen op groot formaat combineert de versterkte snelheid, behendigheid en nauwkeurigheid van vijfassige beweging. Hetzelfde portaal kan nu de functies van printen, frezen, vezelplaatsing, tape leggen, inspectie, trimmen en meer combineren.

3D-printen vanuit elke hoek: Ingersoll brengt de nieuwe MasterPrint 5X uit, zei Falk. De machine kan vanuit elke hoek optimaal printen. U kunt nu dus snel een massieve mal of onderdeel maken met behulp van de meest efficiënte sequencing. Het vijfassige printmondstuk verandert overeenkomstig van richting om veel gecompliceerdere onderdelen te printen.

Hoge snelheid synchronisatie: "De synchronisatieacties tijdens het 3D-printen is waar veel van de magie gebeurt", zei Falk. “Je krijgt fantastisch uitziende onderdelen met een consistente hielgeometrie. Het printen vertraagt ​​alleen als dat nodig is rond hoeken, en hervat dan de optimale snelheid. Hoeken zijn niet overvol. Er zijn geen infill-problemen, geen vernauwing van de hiel, geen holtes in de tooling en geen materiaalopbouw aan de binnenkant van het onderdeel."

Robotisch 3D-printen: Ingersoll heeft optimaal gebruik gemaakt van Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, de robotcompensatiesoftware die nu een belangrijk kenmerk is van de Siemens Sinumerik 840D sl CNC. Ingersoll biedt een breed scala aan robotsystemen waarbij de CNC op de machine meerdere modules kan aansturen die door dezelfde robot worden bediend.

Toolsets voor de toekomst

Jason Melcher en Michael Falk zijn getuige geweest van een meedogenloos enthousiasme onder de ingenieurs van Ingersoll Machine Tools die verkennende vragen stellen in een ondersteunende cultuur. Ze beschrijven een laboratoriumomgeving waar een procesingenieur die onlangs afgestudeerd is, snel dingen leert die zelfs de meest geavanceerde mechatronica-cursussen niet behandelen.

Bij Ingersoll worden ingenieurs uitgedaagd om een ​​beter bewerkingsproces uit te vinden, te valideren, te leren en te bouwen - en ze hebben de tools gekregen om dit te doen.

"Siemens brengt een open gereedschapskist naar het machineontwerpproces", zei Falk.

“Je hebt de vijfassige Sinumerik 840D-besturing, een volledige set motoren, aandrijvingen en componenten. Je hebt simulatiesoftware en een open uitnodiging voor innovatie door derden. Het komt allemaal samen, met de Sinumerik CNC en zijn virtuele tegenhanger, de VNCK-kernel, en wordt het brein van een veel verder ontwikkeld bewerkingsproces.”

Nate Haug is procesingenieur bij Ingersoll. Hij is een van de vele geïnspireerde ingenieurs bij het bedrijf die de voordelen van het gebruik van een meer open set CNC- en motion control-tools aantoont. "Siemens begint met een programmeertaal waarmee we veel meer kunnen doen dan met een op G-code gebaseerde besturing," zei Haug. “Er zijn eigenlijk twee toolsets. Een daarvan is de Siemens-taal die een open reeks functies en variabelen mogelijk maakt. Met de andere toolset kunnen we voorwaardelijke functies injecteren in de hersenen van de NC. Zonder beide toolsets zouden we niet kunnen doen wat we doen. We gebruiken de 840D op een vezelplaatsingsmachine, op een robotachtige vezelplaatsingsmachine, op een 3D-printer, op een robotachtige 3D-printer, op gereedschapsmachines met twee koppen, met verticale koppen, met vijf koppen, met vrijwel elke configuratie.”

Haug zei dat hij en collega-ingenieurs niet alleen verbeteringen aanbrengen aan de bestaande machines bij Ingersoll, maar ook hun Siemens Sinumerik CNC-toolsets gebruiken om wegen naar de ontwikkeling van nieuwe machines te onderzoeken. Een van die paden is materiaalonderzoek.

"Elk materiaal heeft zijn eigen vloei-eigenschappen", legt Haug uit. "De Siemens-besturing stelt ons in staat om functies in de code aan te passen aan het materiaal.

Het CNC-platform stelt ons in staat om een ​​breder scala aan materialen te onderzoeken.”

Vragen over materiaaleigenschappen onderzoeken variabelen zoals sterkte, krimp, kromtrekken en het gebruik van isotrope versus anisotrope materialen. Materiële oplossingen ontstaan ​​op het gebied van rapid prototyping voor civiele, defensie- en infrastructuurtoepassingen. Het concept van een unieke printer komt ook naar voren, een die ambitieuze initiatieven kan ondersteunen, zoals biobased grondstoffen met behulp van cellulose afkomstig van houtbronnen.

Zelfcontrole van machines:hoewel handmatig uitgevoerde visuele inspecties tegenwoordig nog steeds gebruikelijk zijn, worden ze analoge antwoorden op een steeds meer digitaal geautomatiseerde productie-uitdaging.

Ingersoll ziet de dag komen waarop inspecties routinematig een functie zijn van de machine als secundair proces. Een bewerkingsproces voor het plaatsen van vezels bewaakt de lay-out, controleert op eventuele defecten en verzekert de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het onderdeel. Evenzo zal een hybride 3D-printproces op een dag back-to-back printen en machinaal bewerken met naadloos geïntegreerde proceszelfcontrole.

De ontwikkeling van deze geautomatiseerde zelfinspectieprocessen wordt al ondersteund door het Siemens CNC- en motion control-platform, dat nauwkeurige positionering en positiefeedback regelt. Een machine kan elke afwijking detecteren, traceren en rapporteren.

Zoals Ingersoll en Siemens hebben aangetoond, worden de beloofde voordelen van Industrie 4.0 vandaag geïmplementeerd. Nadat de grenzen voor het plaatsen van robotvezels op groot formaat en 3D-printen zijn opgeheven, stijgen nu de verwachtingen in de richting van baanbrekende verbeteringen in het gehele productieproces van onderdelen.

"Het is denken in een groter geheel", zei Jason Melcher van Ingersoll. “Als we een klant bezoeken, is dat om procesverbetering te onderzoeken. Het gaat niet om een ​​lijnkaart van machines met vaste eigenschappen en functies. We gaan gesprekken aan over procesverbeteringen op maat.”

Voor ingenieurs in de lucht- en ruimtevaart, de scheepvaart en andere vooruitstrevende sectoren betekent innovatie op grotere schaal dat ze nu een onbeperkte toolbox hebben om te verkennen als nooit tevoren.