Revolutionaire Flexibele Deelproductie: AFP Moet 3D-Printen

Opgericht in 1986, is Electroimpact (Mukilteo, Washington, VS) een mondiale leverancier van gereedschappen en productie-automatisering die claimt de grootste integrator van vliegtuigmontagelijnen ter wereld te zijn. In composieten is het bedrijf bekend om zijn geavanceerde technologie in high-speed geautomatiseerde bandplaatsing (ATL) en vezelplaatsing (AFP) systemen. Electroimpact benadrukt dat het ingenieur-gedreven is — 400 van de 600 werknemers hebben een ingenieursdiploma — met ontwikkelingen bedacht en voltooid door hetzelfde ingenieursteam, van concept tot ontwerp, productie, installatie en klantacceptatie.

In juli 2020 rapporteerde CW over het nieuwe Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing (SCRAM) systeem van het bedrijf. Hier delen we ons interview met een deel van het SCRAM-ingenieursteam: projectmanager Cody Brown, procesontwikkelings- en regeltechnicus Ryan Bischoff en hoofd mechanisch ingenieur Reese Allen. Hun uitleg over de oorsprong, implementatie en toekomst van deze continuous fiber additive manufacturing geeft inzicht in wat de volgende generatie composietproductie eruit kan zien.

Streven naar grootschalige FDM

Brown: "We werken al vier jaar hieraan, maar wilden wachten tot we konden laten zien dat het echte, luchtvaartkwaliteit onderdelen kan produceren. Ons oorspronkelijke doel was om een grootschalige fused filament fabrication (FFF) 3D-printer te produceren die complexe onderdelen kan maken met continuous vezel. We zetten niet uit om een AFP-type proces te ontwikkelen, maar toen we probeerden het vezelvolume te verhogen en hogere fysieke sterkte in de geprintte onderdelen te bereiken, liepen we vast met FFF. Het is gewoon niet een geschikt proces voor in-situ consolidatie met hoog vezelgehalte en lage porositeit. Dus we zijn uitgekomen bij een proces dat thermoplastisch composiet AFP combineert met FFF met onversterkte en/of gehakte vezel-gevulde filament."

Allen: "AFP is eigenlijk een additive manufacturing proces. In SCRAM gebruiken we het echter niet op een conventionele manier met een vast, hard gereedschap, maar printen we een gereedschap dat we daarna kunnen uitwassen om zeer complexe geometrieën te creëren die werkelijk structureel zijn."

Brown: "We kunnen dat oplosbare gereedschap op plaatsen zetten die niet 'grid-locked' zijn, zodat u interne kaviteiten kunt creëren. Het doel is niet om te concurreren met onze grote AFP-systemen, maar om een heel behendig systeem te maken dat zo dicht mogelijk bij een 3D-printer ligt. Dit met echte zes vrijheidsgraden en nauwkeurigheid te doen is eigenlijk heel gecompliceerd. De resulterende cel elimineert bouten en lijmen, geïntegreerde, complexe onderdelen producerend die heel snel geïtereerd kunnen worden."

High-performance voor luchtvaart

Brown: "De initiële toepassingen die we targetten in luchtvaart en defensie, deden ons met PEEK [polyetheretherketon] beginnen. We werkten daarna met PEKK [polyetherketoneketon] en laag-smelt PAEK [polyaryletherketon] met dramatische succes."

Bischoff: "Coëfficiënt van thermische uitdijting [CTE] is uw grootste vijand. Dit is de reden waarom het gebruik van PEEK zo uitdagend is — het houdt van kristalliseren en krimpen. Hoewel de CTE voor PEKK en andere PAEK-harsen niet nul is, is hun kristallijne structuur veel beter controleerbaar en daarom makkelijker te verwerken. Alternatieve PAEK's bieden ook veel betere verwerkbaarheid en hogere legsnelheid."

Allen: "Thermische gradiënten moeten vermeden worden vanwege het CTE-probleem, dus u probeert het proces en het onderdeel zo isothermaal mogelijk te houden. Anders eindigt u met vervorming. Het gebruik van een verwarmde kamer is een must — zelfs als u het niet op hoge temperatuur houdt — gewoon om ervoor te zorgen dat er geen trek is en dat één deel van de print niet op een andere temperatuur is dan de rest."

Laser-gebaseerde cel

Brown: "Veel dingen die dit systeem mogelijk maken, bestonden niet toen we begonnen, waaronder de PAEK-tape en de compacte, high-power laser die we gebruiken, alsook echte zes-as additive manufacturing CAM-software."

"De SCRAM-kop gebruikt twee 3D-printkoppen aan weerskanten van het AFP-systeem [openingafbeelding]. Eén wordt gebruikt om het oplosbare gereedschap te printen en de andere print onversterkte of gehakte-vezel filament. U kunt zien dat er een steun is uitgerust. Deze houdt een set spiegels om het laserlicht om de punt van de printkop te leiden en het substraat te verwarmen. Dit stelt ons in staat om uitzonderlijke interlaagbindsterkte te bereiken vergeleken met traditionele FFF. De lichten op het systeem zijn om het onderdeel te verlichten voor de camera's [Fig. 2]. We gebruiken ze overal zodat de operator veilig kan zien wat er gebeurt zonder gevaar van de laser."

Materiaaltypes en porositeit

Brown: "We hebben veel verschillende materialen gedraaid, de meeste van hen op maat gemaakt naar onze specificatie van vezel, hars, vezelvolume en afmetingen. We hebben recent geëxperimenteerd met meer commercieel beschikbare gespleten tows. De gehakte vezel FFF-filamenten worden ook op maat gemaakt naar onze specificatie met dezelfde hars en vezel die we selecteren voor de continuous vezel-tapes. We hebben 1-, 3,5- en 6,35-millimeter diameter filamenten gebruikt. We kunnen groter, maar hadden er nog geen behoefte aan."

"We bereiken 50-60% vezelvolume voor de AFP, maar aanzienlijk minder voor de FFF-deelen aangezien die geëxtrudeerd zijn. Porositeit is in de orde van traditionele out-of-autoclave processen, maar is dramatisch gedaald naarmate we het proces verfijnden. Met extrem hoogwaardige materialen, en in een labomgeving, hebben we porositeit onder 0,5% bereikt, gemeten met CT [computed tomography] scans. Zoals altijd, zijn er een enorme hoeveelheid variabelen die dit getal beïnvloeden en wanneer we heel complexe onderdelen produceren, is het een uitdaging om lage porositeit te behouden. We hebben veel destructieve en non-destructieve testen uitgevoerd op onderdelen en coupons gemaakt met het systeem."

Hoog-nauwkeurige, robotische controle

Bischoff: "SCRAM levert hoog-nauwkeurige robotische technologie. Standaard off-the-shelf robots zijn een betaalbare oplossing om 6-vrijheidsgraden-beweging voor plaatsen en printen te bereiken, maar ze zijn nergens nabij nauwkeurig genoeg voor luchtvaartkwaliteit AFP. We begonnen jaren geleden uit te zoeken hoe we deze robots op luchtvaart AFP-systemen konden toepassen. U moet de fundamentele principes van het systeem en de issues met het bereiken van nauwkeurigheid echt begrijpen. We hebben een heel robotgroep van 60-70 ingenieurs, en dit is alles wat ze doen."

"Het is een ongelooflijk complex issue om hoge positionele en baannauwkeurigheid te bereiken. U heeft onnauwkeurigheden in de robot (CTE van de robot, backlash, trillingen, etc.) en in de externe as, tool point kalibraties, een draaiend deel frame en nog diverse andere bronnen. Niet rekening houden met/adresseren van een van deze kan catastrofaal zijn zodra u begint met printen in een echte 3D-ruimte. Om dit te bereiken, gooien we de controller die bij de robot hoort weg en draaien we alles met een Siemens CNC. We voegen dan Electroimpact's gepatenteerde secundaire feedback toe aan alle robotassen, wat ons brengt van een tolerantie van 30-40 mils [0,030-0,040 inch] naar ±15 mils [0,015 inch]. Vervolgens passen we een high-order kinematische compensatie toe om ±10 mils [0,010 inch] te bereiken."

Snelheid, eind-effectoren en draaiende printtafel

Brown: "We gebruiken in-situ consolidatie, dus de toepassingssnelheid zal niet in de buurt komen van die voor thermohardende prepreg-tapes. Ook, dit is een robot, geen groot, verstevigd gantry-platform (zoals AFP), dat gebouwd is voor hogere snelheden. En snelheid is niet alleen leggen en printen, maar omvat ook de levertijd voor gereedschappen. De echte metric is: hoe snel kunt u een digitaal gefabriceerd onderdeel in handen hebben?"

"Het onderdeel in de video was 36 inch hoog (met de geprintte basis overschreed het 4 voet) en de diameter was 16 inch. Als we non-stop in shifts liepen, konden we dit in een paar dagen produceren, wat een ongelooflijk korte tijd is om een onderdeel in handen te hebben. Onderdelen worden ook rechtstreeks vanaf het CAD-bestand geproduceerd, dus als u moet itereren, verandert u de CAD, post u de toolpaths opnieuw en print u het nieuwe onderdeel."

Allen: "Op dit moment, voor het printen van het steungereedschap, hebben we een opgeblazen, filament-gebaseerd proces. Doorvoer is een beetje traag, wat de printtijd beïnvloedt. In juli hebben we onze eerste eind-effector met een pellet-schroef-extruder in gebruik genomen. Dit zal de output verhogen, maar zal dikke knopen produceren, dus we zullen ook een frees-eind-effector toevoegen voor het bewerken van het geprintte oppervlak."

Brown: "We zullen een familie van compatibele eind-effectoren hebben die de robot kan oppakken en neerzetten, een breed scala aan additieve en subtractieve functies uitvoerend zoals vereist. De oppak- en neerzetprocedure van de eind-effector is volledig geautomatiseerd, wat een standaardfunctie is op al onze AFP-systemen evenals SCRAM. De gehele eind-effector is bevestigd aan de robot met een automatische tool change interface module en er zijn stallen voor eind-effector opslag."

"Het systeem print op een externe rotatie-as en wordt bestuurd door de CNC. We hebben dit omdat de robot alleen niet elk punt op de onderdelen die we willen maken kan bereiken. Op de lange termijn willen we het systeem op rails zetten om grotere onderdelen te maken, maar we willen het systeem op deze schaal eerst verfijnen. We hebben besproken twee robots te gebruiken, en we weten filosofisch hoe we er aan zouden beginnen. (We hebben andere geïntegreerde multi-robot productiesystemen geproduceerd.) Maar als u twee robots hebt die in overlappende werkzones werken, worden de regels extreem gecompliceerd."

Toekomstige flexibele productie mogelijk gemaakt

Brown: "Deze multifunctionele cel zal waarde leveren aan de eindklant. Het hoeft niet altijd continuous vezel-versterkte thermoplastische onderdelen te produceren. Door extrusie en frezen toe te voegen aan de continuous vezel depositie, verbreden we het bereik en de flexibiliteit. Bijvoorbeeld, sommige van de structuren die we gedemonstreerd hebben, hebben subtractieve functies binnen de deelbouw. De robot controleert dan het oppervlak en sluit die kaviteit. Dit is momenteel niet mogelijk zonder meerdere stappen, gespecialiseerd gereedschap en/of eindmontage van een of andere soort."

"Echter, er is een nog groter thema dan alleen onderdelen produceren. Op de lange termijn heeft deze benadering de kans om de manier dramatisch te veranderen waarop luchtvaart- en defensiesystemen worden ontworpen en geproduceerd.niet meer zal een enkele productielijn toegewijd zijn aan een enkel product. In plaats daarvan zal productie flexibel zijn. Ook, als u gereedschappen kunt reduceren, kunt u reserveonderdelen op de plank reduceren. Deze flexibiliteit heeft impact door de hele toeleveringsketen, inclusief het reduceren van afval door vervaldatum van materialen."

Bischoff: "Met een kleine handvol SCRAM-cellen en digitale ontwerpen, hoeft u alleen nog maar grondstof-feedstock op voorraad te hebben, versus tientallen vaste gereedschappen en beperkte houdbaarheid thermohardende materialen."

Brown: "We hebben nog een weg te gaan voordat productie echt op deze manier wordt afgehandeld, maar nu kunt u duidelijk zien hoe het mogelijk is."