Composietproductie Revolutie: Addcomposites' Lichtgewicht AFP-XS Tool

"Ons doel is de drempels voor composietproductie te verlagen," zegt Addcomposites CEO Pravin Luthada. Addcomposites heeft een geautomatiseerd vezelplaatsing (AFP) tool ontwikkeld die op elke bestaande robotarm gemonteerd kan worden.

De AFP-XS is beschikbaar voor aankoop, maar ook voor lease. Het is lichtgewicht, weegt 6,5 kg leeg, en compact. "We sturen het in een doos ongeveer de grootte van een computer desktop tower," zegt Luthada. "De vervangende snijmesjes en verbruiksartikelen zijn ook inbegrepen in de huurprijs."

Voor mij heeft dit een hoge potentie voor disrupty en is ook bijna onvermijdelijk naarmate de industrie vooruitgaat naar Industry 4.0 slimme productielijnen en fabrieken. We zien al dergelijke lijnen gevestigd door Airborne's partnerschap met SABIC en de Factory 4.0 Testlab aan Swinburne Universiteit. We kijken ook naar de convergentie van AFP en 3D-printen en de combinatie van meerdere processen in enkele geautomatiseerde systemen of cellen (bijv. AFP en filament winding, CNC-bewerking, laseroppervlaktebehandeling en lassen, etc.) om nieuwe flexibiliteit, multifunctionaliteit en snelheid te bereiken. Als Addcomposites zijn weg kan gaan, kunnen grote, dure AFP-cellen snel het verleden zijn.

Passie voor toegankelijke composietproductie

De visie voor Addcomposites' AFP-XS tool head herkomt uit enkele jaren geleden toen de CEO werkte voor de Indian Space Research Organization (ISRO). Opvallend is dat India een van de snelst groeiende markten is voor composieten, en toch, "er zijn geen AFP-systemen in India die ik ken," zegt Luthada. "Bij ISRO hebben we een tender uitgegeven voor een geautomatiseerd systeem om composieten te produceren, voornamelijk laminaten en zandwichstructuren voor satellieten en lanceringstvoertuigen, maar alle reacties die we kregen waren te duur. ISRO was vrij succesvol in zijn ruimteprogramma's, maar het bleef de meeste van zijn composietproducten produceren met handmatige laminering."

Zo ontstond Luthada's passie voor het ontwikkelen van toegankelijke composietproductie. "Op de weg naar het oprichten van Addcomposites, bouwde en implementeerde ik vezelwindingmachines en 3D-printsysteem voor kunststoffen en keramiek." Toen hij naar Finland verhuisde, om zijn Master's Degree te doen aan Aalto Universiteit bij Helsinki, was Luthada in staat een onderzoeksproject te starten om automatisering in composieten meer toegankelijk te maken. "Aalto is niet zo sterk in composieten, maar ze zijn erg sterk in digitale productie, dankzij het open innovatie-ecosysteem in Finland," legt hij uit. "We konden vanaf nul beginnen en het hele ontwerp van de AFP tool head heroverwegen, ontdekken hoe we de kosten zo laag mogelijk konden houden."

"We benaderden het probleem simpelweg anders dan de huidige leveranciers," zegt Luthada. "Waar ze grote, dure, standalone cellen bouwen, hebben we een tool ontwikkeld die plug-and-play kan in bestaande infrastructuur - dat is, elke robotarm. Dus onze klanten hoeven niet in nog een cel te investeren." Toch was het team niet bereid aerospace kwaliteit op te offeren. Luthada merkt op dat de AFP-XS tool robuust is, gebouwd met hoogwaardige onderdelen. "Onze hoofpinspanning lag in software en controle."

Open en aanpasbaar ecosysteem voor Composites 4.0

"We begonnen te kijken hoe we offline programmeringssoftware konden ontwikkelen," vervolgt hij. "We spraken met Dassault Systèmes en Autodesk, onder anderen, maar de systemen zouden te duur worden voor onze klanten. Dus keken we naar welke open softwaresystemen er waren. De winnaar? Rhino 3D. "Het is beschikbaar voor een levenslange licentiekost van ongeveer 1.000 euro," zegt Luthada. "Het maakt ook visuele programmering mogelijk, wat het makkelijker maakt om aangepaste wijzigingen in het programma te scripten, bijvoorbeeld het maken van een bewegingplan gebaseerd op elke machine's domein-specifieke taal."

"Hoewel we proberen al het meeste te bieden wat de gebruiker nodig heeft," gaat hij verder, "is de software zo ontworpen dat operators toegang kunnen krijgen tot de controls en de data. Het verbinden en controleren van de momenteel beschikbare AFP/ATL (automatische bandplaatsing) tools met elk bestaand motion platform zoals een robotarm of CNC-machine is meestal tamelijk uitdagend. ATL/AFP-leveranciers beperken doorgaans IO (input/output) van de tool. We besloten echter om EtherCAT controls te gebruiken, die functioneren als een hogesnelheidstrein van informatie die constant loopt tussen de IO-poorten van de robotarm-controller en de tool. Data wordt verzameld of afgeleverd op elk station op basis van vooraf bepaalde commando's om volledige toegang, feedback en controle van de informatieoverdracht tussen de robot en de AFP-XS tool te bieden. Deze benadering maakt real-time controle en communicatie mogelijk voor Industry 4.0 toepassingen."

Luthada merkt op dat dit ecosysteem van openheid veel flexibiliteit biedt. "We maken zeer hoge toegankelijkheid mogelijk zodat iedereen die met CAM (computer aided manufacturing) werkt, het kan integreren in hun robotplatform. Bijvoorbeeld, je kunt de AFP-XS aanpassen om te praten met inline monitoring systemen of met een robotische filament winder." Hij merkt op dat automatiseringsproviders herkenden wat er geboden werd vanaf de initiële persbericht van het bedrijf (zie "Addcomposites introduceert plug & play AFP/ATL"). "Een aantal van hen bereikte ons uit, wilden ons systeem integreren in hun productiecel-aanbiedingen." Nog belangrijker, wijst Luthada erop, "onze ontwerp maakt het ook simpel om te beginnen en draaiend te krijgen met dit systeem."

De AFP-XS gebruikt de Addpath software, een open platform gebaseerd op Rhino 3D.
BRON | Addcomposites

Materialen en specificaties

De AFP-XS tool head kan droge vezel en prepreg banden verwerken in breedtes van 5 mm tot 20 mm. "Naarmate we de tool head ontwikkelden, hebben we het geoptimaliseerd voor elk materiaal," legt Luthada uit. "We begonnen eerst met droge vezel, maar werken nu met thermoset prepreg en laagtemperatuur thermoplast prepreg, dat wil zeggen materialen met een Tg onder 200°C, zoals PLA en polyamide. Bij het draaien van thermoplastische band, verbeteren we het systeem om in-situ consolidatie (ISC) uit te voeren." Hij zegt dat het bedrijf binnenkort een goede hoeveelheid data zal hebben gebaseerd op een ISC thermoplastische band project waar het al enige tijd aan werkt. "We draaien ook out-of-autoclave (OOA) thermoset prepreg aan het einde van deze maand."

Wat de tool head betreft, heeft Addcomposites elk component ontwikkeld met het doel de kosten laag te houden, maar aerospace kwaliteit te bereiken. "We hebben onze eigen snijder ontwikkeld," zegt Luthada. "Het nam veel iteraties, maar het is extremelijk lichtgewicht, echt compact en robuust. We halen momenteel -0/+2 mm in nauwkeurigheid, maar werken aan nog strakkere toleranties."

Het lage gewicht van alle componenten is cruciaal. "Het gewicht van de toolhead is minder dan 10 kg, variërend alleen door hoeveel vezel de gebruiker op de spoel wil laden," zegt Addcomposites business development manager James Kuligoski. Vroeger kwaliteitsingenieur bij Hexcel, voegt hij toe, "Dit helpt de grootte van de benodigde robot te minimaliseren, en dus de apparatuur- en operationele kosten te reduceren."

Voor verwarming gebruikt de AFP-XS momenteel infrarood en hete lucht. "We gebruiken geen lasers omdat ze te duur zijn, plus ze hebben hogere operationele en onderhoudskosten," merkt Kuligoski op. Dit is een van de redenen waarom hogere temperatuur thermoplasten nog in R&D zijn. Echter, Addcomposites verkent ook andere verwarmingstechnologieën die prestaties bieden maar betaalbaar zijn.

AFP via Hardware-as-a-Service (HaaS)

Addcomposites biedt de AFP-XS aan voor aankoop, maar ook voor lease tegen tarieven van 2.000 tot 3.000 euro per maand, afhankelijk van de leaseperiode. "Ons idee was dat zelfs als kleine start-up of onderzoeksgroep, je de tool kunt huren om te helpen met productieontwerp," legt Luthada uit. "Je hebt je FEA en ontwerp klaar, maar nu moet je optimaliseren voor fabricageerbaarheid. De ontwerper kan een simulatie van de onderdeelfabricatie via onze website aanvragen. Het bedrijf kan de tool dan huren zolang nodig is, erinpluggen in een robot die erbij zit. We kunnen ook helpen met lokale robotleveranciers als nodig. Wanneer ze klaar zijn, kunnen ze de apparatuur terugsturen of kopen tegen een verlaagde prijs."

Op het begin van 2020 wil Addcomposites dit programma uitrollen naar elk land in de EU, beginnend met Frankrijk, Duitsland, Polen en het VK. "Volgend jaar willen we 20 tools in Europa en de VS krijgen," zegt Luthada.

Addcomposites heeft de AFP-XS al gebruikt voor ruimtevaart-ontwikkelingswerk in Finland en gewerkt met een ander Fins bedrijf dat thermoplastische banden ontwikkelt. Het heeft ook net een productieautomatiseringsproject voltooid met de grootste composietenfabrikant in Finland en voert initiële pilotwerk uit voor een bedrijf in de VS.

"Onze markt omvat universiteiten en onderzoekscentra, maar ook kleine tot middelgrote bedrijven die momenteel composieten maken met handmatige laminering en ervaring willen opdoen in AFP en automatisering," zegt Kuligoski. "We kunnen proefdraaien en de machine filmen terwijl het de onderdelen maakt. Ze kunnen dan de tool huren en/of kopen na het te zien in gebruik op hun producten."

Hoe staat het ervoor?

Luthada toegeven dat de output van de AFP-XS tool head nog niet zo hoog is als de grote cellen die momenteel verkocht worden door AFP-systeemleveranciers. "Maar we verliezen geen legsnelheid," tegenspreekt hij. "De materialen die we verwerken zijn dezelfde. We zien veel betere resultaten met banden die lage variatie hebben, net als iedereen anders. Maar wat de kwaliteit van de geproduceerde laminaten betreft, is er geen verschil." Omdat het bedrijf deze eindlaminaten niet zelf infuseert of uithardt, maar de apparatuur aan fabrikanten levert, is het nog in het proces van laminaten data verzamelen. Met diverse programma's nu afrondend, merkt hij op dat deze data binnenkort op de Addcomposites website geplaatst zal worden.

"We startten het onderzoeksproject aan Aalto Universiteit in 2017 en vestigden Addcomposites in 2018," zegt Luthada. "We hebben zoveel geleerd door te werken met een reeks fabrikanten en verbeteren de AFP-XS systeem voortdurend. Deze verbeteringen zullen aan alle gebruikers uitgerold worden zodra ze getest en bewezen zijn. Op dit moment werkt het systeem met Kuka robots en is in het proces van bewijzen met ABB en Universal Robots."

"We geloven dat composieten de toekomst is voor geavanceerde productie," zegt Kuligoski, "en we zijn gepassioneerd om slimme, geautomatiseerde productie naar alle composietenfabrikanten te brengen op een manier die betaalbaar is."

Bezoek Addcomposites op Composites Europe, 9-12 sep (Stuttgart, Duitsland) en blijf op de hoogte voor meer updates van CW.