Geautomatiseerde vezelplaatsing revolutioneren voor next-gen vliegtuigen

Als geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) en geautomatiseerde tape leggen (ATL) de productieprocessen waren die wijdverspreide toepassing van composieten in de Boeing 787 en Airbus A350 mogelijk maakten, dan zullen AFP/ATL ook de weg wijzen voor de volgende generatie commerciële vliegtuigen, nu op de tekentafel. Het verschil deze keer? Snelheid.

Boeing schat dat er tegen 2037 meer dan 31.000 nieuwe single-aisle vliegtuigen nodig zullen zijn om aan de passagiersvraag te voldoen. Airbus voorspelt een behoefte aan meer dan 28.000 single-aisle vliegtuigen tegen 2037. Beide overwegen vervangers voor hun single-aisle vastberaden – de 737 (Boeing) en de A320 (Airbus). Beide bedrijven verwachten composieten significant in te zetten op elk nieuw vliegtuig dat ze ontwikkelen. Beide vertellen hun toeleveringsketens om productiesnelheden van 60-100 vliegtuigen per maand te verwachten, met nadruk op 100. De single-aisle categorie, voor beide bedrijven, vertegenwoordigt ongeveer twee derde van de totale mondiale vraag, wat betekent dat de productieomgeving ontwikkeld voor single-aisle vliegtuigen de standaard productieomgeving voor aero-composieten voor de voorzienbare toekomst zal worden.

Al dit betekent dat automatiseringstechnologie nu ontwikkeld moet worden als het wil bijhouden met de kwaliteit en productiesnelheidseisen van next-generation vliegtuigen. Niets van dit is verloren gegaan voor Electroimpact (EI, Mukilteo, Washington, VS) senior ingenieur Todd Rudberg. Rudberg en EI traden de composietenwereld in 2004 toen het bedrijf AFP technologie ontwikkelde voor de productie van de 787 Sectie 41 voorste fuselage sectie geproduceerd door Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, VS). EI produceerde vervolgens AFP en ATL systemen voor productie van andere 787 structuren, A350 structuren, motorstructuren en, meest recent, Boeing 777X vleugelspanten. Nu kijkt Rudberg naar de toekomst van next-generation vliegtuigproductie en ziet kansen voor AFP om substantieel te verbeteren.

AFP metrics en uitdagingen

De kansen, zegt Rudberg, zijn duidelijk wanneer men naar de data kijkt. EI heeft diverse metrics ontwikkeld om te begrijpen wat de machines goed doen, en wat verbeterd kan worden. Allereerst, bij het overzicht van het 2019 AFP landschap, ziet Rudberg talloze dreigingen voor huidige AFP technologie, inclusief ATL, hand leggen, platte kosten van geweven stoffen en, natuurlijk, aluminium.

De AFP metrics die Rudberg ontwikkelde komen van een volledige productiedemonstrator (FPD) project waarvoor EI vier pre-productie builds uitvoerde. Data van één van die builds, gedaan in februari 2019 met standaard EI AFP technologie, onthulde een substantiële machine benutting uitdaging, met machine gebruikstijd vallend in een van zeven categorieën:

• Laserprojectie: 30%
• Run (productie): 27%
• Inspectie: 22%
• Pauze: 10%
• Operator-geïnduceerde stop: 6%
• Fout herstel: 3%
• Imaging: 2%

Anders bekeken, met huidige technologie, is er één waarde-toevoegende operatie in AFP (run), met alle overige als niet-waarde-toevoegende operaties. Dus de verhouding van waarde tot niet-waarde operaties is 1:3. De industrie wil echt 3:1, en ik ook, zegt Rudberg, en ik wil dit gedaan hebben voordat ik met pensioen ga. Het doel is simpel: de tijd verbruikt door niet-waarde-toevoegende operaties reduceren.

Er is ook één overkoepelende AFP metric die uitleg nodig heeft: mean strips before failure (MSBF). Dit is het gemiddelde aantal vezeltouwen geplaatst tussen plaatsingsfouten. Hoe groter dit getal, des te betrouwbaarder de machine en het proces. De februari FPD build, zegt Rudberg, had een 5.365 MSBF.

De doelen

Nauwer kijkend op AFP operatie, zegt Rudberg, heeft EI directe controle over slechts drie operaties: run, fout herstel en inspectie. En hier richt het bedrijf zijn inspanningen op. Dat gezegd, wijst Rudberg erop dat de vliegtuigfabrikant ook een rol speelt, met name in reductie van kwaliteitsinspecties, pauzes en operator-geïnduceerde stops. We moeten realiseren dat run tijden echt laag geworden zijn omdat machines erg snel zijn, zegt hij, en alles wat niet-waarde-toevoegend is heeft een massive impact op je benutting. Dus het blijkt dit een team sport is. Niet alleen de OEM – ik – moet beter doen, de vliegtuigfabrikant heeft ook verantwoordelijkheid.

Voor next-generation vliegtuigproductie wil Rudberg MSBF verhogen naar >20.000, run tijd verhogen tot 77% en laserprojectie, operator-geïnduceerde stop en imaging volledig elimineren. Hoe? Rudberg identificeert drie technologiegebieden die deze transitie kunnen faciliteren: servo-aangedreven creels, 100% in-process inspectie en datamanagement, of EI 4.0.

Alle drie zijn beoordeeld door EI in een serie recente FPD project builds na die initiële februari build. Data van het FPD project zelf bewijzen dat EI op de goede weg is. Rudberg zegt dat het AFP systeem gebruikt – genaamd MuSCLE – haalde: 1.500 pk piekvermogen, 0,5G versnelling/vertraging, 4.000 inches/minuut neerleg snelheid, hoek draai tijd van 1 seconde, spar hoek snelheid van 120 graden/seconde en 6.000 MSBF (bereikt in productie).

Servo-gedreven creels

De conversie naar servo motor creels, en weg van servo pneumatische creels, zegt Rudberg, is gedaan om de vezelplaatsingssnelheid, plaatsingsnauwkeurigheid, vezelspanning controle en algehele bouwbrouwbaarheid te verhogen. Het bedrijf heeft de afgelopen twee jaar gewerkt aan een compacte servo drive die op de EI modulare hoof kan worden geïnstalleerd. De resultaten van de technologie, tot nu toe, zijn veelbelovend; testen tonen: 15.000 MSBF, 87% snellere toevoeg snelheid, 36% snellere snij snelheid, betere eindplaatsingsnauwkeurigheid. Verder bewijst EI dat het servo motor creel systeem gebruikt kon worden om droge koolstofvezels te plaatsen.

100% In-process inspectie: RIPIT

De sleutel is het in-process deel. EI heeft al inspectietechnologie, ontwikkeld met Aligned Vision (Chelmsford, Massachusetts, VS) en geïmplementeerd op de 777X vleugel productielijn die laser en visietechnologie gebruikt om te controleren op overlappen, gaten, rimpels, eindplaatsingsfouten en vreemde object debris (FOD). Dit systeem bestaat echter onafhankelijk van het AFP systeem en vereist een helder zichtveld om te opereren – betekent dat de AFP kop verplaatst moet worden. Rudberg en EI hebben een nieuw inspectiesysteem ontwikkeld, genaamd RIPIT, dat integraal is met de AFP kop en vezelplaatsing inspecteert zodra het plaatsvindt.

EI onthult niet de aard van de technologie achter RIPIT, behalve om te zeggen dat het geen laser- of visie-gebaseerd is. In ieder geval, zegt Rudberg dat testen van het systeem onthullen dat het in real-time kan detecteren: touw glijden tot ±0,030 inch, toevoeg plaatsing tot ±0,050 inch en snij plaatsing tot ±0,050 inch. Verder zegt Rudberg: We hebben genoeg proefnemingen gedaan correlatie RIPIT data met de bestaande Boeing-gekwalificeerde visiesysteem [Aligned Vision systeem gebruikt op 777X] en we krijgen correlatie.

Datamanagement: EI 4.0

De waarde van datamanagement, zegt Rudberg, rust in de capaciteit van EI's systemen om fabricanten duidelijker te laten zien hoe goed het AFP proces werkt. Hiertoe heeft EI datavisualisatiesoftware ontwikkeld – EI 4.0 – die inzicht biedt in niet alleen hoe een gegeven machine presteerde (gebaseerd op MSBF) tijdens een gegeven build, maar hoe individuele touwen en sequenties presteerden. Basisweg helpt de software de operator precies te zien waar in de AFP kop het probleem zit. Dus, we zullen deze EI 4.0 gebruiken om aan te geven waar ze [operators] moeten gaan kijken in de AFP kop om veranderingen aan te brengen, zegt Rudberg.

Met deze software is het mogelijk om grafisch MSBF weer te geven voor een verscheidenheid aan machinefuncties en probleemvezel touwen en bijzonder uitdagende sequenties te identificeren. De software meet en rapporteert ook andere machineactiviteiten die benutting kunnen uitputten. Met behulp van deze datamanagementtools, was EI in staat om de bouwtijd voor de OPS te optimaliseren en te reduceren van meer dan 50 minuten tot net onder 40 minuten. Andere tools omvatten shift prestatievergelijkingen en laag hoek vergelijkingen.

Ik geloof dat 75% benutting een realistisch doel of verwachting is, stelt Rudberg. Maar, het gaat teamwerk kosten, het gaat organisatorische initiatief en doorzettingsvermogen van de vliegtuigfabrikant, het gaat onze verbeterde technologie, het gaat betere preventieve en predictieve onderhoud, en betere tools om cel gebruik en machine prestaties te analyseren.