Experts Dringen op Meer Automatisering voor Komende Vliegtuignevrage

Commerciële behoeften alleen de komende 20 jaar suggereren verdubbeling van productiesnelheden

Voordat de coronaviruspandemie het normale leven op de kop zette en commercieel luchtvaartverkeer vrijwel volledig stillegde, had de luchtvaartindustrie een projectie van 40.000 nieuwe vliegtuigen – vliegtuigen, helikopters, luchttaxi's en onbemande luchtvaartuigen – in de komende 20 jaar. Het volume omvat vervangingen voor toestellen die na een gemiddelde levensduur van 25-30 jaar uit dienst gaan en komt bovenop een achterstand van ongeveer acht jaar.

Als de vraag naar vluchten haar vorige niveau herstelt zodra pandemiebeperkingen vervallen, is de enige manier om de geprojecteerde behoefte te voldoen door verhoogde automatisering, volgens sommige industrie-experts.

In tegenstelling tot veel andere sectoren, is de luchtvaartindustrie een sector waar handarbeid algemeen is omdat er geen alternatieve productieprocessen zijn die haalbaar zijn. Maar rekening houdend met Statista's registratie van jaar-op-jaar stijgingen in vraag van 2006-2019 voor wereldwijd luchtvaartpassagiersvraag (de stijgingen variëerden van 2,4 procent tot 8,1 procent, uitgezonderd 2009 op de hoogte van de Grote Recesie) en andere factoren, is grotere efficiëntie verplicht als de industrie wil bijhouden.

Onderzoekers proberen uit te zoeken hoe sommige processen te automatiseren, zoals handmatige laagopbouw (hand layup). Maar er zijn andere geautomatiseerde maatregelen die momenteel beschikbaar zijn, waaronder het projecteren van instructies voor montage op werkstations en geautomatiseerde kitten, bevestigen, markeren en materiaalhanteringsprocessen.

Alleen commerciële luchtvaartbehoeften zouden een effectieve verdubbeling van productiesnelheden vereisen, zei John D. Russell, hoofd van de structures technology branch bij het Air Force Research Laboratory.

Naast commerciële vliegtuigen, verkent het leger attritable aircraft die in de duizenden geproduceerd kunnen worden.

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

"Voor elk van deze gevallen afzonderlijk hoor ik van mijn contacten in de industrie dat de VS momenteel niet de capaciteit heeft," zei Russell, waarschuwend dat zijn informatie van vóór de wereldwijde virusuitbraak dateert. "Als alle drie tegelijkertijd waar worden, moet de industrie creatief worden over hoe het capaciteitsprobleem op te lossen.

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

Russell zei dat hij niet verrast zou zijn als de luchttaxi-industrie naar offshore productie zou kijken omdat voertuigprijs waarschijnlijk een grote drijfveer is voor hun businessmodel. Hij twijfelt of we offshoring zouden zien voor commerciële luchtvaart omdat de industrie waarschijnlijk zou vastblijven aan gevestigde leveranciersrelaties vanwege het hoge vaardigheidsniveau van de werknemers. Natuurlijk zou offshoring geen optie zijn voor enig militair voertuig, merkte hij op.

Het leveren van 40.000 vliegtuigen in 20 jaar zou het produceren van 2.000 vliegtuigen per jaar vereisen, wat aanzienlijk hoger is dan leveringen vóór de pandemie.

Een achterstand in leveringen ontstond toen de fabrikanten niet snel genoeg konden opschalen om de toegenomen vraag te halen die ontstond door een opstoot in luchttransport.

Daarnaast zien consumenten luchtvaart 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 vlucht-lustige consumenten flexibiliteit in vertrektijden te bieden.

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

Vóór de pandemie werd een herleving van de concurrentie tussen Boeing en Airbus verwacht, wat zou resulteren in recordleveringen van hun uiterst populaire narrow-body platforms en een jaar-op-jaar groei van 9,4 procent in productie in 2019. Boeing en Airbus werden geprojecteerd om meer dan 1.750 vliegtuigen vorig jaar te produceren, op van 1.606 eenheden in 2018, volgens een persbericht van mid-juni 2019 van onderzoeksfirma Frost & Sullivan.

In augustus kochten anderen die cijfers echter in.

Mondiale vliegtuigproductie was met een kwart gedaald na de grounding van Boeing's 737 Max jet in maart 2019 na twee dodelijke crashes, volgens een artikel in The Guardian. ADS, de Britse luchtvaart-lobbygroep, zei dat 88 vliegtuigen in juli 2019 geleverd waren, een daling van 24 procent ten opzichte van leveringen in dezelfde maand het vorige jaar, met de daling grotendeels te wijten aan de slump in productie van single-aisle vliegtuigen zoals de 737.

Aan het einde van vorig jaar hadden Airbus en Boeing gezamenlijk 1.243 vliegtuigen geleverd.

De industrie handelt om die cijfers te verhogen.

"De twee grootste commerciële vliegtuigfabrikanten, Boeing en Airbus, stoppen allebei veel extra geld in het verhogen van de productiesnelheid," zei Bill Bigot, vice president of business development for aerospace and defense bij JR Automation.

Eind vorig jaar implementeerde Airbus in Hamburg, Duitsland, zijn hooggeautomatiseerde montage lijn voor de A320-familie rompsructuur.

De nieuwe faciliteit bevat 20 robots, een nieuw logistiek concept, geautomatiseerde positionering door laser meting, evenals een digitaal data-acquisitie systeem, aldus het bedrijf.

Naast het gebruik van robots, implementeert Airbus ook nieuwe methoden en technologieën in materiaal- en onderdelenlogistiek om de productie te optimaliseren, ergonomie te verbeteren en levertijden te verkorten. Dit omvat de scheiding van logistieke en productieniveaus, vraaggestuurde materialaanvulling en het gebruik van autonomous guided vehicles.

Rond dezelfde tijd beëindigde Boeing echter een vierjarige totale automatiseringsinspanning in zijn Everett, Wash., fabriek die robotarmen gebruikte om bevestigingsmiddelen in twee hoofdrompsecties van zijn 777 straalvliegtuigen en de 777X in te voegen, en koos in plaats daarvan voor handmatige invoeging door vakkundige monteurs.

Robots boren nog steeds de gaten voor de bevestigingsmiddelen op een geautomatiseerd "flex track" systeem, wat resulteert in een gecombineerd mens-robot proces, volgens gepubliceerde rapporten.

De inspanning kan zich op de lange termijn wel uitbetalen.

De mislukte pogingen om robotica te gebruiken leerden Boeing waardevolle lessen uit zijn "eerste zeer diepe duik in die soort technologie," zei Jason Clark, een Boeing vice president die 777X productie bewaakt, tegen de Los Angeles Times. "Het leerde ons hoe te ontwerpen voor automatisering," werd Clark geciteerd in een november artikel.

De nieuwe methode creëert minder slijtage op werknemers aangezien machines ontwikkeld door Electroimpact Inc. een van de meest fysiek veeleisende taken van de romp-montage afhandelen: gaten boren door metaal, volgens het Times artikel.

Ook, "We hebben delen van de opbouw herontworpen om nitten te vervangen door minder moeilijke vormen van bevestigingsmiddelen, wat de ergonomie verder verbetert," zei een bedrijfsspreker.

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

In zijn North Charleston, S.C., fabriek: rustte Boeing monteurs uit met exoskeletten ontworpen om spanning te verminderen door voortgezette bovenhoofdswerk; gebruikte Bluetooth-ingeschakelde slimme sleutels om ervoor te zorgen dat werknemers het correcte moment toepassen op een moer, en gebruikt virtuele realiteit voor monteurs om nieuwe gereedschappen te testen, volgens Reuters.

Kunnen Robots Hand Layup Overnemen?

Voordat enige rompstructuren naar Hamburg of Boeing's fabrieken in Washington State worden verzonden, worden ze gefabriceerd in geautomatiseerde composietproductieprocessen (ACM), inclusief geautomatiseerde vezelplaatsing en geautomatiseerde tape-laagopbouw.

ACM is geschikt voor middelgrote of grote onderdelen zoals rompvleugels en schotten die ook plat of lichtgekruld zijn.

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

Dit is een groot probleem omdat deze onderdelen – klemmen, beugels, I-profielen en toegangsluken – tot de helft van het gewicht van een structuur kunnen uitmaken en in de duizenden kunnen lopen voor slechts één vliegtuig.

"Ook moeten deze onderdelen die met de hand gelegd moeten worden, afgezaagd en gedarteld, uitgeknijpd, wat je ook wilt," zei Les Cohen, een composieten consultant. "Dus dat betekent dat je buy-to-fly ratio een factor 2 kan zijn: als je werkt met een materiaal dat $40 per pond kost, is het effectief $80-per-pond materiaal."

Een team aan de University of Southern California heeft onlangs een demonstratieproject voltooid om laagopbouw te automatiseren met robotarmen.

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

De industrie begrijpt dat de tijd die het kost om onderdelen-in-uitvoering in een autoklaaf te debulk-en te verharden elke paar lagen, veel tijd kost. Snel-verhardende harsen die de eigenschappen hebben van autoklaaf-geverharde onderdelen maar zonder het autoklaafproces zijn het antwoord, maar ze zijn niet beschikbaar, zei Cohen. Met investeringen die gemiddeld tot vijf jaar duren en een geschatte kosten van $10 miljoen om nieuwe materialen te ontwikkelen, zonder garantie dat ze geaccepteerd zullen worden, is het begrijpelijk dat deze uitdaging onopgelost blijft, zei hij.

4e Industriële Revolutie Langzaam in de Luchtvaart

Industry 4.0, met zijn belofte van grotere productiviteit en kwaliteit, kan ook helpen de luchtvaartproductie te boosten, maar de industrie is langzaam in het aannemen van de verbonden, gedigitaliseerde en datagedreven wereld van de vierde industriële revolutie.

"Ik zou zeggen dat die dingen nu net online komen in productie en resultaten leveren. We zijn er erg in en we zijn net op het punt waar we dit op programma-niveau kunnen uitrollen en echt iets aan een fabriek kunnen geven dat hun efficiëntie absoluut zal beïnvloeden," zei Andrew Purvis, projectmanager voor composiet laagopbouw en automatisering bij Electroimpact Inc. "Wanneer je begint data te krijgen en de cijfers te verwerken, begin je veel goud in die berg data te vinden en veel keer diamanten, dingen die je productie echt omhoog brengen."

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

Electroimpact bouwt kwaliteitsmonitoring in systemen met inspectietechnologie die alles meet wat de AFP-machines doen tijdens het bouwen of printen van een onderdeel. De automatische inspectie stelt een proces in wat het bedrijf "continuous tuning" noemt.

"Het systeem houdt zichzelf eigenlijk in calibratie door te kijken wat het doet, en het past zich continu aan," zei hij. "Als een AFP-machine of printer de output kan bekijken met een camera of sensoren en zeggen: 'He, ik merk dat je begint een beetje af te dwalen, dus ik ga compenseren'."

Op dit moment is het aannemen van Industry 4.0 meer een aspiratie dan een prestatie, deels door cybersecurity en datamanagement implicaties, zei Mick Maher, president van het adviesbureau Maher Associates.

"Ik denk niet dat de luchtvaartindustrie het langzamer oppakt dan enige andere industrie," zei hij. "Ik denk dat Industry 4.0 nog te onrijp is om de stuur aan over te dragen op dit moment. Dat gezegd hebbende, automatisering is een kerncomponent van Industry 4.0. Maar net als er delen van automatisering zijn die volwassen zijn, zoals tape-plaatsing, vezelplaatsing, is er nog veel ontwikkeling vereist."

Grote Winst Te Behalen

Randy Rounkles, die technical director for aerospace was bij JR Automation, was eerder bij Spirit Aerosystems waar hij deel uitmaakte van een team om Industry 4.0 in early 2019 te deployen.

Legacy doelproductie bij Spirit, een voormalige Boeing-fabriek die in 2005 afgehakt was, was 21 vliegtuigen per maand gebaseerd op fysieke beperkingen en grootte, zei Rounkles. Voor hij vertrok, was de maandproductie van de fabriek 57 vliegtuigen, geholpen door extra shifts, meer werknemers en verhoogde automatisering, specifiek in bevestiging.

"Eén van de (laatste) projecten voor ik vertrok was de Industry 4.0 dataverzameling op apparatuurbenutting en dat veranderde eigenlijk het gezicht van dat bedrijf in het begrijpen wat hun apparatuur deed en wat het capabel was te doen," zei Rounkles. "En het had een significante impact op de kapitaaluitgaven voor toekomstige tarieven."

'Dabbelen in Digital'

Er is onderzoek gaande over de hele wereld over het toepassen van Industry 4.0 in luchtvaartproductie, maar adoptie is langzaam en huidige vliegtuigproductie is meer analoog dan digitaal, zei AFRL's Russell.

"Bedrijven dabbelen in digital om specifieke pijnpunten op te lossen, zoals asset tracking, maar weinig fabrikanten hebben een echte enterprise-wide Industry 4.0 omgeving," zei hij.

Wat de huidige staat van Industry 4.0 componenten betreft, wordt additieve productie bekeken voor tooling en niet-structurele onderdelen, sommige processen zijn geautomatiseerd met het gebruik van robots, en wat data-analytics betreft, is R&D gedaan om non-destructieve inspectiegegevens terug te koppelen aan de oorspronkelijke modellen om de impact van productiedefecten op onderdeelprestaties te begrijpen, zei Russell.

In de video die op YouTube gepost is, gladde een Kuka robotarm met een end-of-arm roller de laag pre-preg composiet over de vorige laag terwijl twee robots met grepers het materiaal strak aan beide kanten houden.

Hoeveel hand layup kunstenaars hebben zich dit equivalent van een derde hand gewenst dat gedemonstreerd werd in de opname van de slimme robotcel?

De cel, en alle technologie erachter, is een demonstratieproject van Satyandra K. Gupta, een professor mechanische engineering en computerwetenschap aan de University of Southern California, zijn collega's en 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 op onderdelen gemaakt met hun robotautomatisering werden naar de drie bedrijven gestuurd, zei Gupta.

"Op dit moment is de sleuteluitdaging waar iedereen in de luchtvaart voor staat een tekort aan arbeid," zei hij.

Met robotarmen die laagopbouw doen, kon een menselijke operator meerdere cellen tegelijk superviseren, legde hij uit. Dit zou niet alleen de capaciteit verhogen, het zou de debulking-stap in het onderdeelmakingsproces mogelijk elimineren terwijl de kwaliteit gewaarborgd blijft.

Dat is omdat, voor een hypothetisch kritiek onderdeel gemaakt van 100 lagen pre-preg, het onderdeel in uitvoering elke drie (of vijf) lagen in een zak moet worden geplaatst en onder vacuüm gezet om te zorgen dat er geen gaten zijn, voor een totaal van 33 debulkings.

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

Het automatiseren van het proces maakt het niet alleen consistent en gestroomlijnd. Hand layup is een saaie klus die fysiek veeleisend is.

Gedurende tweeënhalf jaar integreerden Gupta en zijn team de robotarmen met end-of-arm tooling, computervisie, krachtsensing, kunstmatige intelligentie algoritmes, geavanceerde controllers en een human-machine interface. Hun demonstratieonderdelen bestonden uit maximaal 15 lagen standaard epoxy-gebaseerd koolstofvezel pre-preg plaat.

De meest uitdagende deel van hun werk was het integreren van real-time computervisie.

"Je moet de camera laten zien welke defecten zich vormen," zei Gupta. "(Nu) als de robot een rimpel ziet, trekt hij het vel soms deze kant op, dan die kant op..."

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

Maar dat is alleen als het nodig is.

"Soms gaat het hele proces zonder een hapering," zei Gupta.

Kijk Ma, Geen Handen! (End-of-Arm Tooling Doet Geautomatiseerde Pre-Preg Laagopbouw)

De uitbreiding van Rege-Fix die drie jaar geleden geopend werd, incorporeert geavanceerde energie- en natuurlijke hulpbronnen besparende functies. Deze omvatten een speciaal luchtuitwisselingsventilatiesysteem, houtpelletverwarming, meerdere progressieve airconditioning-units, een "groen" dak, en het gebruik van zowel natuurlijke als sensor-gecontroleerde verlichting.

Het luchtuitwisselingsventilatiesysteem ververst de lucht binnen het nieuwe gebouw zeven keer per uur. Het trekt afvalwarmte van de productievloer – hitte gegenereerd voornamelijk door de grote luchtcompressorapparatuur nodig voor de machinegereedschappen van het bedrijf. Tijdens de koude maanden, die het gros van het jaar uitmaken, wordt herwonnen afvalwarmte gebruikt om binnenkomende verse lucht die het systeem van buitenaf trekt te verwarmen en te circuleren naar de productievloer.

Daarnaast helpt gecirculeerd water in een gesloten systeem de productievloer luchtcompressors koel te houden tijdens de operatie. In het koelproces wordt het water heet, en dit verwarmde water wordt vervolgens opgeslagen in een 1849-gal (7007-l) tank. Dit water wordt gebruikt om het gebouw verder te helpen verwarmen via een verwarmingssysteem ingebouwd in de vloeren van de kantoorruimtes van het gebouw.

De faciliteit incorporeert ook een 390-kW verwarmingssysteem dat houtpellets verbrandt in plaats van fossiele brandstoffen. De pellets zijn een bijproduct van de hout- en meubelindustrie, die in de omgeving gemeen zijn. Het systeem verbruikt zeer kleine hoeveelheden pellets omdat het fungeert als backup voor de andere verwarmingsbronnen en alleen wordt gebruikt wanneer de buitentemperaturen extreem laag zijn.

Tijdens de zomers houdt een energiebesparend progressief-type, drie-unit airconditioning-systeem dat samenwerkt met het invloer-systeem en het luchtuitwisselingsysteem, de uitbreiding koel. De luchtuitwisselingsunit trekt warmte uit het gebouw, en koud water circuleert door het invloer-systeem.

Als de temperatuur binnen het gebouw boven een bepaald niveau stijgt, schakelt één van de units in het progressieve airconditioning-systeem in om de vloer- en luchtuitwisselingsunit te ondersteunen. De airconditioning-units zijn toer-gereguleerd, dus als de temperatuurniveaus blijven stijgen, dwingend de eerste airconditioning-unit zijn limiet te overschrijden, activeert de tweede airconditioning-unit in het systeem. En op zijn beurt, als de tweede unit haar toerlimiet bereikt, wordt de derde unit geactiveerd. Zodra het gebouw begint te koelen, schakelen de individuele airconditioning-units in omgekeerde volgorde uit.

De buitenwanden van het gebouw zijn volledig geïsoleerd. In tegenstelling tot typische dakontwerpen, is het dak dat Rege-Fix koos vrij ongebruikelijk met hoge isolerende eigenschappen. Aangeduid als een "groen" of "beplant" dak, is het bedekt met aarde waarin daadwerkelijk gras groeit. Naast de isolatiewaarde, vangt het dak regenwater op dat vervolgens in een 13.200-gal (50.000-l) tank wordt verzameld en gebruikt voor het spoelen van toiletten in de toiletten van het gebouw.

Gecombineerd bieden alle verwarmings- en koelfuncties van het gebouw constante en constante omgevingstemperaturen binnen het productiegebied. Dit heeft een kritisch productievoordeel. De constante temperatuur helpt bij het behouden van consistente machinegereedschapsnauwkeurigheid voor de productie van de hoogprecisie toolholding-systemen van het bedrijf.

Voor verdere energiebesparingen bevat het nieuwe productiegebouw veel grote, driedubbel geïsoleerde ramen die veel natuurlijk licht binnenlaten. Bovendien zijn de ramen uitgerust met lamellen die automatisch openen en sluiten. Dit is een grote hulp om het gebouw in de zomer koel te houden. Terwijl de lamellen veel warmte blokkeren, zijn ze geperforeerd om licht door te laten.

Waar extra verlichting nodig is, worden LED-type energiebesparende lichten, samen met bewegingssensor-activatie, gebruikt. Er zijn geen wandschakelaars in het gebouw, en lichten gaan alleen aan wanneer gebieden bezet zijn en schakelen uit wanneer ze dat niet zijn.