Robotische vezelplaatsing & 3D-printen drijven Industrie 4.0-vooruitgang

De voordelen beloofd door Industrie 4.0 worden werkelijkheid bij Ingersoll Machine Tools in Rockford, Illinois. "Digitale tweeling" machinesimulatie, hogere robotische intelligentie en complexe beweging zijn de essentiële tools hier. Die tools maken grootschalige vormproductie, deelsbewerking en procesautomatisering toegankelijk voor de bredere luchtvaart, maritieme en andere industriesectoren.

"De disruptie beloofd door Industrie 4.0 is al begonnen," zegt Jason Melcher, vicepresident sales bij Ingersoll. "Wat nog meer opvalt, is dat het gebeurt in de luchtvaart, waar machineontwerp voor verbeterde vorm- en deelsproductie gaat over de grootste van de grote, de meest moeilijke van de moeilijke."

"Hier wordt procesimpedantie niet alleen uur per uur geëvalueerd, maar minuut per minuut, en ponden per uur," legt Melcher uit. "We zien grotere maakbaarheid, ondersteund in de toekomst door het top CNC- en bewegingstechnologieplatform van de luchtvaartindustrie."

Procesverbetering is altijd groot geweest bij Ingersoll. jarenlang hebben de mechanische, software- en procesingenieurs van het bedrijf samengewerkt met Siemens-ingenieurs om next-generation, grootformaat machineontwerpen te ontwikkelen.

Maar wat doen Ingersoll en Siemens nu eigenlijk wat doorbrekend is?

Nu werken deze twee technologiebedrijven samen met klantengineeringteams om te inventariseren, valideren en risico's te mitigeren. Ze collaboreren op grotere schaal, waar intelligente robotische vezelplaatsing en massieve print/frees deelsproductie geen visioen meer is maar realiteit.

Robotische vezelplaatsing

Als langjarige speler in geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) voor de luchtvaart, lijkt Ingersoll's uitstap naar high-end robotica een natuurlijke progressie. De ambitie van het bedrijf is om robotische vezelplaatsing betaalbaar te maken voor tweederde en derivede luchtvaartdeellfabrikanten. Maar die toetreding tot de luchtvaartmarkt werd tegengehouden door verschillende aardse realiteiten, waaronder de historische onnauwkeurigheid van grootschalige robotische positionering, het gebrek aan robotische controle op machine-operator niveau en de hoge kosten van het ontwerpen en bouwen van groterschaal, gecustomiseerde AFP-systemen.

Nauwkeurige robotische positionering: Zelfs in recente jaren was de positioneringsnauwkeurheid van grootschalige robotica niet beter dan ruwweg 5 mm en met slechte herhaalbaarheid. Om deze beperking aan te pakken, ontwikkelde Siemens zijn krachtige Sinumerik 840D sl CNC verder om Run MyRobot op te nemen, zijn zeer geavanceerde robotische compensatiesoftware.

Dit heeft Ingersoll in staat gesteld robotica te integreren in de nieuwe Robotic FP vezelplaatsing machineontwerpen, met herhaalbare robotische positioneringsnauwkeurheden van minder dan 1 mm. Nauwkeurheid wordt gehandhaafd voor zowel standaard als inverse robotische beweging.

Robotische controle op de machine: De robotische beweging van een Robotic FP machine wordt eenvoudig op de machine gecontroleerd met behulp van de Siemens Sinumerik CNC Operate interface. De intuïtieve, grafische interface is universeel over het Sinumerik CNC-platform van besturingen. Luchtvaartklanten kunnen hogere proces efficiënties plantwijd bereiken omdat operators snel vertrouwd en efficiënt raken met een interface die hetzelfde blijft van machine tot machine, zelfs wanneer men gaat van drie-as naar vijf-as of zes-as robots met tal van extra assen (draaitafel, mandril, lineaire rail, etc.). De operatorervaring is hetzelfde, of het nu gaat om traditionele vezelplaatsing, robotische vezelplaatsing, 3D-printen, robotisch 3D-printen of elk CNC-bewerkingsproces.

Machineontwerpsimulatie: De werktuigmachine-industrie heeft lang de verwachtting gekooid om de digitale tweeling van een machine, vorm of deel virtueel te ontwerpen, testen en herontwerpen voordat de daadwerkelijke productie begint. In de luchtvaart heeft de schiere grootte van een machine of een deel fysiek prototypen met name duur gemaakt.

Traditionele trial-and-error prototyping zou massive verliezen in tijd en materiaal opleveren. Om aan deze beperkingen te ontkomen, ontwikkelden software-ingenieurs bij Ingersoll simulatie-software die procesingenieurs in staat stelt een machine, een vorm of een deel virtueel te ontwerpen en te ontwikkelen. De software omhult de Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK) simulatie-software. De controller verwerkt en simuleert praktisch alle bewerkingscyclusdata en gereedschappaden precies zoals ze op de echte machine uitgevoerd zouden worden, en de Sinumerik Operate interface toont deze exacte digitale tweeling simulatie grafisch.

Grootschalig 3D-printen en frezen

De tergrootste thermoplastische 3D-printers ter wereld trekken de directe aandacht van luchtvaartingenieurs als ze het immense Development Center bij Ingersoll Machine Tools betreden.

Na zich te hebben gewend aan de schiere grootte van de MasterPrint-machine, is het wat de ingenieurs vasthoudt het prospect van sneller prototypen, kortere levertijden en 90 procent reductie in productiekosten. Ingersoll innovatie gaat door met de ontwikkeling van de MasterPrint 5X – een turnkey print-en-frees machine met nog grotere productiviteitsdoorbraken die weer mogelijk is gemaakt door het Siemens Sinumerik 840D sl CNC-platform.

Michael Falk is mechatronica-ingenieur en leidt het Siemens-verkoopteam dat Ingersoll ondersteunt bij de uitrol van de MasterPrint-serie. Falk heeft vaak de reacties van de luchtvaartingenieurs die het Ingersoll Development Center bezoeken, getuige en kan getuigen waarom de "5X"-factor een grote aantrekkingskracht is. "Negenentwintig procent van de tijd heeft alles wat 3D-geprint is, afwerking frezen nodig," zegt Falk. "De nieuwe MasterPrint doet precies dat als een turnkey operatie om de tergrootste onderdelen te produceren met geautomatiseerde kopwisseltechnologie, ontwikkeld door Ingersoll en ondersteund door Siemens."

Falk zegt dat wat luchtvaart- en scheepsbouwingingenieurs nu bij Ingersoll zien, hun vermogen is om procesverbeteringsdoelen te verkennen die ooit onbereikbaar waren. "In oktober 2019 werd de Universiteit van Maine drie Guinness World Records toegekend voor 3D-printen van een 25-voet lange boot die echt kan drijven en mensen kan vervoeren," zegt hij. "Wat opmerkelijk is, is dat Ingersoll-ingenieurs de grotererecord meerdere keren hebben verbroken sindsdien."

Frees-print efficiëntie: De MasterPrint-benadering voor grootformaat 3D-printen combineert de versterkte snelheid, behendigheid en nauwkeurigheid van vijf-as beweging. De dezelfde portaal kan nu de functies van printen, frezen, vezelplaatsing, bandleggen, inspectie, trimmen, en meer afwisselen.

3D-printen vanaf elke hoek: Ingersoll lanceert de nieuwe MasterPrint 5X, aldus Falk. De machine kan van elke hoek printen tot zijn volle voordeel. Nu kun je dus snel een massieve vorm of deel maken met de meest efficiënte sequentie. De vijf-as printkop verandert orientatie om veel complexere onderdelen te printen.

Hoogsnelheid synchronisatie: "De sync-acties tijdens het 3D-printen is waar veel van de magie gebeurt," zegt Falk. "Je krijgt mooie onderdelen met consistente draadgeometrie. Het printen vertraagt alleen zo nodig om hoeken, en neemt dan optimale snelheid weer op. Hoeken worden niet overvuld. Er zijn geen invulproblemen, geen inkrimpen van de draad, geen gaten in de tooling en geen materiaalopbouw aan de binnenkant van het deel."

Robotisch 3D-printen: Ingersoll heeft volop voordeel getrokken uit Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, de robotische compensatiesoftware die nu een sleutelfunctie is van de Siemens Sinumerik 840D sl CNC. Ingersoll biedt een breed scala aan robotische systemen waar de CNC op de machine meerdere modules kan besturen die door dezelfde robot bediend worden.

Toolsets voor de toekomst

Jason Melcher en Michael Falk hebben een onvermoeibare enthousiasme getuige onder Ingersoll Machine Tools-ingenieurs die verkennende vragen stellen in een ondersteunende cultuur. Ze beschrijven een laboratoriumomgeving waar een pas afgestudeerde procesingenieur snel dingen leert die zelfs de meest geavanceerde mechatronica-cursussen niet dekken.

Bij Ingersoll worden ingenieurs uitgedaagd om te inventariseren, valideren, leren en een betere bewerkingsproces te bouwen – en ze hebben de tools gekregen om dit te doen.

"Siemens brengt een open toolbox naar het machine-ontwerpproces," zegt Falk.

"Je hebt de vijf-as Sinumerik 840D besturing, een complete set motoren, aandrijvingen en componenten. Je hebt simulatie-software en een open uitnodiging voor derde-partij innovatie. Het komt allemaal samen, met de Sinumerik CNC en zijn virtuele tegenhanger, de VNCK-kernel, als de hersenen van een veel meer geëvolueerd bewerkingsproces."

Nate Haug is procesingenieur bij Ingersoll. Hij is een van de vele geïnspireerde ingenieurs bij het bedrijf die getuigt van de voordelen van een meer open set CNC- en bewegingstools. "Siemens begint met een programmeertaal die ons in staat stelt veel meer te doen dan we konden met een 'alleen G-code' gebaseerde besturing," zegt Haug. "Er zijn eigenlijk twee toolsets. Een is de Siemens-taal die een open bereik van functies en variabelen toestaat. De andere toolset laat ons 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 robotische vezelplaatsingsmachine, op een 3D-printer, op een robotische 3D-printer, op werktuigmachines met twee koppen, met verticale, met vijf koppen, met basis elke configuratie."

Haug zegt dat naast verbeteringen bij bestaande machines bij Ingersoll, hij en mede-ingenieurs hun Siemens Sinumerik CNC-toolsets gebruiken om paden naar nieuwe machineontwikkeling te verkennen. Een van die paden is materialenonderzoek.

"Elk materiaal heeft zijn eigen vloeieigenschappen," legt Haug uit. "De Siemens-besturing stelt ons in staat om functies in de code aan te passen voor het materiaal. Het CNC-platform stelt ons in staat om een breder scala aan materialen te onderzoeken."

Materiaaleigenschapsvragen verkennen variabelen als sterkte, krimp, vervorming en het gebruik van isotrope versus anisotrope materialen. Materiaalomvattingen duiken op in de domeinen van snelle prototyping voor burgerlijke, defensie- en infrastructuuraanwendingen. Het concept van een unieke printer ontstaat ook, die ambitieuze initiatieven kan ondersteunen zoals biobased grondstoffen met cellulose afgeleid van houtbronnen.

Machine zelfmonitoring: Hoewel handmatig uitgevoerde visuele inspecties nog steeds gangbaar zijn, worden ze analoge antwoorden op een steeds meer digitaal geautomatiseerde productieuitdaging.

Ingersoll ziet de dag aankomen dat inspecties routinematig een functie van de machine zijn als secundair proces. Een vezelplaatsingsbewerkingsproces zal de opbouw monitoren, controleren op defecten, en de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het deel waarborgen. Op dezelfde manier zal een hybride 3D-printproces een dag printen en frezen back-to-back met naadloos geïntegreerde proces zelfmonitoring.

De ontwikkeling van deze geautomatiseerde zelfinspectieprocessen wordt al ondersteund door het Siemens CNC- en bewegingcontrolplatform, dat nauwkeurige positionering en positioneringsfeedback regelt. Een machine kan afwijkingen detecteren, traceren en rapporteren.

Zoals Ingersoll en Siemens hebben gedemonstreerd, worden de beloofde voordelen van Industrie 4.0 vandaag geïmplementeerd. Met de grenzen voor grootformaat robotische vezelplaatsing en 3D-printen weggehaald, stijgen de verwachtingen naar het maken van doorbraakverbeteringen over het hele deelsproductieproces.

"Het is bigger-picture thinking," zegt Jason Melcher van Ingersoll. "Wanneer we een klant bezoeken, is het om procesverbetering te verkennen. Het gaat niet over een linekaart van machines met vaste features en functies. We treden in gesprekken over op maat gemaakte procesverbeteringen."

Voor ingenieurs in luchtvaart, maritiem, en andere progressieve sectoren, betekent innovatie op grotere schaal dat ze nu een onbeperkte toolbox hebben om te verkennen als nooit tevoren.