Composites 4.0自动化平台

没有商业案例为教授机器人
德国航空航天中心(DLR)为这款工作单元开发了一种灵活的自动化平台,以建立使用相同的过程 - 干燥非纤维面料,拾取和放置铺设和树脂输注的CFRP AeroS结构的家庭 - 制造像后压舱壁等产品等产品机身面板。没有教授协作机器人,而是根据CAD和工艺定义输入和AI算法来定义他们自己的无碰撞路径,以便采摘和将切割层拾取和将切割层放入工具中。这种AI驱动的自动化是未来智能复合材料4.0工厂的一个基础。
来源|(最佳)DLR结构和设计研究所,(底部)©Kuka AG.

Composites 4.0是工业4.0宇宙中的一个小星系,是商品和服务的设计,生产,交付,经营,维护和退役的数字转型。对于复合材料制造,目标是使用自动化,传感器和数据,5G通信,软件和其他连续不断发展的数字技术,使产品和过程更有效,智能和自适应。

复合材料制造商正在沿着频谱进行这种数字转换。初步步骤包括内联检查和优化过程,以减少浪费和成本,同时增加部分质量和产量。更先进的解决方案对智能,自主生产的工作不仅仅是敏捷,而且响应甚至预期不断变化的市场和客户需求。

“Composites 4.0不是结束,而是一种工具,”莫希尔·埃莫斯议长博士解释道AZL亚琛·亚琛·亚琛大学综合轻型生产中心(德国亚琛,德国),其ICompopte 4.0项目展示了一种适应性过程链,潜力可降低汽车地板锅的成本50-64%。

“刚刚制作数字和数字转换之间存在差异,实际上改变了您业务背后的流程并开启了新的机会和商业模式,”复合零件生产商常务总监Christian Koppenberg争夺Dynexa.(德国Laudenbach)。

“复合材料4.0不仅仅是使用机器人,”迈克尔库克博士,德国航空航天中心(DLR)轻型生产技术中心(ZLP,Augsburg),开发了一种人工智能[AI] - 易用的工作单元,其中协同机器人可以从生产复合后压隔板到机身面板而不重新编程或再培训。“这是确保您不必教授机器人的技术,因为没有业务案例。Composites 4.0不仅仅是提高效率和切割成本。这是公司如何思考和接近生产的变化,这些公司将确定哪些公司生存在哪些公司并没有。“

自适应预成型,RTM

“IComposite 4.0项目的思想是通过将干燥的长玻璃纤维(25-30毫米)喷涂并随后通过自动纤维放置来利用单向(UD)碳纤维的网格来产生从经济高玻璃纤维(25-30毫米)的经济高玻璃纤维(25-30毫米)的磨损件。(AFP),“解释说明。“所选择的示威者,车辆地板锅之后,预先用更昂贵的纺织品制成,也产生了超过60%的浪费。”

复合材料4.0变换所需的光纤喷涂,纤维沉积和随后的树脂传递模塑(RTM)工艺的整合,使得它们彼此反应并基于在步骤之间测量的部分质量来调整(图1)。“我们使用了Apodius GmbH [Aachen,Germany]的机器视觉系统,使用光学激光传感器和相机模块,以表征喷涂预制件的表面拓扑结构,”Umonts说。“Apodius改编了该软件以分析每个方向上的纤维百分比。IComposite 4.0系列与数字设计相比,如果符合机械要求,则决定。如果是,它将应用标准UD电网进行加强。如果没有,它决定在哪里放置额外的UD光纤层。“

AZL Icomposite 4.0项目图自主补偿预成形RTM

图1. IComposite 4.0自适应过程
这款AZL AACHEN LED-PROJECT组合3D光纤喷涂,自动化UD胶带铺设和RTM进入自适应过程链。自动化允许流程基于彼此反应
在预制件质量上,通过步骤之间的光学激光评估。来源|Azl亚琛

然而,这些额外的UD层可能导致部分厚度和几何形状超过公差。“因此,”他解释说,“我们将预成型线与自适应RTM工艺组合,如果需要,通过增加压力机的某些部件的压力,调节零件厚度。”这也是自动化的,旨在替换线路运营商的干预,但它确实需要使用测量数据和标准FEA软件进行零件性能的模拟。

“目前,零件机械性能的仿真是离线执行的,”Umonts说。“我们生成了一个过程和部分变体的数据库,创建了对每个变体的反应并通过FEA进行验证的算法。因此,基于通过线测量的变化,算法指向其执行适当的缓解。要使线路自适应原位,下一步将是添加机器学习。“同时,AZL正在追求许多复合4.0项目,包括自优化的混合热塑性复合材料和注塑部件,具有基于胶带的定制坯料的集成加强。

零缺陷CFRP WINGSKINS

zaero项目(见“复合零件的零缺陷制造”)是另一个关键复合材料4.0项目,该项目于2016年开始。它旨在提高大型碳纤维增强塑料(CFRP)结构的生产力,如翅膀kins。通过使用预浸料AFP或者使用自动内联检查或者,将减少缺陷Danobat的(Elgoibar,西班牙)自动化干材料展示(ADMP,见“证明干燥织物的可行性,输注大型空气结构“)。树脂输注或预浸料治愈期间的过程监测将预测治愈状态和缩短循环时间。收集的过程和缺陷数据与FEA一起使用以预测部分性能。然后将其输入到决策支持工具中,了解如何解决已识别的缺陷。开发CFRP Wingskins的零件流量模拟,当进入该工具时,有助于优化返工策略(图2)。今天,许多这样的部件都是在制造过程中重新准备的,但只有在NDI之后。早期的返工和改进的过程控制确实是ZAERO项目的目标,以及其目标增长的推动者的生产率增加15%,减少了15-20%生产成本和50%的浪费。

Zaero Project Sextarer激光传感器AFP缺陷和自适应过程流程图

图2.零缺陷翼状基金
Zaero Project展示了CFRP加强面板的内联缺陷控制。逆时针显示,逆时针:用于AFP的集成激光传感器,缺陷分类,流程图,显示与FEA模型的组合性能和决策支持工具以及CFRP Wing Skins(右上角)的零件流模拟,以优化返工策略。
来源|PROFACTOR.

到2019年9月期末审查,由项目负责人开发的预浸料AFP传感器PROFACTOR.(Stebtr,奥地利)不仅可以实现自动化的内联检查,而且还可以用来纠正原位的零件。“该传感器可以检测标准缺陷,如间隙,重叠,FOD,模糊球和扭曲的拖带,以及每条牵引的早期和晚期切割,”教务用品的机器愿景头部博士说。可以在省略额外的牵引位置自动校正缺失的拖曳。然而,必须停止机器以删除模糊球或扭转的拖曳。“使用的数据库Dassaultsystèmes'(巴黎,法国)CATIA的3D体验使我们能够根据缺陷的尺寸,形状和类型来计算部分性能的影响。处理PLY中的所有缺陷只需要几秒钟。然后,机器操作员决定可以留下哪些缺陷,并且必须重新工作。“

对于输注过程监测和控制,空中客车(法国图卢兹,法国)通过子公司Infactory解决方案(Taufkirchen,Germany)来开发三种测量温度,固化和树脂流动前面的传感器(参见“用于监测树脂输注流动的传感器“。)”我们已经用CATIA 3D体验集成了这些,并表明可以可靠地获取数据并添加到每个部分的数字线程中,“Eitzinger说。(见在线边栏“Composites 4.0:数字线程与数字双胞胎“。)

三部分示威者的决赛是一个上翼封面,具有三个桁条(见在线边栏“Zaero项目更新“)。为此,Profactor的决策支持工具被证明在合作伙伴Fidamc(马德里,西班牙),连接到零件流模拟 - 基于西门子PLM(Plano,Texas,美国)Tecnomatix植物仿真软件 - 在奥地利的Profactor的服务器上运行。除了构建缺陷数据库外,Zaero还通过机器学习进行了实验。手动设计的生成计算机模型与深度神经网络进行了检测和分类缺陷,实现了Real ADMP监测数据中不同区域(间隙,重叠,牵引,模糊球)的95%正确分类的速率,即使在人工创建的缺陷数据用于深网络培训(类似于超声波测试系统如何在一系列故意缺陷上校准)。

“我们肯定会追求某种下一阶段,”Eitzinger说。同时,PROFACTOR正在自动上篮时为纤维方向和缺陷商业化模块化传感器。Infactory Solutions还提供其AFP和树脂输注传感器,以及纤维置入伙伴Danobat和mtorres.(Torres de Elorz,纳瓦拉,西班牙)现在正在销售他们的设备,整合内联检查。

Dynexa的数字转型旅程

Dynexa是一种专业从事CFRP管和轴的复合零件制造商。“我们一直试图数字化一切,”康普培尔格董事总经理说。“我们已经摆脱了手动和模拟过程,将所有内容集成到我们的ERP [企业资源规划]系统中。但是我们如何在制造中做到这一点?我们了解我们投入工人协议或程序的一切是代码,这是数字转型的基础。但它存储在哪里?在本地服务器上,在云中或机器内?我们会问五个人并获得七个答案,就我们应该做的事情。“(见在线侧边栏,“Composites 4.0:从哪里开始?“)

幸运的是,德国政府已经为大学设立了一项大学计划,为中小企业(中小企业)提供免费行业4.0咨询。Dynexa开始与Darmstadt“Mittelstand(中小企业)4.0”能力中心合作。“他们说不要担心数字建筑,但看起来更多,你需要衡量和如何做到这一点,”Koppenberg召回。“我们选择了一个过程,涉及重要的手动测量,我们知道我们有质量,时间和成本问题。”

Dynexa灯丝绕组
灯丝绕线树脂拾取

图3.数字变换第一步骤
与Darmstadt中小企业4.0竞争力中心合作,Dynexa开发了一种数码相机系统,以监测管/轴厚度,并自动调节树脂拾取器(底部)在灯丝绕组期间(最佳),消除手动测量和提高效率和成本。来源|Dynexa.

Dynexa使用湿灯丝绕组过程。(参见“复合输出轴准备了汽车证明地面。)“一个关键步骤是树脂拾取,其中干纤维在压实辊上运行,从而从树脂浴中卷起。坐在压实辊上是一种刮刀,它决定了在伤口之前与干细丝结合的树脂的量。“如果我们拿起太多的树脂,我们可能超过指定的管直径,”Koppenberg说:“树脂太少,我们的风险低于允许的最小直径。”

“没有测量,你只知道固化后的最终直径,当投资所有的价值时,”他指出。“所以,操作员必须停止机器,测量零件,将其写下来然后重新启动。从多年的经验开始,我们知道层压厚度应该是绕组的每个阶段。因此,操作员比较测量并根据需要调整刮刀以纠正树脂拾取,但这是非常手动并依赖于操作员技能和经验。“

为了数字化这一点,Dynexa与Myriad Laser和相机制造商交谈。“他们会说,'我们有解决方案',但没有人可以做到这一点,”koppenberg说明。然而,Darmstadt团队大学通过计算由于某些物理因素而要求所需的校正,例如来自湿表面的光反射。“现在,我们将绕线机连接到测量装置,以非常标准化的方式运行,”他补充道。

该团队开发了一种校正表和决策算法的数据库,使灯丝绕组机能够知道目标需要的是缠绕的每个阶段。“如果测量装置输入显示树脂拾取不是应该的,”Koppenberg解释说:“Koppenberg解释说”,灯丝绕线机通过调整刮刀来响应刮刀,使其回到规格,而不会停止绕组测量。“

每台绕线机现在都有数字测量系统,以太网卡。“最昂贵的部分是安装并运行到服务器的电缆,”Quips Koppenberg“,但现在我们可以与每台计算机交谈并收集所有数据。”还有另一个好处。“之前,运营商正在计算机上编程,但是一旦我们将它们连接到服务器,我们就可以在任何桌面或笔记本电脑上编程。这进一步减少了停机时间并删除了另一种生产瓶颈。“

第一个数字步骤使Dynexa可以提高其过程控制,质量和效率,使其变得更具成本效益。它也刺激了进一步的转变。

改变复合材料的范式

“我们正在为客户提供新的生态系统,”Dynexa的销售和营销负责人Matthias Bruckhoff说。他举例说:“在亚马逊,你可以看到你买了什么以及何时,以及建议的新产品。我们曾经考虑过客户要求,然后使用我们的计算和工程工具在几天内响应。现在,这将在线。我们的客户将查看产品并计算出几分钟内需要的,成本和交付。这不是新的,而是它对于我们的行业。正如我们释放我们的机器运营商,专注于更多机器和更高级别的任务,我们现在将释放我们的工程团队,专注于更专业和精致的产品。“

机载在线门户复合层压板和零件
机载开发了SABIC的定制自动热塑性复合生产线

图4.按需制造门户
Airborne于2019年推出其在线门户网站(最佳)客户进入设计并获得空中自动化制造单元制造的层压板/零件的成本和估计交付,包括在未来的延伸中,为SABIC开发的Falcon大容量热塑性复合材料(底部)。来源|空降

空降(荷兰海牙)于2019年9月推出了其按需制造门户,以便于2019年9月自动制造复合材料(见“机载发射了复合印刷门户”)。使用此工具,客户将设计进入基于Web的平台。然后系统在飞行中创建机器代码并确定生产持续时间和成本。然后可以定制产品,一旦订购,在自动化制造单元中生产。使用Airbore的自动层压电池(ALC)推出门户,以加工热固性预浸料坯。它将扩展到其他过程,例如,开发的大容量热塑性复合材料(TPC)生产线Sabic的(利雅得,沙特阿拉伯)专业业务部门。

“这个门户网站是我们如何看到复合制造业的数字未来的关键构建块,”空气传播的首席技术官Marcus Kremers说。“五年前,我们从零件制造商业模式改为帮助客户自动化和数字化。我们正在开发一种解决方案组合,使客户能够使用复合材料构建。“该投资组合包括ALC,自动蜂窝盆,自动化帘布层和使用TPC磁带的大容量线,通过空气传播被SABIC和Falcon称为数字复合材料制造线(DCML)。后者是机载的定制解决方案的一个例子。“我们正在将复合材料和零件制造知识嵌入了这些自动化系统中,以便客户不必是专家,”克雷默斯说。

机载有三种商业模式:购买自动化,租用它或将其留下空气传输,通过制造作为服务(MAA)来运营。空中自动化单元具有传感器和内联检查系统,基于客户的缺陷和公差数据库生成警报。“猎鹰系具有非常低的视觉质量缺陷的公差,”克雷默斯笔记“,但我们对航空航天的自动化是由结构公差的更多驱动。我们也不断推进我们的技术,以自我学习和自适应。例如,我们的下一个软件版本用于ALC磁带铺设的功能将能够识别缺陷并在飞行中修改生产计划。“

长期来看,愿景是扩大按需门户,收集分布在多家公司和地区的复合零件生产能力。Kremers Cites Cites Protolabs(Maple Plains,Minn。,美国),提供注塑,金属板,CNC加工或3D印刷的植物,只需一天。相似地,普华的普华(牛津,U.K.)在线应用程序提供模具来制造复合材料,提供从聚氨酯板到钢的材料,包括复合材料和3D印刷工具。“这是组织价值链的不同方式,”克雷默斯说。“我们正在制作计算机和软件,这将使复合部件成为可能。”

AZL AACHEN还采用超快速固结机追求这一目标,该机器开发出生产多层TPC层压板,不到五秒钟。它在2019年商业化,它使用索引(亚琛,德国)机器人,激光辅助AFP涂抹器和25毫米宽的胶带以及一块流动原理 - 在高速印刷行业中最先进的原理 - 生产TPC层压板,简单地加工或以各种厚度完全合并,局部增强剂。“我们的愿景是提供将能够实现在线平台的可扩展机,”Umonts说。“线路可以有多个站点,每个站都有多个AFP涂抹器。客户将进入需求并获取PlyBook,成本和交付的选项。一旦完成,涂抹器互相通信以组织生产,而不是操作员。这是完全智能制作的量身定制复合材料。“

自动化自动化

ZLP的主要重点是自动化CFRP结构的生产。“只有一个部件或程序的自动化是难以理解的,”ZLP团队负责人Florian Krebs,ZLP团队的灵活自动化。“但是,如果您将特定于任务特定机器移动到可重新配置的自动化平台,则现在您拥有业务解决方案。平台越灵活,投资回报率越快。“

打开图像中所示的工作单元被设计为ZLP项目Protec NSR的一部分,以构建遵循相同的过程路线的一系列部件:挑选干燥非粗小织物和树脂输注的替换(见在线侧边栏“没有商业案例为教授机器人“)。“这一过程是为空中客车A350后压舱壁设计的,但您也可以在这条线上制作机身面板或机翼盖,因为这些步骤类似,”克雷布斯说。

“为了实现灵活的自动化平台,需要某些技术砖,包括机器人的算法以及传感器以及如何理解他们产生的数据,”kupke说。“例如,Protec NSR生产线朝向最大模块化设计 - 所有模块相互连接,以展示自配置,校正和优化系统,尺寸和复杂性可扩展。”

显示ZLP机器人工作细胞CFRP AeroS结构的数字自动化的图

图5.用于灵活,智能自动化的数字结构
对于Protec NSR项目,ZLP开发了一种灵活的自动化平台,可以生产CFRP后压散装头(右上)或机身面板(右下)并且简单地更改CAD文件,快速切换在这些之间。工具链中的工程师定义的指令(深蓝色框)控制如何解释CAD数据以自动生成新的流程步骤。
来源|DLR结构与设计研究所

他解释了如图5所示的模块,包括CAD模型,过程定义,允许仿真和执行过程,制造执行模块,获取数据的传感器,用于注释存储数据和数据库的传感器。

“在此图的左侧,您制定计划。然后执行模块实现该计划,“Kupke说。“在流程步骤期间,我们从所有涉及的机器和过程中获取数据,例如,刀具,机器人,建筑物(温度,压力,湿度),摄像机在拾取期间等。我们分析数据在过程中实时,并且还使用元数据自动注释收集的数据,以将其送入数据库,这构成了过程数字双胞胎的基础。数字双胞胎最重要的一点是有一个中央存储库,一个真理的根源。每个部分的CAD模型和流程定义都是其单一的真理来源的一部分。“

使用这些模块到位,该线通过按下按钮自动操作。从CAD模型,生产计划和相机,机器人推断出剪切件的接下来,并在桌子上寻找它(例如,从100个其他切割件)。“他们决定如何配置抓握器来拾取它并将其放在工具中,并知道放置在哪里。”基于生产计划,机器人确定所有流程步骤的每个开始/结束路径,并知道每个过程何时完成。“通常,这些路径由人教授”笔记kupke。“但在我们的系统中,每个路径都自动定义,无碰撞,实时定义。如果更改CAD模型或流程定义,那么机器人将在没有任何其他教学工作的情况下进行调整。但是如果你完全改变零件怎么办?通过这种自动化,您可以使这变得非常迅速。这是灵活生产的途径。 Our role at ZLP is to pave this route by developing technology bricks and linking them together.”

机会和本体

Covid-19大流行突出了灵活的生产价值。它还创造了一个日益不可预测的商业环境。“在过去的两到三年中,一切都挥发了挥发性,”Notes Dynexa的Bruckhoff。“我们的客户希望非常快速地答案,以便回复他们的客户。通过提供我们的新在线生态系统,我们使整个供应链更具竞争力。“

这得到了航空业得到公认的。“我们需要数字基础,用于生产线和整个网站,可以实现水平和垂直整合,”VDI技术部门航天技术董事长Marc Fette表示,德国复合技术中心工程师协会(CTC,Stade,德国),空中客车的R&T子公司。CTC Composites 4.0中的CTC项目包括材料和资产跟踪,协作机器人,高级过程链等。但Fette强调了本体论的需求 - 一种用于数字通信和数据交换的术语和共同方案。(见在线侧栏“Composites 4.0架构和本体“。)

“您需要在给定植物中的所有机器和生产系统的整体网络,”他解释说:“但这也必须扩展到整个价值创造链,包括工程,采购,物流和材料和流程认证等学科, 一方面。另一方面,所有利益攸关方,如供应商,都必须考虑和涉及这一变化过程。我们看到了很多试点项目,但是当您详细展示时,仍然缺乏每个公司或生产链的整体方法的策略。“

他继续说:“我们拥有一个非常大,全球的供应商网络,它们具有相同的要求,以便作为数字连接的供应链运行。我们的大多数供应商都是SME为飞机制造商,空中客车和波音工作。如果没有关于共同标准的讨论,那么您将这些挑战传递给供应商。它们很可能无法遵守所有机器的两套不同标准,包括文档,评估数据,网络安全等。

Fette承认这些是大想法,并表示飞机OEM正在制造解决这些挑战的计划。“但是有很多这样的障碍,而且它非常复杂,不仅仅是技术,而且是社会,经济,符合人体工程学和法律问题 - 这是一个精神上的改变过程。我们只是在一开始。但要取得成功,我们必须明白这些新系统依赖于人民,这些人必须在船上,而不仅仅是在OEM,而是在整个全球网络上。“

“市场越来越突破所有行业,每个人都面临着范式转变,”ZLP的克雷斯斯说明了。“许多人没有看到这是一个机会,”ZLP也会增加kupke。但是那些看到机会设想民主化的对复合材料的民主访问,以及更广泛的市场,包括我们只开始设想的应用程序。

相关内容

碳纤维2021.