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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|(上)DLR结构与设计研究所,(底部)©库卡公司

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,而且响应甚至预计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亚琛工业大学亚琛综合轻量化生产中心(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%。

复合材料零部件生产商董事总经理克里斯蒂安•科彭伯格(Christian Koppenberg)表示:“仅仅将产品数字化与真正改变企业背后流程、开辟新机遇和商业模式的数字化转型之间存在差异。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所示。iComposite 4.0自适应过程
这个由AZL亚琛领导的项目将3D纤维喷涂、自动化UD胶带铺设和RTM结合成一个自适应的工艺链。自动化允许流程相互响应
对预成型质量进行了评价,采用了阶梯间的光学激光器。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,零件机械性能的模拟是离线进行的,”Emonts说。“我们生成了工艺和零件变化的数据库,创建了针对每个变化的算法,并通过有限元分析验证这些变化。因此,基于线路测量的变化,算法指导它执行适当的缓解。为了使这条线能够原地自适应,下一步将是添加机器学习。”与此同时,AZL正在进行众多复合材料4.0项目,包括自优化生产混合热塑性复合材料和注射成型零件,并集成了基于胶带的定制坯料加劲。

零缺陷CFRP WINGSKINS

ZAero项目(参见“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)自动干燥材料放置(ADMP,参见“证明干织物的可行性,用于大型航空结构的浸渍”)。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项目演示激光传感器AFP缺陷和自适应工艺流程图

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。“使用的数据库达索系统(法国巴黎)CATIA的3D体验允许我们计算基于缺陷的尺寸、形状和类型对零件性能的影响。在一层中处理所有的缺陷只需要几秒钟。然后机器操作员决定哪些缺陷可以留下,哪些必须返工。”

对于输液过程的监测和控制,空客公司(法国图卢兹)通过子公司InFactory Solutions (Taufkirchen,德国)开发了三种传感器,用于测量温度、固化状态和树脂流动前端(见“用于监测树脂输注流动的传感器Eitzinger说:“我们已经将这些技术与CATIA 3D Experience技术相结合,并表明数据可以可靠地获取并添加到每个部分的数字线程中。”(见在线边栏“复合材料4.0:数字螺纹vs数字孪生“。)

最后的三个部分的演示是一个上翼覆盖分段与三个stringers(见在线侧边栏“ZAero项目更新”)。对于这部分,Profactor的决策支持工具在合作伙伴FIDAMC(马德里,西班牙)现场演示,连接到零件流仿真-基于西门子PLM.(美国德克萨斯州普莱诺)Tecnomatix工厂模拟软件-在奥地利Profactor的服务器上运行。除了建立缺陷数据库,ZAero还进行了机器学习实验。人工设计,生成计算机模型结合深度神经网络检测和分类缺陷,实现了对真实ADMP监测数据中不同区域(间隙,重叠,拖,模糊)的正确率为95%,即使当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.(西班牙纳瓦拉托雷斯·德·埃洛兹)现在正在销售集成在线检测的设备。

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
纤维缠绕树脂拾取

图3所示。数字转换的第一步
与Darmstadt SME 4.0能力中心合作,Dynexa开发了一种数码摄像系统来监控管/轴的厚度,并自动调整树脂拾起(底部)在灯丝绕组期间(上),消除人工测量,提高效率和成本。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“关键的一步是树脂拾取,干燥的纤维被放到压实辊上,压实辊从树脂浴中滚出来。紧压辊的旁边是一个刀片,它决定了在干燥的纤维缠绕之前与之结合的树脂量。“如果我们收集太多的树脂,我们可能会超过指定的管径,”Koppenberg说,“但太少的树脂,我们可能会低于允许的最小直径。”

他指出:“如果不进行测量,你只知道固化后的最终直径,此时所有的价值都已投入其中。”因此,操作人员必须停止机器,测量零件,记录下来,然后重新启动。从多年的经验,我们知道什么层板厚度应该在每个阶段的绕组。因此,操作员可以比较测量结果,并在必要时调整医生刀片,以纠正树脂拾取,但这是非常手动的,依赖于操作员的技能和经验。”

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。

该团队开发了一个修正表和决策算法的数据库,使纤维缠绕机知道需要什么目标,每个阶段的具体管被缠绕。Koppenberg解释说:“如果测量设备的输入显示树脂的位置不正确,纤维缠绕机就会通过调整医生刀片来做出反应,在不停止缠绕测量的情况下将其带回规格。”

每台绕线机现在都有数字测量系统,一个以太网卡。“最昂贵的部分是安装和运行连接到服务器的电缆,”Koppenberg讽刺道,“但现在我们可以与每台机器通话并收集所有数据。”还有一个好处。“以前,操作员是在这些机器上编程,但一旦我们把它们连接到服务器上,我们就可以在任何台式机或笔记本电脑上编程。这进一步减少了停工时间,并消除了另一个生产瓶颈。”

数字化的第一步使Dynexa得以改善其过程控制、质量和效率,使其变得更具成本效益。这也刺激了进一步的转型。

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所示。按需生产门户
Airborne于2019年推出了复合材料在线门户网站(上)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).源|空气

机载(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“Airborne推出复合打印门户”)。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(沙特阿拉伯利雅得)专业业务部。

Airborne首席技术官马库斯•克莱默斯表示:“这个门户网站是我们如何看待复合材料制造数字化未来的关键组成部分。”“五年前,我们从零部件制造业务模式转变为帮助客户实现自动化和数字化。我们正在开发一系列解决方案,使客户可以轻松地使用复合材料进行建造。”这些产品包括ALC、自动蜂窝灌封、自动铺层装配和使用TPC胶带的大批量生产线,SABIC和Airborne分别将其称为数字复合材料生产线(DCML)。后者是空降公司定制解决方案的一个例子。Kremers说:“我们正在将我们的复合材料和零部件制造知识嵌入到这些自动化系统中,这样客户就不必是专家了。”

Airborne有三种商业模式:购买自动化、租用自动化或让Airborne通过制造即服务(MaaS)来运营自动化。机载自动化单元具有传感器和在线检测系统,可根据客户定义的缺陷和公差数据库生成警报。“猎鹰系列的视觉质量缺陷公差非常低,”Kremers指出,“但我们的航空航天自动化更多地是由结构公差驱动的。我们也在不断推进我们的技术,以实现自我学习和自适应。例如,我们的下一个ALC胶带铺设软件版本将具有识别缺陷和修改生产程序的能力。”

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,英国)在线应用程序提供模具制造复合材料,提供材料从聚氨酯板到钢,包括复合材料和3d打印工具。“这是一种不同的组织价值链的方式,”克莱默斯说。“我们正在制造的机器和软件将使这成为可能的复合部件。”

AZL亚琛也在追求这一目标,其超高速整合机开发,以生产多层TPC层压板在不到5秒。它将于2019年商业化Conbility(德国亚琛)的机器人,激光辅助AFP涂布器和25毫米宽的UD磁带,以及片流原理——高速印刷行业的最先进技术——生产TPC层压板,简单地钉住或完全巩固,在各种厚度,局部增强。“我们的愿景是提供可扩展的机器,使在线平台成为可能,”Emonts说。“线路可以有多个站点,每个站点都有多个AFP应用程序。客户将输入要求,并获得胶合板,成本和交付的选项。一旦定稿,应用人员就可以相互沟通来组织生产,而不是操作员。这是定制复合材料的完全智能生产。”

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开发了一个可以生产CFRP后压舱壁的灵活自动化平台(右上)或机身面板(右下),并通过简单地更改CAD文件在这些之间快速切换。工具链(深蓝框)中工程师定义的指令控制如何解释CAD数据以自动生成新的工艺步骤。
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。“

有了这些模块,线路只需按下一个按钮就能自动运行。从CAD模型、生产计划和摄像机中,机器人推断出下一个切割块,并在桌面上寻找它(例如,从其他100个切割块中寻找)。“他们决定如何配置夹具,将其夹起并放置在工具中,并知道将其放置在哪里。”根据生产计划,机器人确定所有工艺步骤的开始/结束路径,并知道每个步骤何时完成。“通常,这些路径是由人类传授的,”库普克说。“但在我们的系统中,每个路径都是自动定义的,没有碰撞,是实时的。如果你改变CAD模型或过程定义,那么机器人将会适应而不需要任何额外的教学工作。但如果你完全改变角色呢?通过这种类型的自动化,您可以非常迅速地进行更改。这是实现柔性生产的途径。 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。“

这是航空界公认的。“我们需要一个数字化生产线和整个网站的基础,使这两个水平和垂直一体化,”马克Fette说,技术部门的主席VDI的航空航天技术,德国工程师协会和首席运营官复合技术中心(CTC,施塔德,德国),空客的r t子公司。复合材料4.0中的CTC项目包括材料和资产跟踪、协作机器人、先进工艺链等。但费特强调了本体的必要性——数字通信和数据交换的术语和通用协议。(参见在线侧边栏“复合4.0体系结构和本体“。)

他解释说:“你需要为给定工厂的所有机器和生产系统建立一个整体的网络,但这也必须延伸到整个价值创造链,一方面包括工程、采购、物流、材料和过程认证等学科。另一方面,所有的涉众,如供应商,必须考虑并参与到这个变更过程中。我们看到了很多试点项目,但当你仔细看时,仍然缺乏对每个公司或生产链进行整体处理的战略。”

他继续表示:“我们拥有一个非常庞大的全球供应商网络,为了作为一个数字化连接的供应链来运营,他们有同样的要求。我们的大多数供应商都是中小型企业,为飞机制造商,空客和波音工作。如果没有关于共同标准的讨论,那么你就把这些挑战交给供应商。他们很可能承受不起对所有机器遵守两套不同标准的代价,包括文档、评估数据、网络安全等。”

费特承认这些都是伟大的想法,并表示飞机制造商正在制定计划来应对这些挑战。“但像这样的障碍还有很多,而且真的很复杂,不仅涉及技术,还涉及社会、经济、人体工程学和法律问题——这是一个心理上的变化过程。我们才刚刚开始。但要想取得成功,我们必须明白,这些新系统依赖于人,而且这些人必须参与,不仅是oem,而是整个全球网络。”

“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。

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