碳纤维2021

Composites 4.0自动化平台

机器人教学没有商业案例
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,(下)©库卡股份有限公司

复合材料4.0是工业4.0领域中的一个小星系,是商品和服务设计、生产、交付、运营、维护和退役的数字化转型。对于复合材料制造业而言,目标是使用自动化、传感器和数据、5G通信、软件和其他不断发展的数字化技术tal技术使产品和流程更加高效、智能和适应性。

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RWTH亚琛大学AZL亚琛综合轻量化生产中心(德国亚琛),其iComposite 4.0项目展示了一种自适应工艺链,有可能将汽车底板成本降低50-64%。

复合材料零件生产商总经理克里斯蒂安·科彭伯格(Christian Koppenberg)认为:“数字化和数字化转型是有区别的,数字化转型实际上改变了企业背后的流程,开启了新的机遇和商业模式。”Dynexa(德国劳登巴赫)。

“复合材料4.0不仅仅是使用机器人,”该项目负责人迈克尔·库普克博士断言德国航空航天中心(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

Emonts解释说:“iComposite 4.0项目的想法是,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铺设(AFP)用单向(UD)碳纤维网格加固,以经济高效的粗纱和丝束制成预制件。”。“所选的演示器是一个车下的后地板,以前用的是更昂贵的纺织品,也产生了60%以上的废物。”

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项目图自动补偿预成型RTM

图1所示。iComposite 4.0自适应过程
该AZL亚琛领导的项目将3D光纤喷涂、自动UD胶带铺设和RTM结合到一个自适应的工艺链中。自动化使工艺能够根据需要相互反应
在步骤之间用光学激光器对预成型质量进行评估。来源| AZL亚琛

然而,这些额外的UD层可能会导致零件厚度和几何形状超过公差。“因此,”他解释道,“我们将预成型线与自适应RTM工艺相结合,如有必要,可通过增加压力机某些零件上的压力来调整零件厚度。”这也是自动化的,旨在取代生产线操作员的干预,但它确实需要使用测量数据和标准FEA软件模拟零件性能。

“目前,零件机械性能的模拟是离线进行的,”Emonts说。“我们生成了一个工艺和零件变化的数据库,创建了算法来应对每个变化,并通过FEA验证这些变化。因此,基于生产线测量的变化,算法指导生产线执行适当的缓解措施。为了使生产线在原地适应,下一步将是添加机器学习。”同时,AZL正在实施众多复合材料4.0项目,包括混合热塑性复合材料的自优化生产和注塑件,以及基于胶带的定制坯料的集成加固。

零缺陷碳纤维布翼蒙皮

ZAero项目(见“复合零件的零缺陷制造”)是另一个关键的复合材料4.0项目 始于2016年。其目的是提高大型碳纤维增强塑料(CFRP)结构(如机翼蒙皮)的生产率。通过使用预浸料或AFP进行自动在线检测,可减少缺陷Danobat的(Elgoibar, Spain)自动干燥物料放置(ADMP,见“证明干织物的可行性,为大型气动结构注入”)。树脂灌注或预浸料固化期间的过程监控可预测固化状态并缩短循环时间。收集的过程和缺陷数据与FEA一起用于预测零件性能。然后将其输入决策支持工具,以解决已识别的缺陷。开发了CFRP翼蒙皮的零件流模拟,当该工具有助于优化返工策略(图2)。如今,许多此类零件在制造过程中进行返工,但仅在NDI后进行。 ZAero项目的目标实际上是更早的返工和改进过程控制,也是其目标生产率提高15%、生产成本降低15-20%和废物减少50%的促成因素。

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项目演示了CFRP加筋板的在线缺陷控制。从左上角逆时针方向显示:AFP的集成激光传感器、缺陷分类、流程图,显示零件性能的FEA建模和决策支持工具的组合,以及CFRP机翼蒙皮的零件流模拟(右上角),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传感器表演者(奥地利斯太尔)不仅实现了自动在线检测,还可用于现场校正零件。“该传感器可检测标准缺陷,如间隙、重叠、FOD、模糊球和扭曲的拖缆,以及每根拖缆的早期和晚期切割。”Profactor的机器视觉负责人Christian Eitzinger博士说。缺失的拖缆可以通过将额外的拖缆精确放置在遗漏的位置来自动纠正。但是,必须停止机器以移除模糊球或扭曲的拖缆。“使用达索系统'(法国巴黎)CATIA的3D经验使我们能够根据缺陷的大小、形状和类型计算对零件性能的影响。处理一层中的所有缺陷只需几秒钟。然后机器操作员决定哪些缺陷可以保留,哪些必须返工。”

对于输液过程的监测和控制,空客(法国图卢兹)与子公司InFactory Solutions(德国Taufkirchen)合作开发了三个传感器,用于测量温度、固化状态和树脂流动前沿(见“用于监测树脂注入流前沿的传感器Eitzinger表示:“我们将这些数据与CATIA 3D经验进行了集成,结果表明,这些数据可以可靠地获取,并添加到每个部件的数字螺纹中。”(参见在线侧栏"复合材料4.0:数字线与数字孪生”.)

三部分演示的最后一部分是带有三个纵梁的上翼盖部分(参见在线侧栏)。ZAero项目更新”). 对于这一部分,Profactor的决策支持工具在合作伙伴FIDAMC(西班牙马德里)进行了现场演示,并与基于西门子PLM(美国德克萨斯州普莱诺)Tecnomatix Plant Simulation软件——在奥地利Profactor的服务器上运行。除了建立缺陷数据库外,ZAero还进行了机器学习实验。人工设计、生成性计算机模型与深度神经网络相结合,检测并分类缺陷,实现了95%的不同缺陷正确分类率真实ADMP监控数据中的租用区域(间隙、重叠、牵引、模糊球),即使在人工创造 缺陷数据用于深度网络培训(类似于在一系列故意缺陷上校准超声波检测系统的方式)。

“我们肯定会进行下一阶段的工作,”艾辛格说。同时,Profactor正在将模块化传感器商业化,用于自动铺层过程中的光纤定向和缺陷。InFactory Solutions还提供AFP和树脂灌注传感器,以及光纤放置合作伙伴Danobat和mtorres.(西班牙纳瓦拉的托雷斯·德埃洛兹)现在正在销售集成在线检测设备。

Dynexa的数字转型旅程

Dynexa是一家专业生产CFRP管和轴的复合材料零件制造商。“我们一直试图将一切数字化,”总经理说 科彭伯格。“我们已经摆脱了手动和模拟流程,将所有内容大部分集成到我们的ERP[企业资源规划]系统。但我们在制造业如何做到这一点呢?我们知道,我们在工人协议或程序中输入的所有内容都是一个代码,这是数字转换的基础。但它存储在哪里?存储在本地服务器上、云中或机器中?我们会询问五个人,并得到七个关于我们应该做什么的答案。”(见在线侧栏,“复合材料4.0:从哪里开始?”)

幸运的是,德国政府为大学设立了一个项目,为中小企业(SME)提供免费的工业4.0咨询。Dynexa开始与达姆施塔特“Mittelstand(SME)4.0”能力中心合作。Koppenberg回忆道:“他们说不要担心数字体系结构,而是更多地关注你需要测量什么以及如何测量。我们选择了一个涉及重大手动测量的过程,我们知道我们存在质量、时间和成本问题。”

Dynexa灯丝绕组
纤维缠绕树脂拾取

图3.数字转换的第一步
Dynexa与Darmstadt SME 4.0能力中心合作,开发了一个数码相机系统,用于监控管/轴的厚度,并自动调整树脂拾取(下)纤维缠绕时(上),消除了手工测量,提高了效率和成本。来源| Dynexa

Dynexa采用湿纤维缠绕工艺。(参见“汽车试验场用复合材料输出轴)“关键步骤是拾取树脂,干燥的纤维被放到压实辊上,压实辊从树脂槽中卷出来。紧靠压实辊的是一个医生刀片,它决定树脂的数量与干燥的长丝缠绕前。“如果我们用太多的树脂,我们可能会超过规定的管直径,”Koppenberg说,“但是用太少的树脂,我们有可能会低于允许的最小直径。”

他指出:“在没有测量的情况下,你只能知道固化后的最终直径,那时所有的价值都已经投入了。”因此,操作员必须停止机器,测量零件,记录下来,然后重新启动。根据多年的经验,我们知道在卷绕的每个阶段层压板的厚度应该是多少。因此,操作员会比较测量值,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。”

为了实现数字化,Dynexa与无数激光和相机制造商进行了交谈。“他们会说,‘我们有了解决方案’,但没有人能让它起作用,”科彭伯格指出。然而,达姆施塔特大学团队利用摄像机来确定由于某些物理因素所需要的校正,例如来自湿表面的光反射。“现在,我们将卷绕机连接到测量装置上,该装置以非常标准化的方式运行,”他补充道。

该团队开发了一个校正表和决策算法数据库,使纤维缠绕机能够了解缠绕特定管的每个阶段需要的目标。Koppenberg解释说:“如果测量装置输入显示树脂拾取不在其应位于的位置,纤维缠绕机将通过调整刮墨刀使其恢复到规格而不停止缠绕进行测量。”

现在每台卷绕机都有数字测量系统,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打趣道,“但现在我们可以与每台机器交谈并收集所有数据。”还有另一个好处。“以前,操作员在机器上编程,但一旦我们将它们连接到服务器,我们就可以在任何台式机或笔记本电脑上编程。这进一步减少了停机时间,消除了另一个生产瓶颈。”

这第一个数字化步骤使Dynexa能够改进其过程控制、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。

复合材料范式的变化

“我们正在逐步为客户提供一个新的生态系统,”Dynexa销售和营销主管Matthias Bruckhoff说。他举了一个例子:“在亚马逊,你可以看到你买了什么,什么时候买了什么,以及建议的新产品。我们过去会根据客户的需求,然后在几天内使用我们的计算和工程工具做出响应。现在,这将在线。我们的客户将在几分钟内查看产品并计算他们需要的产品、成本和交付。这是不是新的,但它为我们的行业。正如我们解放了机器操作员,让他们专注于更多的机器和更高级别的任务一样,我们现在也将解放我们的工程团队,让他们专注于更专业、更复杂的产品。”

复合材料层压板和零件机载在线门户
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
机载于2019年推出了其复合材料在线门户(上)客户输入设计并接收由Airbord的自动化制造单元制造的层压板/零件的成本和预计交付,包括在未来的扩展中,为SABIC开发的Falcon高容量热塑性复合材料生产线(下).源|空气

空运的(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“机载发射复合打印门户”)。使用此工具,客户可以将设计输入基于web的平台。然后,系统动态创建机器代码,并确定生产持续时间和成本。然后可以定制产品,一旦订购,就可以在自动化制造单元中生产。该门户网站是使用机载的自动层压单元(ALC)来处理热固性预浸料的。它将扩展到其他工艺,例如,为其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)专业业务部门。

“这个门户网站是我们如何看待复合材料制造业数字化未来的一个关键组成部分,”Airbord首席技术官Marcus Kremers说。“五年前,我们从零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,使客户能够轻松使用复合材料进行构建。”该产品组合包括ALC、自动蜂窝封装、自动铺层套件和使用TPC磁带的大批量生产线,SABIC称之为数字复合材料生产线(DCML),Airband称之为Falcon。后者是Airband定制解决方案的一个例子。“我们正在将我们的复合材料和零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,”Kremers说。

Airborne有三种业务模式:购买自动化设备、租用或将其留给Airborne,由其通过制造即服务(MaaS)进行运营。机载自动化电池具有传感器和在线检测系统,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自我学习和自我适应。例如,我们的下一个ALC磁带铺设软件版本将有能力识别缺陷并在运行中修改生产程序。”

从长远来看,我们的愿景是扩大按需门户网站,以收集分布在多个公司和地区的复合材料零件生产能力。Kremers引用了Protolabs(美国明尼苏达州Maple Plains),该公司在一天内按需提供注塑、钣金、CNC加工或3D打印原型。同样,普利亚布尔氏(牛津,英国)在线应用提供模具制造复合材料,提供从聚氨酯板到钢的材料,包括复合材料和3D打印工具。“这是组织价值链的另一种方式,”克雷默斯说。“我们正在制造机器和软件,这将使复合材料零件成为可能。”

AZL亚琛公司也在通过其超高速固结机来实现这一目标,该机器的开发目的是在不到五秒钟的时间内生产多层TPC层压板。2019年商业化,使用可信性(德国亚琛)机器人,激光辅助的AFP涂敷器和25毫米宽的UD胶带,以及片流原理-高速印刷行业的最先进的-生产各种厚度的TPC层合板,简单的钉或完全巩固,与当地加强。埃蒙特说:“我们的愿景是提供可扩展的机器,使在线平台成为可能。”线路可以有多个站,每个站有多个AFP应用程序。客户将输入要求,并得到选项的胶合板,成本和交付。一旦确定,申请人之间就会相互沟通以组织生产,而不是与操作者沟通。这是完全智能化的定制复合材料生产。”

自动化

ZLP的主要重点是CFRP结构的自动化生产。“仅一个零件或程序的自动化很难证明是合理的,”ZLP柔性自动化团队负责人Florian Krebs指出。“但是,如果您从特定于任务的机器转移到一个几乎无需额外设置即可重新配置的自动化平台,现在您就有了一个业务解决方案。平台越灵活,投资回报越快。”

开场图像中显示的工作单元是作为ZLP项目PROTEC NSR的一部分设计的,用于构建一系列零件,这些零件遵循相同的工艺路线:拾取并放置干燥的非起毛织物和树脂灌注层(参见在线侧栏“机器人教学没有商业案例“)。“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。

库普克说:“要实现灵活的自动化平台,需要某些技术,包括机器人的算法、传感器以及如何理解它们产生的数据。”。“例如,PROTEC NSR生产线设计为最大模块化——所有模块相互连接,以展示一个自我配置、自我校正和自我优化的系统,在规模和复杂性上可扩展。”

显示ZLP机器人工作细胞CFRP AeroS结构的数字自动化的图

图5。灵活智能自动化的数字结构
对于PROTEC NSR项目,ZLP开发了一个灵活的自动化平台,可以生产CFRP后压力隔板(右上)或机身面板(右下角),只需更改CAD文件即可快速切换。工具链(深蓝色框)中工程师定义的说明控制如何解释CAD数据以自动生成新的工艺步骤。
资料来源| 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。“

这些模块就位后,生产线只需按下一个按钮即可自动运行。通过CAD模型、生产计划和摄像头,机器人可以推断下一个切割件,并在工作台上查找(例如,从100个其他切割件)。“他们决定如何配置夹持器以将其拾取并放置在工具中,并知道将其放置在何处。”根据生产计划,机器人确定所有工艺步骤的每个开始/结束路径,并知道每个步骤何时完成。“通常,这些路径由人教授,”Kupke指出。“但在我们的系统中,每条路径都是自动定义的,无碰撞且实时。如果您更改CAD模型或过程定义,则机器人将适应,而无需任何额外的教学工作。但如果您完全更改零件,会怎么样?有了这种类型的自动化,您可以非常快速地进行更改。这是实现以下目标的途径:灵活的生产。我们在ZLP的角色是通过开发技术砖并将其连接在一起来铺平这条道路。”

机会与本体论

新冠病毒-19大流行突出了灵活生产的价值。它还创造了一个越来越不可预测的商业环境。“在过去的两三年里,一切都变得更加不稳定,”Dynexa的Bruckhoff指出。“我们的客户希望快速得到答案,以便对他们的客户做出响应。通过提供新的在线生态系统,我们使整个供应链更具竞争力。”

这是航空业公认的。“我们需要生产线和整个现场的数字基础,以实现水平和垂直集成,”VDI航空航天技术部主席马克·费特(Marc Fette)说。VDI是德国工程师协会和复合材料技术中心(CTC,Stade,Germany)的首席运营官,是空客的研发子公司。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、高级工艺链等。但费特强调本体论的必要性——一种用于数字通信和数据交换的术语和通用协议。(请参阅联机侧栏“复合4.0架构和本体”.)

“你需要一个完整的网络来连接给定工厂中的所有机器和生产系统,”他解释道,“但这也必须延伸到整个价值创造链,一方面包括工程、采购、物流和材料以及过程认证等学科。另一方面,所有利益相关者,如供应商,都必须考虑并参与这一变革过程。我们看到了许多试点项目,但当你从细节上看,仍然缺乏针对每个公司或生产链的整体方法的战略。”

他接着说:“我们有一个非常大的全球供应商网络,他们也有同样的要求,以数字化连接供应链的方式运作。我们的大多数供应商都是为飞机制造商空客和波音工作的中小企业。如果没有关于共同标准的讨论,那么您就将这些挑战传递给供应商。他们很可能负担不起对所有机器遵守两套不同的标准,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,并表示飞机原始设备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,而且非常复杂,不仅涉及技术,还涉及社会、经济、人体工程学和法律问题——这是一个心理上的改变过程。我们才刚刚开始。但要成功,我们必须明白这些新系统依赖于人,这些人必须在船上,不仅仅是原始设备制造商,而是在其他地方。”整个全球网络。”

ZLP指出:“所有行业的市场都变得越来越分散,每个人都面临着范式转变。”Krebs。“许多人并不认为这是一个机会,”同样来自ZLP的Kupke补充道。但那些看到这一机会的人设想通过composites 4.0实现对复合材料的民主化访问,并由此带来更广阔的市场,包括我们刚刚开始构思的应用程序。

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