Révolutionner la fabrication composite : l'outil AFP-XS léger d'Addcomposites

 

« Notre but est de réduire les barrières à la fabrication de composites », déclare Pravin Luthada, PDG d'Addcomposites. Addcomposites a développé un outil de placement automatisé de fibres (AFP) qui se monte sur n'importe quel bras robot existant.

L'AFP-XS est disponible à l'achat, mais aussi en location. Il est léger, 6,5 kg à vide, et compact. « On l'expédie dans une boîte de la taille d'une tour d'ordinateur de bureau », dit Luthada. « Les lames de coupe de rechange et consommables sont inclus dans le coût de location. »

À mes yeux, cela a un fort potentiel de disruption et est presque inévitable alors que l'industrie avance vers les lignes de production intelligentes Industry 4.0 et usines. On voit déjà de telles lignes établies par le partenariat d'Airborne avec SABIC et le Factory 4.0 Testlab à l'Université Swinburne. On observe aussi la convergence AFP et impression 3D et la combinaison de multiples processus en systèmes ou cellules automatisés uniques (ex: AFP et enroulement filamentaire, usinage CNC, traitement laser surface et assemblage, etc.) pour atteindre nouvelle flexibilité, multifonctionnalité et vitesse. Si Addcomposites a son mot à dire, les grosses cellules AFP coûteuses pourraient bientôt appartenir au passé.

Passion pour une fabrication composite accessible

La vision de l'outil AFP-XS d'Addcomposites est née il y a plusieurs années pendant que son PDG travaillait pour l'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO). Notamment, l'Inde est l'un des marchés composites à la croissance la plus rapide, et pourtant « il n'y a pas de systèmes AFP en Inde que je sache », dit Luthada. « À l'ISRO, on a lancé un appel d'offres pour un système automatisé de fabrication de composites, principalement stratifiés et structures sandwich pour satellites et lanceurs, mais toutes les réponses étaient trop chères. L'ISRO avait beaucoup de succès dans ses programmes spatiaux, mais continuait à fabriquer la plupart de ses produits composites par stratification manuelle. »

C'est ainsi qu'est née la passion de Luthada pour développer une fabrication composite accessible. « En chemin vers la fondation d'Addcomposites, j'ai construit et déployé des machines d'enroulement filamentaire et des systèmes d'impression 3D pour plastiques et céramiques. » Quand il a déménagé en Finlande pour son Master à l'Université Aalto près d'Helsinki, Luthada a pu démarrer un projet de recherche pour rendre l'automatisation dans les composites plus accessible. « Aalto n'est pas si fort en composites, mais ils sont très forts en fabrication numérique, grâce à l'écosystème d'innovation ouverte en Finlande », explique-t-il. « On a pu repartir de zéro et repenser tout le design de la tête d'outil AFP, en explorant comment garder le coût aussi bas que possible. »

 

« On a simplement abordé le problème différemment des fournisseurs actuels », dit Luthada. « Eux construisent de grosses cellules autonomes chères, nous avons développé un outil qui se branche et fonctionne sur l'infrastructure existante — n'importe quel bras robot. Ainsi, nos clients n'ont pas à investir dans une autre cellule. » Pourtant, l'équipe n'était pas prête à sacrifier la qualité aérospatiale. Luthada note que l'outil AFP-XS est robuste, construit avec des pièces de haute qualité. « Notre effort principal était dans le logiciel et le contrôle. »

Écosystème ouvert et adaptable pour Composites 4.0

« On a commencé à regarder comment développer un logiciel de programmation hors ligne », continue-t-il. « On a parlé avec Dassault Systèmes et Autodesk, entre autres, mais les systèmes devenaient trop chers pour nos clients. Alors on a regardé quels systèmes logiciels ouverts existaient. Le gagnant ? Rhino 3D. « Il est disponible pour une licence à vie d'environ 1 000 euros », dit Luthada. « Il permet aussi la programmation visuelle, ce qui facilite l'écriture de modifications personnalisées dans le programme, par exemple créer un plan de mouvement basé sur le langage propre à chaque machine. »

« Bien qu'on essaie déjà de fournir la plupart de ce dont l'utilisateur a besoin », continue-t-il, « le logiciel a été conçu pour que les opérateurs puissent accéder aux contrôles et aux données. Connecter et contrôler les outils AFP/ATL (dépôt de ruban automatisé) actuels à n'importe quelle plateforme de mouvement existante comme un bras robot ou machine CNC est généralement assez difficile. Les fournisseurs AFP/ATL restreignent généralement les E/S (entrées/sorties) de l'outil. Nous avons décidé d'utiliser des contrôles EtherCAT, qui fonctionnent comme un train à grande vitesse d'informations circulant constamment entre les ports E/S du contrôleur du bras robot et l'outil. Les données sont collectées ou déposées à chaque station selon des commandes prédéterminées pour fournir un accès complet, un retour et un contrôle de l'information transmise entre le robot et l'outil AFP-XS. Cette approche permet un contrôle et une communication en temps réel pour applications Industry 4.0. »

Luthada note que cet écosystème d'ouverture offre beaucoup de flexibilité. « On permet une accessibilité très élevée pour que quiconque travaillant avec de la FAO (fabrication assistée par ordinateur) puisse l'intégrer à leur plateforme robotique. Par exemple, vous pouvez adapter l'AFP-XS pour dialoguer avec des systèmes de surveillance en ligne ou avec un enrouleur filamentaire robotique. » Il note que les fournisseurs d'automatisation ont reconnu ce qui était offert dès le communiqué de presse initial de l'entreprise (voir « Addcomposites introduces plug & play AFP/ATL »). « Un certain nombre d'entre eux nous ont contactés, voulant intégrer notre système dans leurs offres de cellules de fabrication. » Encore plus important, Luthada souligne, « notre design rend aussi simple le démarrage et la mise en route de ce système. »

L'AFP-XS utilise le logiciel Addpath, une plateforme ouverte basée sur Rhino 3D.
SOURCE | Addcomposites

 

Matériaux et spécifications

La tête d'outil AFP-XS peut traiter fibres sèches et rubans préimprégnés en largeurs de 5 mm à 20 mm. « En développant la tête d'outil, on l'a optimisée pour chaque matériau », explique Luthada. « On a commencé par fibre sèche mais on travaille maintenant avec préimprégné thermoset et préimprégné thermoplastique basse température, c'est-à-dire matériaux avec Tg sous 200 °C, comme PLA et polyamide. En faisant tourner du ruban thermoplastique, on améliore le système pour effectuer de la consolidation in-situ (ISC). » Il dit que l'entreprise aura bientôt beaucoup de données basées sur un projet de ruban thermoplastique ISC qu'elle mène depuis un moment. « On fait aussi tourner du préimprégné thermoset OOA (hors autoclave) à la fin de ce mois. »

Concernant la tête d'outil, Addcomposites a développé chaque composant dans le but de garder les coûts bas tout en atteignant la qualité aérospatiale. « On a développé notre propre coupeur », dit Luthada. « Ça a pris beaucoup d'itérations, mais il est extrêmement léger, vraiment compact et robuste. On atteint actuellement -0/+2 mm de précision mais on travaille à pousser des tolérances encore plus serrées. »

Le faible poids de tous les composants est clé. « Le poids de la tête d'outil est sous 10 kg, variant seulement selon la quantité de fibre que l'utilisateur veut charger sur la bobine », dit James Kuligoski, responsable développement commercial d'Addcomposites. Ancien ingénieur qualité chez Hexcel, il ajoute : « Cela aide à minimiser la taille du robot nécessaire, et donc réduit coûts d'équipement et d'exploitation. »

Pour le chauffage, l'AFP-XS utilise actuellement infrarouge et air chaud. « On n'utilise pas de lasers car ils sont trop chers, avec des coûts d'exploitation et maintenance plus élevés », note Kuligoski. C'est une raison pour laquelle les thermoplastiques haute température sont encore en R&D. Cependant, Addcomposites explore aussi d'autres technologies de chauffage offrant performance et abordabilité.

AFP via Hardware-as-a-service (HaaS)

Addcomposites propose l'AFP-XS à l'achat, mais aussi en location à des tarifs de 2 000 à 3 000 euros par mois selon la durée. « L'idée était que même en tant que jeune start-up ou groupe de recherche, vous puissiez louer l'outil pour aider au design de production », explique Luthada. « Vous avez votre EFM et design de pièce prêts mais avez besoin d'optimiser pour la fabricabilité. Le designer peut demander une simulation de la fabrication de la pièce via notre site. L'entreprise peut alors louer l'outil aussi longtemps que nécessaire, le branchant sur un robot sur place. On peut aussi aider avec des fournisseurs de robots locaux si nécessaire. Quand ils ont fini, ils peuvent soit retourner l'équipement, soit l'acheter à prix réduit. »

D'ici début 2020, Addcomposites veut déployer ce programme dans tous les pays de l'UE, en commençant par France, Allemagne, Pologne et Royaume-Uni. « L'an prochain, on veut avoir 20 outils en Europe et aux États-Unis », dit Luthada.

Addcomposites a déjà utilisé l'AFP-XS pour du développement industrie spatiale en Finlande et travaillé avec une autre entreprise finlandaise qui développe des rubans thermoplastiques. Elle vient de terminer un projet d'automatisation de fabrication avec le plus grand fabricant de composites de Finlande et mène un travail pilote initial pour une entreprise aux États-Unis.

« Notre marché inclut universités et centres de recherche mais aussi petites et moyennes entreprises qui font actuellement des composites par stratification manuelle et veulent acquérir de l'expérience en AFP et automatisation », dit Kuligoski. « On peut faire des essais et filmer la machine pendant qu'elle fabrique les pièces. Ils peuvent ensuite louer et/ou acheter l'outil après l'avoir vu en action sur leurs produits. »

Comment ça se compare ?

Luthada concède que le débit de la tête d'outil AFP-XS n'est pas encore aussi élevé que les grosses cellules vendues actuellement par les fournisseurs de systèmes AFP. « Mais on ne perd pas en vitesse de dépôt », contre-argumente-t-il. « Les matériaux qu'on traite sont les mêmes. On voit de bien meilleurs résultats avec des rubans à faible variation, comme tout le monde. Mais quant à la qualité des stratifiés finaux produits, il n'y a pas de différence. » Comme l'entreprise n'infuse ni ne durcit ces stratifiés finaux elle-même, mais fournit l'équipement aux fabricants, elle est encore en train de collecter des données sur les stratifiés. Avec plusieurs programmes se terminant, il note que ces données seront bientôt publiées sur le site Addcomposites.

« On a commencé le projet de recherche à l'Université Aalto en 2017 et fondé Addcomposites en 2018 », dit Luthada. « On a tellement appris en travaillant avec une gamme de fabricants et on continue de faire progresser le système AFP-XS. Ces améliorations seront déployées pour tous les utilisateurs dès qu'elles sont testées et prouvées. Actuellement le système fonctionne avec robots Kuka et est en cours de validation avec ABB et Universal Robots. »

« On croit que le composite est l'avenir de la fabrication avancée », dit Kuligoski, « et on est passionnés d'apporter une production intelligente et automatisée à tous les fabricants de composites de façon abordable. »

Visitez Addcomposites à Composites Europe, 9-12 sept. (Stuttgart, Allemagne) et restez à l'écoute pour plus de mises à jour de CW.