Le Flappybot du DLR : révolutionner la fabrication composite à la Convention 2019

 

Le Flappybot (Flexible autonomous production, placement and assembly robot) du DLR, intriguant nom, prototype est une rupture radicale avec les grosses machines statiques chères communes dans la fabrication de grands composants aérospatiaux. Cette unité AFP compacte autonome est conçue pour « rouler » directement sur le moule. Source | DLR
 

Si l'industrie des composites veut continuer à croître et améliorer sa compétitivité, elle doit exploiter les opportunités qu'apportent digitalisation et automatisation. Deux récentes conférences axées aérospatiale en Allemagne ont regardé ce que l'avenir de la fabrication composites pourrait réserver.

Visiter l'usine du futur à Stade

Future Factory for Composites était le thème de la Composites Convention de cette année à Stade, Allemagne, tenue 12-13 juin. Organisée conjointement par CFK Valley e.V. (Stade, Allemagne) et Carbon Composites e.V. (Augsbourg, Allemagne), l'événement a attiré une affluence record de près de 450 personnes. Une forte présence US résultait d'une collaboration avec l'Utah Advanced Materials and Manufacturing Initiative (UAMMI, Kaysville, Utah, États-Unis) comme réseau partenaire et les États-Unis comme pays partenaire.

Dans la keynote d'ouverture, « Digitalisation : Transition de la Fabrication Assistée par Ordinateur à l'Automatisation Assistée par Humain », Dr. Jan Stüve, chef du Centre pour Technologie de Production Légère au Centre Aérospatial Allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ; DLR ; Stade, Allemagne) a donné un avant-goût du programme. Technologies future factory en développement au DLR incluent robots multi-coopérants travaillant ensemble pour réduire temps de production et jumeaux numériques de machines permettant optimisation processus. Autre domaine clé : robots mobiles autonomes pour scénarios production flexibles. Ceux-ci incluent le prototype FlappyBot, une unité de placement fibres compacte qui se déplace sur le moule. Stüve a mis en garde contre dangers potentiels de sur-automatisation et discuté comment la digitalisation devrait réimpliquer les humains dans le processus de fabrication.

Le mur arrière CFRP de l'Audi A8, plus grand composant de la cellule passager, est fabriqué par Voith Composites en procédé hautement automatisé permettant volumes de 65 000 composants/an. Source | CFK Valley

Dans une seconde keynote, « Fabrication Rapide et Composites Thermoplastiques — Tendances et Technologies », Dr. Robert G. Bryant, ingénieur matériaux senior au NASA Langley Research Center (Hampton, Virginie, États-Unis), a emmené les délégués hors des limites de l'usine terrestre vers la construction dans l'espace. Une présence humaine long-terme dans l'espace nécessitera abris et plateformes comme première étape. Le développement de fusées toujours plus grosses pour placer structures de plus en plus complexes hors-planète n'est pas économiquement durable. Les solutions requièrent fabrication sur site ou à proximité. L'utilisation d'un procédé de placement de ruban avancé sans outillage (ATP) permettant consolidation in-situ de pièces composites thermoplastiques pourrait être la réponse. Dans cette nouvelle technique, deux robots ATP travaillent l'un en face de l'autre, l'un pour déposer le ruban préimprégné thermoplastique, l'autre agissant comme outil. La fabrication sans outillage pourrait réduire le coût de la fabrication aérospatiale, améliorant l'économie de l'exploration spatiale ainsi que bénéficiant d'autres secteurs (en savoir plus dans « General Atomics Aeronautical developing toolless thermoplastics composites process »).

Durabilité

Les avancées en fabrication doivent aussi s'accompagner de réductions d'impact environnemental. Dans ce sens, à la session suivante, Jörg Spitzner, fondateur de Spitzner Engineers GmbH (Finkenwerder, Allemagne), a argumenté que pour atteindre objectifs climat, technologies à émissions négatives sont nécessaires. L'entreprise de Spitzner revendique que son concept breveté d'éolienne Blancair améliore à la fois l'efficacité de l'éolienne et retire le CO₂ de l'atmosphère. L'air est aspiré dans un module filtre monté sur la nacelle, où le CO₂ est séparé pour stockage et recyclage dans production carburants synthétiques et autres applications. L'air nettoyé est relâché par ouvertures aux extrémités pales rotor. Une vidéo expliquant le concept est dispo sur le site Blancair.

Les organisateurs de session ont aussi présenté un concept d'évaluation éco-efficacité intelligente en production composites (DLR), et préimprégnés hors autoclave température ambiance, durcis, avec capacité feu, fumée et toxicité (FST) (TCR Composites ; Ogden, Utah, États-Unis).

Autonomisation par simulation

Pour le reste du premier jour, l'attention s'est tournée vers la simulation.

Dr. Lars Herbeck, CTO chez Voith Composites (Garching, Allemagne), a discuté comment l'Applicateur de Roving Voith, machine de placement fibres automatisé (AFP), simplifie la chaîne de processus, permettant un processus de préformage automatisé efficace avec temps de cycle réduits. Il a décrit la simulation structurelle et processus réalisée pour la ligne de fabrication automatisée capable de produire 65 000 composants/an pour le mur arrière CFRP de l'Audi A8.

Mark Bludszuweit de MET Motoren- und Energietechnik GmbH (Rostock, Allemagne) a expliqué comment la simulation offre un aperçu de la meilleure façon de charger pièces dans un autoclave, permettant optimisation du processus durcissement et productivité accrue. Un jumeau numérique développé pour le plus grand autoclave au site DLR de Stade peut tourner en parallèle avec le processus réel, ou plus vite pour offrir prédictions comportement pièce.

Autres sujets développement processus virtuel : modélisation procédés SMC (ESI Group ; Chartres-de-Bretagne, France) et simulation processus panneaux sandwich pour comprendre écrasement âme et froissage préimprégné en autoclave (Airbus Helicopters ; Marignane, France).

Tournant vers modélisation sécurité virtuelle, Jochen Rühl de Reichenbacher Hamuel GmbH (Dörfles-Esbach, Allemagne), partie de Scherdel Gruppe, a discuté comment une approche simulation pour gérer poussières et particules produites lors usinage pièces CFRP a livré bénéfices pour clients comme Airbus et Premium Aerotec (Augsbourg, Allemagne). Simulations usinage et visualisation distributions particulaires aident fabricants à se conformer à législation santé/sécurité qui se durcit et améliorent résultats usinage, ainsi que temps d'arrêt machine et maintenance réduits, tout se traduisant finalement en coût par pièce plus bas.

La session simulation a aussi présenté un projet sponsorisé Boeing sur modélisation coûts virtuelle fabrication composites, prenant en compte interactions complexes entre design, production et finance pour identifier drivers coûts (MIT ; Cambridge, Mass., États-Unis), et concept planification usine digitale basé sur modélisation simulative chaînes valeur composites optimales (Fraunhofer IGCV ; Augsbourg, Allemagne).

Le concept d'usinage mobile MBFast18 est composé d'un véhicule guidé automatisé, robot et machine CNC portable et offre productivité accrue dans fabrication grands pièces CFRP aéronautiques. Source | Fraunhofer IFAM

Gagnants prix

Cette année, deux projets se partagent le CFK Valley Innovation Award et les 7 500 €.

Première place (et 4 500 €) au projet systèmes robotiques mobiles MBFast18, qui a développé un système d'usinage CNC mobile basé AGV pour grandes pièces aéronautiques CFRP.

Source | Fraunhofer IFAM

Comparé aux systèmes d'usinage statiques chers d'aujourd'hui pour grandes structures aéronautiques, systèmes robotiques mobiles plus petits permettent fabrication flexible et productivité plus haute.

Le système MBFast18 emploie une plateforme autonome 4,6 m construite par FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG (Fulda, Allemagne), capteurs navigation/sécurité fournis par SICK AG (Waldkirch, Allemagne), et machine CNC 5 axes de SAUER/DMG MORI (Suhl et Bielefeld, Allemagne). Un traceur laser mobile développé par l'Institut Fraunhofer pour Technologie de Fabrication et Matériaux Avancés (IFAM ; Stade, Allemagne) positionne le robot précisément. L'unité perçage, avec espace travail jusqu'à 0,5 m², est serrée au composant par pinces vide ; positions perçage calculées et transmises à la machine via logiciel développé par BCT GmbH (Dortmund, Allemagne). Ce concept s'applique aussi à opérations manutention et assemblage et autres industries comme éolien et rail.

Regardez vidéo sur projet MBFast18 :

Deuxième place à la start-up Hyconnect GmbH (Hambourg, Allemagne) pour sa technologie d'assemblage métal-composite FAUSST. L'entreprise vise initialement le secteur construction navale, où l'assemblage composites-métal est barrière majeure à adoption plus large composites. La solution FAUSST emploie un tissu hybride consistant en fibres verre et métal tricotées chaîne qui permet d'assembler fermement métal et composites mécaniquement. Le côté fibre métal est joint à un profil acier soudable aux structures métal, et l'autre côté est laminé au composant composite. La technologie brevetée accélérerait significativement processus design et collage. Applications prototypes initiales actuellement en test.

Regardez introduction procédé assemblage FAUSST :

 

Habilitation par automatisation

Jour 2 a vu le projet MBFast18 primé exploré en détail dans présentations de Christoph Brillinger, chef projet Fraunhofer IFAM, et Dr. Gregor Graßl de FFT, qui ont discuté défis développement systèmes contrôle processus et usine intelligents pour opérations multi-robots. Jerome Berg, ingénieur staff chez Northrop Grumman Innovation Systems (Clearfield, Utah, États-Unis), a décrit la fabrication automatisée de longerons d'avion Airbus sur site Utah de l'entreprise utilisant un procédé AFP développé en interne, et Uwe Lang d'Evonik Resource Efficiency GmbH (Darmstadt, Allemagne) a introduit « Sandwich Technology 4.0 », technologie fabrication automatisée pour cadences hautes employant leur matériau mousse ROHACELL. Un processus de préformage hautement automatisé pour porte train avant avion a été démontré en collaboration DLR et hub technologique Airbus CTC GmbH (Stade, Allemagne).

Regardez vidéo du processus préformage :

Faisant un voyage dans la réalité virtuelle, Felix Hünecke, chef développement business chez ABSOLUTE Reality GmbH (Hambourg, Allemagne), a montré comment modèles 3D bâtiments peuvent être créés, édités et complétés avec images, documents et vidéos pour créer environnements virtuels visualisables depuis n'importe où dans le monde. L'entreprise a créé une visite 3D d'une salle production DLR à Stade.

Faites une promenade dans la salle production DLR :

Felix Schreiber, PDG, ARK Group (Aix-la-Chapelle, Allemagne), a discuté avantages processus et coûts de données machine structurées dans ligne production RTM (moulage par transfert résine) automatisée, pendant que Sascha Backhaus de CTC GmbH a discuté automatisation modulaire en fabrication composites et projet Hybr-iT, développant équipes où humains et robots travaillent ensemble avec systèmes assistance logiciels.

Pas d'événement usine futur sans intelligence artificielle (IA), et Amir Ben-Assa, CMO de Plataine (Waltham, Mass., États-Unis) a discuté opportunités et défis implémentation IA en fabrication composites. Il a présenté applications pratiques IA, des alertes (ex: retards production ou problèmes qualité) aux recommandations (ex: sélection matériaux optimisée). Assistants numériques IA sur Google Glass pourraient être une autre possibilité, offrant interaction « mains-libres » utilisateur avec IA sur plancher production et présentation temps réel audio/visuelle alertes.

La Cellule Robot Multifonction à ZLP Augsbourg était conçue pour permettre développement processus intégrés pour fabrication grands composants composites à échelle industrielle. Source | DLR

Autres sujets inclus :

• Détection fibre optique pour surveillance processus intelligente grandes structures composites (MT Aerospace AG ; Augsbourg, Allemagne) ;
• Système contrôle intelligent pour fabrication composites automatisée (National Composites Centre, Bristol, Royaume-Uni) ;
• Système contrôle qualité basé modèle pour thermoformage petits composants (Faserinstitut Bremen e.V. ; FIBRE, Brême, Allemagne) ;
• Procédé moulage compression fibres discontinues thermoplastiques pour applications aéronautiques, basé automatisation flexible et scalable à grande taille pièce (ACT Aerospace ; Gunnison, Utah, États-Unis) ;
• Procédé RTM isotherme offrant temps cycle réduits pour production grande série pièces CFRP (Airbus Helicopters) ;
• Production grande série profils thermoplastiques carbone haute performance complexes pour entretoises, tuyaux et arbres transmission باستخدام preforms ruban near-net-shape et moulage injection (herone GmbH ; Dresde, Allemagne). En savoir plus sur herone et ce procédé dans « Injection-forming for high-performance, unitized thermoplastic structures ».

10 ans de progrès à Augsbourg

Dans un événement séparé, le 5e Colloque DLR sur Technologie Production le 15 mai a vu près de 200 invités se rassembler au Centre pour Technologie Production Légère (Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie, ZLP) à Augsbourg. L'événement célébrait les 10 ans du ZLP à Augsbourg, où aujourd'hui environ 60 personnes se concentrent sur automatisation et digitalisation production composites.

Pince robotique pour drapage automatisé, partie du processus fabrication intégré ZLP Augsbourg pour composants structuraux pleine échelle. Source | DLR

La journée a démarré avec deux présentations de l'Université de Colombie-Britannique (UBC ; Vancouver, Canada), qui a commencé une coopération avec DLR en 2016. Prof. Dr. Anoush Poursartip, co-directeur de l'Initiative Usine Apprentissage Numérique UBC, a introduit concept usine apprentissage composites inspirée hôpitaux universitaires médecine. L'usine apprentissage composites, sur campus Okanagan UBC, sera conçue pour intégrer recherche, éducation et activités industrielles. Un jumeau numérique hébergé à UBC Vancouver combiner données usine physique avec simulation pour optimiser processus production composites aérospatiaux. Ensuite, Prof. Dr. Homayoun Najjaran UBC et Marian Körber DLR ont discuté optimisation processus fabrication complexes en environnement virtuel, et comment expertise UBC en techniques apprentissage machine et IA sont utilisées pour réduire temps et coûts développement systèmes robotiques au DLR. Une méthode apprentissage profond a été utilisée pour entraîner la pince robotique ZLP pour drapage automatisé, partie clé du processus automatisé Augsbourg pour fabrication grandes pièces CFRP. La pince, avec 127 modules aspiration à force variable, reconnaît et prend matière découpée ; modules assumant géométrie requise pour draper en position dans moule.

Les composants composites thermoplastiques pour le design culasse arrière Premium Aerotec sont joints par technique soudage par résistance développée à ZLP Augsbourg. Source | Premium Aerotec

Technologies thermoplastiques sont un autre focus pour ZLP Augsbourg. Un projet pour développer la première culasse arrière thermoplastique (RPB) mondiale pour avions monocouloirs a été présenté par Ralph Männich et Alexander Sänger de Premium Aerotec GmbH. L'entreprise collabore avec ZLP Augsbourg, Toray Advanced Composites et Institut Matériaux Composites (IVW) sur design huit segments CFRP avec longerons intégrés joints par technologie soudage par résistance développée ZLP. Processus automatisés cycles courts permettent production grands volumes. Achèvement technologie (TRL 6) prévu 2020 avec implémentation ciblée 2021/2022. Au Salon Aéronautique Paris juin, Premium Aerotec a exposé démonstrateur 1:1 pour Airbus A320 série. Comparé aux culasses actuelles A320 en composants aluminium rivetés, la pièce thermoplastique délivrerait mêmes propriétés mécaniques avec 10-15 % économie poids et 50 % réduction temps production. Dans exposé suivant, Dr. Stefan Jarka et Manuel Endraß DLR ont continué thème soudage thermoplastique, approfondissant capacités assemblage et END ZLP Augsbourg, et son rôle dans projet RPB.

ZLP Augsbourg étudie l'AFP in-situ thermoplastique à lampes flash, solution énergie pulsée qui élimine enceintes sécurité requises pour AFP laser. Source | DLR

Composites thermoplastiques offrent aussi opportunités applications spatiales. Présentations de Ralf Hartmond, MT Aerospace AG et Lars Brandt, chef projet applications spatiales DLR, ont décrit développement étage supérieur carbone thermoplastique pour lanceur Ariane nouvelle génération. Brandt a détaillé travail DLR sur criblage matériaux pour réservoir hydrogène liquide (LH₂) — où carbone PEEK et PAEK bas-fondant (LM) offrent promesse — et développement procédé AFP composite thermoplastique in-situ pour approche fabrication additive lean. ZLP benchmarke nouveau procédé AFP in-situ assisté lampes flash contre AFP laser traditionnel.

Technologies assemblage seront clés pour introduction réussie composites thermoplastiques futures applications aérospatiales. ZLP Augsbourg a développé système soudage ultrasonique continu robotisé consistant en effecteur terminal monté sur robot KUKA QUANTEC KR210 sur rail linéaire 7 m. Prouvé sur composants incluant panneau fuselage raidit et culasse arrière. Source | DLR

La journée s'est conclue avec keynote stimulante de Prof. Dr. Michael Kupke, chef ZLP Augsbourg, « Digitalisation et Production Flexible ». Il a demandé si l'essor économie plateformes numériques présente opportunités ou risques pour fabricants composites, et souligné que l'IT devient compétence cœur et devrait être traitée comme avantage compétitif créateur valeur plutôt que centre coûts. Il a aussi dit qu'il y a un changement de paradigme en cours de planification détaillée vers auto-organisation (production lean) et automatisation combinée digitalisation. L'IA, dit-il, rend possible production autonome flexible. Cependant, Kupke a conclu, il est essentiel de valoriser et intégrer compétences humaines, vitales pour prise décision et amélioration processus.