Revolucionando a Manufatura de Compósitos: Ferramenta AFP-XS Leve da Addcomposites

 

"Nosso objetivo é reduzir as barreiras à manufatura de compósitos," diz Pravin Luthada, CEO da Addcomposites. A Addcomposites desenvolveu uma ferramenta de colocação automática de fibras (AFP) que monta em qualquer braço robótico existente.

A AFP-XS está disponível para compra, mas também para aluguel. É leve, pesando 6,5 kg vazia, e compacta. "Enviamos numa caixa aproximadamente do tamanho de uma torre de desktop de computador," diz Luthada. "As lâminas de corte de reposição e consumíveis também estão incluídos no custo do aluguel."

Para mim, isso tem alto potencial de disrupção e também é quase inevitável à medida que a indústria avança em direção a linhas de produção inteligentes e fábricas da Indústria 4.0. Já vemos tais linhas estabelecidas pela parceria da Airborne com a SABIC e o Factory 4.0 Testlab na Universidade Swinburne. Também observamos a convergência de AFP e impressão 3D e a combinação de múltiplos processos em sistemas ou células automatizados únicos (ex: AFP e filament winding, usinagem CNC, tratamento de superfície a laser e união, etc.) para alcançar nova flexibilidade, multifuncionalidade e velocidade. Se a Addcomposites tiver sua maneira, grandes e caras células AFP podem logo se tornar coisa do passado.

 

Paixão por manufatura de compósitos acessível

A visão para a ferramenta AFP-XS da Addcomposites originou-se há vários anos enquanto seu CEO trabalhava para a Organização de Pesquisa Espacial Indiana (ISRO). Notavelmente, a Índia é um dos mercados de compósitos que mais cresce, e ainda, "não há sistemas AFP na Índia que eu saiba," diz Luthada. "Na ISRO, lançamos uma licitação para um sistema automatizado para fabricar compósitos, principalmente laminados e estruturas sanduíche para satélites e veículos de lançamento, mas todas as respostas que recebemos eram muito caras. A ISRO foi bastante bem-sucedida em seus programas espaciais, mas continuou a fabricar a maioria de seus produtos compósitos usando colocação manual."

Assim nasceu a paixão de Luthada por desenvolver manufatura de compósitos acessível. "No caminho para fundar a Addcomposites, construí e implantei máquinas de enrolamento de fibra e sistemas de impressão 3D para plásticos e cerâmicas." Quando se mudou para a Finlândia para cursar Mestrado na Universidade Aalto perto de Helsinque, Luthada pôde iniciar um projeto de pesquisa para tornar a automação em compósitos mais acessível. "Aalto não é tão forte em compósitos, mas é muito forte em manufatura digital, graças ao ecossistema de inovação aberta na Finlândia," ele explica. "Fomos capazes de começar do zero e repensar todo o design da cabeça da ferramenta AFP, explorando como manter o custo o mais baixo possível."

 

"Simplesmente abordamos o problema de forma diferente dos fornecedores atuais," diz Luthada. "Onde eles constroem grandes e caras células autônomas, desenvolvemos uma ferramenta que pode plug-and-play na infraestrutura existente — ou seja, qualquer braço robótico. Assim, nossos clientes não precisam investir em outra célula." Ainda assim, a equipe não estava disposta a sacrificar qualidade aeroespacial. Luthada observa que a ferramenta AFP-XS é robusta, construída com peças de alta qualidade. "Nosso principal esforço foi em software e controle."

 

Ecossistema aberto e adaptável para Compósitos 4.0

"Começamos a ver como desenvolver software de programação offline," ele continua. "Conversamos com Dassault Systèmes e Autodesk, entre outros, mas os sistemas ficariam muito caros para nossos clientes. Então, olhamos quais sistemas de software abertos existiam. O vencedor? Rhino 3D. "Está disponível por uma taxa de licença vitalícia de cerca de 1.000 euros," diz Luthada. "Também permite programação visual, o que facilita script de mudanças personalizadas dentro do programa, por exemplo, criar um plano de movimento baseado na linguagem específica de domínio de cada máquina."

"Embora tentemos já fornecer a maior parte do que o usuário precisa," ele continua, "o software foi projetado para que operadores possam acessar os controles e acessar os dados. Conectar e controlar as ferramentas AFP/ATL (colocação automática de fita) atualmente disponíveis a qualquer plataforma de movimento existente como braço robótico ou máquina CNC costuma ser bastante desafiador. Fornecedores de ATL/AFP tipicamente restringem E/S (entrada/saída) da ferramenta. Decidimos, no entanto, usar controles EtherCAT, que operam como um trem de alta velocidade de informação rodando constantemente entre as portas E/S do controlador do braço robótico e a ferramenta. Dados são coletados ou deixados em cada estação com base em comandos predeterminados para fornecer acesso total, feedback e controle da informação transmitida entre o robô e a ferramenta AFP-XS. Essa abordagem permite controle e comunicação em tempo real para aplicações da Indústria 4.0."

Luthada observa que esse ecossistema de abertura proporciona muita flexibilidade. "Permitimos acessibilidade muito alta para que qualquer um trabalhando com CAM (manufatura auxiliada por computador) possa integrar em sua plataforma robótica. Por exemplo, você pode adaptar a AFP-XS para conversar com sistemas de monitoramento em linha ou com um filament winder robótico." Ele nota que provedores de automação reconheceram o que está sendo oferecido desde o comunicado de imprensa inicial da empresa (veja "Addcomposites introduz AFP/ATL plug & play"). "Vários deles entraram em contato conosco, querendo integrar nosso sistema em suas ofertas de células de manufatura." Ainda mais importante, Luthada aponta, "nosso design também torna simples começar e rodar com este sistema."

A AFP-XS usa o software Addpath, uma plataforma aberta baseada no Rhino 3D.
FONTE | Addcomposites

 

Materiais e especificações

A cabeça da ferramenta AFP-XS pode processar fibra seca e fitas pré-impregnadas em larguras de 5 mm a 20 mm. "Conforme desenvolvemos a cabeça da ferramenta, a otimizamos para cada material," explica Luthada. "Começamos primeiro com fibra seca, mas agora estamos trabalhando com pré-impregnado termofixo e pré-impregnado termoplástico de baixa temperatura, ou seja, materiais com Tg abaixo de 200°C, como PLA e poliamida. Ao rodar fita termoplástica, estamos melhorando o sistema para realizar consolidação in-situ (ISC)." Ele diz que a empresa terá em breve uma boa quantidade de dados baseada em um projeto de fita termoplástica ISC que vem conduzindo há algum tempo. "Também estamos rodando pré-impregnado termofixo fora de autoclave (OOA) no final deste mês."

Quanto à cabeça da ferramenta, a Addcomposites desenvolveu cada componente com o objetivo de manter custos baixos, mas alcançar qualidade aeroespacial. "Desenvolvemos nosso próprio cortador," diz Luthada. "Levou muitas iterações, mas é extremamente leve, realmente compacto e robusto. Atualmente atendemos -0/+2 mm em precisão, mas estamos trabalhando para apertar ainda mais as tolerâncias."

O baixo peso de todos os componentes é fundamental. "O peso da cabeça da ferramenta é inferior a 10 kg, variando apenas pela quantidade de fibra que o usuário quer carregar no carretel," diz o gerente de desenvolvimento de negócios da Addcomposites, James Kuligoski. Anteriormente engenheiro de qualidade na Hexcel, ele adiciona, "Isso ajuda a minimizar o tamanho do robô necessário, e assim reduz custos de equipamento e operação."

Para aquecimento, a AFP-XS atualmente usa infravermelho e ar quente. "Não usamos lasers porque são muito caros, além de terem custos operacionais e de manutenção mais altos," nota Kuligoski. Esta é uma razão pela qual termoplásticos de temperatura mais alta ainda estão em P&D. No entanto, a Addcomposites também está explorando outras tecnologias de aquecimento que oferecem desempenho mas são acessíveis.

 

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

A Addcomposites está oferecendo a AFP-XS para compra, mas também para aluguel a taxas de 2.000 a 3.000 euros por mês dependendo do período de aluguel. "Nossa ideia era que mesmo como uma pequena startup ou grupo de pesquisa, você pudesse alugar a ferramenta para ajudar com design de produção," explica Luthada. "Você tem seu FEA e design de peça prontos, mas agora precisa otimizar para manufaturabilidade. O designer pode solicitar uma simulação da manufatura da peça via nosso site. A empresa pode então alugar a ferramenta pelo tempo necessário, plugando-a em um robô disponível. Também podemos fornecer assistência com fornecedores locais de robôs se necessário. Quando terminarem, podem devolver o equipamento ou comprá-lo a preço reduzido."

No início de 2020, a Addcomposites quer lançar este programa para todos os países da UE, começando com França, Alemanha, Polônia e Reino Unido. "No próximo ano, queremos colocar 20 ferramentas na Europa e EUA," diz Luthada.

A Addcomposites já usou a AFP-XS para trabalho de desenvolvimento da indústria espacial na Finlândia e trabalhou com outra empresa finlandesa que desenvolve fitas termoplásticas. Também acabou de completar um projeto de automação de manufatura com o maior fabricante de compósitos da Finlândia e está conduzindo trabalho piloto inicial para uma empresa nos EUA.

"Nosso mercado inclui universidades e centros de pesquisa, mas também empresas pequenas a médias que atualmente fabricam compósitos usando colocação manual e querem ganhar experiência em AFP e automação," diz Kuligoski. "Podemos rodar testes e filmar a máquina enquanto faz as peças. Eles então podem alugar e/ou comprar a ferramenta após vê-la em uso em seus produtos."

 

Como se compara?

Luthada concede que a saída da cabeça da ferramenta AFP-XS ainda não é tão alta quanto as grandes células vendidas atualmente por fornecedores de sistemas AFP. "Mas não perdemos velocidade de deposição," ele contrapõe. "Os materiais que processamos são os mesmos. Vemos resultados muito melhores com fitas que têm baixa variação, como todos os outros. Mas quanto à qualidade dos laminados finais produzidos, não há diferença." Como a empresa não está infundindo ou curando esses laminados finais, mas fornecendo o equipamento para fabricantes, ainda está no processo de coleta de dados de laminados. Com vários programas agora finalizando, ele nota que esses dados serão postados em breve no site da Addcomposites.

"Iniciamos o projeto de pesquisa na Universidade Aalto em 2017 e estabelecemos a Addcomposites em 2018," diz Luthada. "Aprendemos muito trabalhando com uma gama de fabricantes e continuamos a avançar o sistema AFP-XS. Essas melhorias serão distribuídas a todos os usuários conforme são testadas e comprovadas. Agora o sistema funciona com robôs Kuka e está em processo de ser validado com ABB e Universal Robots."

"Acreditamos que compósitos são o futuro para manufatura avançada," diz Kuligoski, "e somos apaixonados por trazer produção inteligente e automatizada a todos os fabricantes de compósitos de forma acessível."

Visite a Addcomposites na Composites Europe, 9 a 12 de setembro (Stuttgart, Alemanha) e fique atento a mais atualizações da CW.