Flappybot do DLR: Revolucionando a Manufatura de Compósitos na Convenção 2019

 

O intrigantemente nomeado Flappybot do DLR (Robô flexível de produção, colocação e montagem autônoma) protótipo é uma partida radical das grandes e caras máquinas estáticas comuns na manufatura de grandes componentes aeroespaciais. Esta unidade AFP compacta autônoma é projetada para 'dirigir' diretamente sobre o molde. Fonte | DLR
 

Se a indústria de compósitos deve continuar a crescer e melhorar sua competitividade, ela deve explorar as oportunidades que a digitalização e automação trazem. Duas conferências recentes focadas em aeroespacial na Alemanha olharam para o que o futuro da manufatura de compósitos poderia reservar.

Visitando a fábrica do futuro em Stade

Fábrica do Futuro para Compósitos foi o tema da Convenção de Compósitos deste ano em Stade, Alemanha, realizada 12 a 13 de junho. Organizada conjuntamente pela CFK Valley e.V. (Stade, Alemanha) e Carbon Composites e.V. (Augsburg, Alemanha), o evento atraiu um público recorde de quase 450 pessoas. Uma forte presença dos EUA resultou de uma colaboração com a Iniciativa de Materiais Avançados e Manufatura de Utah (UAMMI, Kaysville, Utah, EUA) como rede parceira e os Estados Unidos como país parceiro.

Na palestra de abertura, intitulada "Digitalização: Transição de Manufatura Assistida por Computador para Automação Assistida por Humano," Dr. Jan Stüve, chefe do Centro de Tecnologia de Produção Leve do Centro Aeroespacial Alemão (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR; Stade, Alemanha) ofereceu um sabor do programa por vir. Tecnologias de fábrica do futuro em desenvolvimento no DLR incluem múltiplos robôs cooperando que trabalham juntos para reduzir tempo de produção e gêmeos digitais de máquinas que permitem otimização de processo. Outra área-chave concerne robôs móveis autônomos para cenários de produção flexíveis. Estes incluem o protótipo FlappyBot, uma unidade de colocação de fibra compacta que viaja sobre o molde. Stüve alertou sobre os perigos potenciais de superautomação e discutiu como a digitalização deve reinserir humanos no processo de manufatura.

A parede traseira CFRP do Audi A8, o maior componente da célula de passageiros, é fabricada pela Voith Composites em processo altamente automatizado permitindo volumes de produção de 65.000 componentes por ano. Fonte | CFK Valley

Em uma segunda palestra, "Manufatura Rápida e Compósitos Termoplásticos — Tendências e Tecnologias," Dr. Robert G. Bryant, engenheiro sênior de materiais do Centro de Pesquisa Langley da NASA (Hampton, Virgínia, EUA), levou os delegados para longe dos confins da fábrica terrestre em direção à construção no espaço. Uma presença humana de longo prazo no espaço exigirá abrigos e plataformas como primeiro passo. Desenvolvimento de foguetes cada vez maiores para colocar estruturas cada vez mais complexas fora do planeta não é economicamente sustentável. Soluções requerem manufatura no local ou próxima. O uso de um processo de colocação de fita avançado sem ferramental (ATP) permitindo consolidação in-situ de peças compósitos termoplásticos poderia ser a resposta. Nesta nova técnica, dois robôs ATP trabalham opostos um ao outro, um para depositar a fita pré-impregnada termoplástica, o outro atuando como o ferramental. Fabricação sem ferramental poderia reduzir o custo da manufatura aeroespacial, melhorando a economia da exploração espacial bem como beneficiando outros setores de mercado (saiba mais em "General Atomics Aeronautical desenvolvendo processo de compósitos termoplásticos sem ferramental").

Sustentabilidade

Avanços na manufatura também devem ser acompanhados por reduções de impacto ambiental. Nessas linhas, na próxima sessão, Jörg Spitzner, fundador da Spitzner Engineers GmbH (Finkenwerder, Alemanha), argumentou que para metas climáticas, tecnologias de emissões negativas são necessárias. A empresa de Spitzner afirma que seu conceito patenteado de turbina eólica Blancair melhora a eficiência da turbina e remove CO₂ da atmosfera. Ar é aspirado para um módulo de filtro montado na nacela, onde CO₂ é separado para armazenamento e reciclagem na produção de combustíveis sintéticos e outras aplicações. O ar limpo é liberado através de aberturas nas pontas das pás do rotor. Um vídeo explicando o conceito está disponível no site da Blancair.

Os organizadores da sessão também apresentaram um conceito para avaliação inteligente de eco-eficiência em produção de compósitos (DLR), e pré-impregnados termofixos endurecidos à temperatura ambiente, com capacidade de fogo, fumaça e toxicidade (FST) (TCR Composites; Ogden, Utah, EUA).

Empoderamento através de simulação

Para o restante do primeiro dia da conferência, a atenção voltou-se para simulação.

Dr. Lars Herbeck, diretor de tecnologia da Voith Composites (Garching, Alemanha), discutiu como o Aplicador de Roving Voith de colocação automática de fibras (AFP) simplifica a cadeia de processo, permitindo um processo de pré-formação automatizado eficiente com tempos de ciclo reduzidos. Ele delineou a simulação estrutural e de processo realizada para a linha de manufatura automatizada capaz de produzir 65.000 componentes por ano para a parede traseira de fibra de carbono reforçada com plástico (CFRP) do Audi A8.

Mark Bludszuweit da MET Motoren- und Energietechnik GmbH (Rostock, Alemanha) explicou como a simulação oferece insight sobre a melhor forma de carregar peças em um autoclave, permitindo otimização do processo de cura e maior produtividade. Um gêmeo digital desenvolvido para o maior autoclave na instalação do DLR em Stade pode rodar em paralelo com o processo real, ou mais rápido para oferecer previsões de comportamento da peça.

Tópicos adicionais de desenvolvimento virtual de processo cobriram modelagem de processos SMC (Grupo ESI; Chartres-de-Bretagne, França) e simulação de processo de painéis sanduíche para entender problemas de esmagamento de núcleo e enrugamento de pré-impregnado no autoclave (Airbus Helicopters; Marignane, França).

Voltando para modelagem virtual de segurança, Jochen Rühl da Reichenbacher Hamuel GmbH (Dörfles-Esbach, Alemanha), parte do Grupo Scherdel, discutiu como uma abordagem baseada em simulação para gerenciar poeira e material particulado produzido durante usinagem de peças CFRP entregou benefícios para clientes como Airbus e Premium Aerotec (Augsburg, Alemanha). Simulações de usinagem e visualização de distribuições particuladas ajudam fabricantes a cumprir legislação de saúde e segurança cada vez mais rigorosa e melhoram resultados de usinagem, bem como reduzem tempo de inatividade e manutenção de máquinas, tudo o que finalmente se traduz em menor custo por peça.

A sessão de simulação também apresentou um projeto patrocinado pela Boeing sobre modelagem virtual de custo de manufatura de compósitos, levando em conta as complexas interações entre design, produção e finanças para identificar drivers de custo (Instituto de Tecnologia de Massachusetts; Cambridge, Mass., EUA), e um conceito de planejamento de fábrica digital baseado em modelagem simulativa de cadeias de valor de compósitos ótimas (Fraunhofer IGCV; Augsburg, Alemanha).

O conceito de usinagem móvel MBFast18 é composto por um veículo guiado automatizado, robô e máquina CNC portátil e oferece produtividade aumentada na manufatura de grandes peças de aeronaves CFRP. Fonte | Fraunhofer IFAM

Vencedores do prêmio

Este ano, dois projetos compartilharam o Prêmio de Inovação CFK Valley e o prêmio em dinheiro de €7.500.

Primeiro lugar (e €4.500) foi para o projeto de sistemas robóticos móveis MBFast18, que desenvolveu um sistema de usinagem CNC móvel baseado em veículo guiado automatizado (AGV) para grandes peças de aeronaves CFRP.

Fonte | Fraunhofer IFAM

Comparado aos caros sistemas de usinagem estáticos atuais para grandes estruturas de aeronaves, sistemas robóticos móveis menores permitem manufatura flexível e maior produtividade.

O sistema MBFast18 emprega uma plataforma autônoma de 4,6 metros construída pela FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG (Fulda, Alemanha), sensores de navegação e segurança fornecidos pela SICK AG (Waldkirch, Alemanha), e uma máquina CNC de 5 eixos da SAUER/DMG MORI (Suhl e Bielefeld, Alemanha). Um rastreador a laser móvel desenvolvido pelo Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Manufatura e Materiais Avançados (IFAM; Stade, Alemanha) posiciona o robô precisamente. A unidade de furação, com espaço de trabalho de até 0,5 metros quadrados, é fixada ao componente usando garras a vácuo; posições de furação são calculadas e transmitidas à máquina usando software desenvolvido pela BCT GmbH (Dortmund, Alemanha). Este conceito também é aplicável a operações de manuseio e montagem e outras indústrias como energia eólica e ferroviária.

Assista a um vídeo sobre o projeto MBFast18:

Segundo lugar foi para a startup Hyconnect GmbH (Hamburgo, Alemanha) por sua tecnologia de união metal-compósito FAUSST. A empresa visa inicialmente o setor naval, onde a união de compósitos a metal é uma barreira maior para adoção mais ampla de compósitos. A solução FAUSST emprega um tecido híbrido consistindo de fibras de vidro e metal tramadas que permite que metais e compósitos sejam firmemente unidos mecanicamente. O lado de fibra metálica é unido a um perfil de aço que pode ser soldado a estruturas metálicas, e o outro lado é laminado ao componente compósito. A tecnologia patenteada diz acelerar significativamente o processo de design e colagem. Aplicações protótipo iniciais estão atualmente sob teste.

Assista a uma introdução ao processo de união FAUSST:

 

Habilitação através de automação

O Dia Dois viu o projeto premiado MBFast18 explorado em mais detalhes em apresentações de Christoph Brillinger, gerente de projeto no Fraunhofer IFAM, e Dr. Gregor Graßl da FFT, que discutiram os desafios de desenvolver sistemas inteligentes de controle de processo e planta para operações multi-robô. Jerome Berg, engenheiro da equipe da Northrop Grumman Innovation Systems (Clearfield, Utah, EUA), descreveu a manufatura automatizada de longarinas de aeronaves Airbus na instalação da empresa em Utah usando um processo AFP desenvolvido internamente, e Uwe Lang da Evonik Resource Efficiency GmbH (Darmstadt, Alemanha) introduziu "Tecnologia Sanduíche 4.0," uma tecnologia de manufatura automatizada para altas taxas de produção que emprega o material de núcleo de espuma ROHACELL da empresa. Um processo de pré-formação altamente automatizado para uma porta de trem de pouso dianteiro de aeronave foi demonstrado em colaboração com DLR e o hub de tecnologia da Airbus CTC GmbH (Stade, Alemanha).

Assista a um vídeo do processo de pré-formação:

 

Fazendo uma jornada à realidade virtual, Felix Hünecke, chefe de desenvolvimento de negócios da ABSOLUTE Reality GmbH (Hamburgo, Alemanha), mostrou como modelos 3D de edifícios podem ser criados, editados e suplementados com imagens, documentos e vídeos para criar ambientes virtuais que podem ser vistos de qualquer lugar do mundo. A empresa criou um tour 3D de um salão de produção do DLR em Stade.

Faça um tour pelo salão de produção do DLR:

Felix Schreiber, CEO, Grupo ARK (Aachen, Alemanha), discutiu os benefícios de processo e custo de dados de máquina estruturados em uma linha de produção de moldagem por transferência de resina (RTM) automatizada, enquanto Sascha Backhaus da CTC GmbH discutiu automação modular em manufatura de compósitos e o projeto Hybr-iT, que está desenvolvendo equipes onde humanos e robôs trabalham juntos com sistemas de assistência baseados em software.

Nenhum evento sobre fábrica do futuro poderia negligenciar o tópico de inteligência artificial (IA), e Amir Ben-Assa, CMO da Plataine (Waltham, Mass., EUA) discutiu as oportunidades e desafios de implementar IA em manufatura de compósitos. Ele apresentou aplicações práticas de IA, de alertas (por exemplo, atrasos de produção ou problemas de qualidade) a recomendações (por exemplo, seleção otimizada de material). Assistentes digitais baseados em IA no Google Glass poderiam ser outra possibilidade, oferecendo interação de usuário "mãos-livres" com IA no chão de fábrica e apresentação de alertas em áudio e vídeo em tempo real.

A Célula Robótica Multifuncional no ZLP Augsburg foi projetada para permitir o desenvolvimento de processos integrados para manufatura de grandes componentes compósitos em escala industrial. Fonte | DLR

Tópicos adicionais incluíram:

• Sensoriamento por fibra óptica para monitoramento inteligente de processo em grandes estruturas compósitos (MT Aerospace AG; Augsburg, Alemanha);
• Um sistema de controle inteligente para manufatura de compósitos automatizada (Centro Nacional de Compósitos, Bristol, Reino Unido);
• Um sistema de controle de qualidade baseado em modelo para termoformagem de pequenos componentes (Faserinstitut Bremen e.V.; FIBRE, Bremen, Alemanha);
• Um processo de moldagem por compressão de termoplásticos reforçados com fibra descontínua para aplicações aeroespaciais, baseado em automação flexível e escalável para grande tamanho de peça (ACT Aerospace; Gunnison, Utah, EUA);
• Um processo RTM isotérmico oferecendo tempos de ciclo reduzidos para produção de peças CFRP de alto volume (Airbus Helicopters)
• Produção em larga escala de perfis termoplásticos de carbono complexos de alto desempenho para longarinas, tubos e eixos de transmissão usando pré-formas de fita near-net-shape e moldagem por injeção (herone GmbH; Dresden, Alemanha). Saiba mais sobre a herone e este processo em "Injeção-formação para estruturas termoplásticas unitizadas de alto desempenho."

10 anos de progresso em Augsburg

Em um evento separado, o 5º Colóquio do DLR sobre Tecnologia de Produção em 15 de maio viu cerca de 200 convidados se reunirem em seu Centro de Tecnologia de Produção Leve (Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie, ZLP) em Augsburg. O evento celebrou o 10º ano do ZLP em Augsburg, onde hoje aproximadamente 60 funcionários focam em automação e digitalização de produção de compósitos.

Uma garra robótica para drapeamento automatizado, parte do processo de manufatura integrada do ZLP Augsburg para componentes estruturais de escala real. Fonte | DLR

O dia começou com duas apresentações da Universidade da Colúmbia Britânica (UBC; Vancouver, Canadá), que iniciou uma cooperação com o DLR em 2016. Prof. Dr. Anoush Poursartip, co-diretor da Iniciativa de Fábrica de Aprendizado Digital da UBC, introduziu o conceito de uma fábrica de aprendizado para compósitos inspirada em hospitais de ensino médico. A fábrica de aprendizado de compósitos, a ser localizada no campus Okanagan da UBC, será projetada para integrar pesquisa e educação com atividades industriais. Um gêmeo digital hospedado na UBC Vancouver combinará dados da fábrica física com simulação para otimizar processos de produção de compósitos aeroespaciais. Em seguida, Prof. Dr. Homayoun Najjaran da UBC e Marian Körber do DLR discutiram otimização de processos de manufatura complexos em ambiente virtual, e como a expertise da UBC em técnicas de aprendizado de máquina e inteligência artificial estão sendo usadas para reduzir tempo e custo de desenvolvimento de sistemas robóticos no DLR. Um método de aprendizado profundo foi usado para treinar a garra robótica do ZLP para drapeamento automatizado, uma parte chave do processo automatizado da instalação de Augsburg para manufatura de grandes peças CFRP. A garra, que possui 127 módulos de sucção com força de sucção variável, reconhece e pega material cortado; os módulos assumem a geometria necessária para drapeá-lo em posição no molde.

Os componentes compósitos termoplásticos para o design de anteparo de pressão traseiro da Premium Aerotec são unidos usando uma técnica de soldagem por resistência desenvolvida no ZLP Augsburg. Fonte | Premium Aerotec

Tecnologias termoplásticas são outro foco para o ZLP Augsburg. Um projeto para desenvolver o primeiro anteparo de pressão traseiro (RPB) termoplástico do mundo para aeronaves de corredor único foi delineado por Ralph Männich e Alexander Sänger da Premium Aerotec GmbH. A empresa está colaborando com ZLP Augsburg, Toray Advanced Composites e o Instituto de Materiais Compósitos (IVW) em um design consistindo de oito segmentos CFRP com longarinas integradas unidos usando tecnologia de soldagem por resistência desenvolvida pelo ZLP. Processos automatizados com tempos de ciclo curtos permitem produção de alto volume. Conclusão da tecnologia (para TRL 6) está programada para 2020 com implementação alvo para 2021/2022. No Paris Air Show de junho, a Premium Aerotec exibiu um demonstrador 1:1 para uma aeronave da série Airbus A320. Comparado aos anteparos de pressão atuais do A320 feitos de componentes de alumínio rebiteados, a peça termoplástica diz entregar as mesmas propriedades mecânicas com economia de peso de 10-15% e redução de 50% no tempo de produção. Na palestra seguinte, Dr. Stefan Jarka e Manuel Endraß do DLR continuaram o tema de soldagem termoplástica, aprofundando nas capacidades de união e END do ZLP Augsburg, e seu papel no projeto RPB.

O ZLP Augsburg está investigando AFP in-situ de compósitos termoplásticos baseada em lâmpada de flash, uma solução de energia pulsada que elimina os enclausuramentos de segurança requeridos para AFP baseada em laser. Fonte | DLR

Compósitos termoplásticos também oferecem oportunidades em aplicações espaciais. Apresentações de Ralf Hartmond, MT Aerospace AG e Lars Brandt, gerente de projeto para aplicações espaciais no DLR, delinearam o desenvolvimento de um estágio superior de foguete de próxima geração Ariane reforçado com fibra de carbono termoplástico. Brandt detalhou o trabalho do DLR em triagem de materiais para o tanque de hidrogênio líquido (LH₂) — onde fibra de carbono PEEK e PAEK de baixo ponto de fusão (LM) oferecem promessa — e desenvolvimento de um processo AFP de compósito termoplástico in-situ para permitir uma abordagem de manufatura aditiva enxuta. O ZLP está benchmarking um novo processo AFP in-situ assistido por lâmpada de flash contra AFP assistido por laser tradicional.

Tecnologias de união serão chave para a introdução bem-sucedida de compósitos termoplásticos em futuras aplicações aeroespaciais. O ZLP em Augsburg desenvolveu um sistema de soldagem ultrassônica contínuo baseado em robô consistindo de um efetor final montado em um robô KUKA QUANTEC KR210 em uma trilha linear de 7 m. Isso foi comprovado em componentes incluindo um painel de fuselagem reforçado e um anteparo de pressão traseiro. Fonte | DLR

O dia concluiu com uma palestra instigante do Prof. Dr. Michael Kupke, chefe do ZLP Augsburg, intitulada "Digitalização e Produção Flexível." Ele perguntou se o surgimento da economia de plataformas digitais apresenta oportunidades ou riscos para fabricantes de compósitos, e apontou que TI está se tornando uma competência central e deve ser tratada como uma vantagem competitiva de valor agregado em vez de um centro de custo. Ele também disse que há uma mudança de paradigma em andamento de planejamento detalhado para auto-organização (produção enxuta) e automação combinada com digitalização. IA, ele diz, torna produção autônoma e flexível possível. No entanto, Kupke concluiu, é essencial valorizar e integrar habilidades humanas, que são vitais para tomada de decisão e melhoria de processo.