Revolucionando Colocação Automatizada de Fibra para Aeronaves de Próxima Geração

Se colocação automatizada de fibra (AFP) e colocação automatizada de fita (ATL) foram os processos de fabricação que permitiram aplicação generalizada de compósitos no Boeing 787 e Airbus A350, então também será AFP/ATL que liderará o caminho para a próxima geração de aeronaves comerciais, agora nas pranchetas. A diferença desta vez? Taxa.

A Boeing estima que, até 2037, o mundo precisará de mais de 31.000 novas aeronaves de corredor único para atender à demanda de passageiros. A Airbus prevê necessidade de mais de 28.000 aeronaves de corredor único até 2037. Ambas as empresas estão considerando substituições de seus stalwarts de corredor único — o 737 (Boeing) e o A320 (Airbus). Ambas as empresas devem empregar compósitos significativamente em qualquer nova aeronave que desenvolverem. Ambas as empresas estão dizendo a suas cadeias de suprimentos para esperar taxas de produção para estes aviões de 60-100 aviões por mês, com ênfase em 100. A categoria de corredor único, para ambas as empresas, representa cerca de dois terços da demanda global total, o que significa que o ambiente de fabricação desenvolvido para aeronaves de corredor único se tornará o ambiente de fabricação padrão para aerocompósitos no futuro previsível.

Tudo isso significa que a tecnologia de automação deve ser desenvolvida agora se quiser acompanhar os requisitos de qualidade e taxa de produção de aeronaves de próxima geração. Nada disso é perdido no engenheiro sênior da Electroimpact (EI, Mukilteo, Wash., EUA) Todd Rudberg. Rudberg e EI entraram no mundo dos compósitos em 2004 quando a empresa desenvolveu tecnologia AFP para fabricação da seção 41 do fuselagem dianteiro do 787 fabricada pela Spirit AeroSystems (Wichita, Kan., EUA). A EI subsequentemente produziu sistemas AFP e ATL para fabricação de outras estruturas do 787, estruturas do A350, estruturas de motor e, mais recentemente, longarinas de asa do Boeing 777X. Agora, Rudberg está olhando para o futuro da fabricação de aeronaves de próxima geração e vê oportunidades para AFP melhorar. Substancialmente.

As oportunidades, diz Rudberg, são óbvias quando se olha para os dados. De fato, a EI desenvolveu várias métricas para ajudar a empresa a entender o que sua maquinaria faz bem, e o que pode melhorar. Primeiro, olhando sobre a paisagem AFP de 2019, Rudberg vê inúmeras ameaças à tecnologia AFP atual, incluindo ATL, hand layup, cargas planas de tecidos tecidos e, claro, alumínio.

As métricas AFP que Rudberg desenvolveu vêm de um projeto de demonstrador de produção completa (FPD) para o qual a EI conduziu quatro builds de pré-produção. Dados de um daqueles builds, feito em fevereiro de 2019 com tecnologia AFP "padrão" da EI, revelaram um desafio substancial de utilização de máquina, com o tempo de uso da máquina caindo em um de sete buckets:

• Projeção a laser: 30%
• Execução: 27%
• Inspeção: 22%
• Pausa: 10%
• Parada induzida por operador: 6%
• Recuperação de erro: 3%
• Imagem: 2%

Visto de outra forma, com tecnologia atual, há uma operação de valor agregado em AFP (execução), com todo o mais considerado operações não-valor-agregado. Assim a razão de valor para não-valor operações é 1:3. "A indústria realmente quer 3:1, e eu também," diz Rudberg, "e eu gostaria de fazer isso antes de me aposentar." O objetivo, simplesmente, é reduzir o tempo consumido por operações não-valor-agregado.

Há também uma métrica AFP abrangente que precisa explicação: mean strips before failure (MSBF - tiras médias antes de falha). Esta é a média de tows de fibra colocados entre falhas de colocação. Quanto maior este número, mais confiável a máquina e o processo são. O build FPD de fevereiro, diz Rudberg, teve um MSBF de 5.365.

As metas

Olhando mais de perto a operação AFP, diz Rudberg, a EI tem controle direto sobre apenas três operações: execução, recuperação de erro e inspeção. E é aqui que a empresa está focando seus esforços. Dito isso, Rudberg aponta que o fabricante de fuselagem também tem um papel a desempenhar, particularmente na redução de inspeções de qualidade, pausas e paradas induzidas por operador. "Temos que perceber que tempos de execução ficaram realmente baixos porque máquinas são muito rápidas," ele diz, "e qualquer coisa que é não-valor-agregado tem um impacto massivo na sua utilização. Então, acontece que isto é um esporte de equipe. Não apenas o OEM — eu — tem que fazer melhor, o fabricante de fuselagem também tem alguma responsabilidade."

Para fabricação de aeronaves de próxima geração, Rudberg quer aumentar MSBF para >20.000, aumentar tempo de execução para 77% e eliminar completamente projeção a laser, parada induzida por operador e imagem. Como? Rudberg identifica três áreas de tecnologia que podem facilitar esta transição: creels acionados por servo, inspeção 100% em-processo e gerenciamento de dados, ou EI 4.0.

Todas as três foram avaliadas pela EI em uma série de builds recentes do projeto FPD após aquele build inicial de fevereiro. Dados do próprio projeto FPD provam que a EI está indo na direção certa. Rudberg diz que o sistema AFP usado — chamado MuSCLE — alcançou 1.500 hp potência de pico, aceleração/desaceleração 0,5G, taxa de laydown de 4.000 polegadas/minuto, tempo de virada de cabeça de 1 segundo, velocidade de canto de longarina de 120 graus/segundo e 6.000 MSBF (alcançado em produção).

A conversão para creels de motor servo, e afastando de creels servo-pneumáticos, diz Rudberg, foi feita para aumentar velocidade de colocação de tow, precisão de colocação de tow, controle de tensão de tow e confiabilidade geral do build. A empresa gastou os últimos dois anos trabalhando em um drive servo compacto que pode ser instalado na cabeça modular da EI. Os resultados da tecnologia, até agora, são promissores; testes mostram: 15.000 MSBF, 87% velocidade de adição mais rápida, 36% velocidade de corte mais rápida, melhor precisão de colocação de extremidade. Além disso, a EI provou que o sistema de creel servo motor poderia ser usado para colocar fibras de carbono secas.

A chave para inspeção é a parte "em-processo". A EI já tem tecnologia de inspeção, desenvolvida com Aligned Vision (Chelmsford, Mass., EUA) e implantada na linha de fabricação de asa do 777X que usa tecnologia laser e visão para verificar laps, gaps, rugas, erros de colocação de extremidade e detritos de objeto estranho (FOD). Este sistema, no entanto, existe independente do sistema AFP e requer um campo de visão claro para operar — significando que a cabeça AFP deve ser movida. Rudberg e EI desenvolveram um novo sistema de inspeção, chamado RIPIT, que é integral à cabeça AFP e inspeciona colocação de fibra assim que ocorre.

Enquanto Boeing e Airbus consideram processos de fabricação de compósitos fora de autoclave, a capacidade de sistemas AFP de colocar eficientemente fibras de carbono secas será crítica. Este demonstrador de longarina mostra fibra seca colocada por um sistema Electroimpact. Fonte | Electroimpact

A EI não divulgará a natureza da tecnologia por trás do RIPIT exceto para dizer que não é baseada em laser ou visão. De qualquer forma, Rudberg diz que testes do sistema revelam que ele é capaz de detectar, em tempo real, deslizamento de tow para ±0,030 polegada, colocação de adição para ±0,050 polegada e colocação de corte para ±0,050 polegada. Além disso, diz Rudberg, "Fizemos muitos testes correlacionando dados RIPIT com o sistema de visão qualificado pela Boeing [sistema Aligned Vision usado no 777X] e obtemos correlação."

O valor do gerenciamento de dados, diz Rudberg, repousa na capacidade dos sistemas da EI de ajudar fabricantes a ver mais claramente quão bem o processo AFP está funcionando. Para esse fim, a EI desenvolveu software de visualização de dados — EI 4.0 — que oferece visibilidade não apenas em como uma dada máquina performou (baseado em MSBF) durante um dado build, mas como tows e sequências individuais performaram. Basicamente, o software ajuda o operador a ver exatamente onde na cabeça AFP o problema está. "Então, usaremos este EI 4.0 para indicar onde eles [operadores] precisam ir olhar na cabeça AFP para fazer mudanças," Rudberg diz.

Usando este software, é possível exibir graficamente MSBF para uma variedade de funções de máquina e identificar tows de fibra problemáticos e sequências particularmente desafiadoras. O software também mede e reporta outras atividades de máquina que podem erodir utilização. Usando estas ferramentas de gerenciamento de dados, a EI foi capaz de otimizar e reduzir o tempo de build para o OPS de mais de 50 minutos para pouco menos de 40 minutos. Outras ferramentas incluem comparações de desempenho de turno e comparações de ângulo de ply.

"Eu acredito que utilização de 75% é uma meta ou expectativa realista," Rudberg afirma. "Mas, vai requerer trabalho em equipe, vai requerer iniciativa organizacional e follow-through do fabricante de fuselagem, vai requerer nossa tecnologia melhorada, vai requerer melhor manutenção preventiva e preditiva, e melhores ferramentas para analisar uso de célula e performance de máquina."