KUKA manipuluje podzespołami z kompozytu włóknistego w firmie DLR

CFK Nord w Stade powstało jako najnowocześniejsze i zrzeszające wiele przedsiębiorstw centrum badań, zajmujące się produkcją podzespołów ze wzmacnianego włóknami węglowymi tworzywa sztucznego. Należy do niego m.in. Niemieckie Centrum Lotnictwa i Astronautyki e. V. (DLR). KUKA we współpracy z DLR stworzyła zautomatyzowane urządzenie produkcyjne do celów badawczych.

Sytuacja wyjściowa

Niemieckie Centrum Lotnictwa i Astronautyki e.V. (DLR) postawiło sobie za cel rozwijanie efektywnych technologii produkcji podzespołów CFK. Na nowej linii produkcyjnej o długości 45 metrów w sposób całkowicie automatyczny produkowane są podzespoły CFK takie jak np. wręgi. Dotychczasowa produkcja podzespołów z CFK dla samolotów była bardzo droga i wymagała wysokich nakładów pracy ręcznej. DLR w ramach swoich badań chciało to zmienić, aby przysłużyć się przyszłym generacjom samolotów.

CFK jest lekkie i stabilne, ale spełni wysokie wymagania konstruktorów samolotów dopiero wtedy, gdy cały przebieg procesu, a tym samym jego jakość będzie możliwa do odtworzenia. CFK – w przeciwieństwie do aluminium – może oferować bardzo różną jakość np. gdy kierunki włókien będą nieoptymalnie rozmieszczone lub do kompozytu dostanie się wilgoć przez krawędzie cięcia. Poza tym ewentualne mechaniczne uszkodzenia materiału nie są widoczne z zewnątrz. Dlatego należy zachować maksymalną dokładność podczas produkcji.

Zadanie

Na instalacji testowej produkowane są elementy przestrzenne w formie wręgów o zbliżonych do końcowych konturach, które stabilizują kadłub samolotu od wewnątrz. Chodzi o automatyczną produkcję tekstylnych form wstępnych oraz ich docinanie i późniejsze zaimpregnowanie płynną żywicą epoksydową. We wcześniejszym procesie poszczególne surowe materiały wykonane z włókien są odwijane z rolek, a następnie wstępnie konfekcjonowane za pomocą przyrządu tnącego (z nożem i rolką napędową). Następnie półfabrykaty są odkładane do odpowiednich szuflad systemu magazynowania i przechowywane aż do ich późniejszego wykorzystania. Największym wyzwaniem w trakcie całego projektu były czujniki, ponieważ odpowiednią jakość produktów można zapewnić tylko wtedy, gdy warstwy i kąty ułożenia włókien są idealnie zgodne z zaleceniami. Zintegrowane czujniki prądu wirowego wykonują wizualizację i analizę kątów ułożenia włókien. Aktualnie produkowane w tej instalacji badawczej podzespoły składają się z maks. 26 warstw włókien węglowych.

Gotowe podzespoły składają się z maks. 26 warstw włókien węglowych.

Instalacja musi być elastyczna, ponieważ chodzi o zlecenia badawcze, a nie o prawdziwą produkcję seryjną. Miało to kluczowe znaczenie zarówno dla koncepcji instalacji, jak i możliwości programowania. Wymiana narzędzi musi przebiegać łatwa i szybko, a programowanie robotów powinno być intuicyjne. Studenci po krótkim przeszkoleniu powinni móc realizować nowe zadania/produkty z pomocą instalacji. Jest to ważne również ze względów praktycznych, ponieważ średniej wielkości samolot pasażerski posiada około 140 wręgów, z których każdy jest inny.

Rozwiązanie

W rozwiązaniu automatyzacyjnym KUKA robot drapujący odbiera wykrój 2D, aby nadać mu żądany kontur 3D. Dlatego jest on wyposażony w chwytak, za pomocą którego zawsze pobiera tylko jeden wykrój. Położenie wykrojów na półce pośredniej jest rejestrowane przez system przetwarzania obrazów. Po uformowaniu robot drapujący kładzie formę wstępną na narzędzie stacji konsolidacyjnej. Narzędzie z aluminium ma wyfrezowany kontur i jest przymocowane do podstawy, która jest podłączona do stołu przesuwnego stacji konsolidacyjnej. Stacja konsolidacyjna składa się z prasy membranowej i ruchomego stołu. Za pomocą promieniowania podczerwonego wstępna forma jest rozgrzewana, a znajdujący się na elementach tekstylnych proszek roztapiany, aby ustabilizować warstwy.

Za pomocą promieniowania podczerwonego znajdujący się na elementach tekstylnych proszek jest roztapiany, aby ustabilizować warstwy

Po etapie formowania skonsolidowana forma wstępna jest przenoszona przez robota łączącego do narzędzia stacji docinającej. Robot łączący porusza się wzdłuż osi liniowej, która jest wysoko położona, aby zapewnić maksymalną swobodę ruchów w hali. Robot łączy poszczególne stacje procesu. Programowanie toru danego robota odbywa się offline w oparciu o dane CAD podzespołu i przy pomocy oprogramowania toru fastCURVE firmy Cenit. Za pośrednictwem odpowiedniego interfejsu układ sterowania Reis ROBOTstarV umożliwia wytyczenie płynnego, bardzo dokładnego toru, ponieważ nie jest on wytyczany tylko z punktu do punktu. Dzięki temu zaprogramowany tor można przesunąć później o określoną wartość bezwzględną.
Programowanie toru danego robota odbywa się offline w oparciu o dane CAD podzespołu i przy pomocy odpowiedniego oprogramowania programistycznego. Za pośrednictwem odpowiedniego interfejsu układ sterowania KRC ROBOTstar umożliwia wytyczenie płynnego, bardzo dokładnego toru. Dzięki temu zaprogramowany tor można przesunąć później o określoną wartość bezwzględną. Optymalny dobór narzędzia tnącego pozwala na precyzyjne cięcie za pomocą noża ultradźwiękowego bez ingerowania w sąsiedni materiał.

Już po kilku rozmowach było dla nas jasne, że przedsiębiorstwo z Obernburga nie po raz pierwszy projektuje rozwiązanie automatyzacyjne dla tego typu elementów przestrzennych. Kierownicy projektu potrafili w sposób modułowy podejść do poszczególnych aspektów procesu wstępnego formowania i przedstawić logiczną koncepcję w oparciu o standardowe komponenty.

Sven Torstrick, kierownik projektu w centrum technologii produkcji z elementów lekkich w DLR

Technologia chwytaka umożliwiająca manipulowanie podzespołami CFK

Wyszukaj partnera systemowego KUKA w Twojej okolicy

Tutaj znajdziesz odpowiedniego partnera dla Twojej branży lub Twojego problemu.