KUKA utiliza componentes de compuesto de fibras en DLR

El CFK Nord de Stade es un moderno centro de investigación interempresarial creado para la producción de componentes de plástico de fibra de carbono reforzado (CFRP). Uno de los usuarios es el Centro Alemán de Aeronáutica y Navegación Espacial (DLR). En colaboración con KUKA Industries, el DLR ha desarrollado una instalación de producción automatizada para propósitos de investigación.

La situación de partida

El Centro Alemán de Aeronáutica y Navegación Espacial (DLR) se ha fijado el objetivo de desarrollar tecnologías de producción eficientes para componentes de CFRP. En una nueva línea de producción de 45 metros de longitud se producen componentes de CFRP, como cuadernas, de manera totalmente automatizada. De momento, la fabricación de componentes de CFRP para aviones sigue siendo muy cara e implica un gran esfuerzo manual. El DLR, como una auténtica instalación de investigación, quiere cambiar esto de cara a las futuras generaciones de aviones. 

El CFRP es ligero y estable y, sin embargo, satisface las exigencias más elevadas de los fabricantes de aviones si toda la secuencia del proceso y, con ello, la calidad pueden reproducirse. Por eso, al contrario que el aluminio, el CFRP es adecuado para calidades muy diferentes, por ejemplo cuando las direcciones de las fibras no se trazan de manera óptima o la humedad penetra en la unión a través de los bordes de corte. Además, en el material no se aprecian los daños mecánicos desde fuera. Por esa razón, durante la fabricación debe reinar la más elevada precisión.

La tarea

En la instalación piloto se producen componentes con acabados similares a los finales en forma de cuadernas que proporcionan estabilidad desde el interior del fuselaje de un avión. Se trata de la fabricación automática de preformas textiles, así como del corte de sus bordes y posteriormente de la impregnación con resina epoxi líquida. En un proceso anterior, las diferentes materias primas de las fibras necesarias se desenrollan y se preconfeccionan con un cúter (accionado por una cuchilla circular). Después, los productos semiacabados se almacenan en el correspondiente cajón de un sistema de almacenamiento hasta su utilización. Los sensores fueron un reto importante durante todo el proyecto, ya que la calidad del producto deseada solo podía garantizarse si la capa y el ángulo de las fibras se correspondían exactamente con los especificados. Con los sensores de campo giratorio integrados es posible visualizar y valorar el comportamiento del ángulo de las fibras. En total, los componentes fabricados en la actualidad en esta instalación de investigación tienen hasta 26 longitudes de fibras de carbono.
En total, los componentes fabricados constan de hasta 26 longitudes de fibras de carbono.
El sistema debe ser flexible ya que se trata de una labor de investigación y no de una verdadera producción en serie. Era muy importante que tanto el concepto del sistema como la programación fueran lo más abiertos posible. El cambio de herramientas debía funcionar de forma rápida y sencilla y la programación del robot tenía que ser intuitiva. Los estudiantes deberían ser capaces de realizar nuevas tareas/productos en el sistema tras un corto periodo de formación. Esto también es importante para la aplicación práctica, puesto que un avión comercial de tamaño medio dispone de unos 140 segmentos de cuaderna de los cuales tan solo dos son idénticos.

La solución

La automatización propuesta por KUKA Industries es un robot de drapeado que coge un corte en 2D para transformarlo en el perfil en 3D deseado. Para ello dispone de un brazo que siempre coge solo un corte. La colocación del corte en el portapapeles se realiza mediante un sistema de procesamiento de imágenes. Después de la transformación, el robot de drapeado deposita la preforma en la herramienta de la estación de consolidación. La herramienta es de aluminio fresado y está fijada a una plataforma que tiene una interfaz para la mesa deslizante de la estación de consolidación. La estación de consolidación consta de una prensa de membrana con mesa de prensa móvil. La preforma se calienta con la radiación infrarroja y el polvo que se encuentra en el textil se funde para estabilizar el grupo de capas. 
El aglutinante en polvo que se encuentra en el textil se funde mediante radiación infrarroja para estabilizar el grupo de capas.
Tras este paso de moldeado, el robot de concatenación traslada la preforma consolidada a la herramienta de la estación de corte de bordes fino que se encuentra a continuación. El robot de concatenación se mueve a lo largo de un eje lineal elevado para permitir la mayor libertad de movimiento posible en la nave. El robot enlaza cada una de las estaciones del proceso. La programación de la trayectoria del robot correspondiente se realiza offline mediante datos CAD del módulo y el software de programación de trayectoria fastCURVE de la casa Cenit. Mediante una interfaz adecuada, la unidad de control del ROBOTstarV de Reis permite una trayectoria muy precisa y fluida, ya que no solo se traza de forma «angular» de punto a punto. De esa manera, más adelante también se puede desplazar una trayectoria programada a un valor determinado.
La programación de la trayectoria del robot correspondiente se realiza offline mediante datos CAD del módulo y el software de programación de trayectoria. Mediante una interfaz adecuada, la unidad de control del ROBOTstar de KRC permite una trayectoria fluida y muy precisa. De esa manera, más adelante también se puede desplazar una trayectoria programada a un valor determinado. Gracias a la selección óptima de la herramienta de corte, es posible realizar cortes muy precisos con una cuchilla por ultrasonido sin influir en el material circundante.

Con unas cuantas conversaciones nos dimos cuenta de que no era la primera vez que la empresa de Obernburg había proyectado la automatización de ese tipo de componentes de volumen. Los directores de proyecto fueron capaces de enfocar cada uno de los aspectos del proceso de preforma de manera muy estructurada y de desarrollar un concepto concluyente basado en los componentes estándar.

Sven Torstrick, director de proyecto del Centro de tecnologías de producción para construcciones ligeras de DLR
Técnica de agarre para la manipulación de los componentes de CFRP

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