KUKA manipule des pièces en matériau composite renforcé de fibres au centre allemand de recherche aéronautique et aérospatiale (DLR)

Le CFK Nord de Stade a été créé en tant que centre de recherche ultramoderne et inter-entreprises pour la production de pièces en plastique renforcé par fibres de carbone. Parmi les utilisateurs figure le DLR, le centre allemand de recherche aéronautique et aérospatiale. Le centre allemand de recherche aéronautique et aérospatiale (DLR) a développé en collaboration avec KUKA une installation de production automatisée à des fins de recherche.

La situation initiale

Le centre allemand de recherche aéronautique et aérospatiale (DLR) s’est fixé pour objectif de développer des technologies de production efficientes pour les pièces renforcées de fibres de carbone. Sur une nouvelle chaîne de production de 45 mètres de long, des pièces renforcées de fibres de carbone (des membrures, par exemple) sont fabriquées de façon entièrement automatisée. Jusqu’à présent, la fabrications de pièces d’avions renforcées de fibres de carbone est très chère et nécessite beaucoup de travail manuel. En tant que centre de recherche, le DLR souhaite changer cela pour les générations d’avions à venir. 

Les pièces renforcées de fibres de carbone sont légères et stables. Cependant, les exigences élevées des constructeurs d’avions ne sont atteintes que lorsque l’ensemble du processus est reproductible, et avec lui, la qualité. Contrairement à l’aluminium, le matériau renforcé de fibres de carbones peut être de qualité très variable, par exemple lorsque les sens des fibres ne sont pas orientés de façon optimale ou lorsque de l’humidité pénètre dans le matériau composite par les arêtes de coupe. De plus, d’éventuels endommagements mécanique ne sont pas visibles de l’extérieur. C’est pourquoi la plus grande précision est de mise lors de la fabrication.

La tâche

Dans l’installation de recherche, des pièces à contours presque définitifs sous forme de membrures chargées de stabiliser le fuselage d’un avion depuis l’intérieur. Il s’agit de la fabrication automatique de la préforme textile ainsi que son délignage et son traitement ultérieur par pénétration de résine époxyde liquide. Lors d’un processus en aval, les différents matériaux bruts en fibres nécessaires sont déroulés et préparés à l’aide d’un cutter (avec couteau circulaire entraîné). Les pièces brutes sont ensuite stockées dans les tiroirs correspondant du système de stockage jusqu’à leur utilisation. Pour l’ensemble du projet, le système sensoriel était un défi particulier. En effet, la qualité de produit souhaitées ne pouvait être garantie que si la position et l’angle des fibres correspondaient exactement aux directives. Le suivi d’angle des fibres est visualisé et évalué à l’aide d’un système sensoriel à champ tournant. Les pièces actuellement fabriquées dans cette installation de recherche sont composées d’un total pouvant atteindre 26 couches de fibres de carbone.
Les pièces terminées sont composées d’un total pouvant atteindre 26 couches de fibres de carbone.
L’installation doit être flexible car il s’agit de commandes à des fins de recherche et non d’une vraie production en série. Une liberté absolue du concept de l’installation et de la programmation était d’une importance décisive. Les changements d’outils devaient fonctionner rapidement et simplement. La programmation des robots devait être intuitive. Les étudiants devaient être en mesure de réaliser de nouvelles tâches / produits après une courte phase d’apprentissage. Ceci est également important pour d’utilisation dans la pratique car un avion de ligne de taille moyenne dispose d’environ 140 segments de membrures dont aucun n’est identique à l’autre.

La solution

L’automatisation apportée par KUKA Industries est un robot pour draper, prélevant une pièce découpée en 2D afin de la former pour qu’elle obtienne le contour en 3D souhaité. Pour ce faire, il dispose d’un préhenseur ne prélevant qu’une pièce découpée à la fois. La position des pièces découpées sur le support intermédiaire est enregistrée par un système de traitement d’images. Après la déformation, le robot pour draper dépose la préforme sur l’outil de la station de consolidation. L’outil est en aluminium détouré et est fixé sur une structure ayant une interface vers la table coulissante de la station de consolidation. La station de consolidation est composée d’une presse à membrane avec une table de presse mobile. La préforme est réchauffée avec des ondes infrarouges et la poudre liante se trouvant sur le textile est fondue afin de stabiliser les différentes couches. 
La poudre liante se trouvant sur le textile est fondue avec des ondes infrarouges afin de stabiliser les différentes couches
Une fois cette étape de déformation exécutée, la préforme consolidée peut être placée par le robot de chaînage dans l’outil de la station de délignage de précision suivante. Le robot de chaînage se déplace le long d’un axe linéaire surélevé, ce qui permet de bénéficier d’un liberté de mouvement maximum dans le hall. Le robot relie les différentes stations de processus les unes aux autres. La programmation de la trajectoire du robot en question est effectuée hors ligne en se basant sur les données CAO de la pièce et sur un logiciel de programmation de trajectoire nommé fastCURVE, de la société Cenit. À l’aide d’une interface correspondante, le contrôleur Reis ROBOTstarV permet de bénéficier d’une trajectoire très fluide et exacte car son apprentissage n’est pas effectué uniquement de façon « angulaire », d’un point à un autre. Ceci permet de décaler ultérieurement une trajectoire programmée d’une valeur définie.
La programmation de la trajectoire du robot en question est effectuée hors ligne en se basant sur les données CAO de la pièce et sur un logiciel de programmation de trajectoire. À l’aide d’une interface correspondante, le contrôleur KRC ROBOTstar permet de bénéficier d’une trajectoire très fluide et exacte. Ceci permet de décaler ultérieurement une trajectoire programmée d’une valeur définie. Une sélection optimale des outils de coupe permet de couper avec une lame à ultrasons sans influencer le matériel environnant.

Après quelques entretiens seulement, nous savions clairement que l’entreprise d’Obernburg ne concevait pas l’automatisation de telles pièces pour la première fois. Les chefs de projet étaient en mesure de considérer les différents aspects du processus de préformage de façon très modulaire et de présenter un concept cohérent en se basant sur les composants standard.

Sven Torstrick, chef de projet au centre des technologies de production de constructions légères du DLR
Technique de préhenseur pour la manutention de pièces renforcées de fibres de carbone

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