KUKA manipola elementi composti in fibra presso DLR

Il CFK Nord in Stade è un centro di ricerca all’avanguardia e indipendente per le imprese coinvolte nella produzione di componenti in plastica rinforzata con fibre di carbonio. Uno degli utenti è il Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR, ente aerospaziale tedesco). DLR, in collaborazione con KUKA Industries, ha sviluppato un dispositivo di produzione automatizzato a fini di ricerca.

La situazione di partenza

Il Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) si è posto come obiettivo lo sviluppo di tecnologie efficienti per componenti in plastica rinforzata con fibre di carbonio. Componenti rinforzati con fibre di carbonio, per esempio ordinate di aerei, sono prodotti su una nuova linea di produzione lunga 45 metri completamente automatizzata. Fino ad oggi la produzione di componenti in CRP per un aeromobile era ancora sinonimo di notevole impegno in termini economici e di fatica manuale. Quale ente dedicato alla ricerca, il DLR intende modificare questa situazione per le future generazioni di aerei. 

La plastica rinforzata con fibre di carbonio è leggera e stabile, tuttavia i severi requisiti dei costruttori di aerei sono soddisfatti solo se l’intero ciclo del processo e, quindi, la qualità, sono riproducibili. A differenza di quanto si osserva con l’alluminio, la CRP può essere di qualità estremamente variabile, se, per esempio, i dispositivi per le fibre non sono installati in modo ineccepibile oppure penetra dell’umidità attraverso gli spigoli di taglio. Inoltre dall’esterno non si rileva se il materiale ha eventuali danni meccanici. Questo comporta una produzione all’insegna della massima precisione.

Il compito

Nell’impianto di ricerca vengono prodotti componenti di grandi dimensioni sotto forma di ordinate, con profili che sono molto simili a quelli del prodotto finito. Questi componenti sono usati in un aereo per stabilizzare dall’interno la fusoliera. L’attività consiste nella produzione automatica e della relativa rifilatura della preforma in tessuto, cui segue l’impregnazione con resina epossidica liquida. In un processo a monte, le varie materie prime di fibra vengono srotolate dalle bobine e preconfezionate con un cutter (con una lama circolare azionata). Le preforme vengono collocate in appositi cassetti di un sistema di deposito fino al momento dell’utilizzo. Dell’intero progetto, l’elemento che poneva una particolare sfida era il sistema di sensori, in quanto la qualità del prodotto desiderata si può garantire solo se l’orientamento e l’angolazione delle fibre corrispondono esattamente alle specifiche. Con l’ausilio di un sistema integrato di sensori a corrente parassita, si visualizza e valuta lo sviluppo dell’angolo delle fibre. Nel complesso, i componenti finiti al momento prodotti in questo impianto di ricerca possono essere costituiti anche da 26 fibre di carbonio.
Nel complesso i componenti finiti possono essere costituiti anche da 26 fibre di carbonio.
L’impianto deve essere flessibile, perché si tratta di contratti di ricerca e non di autentiche produzioni in serie. Era di importanza determinante dal punto di vista sia del concetto dell’impianto che della programmazione disporre della massima libertà possibile. Il cambio utensili deve essere rapido e facile e anche la programmazione dei robot deve essere intuitiva. Dopo un breve fase di apprendimento, gli studenti dovevano essere in grado di realizzare nuove attività e/o prodotti sull’impianto. Questo aspetto è rilevante per l’impiego nella pratica, in quanto un aereo di linea medio è dotato di circa 140 segmenti di ordinate, di cui difficilmente due risultano identici.

La soluzione

L’automazione da parte di KUKA Industries è costituita da un robot di drappeggio che preleva un taglio bidimensionale, per trasformalo nel profilo tridimensionale desiderato. Per eseguire questa operazione dispone di una pinza, che preleva sempre un solo strato. L’orientamento dei tagli sul supporto intermedio viene rilevata tramite un sistema di elaborazione immagini. Dopo l’operazione di formatura, il robot di drappeggio deposita il pezzo preformato sull’utensile della stazione di consolidamento. Lo stampo è in alluminio fresato ed è fissato a una sottostruttura dotata di un’interfaccia per la tavola scorrevole della stazione di consolidamento. Quest’ultima è costituita da una pressa a membrana con una tavola pressa mobile. I raggi infrarossi scaldano il pezzo preformato e fondono il legante in polvere presente sul tessuto, per stabilizzare il laminato. 
Sul tessuto viene fatto fondere con i raggi infrarossi il legante in polvere distribuito sulla superficie, per stabilizzare il laminato.
Dopo questa fase di lavoro dedicata a conferire la forma, il robot di manipolazione trasferisce il pezzo preformato nello stampo della successiva stazione di impregnazione fine. Il robot di manipolazione si muove lungo un asse lineare installato in alto, affinché nello stabilimento vi sia la massima libertà di movimento. il robot collega le stazioni del processo. La programmazione della traiettoria del relativo robot è eseguita offline sulla base dei dati CAD del componente e del software di programmazione della traiettoria fastCURVE della società Cenit. Tramite una corrispondente interfaccia, il controllo Reis ROBOTstarV consente una traiettoria fluida e molto precisa, in quanto non viene insegnata solo come un “poligono” con movimenti da un punto a un altro punto. Questo significa che una traiettoria programmata può anche essere compensata successivamente da un determinato importo.
La programmazione della traiettoria del relativo robot avviene offline sulla base dei dati CAD del componente e di un software di programmazione della traiettoria. Tramite una corrispondente interfaccia, il controllo KRC ROBOTstar consente una traiettoria fluida e molto precisa. Questo significa che una traiettoria programmata può anche essere compensata successivamente da un determinato importo. Selezionando l’utensile di taglio ottimale, con una lama a ultrasuoni è possibile eseguire un taglio molto preciso senza intervenire sul materiale circostante.

Già solo dopo pochissimi incontri ci era chiaro che l’impresa di Obernburg non affrontava per la prima volta la progettazione di un sistema automatizzato per componenti così voluminosi. I responsabili di progetto erano in grado di adottare un approccio altamente modulare ai singoli aspetti del processo di preforma e di proporre un concetto coerente basato su componenti standard.

Sven Torstrick, responsabile di progetto presso il centro per la tecnologia di produzione leggera in DLR
Sistema di pinze per la manipolazione di componenti CRP

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