KUKA manuseia componentes reforçados com fibras na DLR

O CFK Nord em Stade foi estabelecido como centro de pesquisa altamente moderno e supra-empresarial para a produção de componentes de plástico reforçado com fibra de carbono (PRFC). Um dos usuários é o Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) [Centro Aeroespacial Alemão]. Junto com a KUKA Industries, a DLR desenvolveu uma instalação de produção automatizada para fins de pesquisa.

A situação inicial

O Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) [Centro Aeroespacial Alemão] tem como objetivo desenvolver tecnologias de produção eficientes para componentes PRFC. Em uma nova linha de produção de 45 metros de comprimento são produzidos componentes PRFC – por exemplo, frames aeronáuticos – de forma totalmente automatizada. Produzir componentes de PRFC para aviões ainda é muito caro e envolve um elevado dispêndio manual. O DLR, como pura instituição de pesquisa, quer mudar isso para futuras gerações de aviões. 

PRFC é leve e estável, porém, os elevados requisitos dos construtores de aviões somente são atingidos se todo o fluxo de processo e, consequentemente, a qualidade, for reproduzível. Pois, ao contrário do alumínio, o PRFC pode ser de qualidade muito variada quando, por exemplo, as fibras não estiverem alinhadas de forma ideal ou, devido a arestas de corte, entrar umidade no composto. Além disso, eventuais danos mecânicos no material não são visíveis de fora. Portanto, é necessária máxima precisão durante a fabricação.

A função

Na instalação de ensaio são produzidos componentes de frames de grande volume com contornos finais semelhantes, que em uma avião estabilizam a fuselagem por dentro. Trata-se da fabricação automática dos pré-moldados (preform) têxteis, bem como o seu rebordamento e posterior impregnação com resina epóxi líquida. Em um processo pré-conectado, as diferentes matérias-primas de fibras necessárias são desenroladas dos rolos e pré-confeccionadas com um cutter (com faca rolante acionada). Depois disso, as peças brutas ficam armazenadas em gavetas apropriadas de um sistema de armazém até a sua utilização. O sistema de sensores foi um desafio especial em todo o projeto, pois a qualidade de produto desejada somente pode ser assegurada se a posição e o ângulo das fibras corresponderem exatamente às especificações. Com um sistema de sensores de corrente parasita integrado é visualizado e avaliado o avanço do ângulo das fibras. De modo geral, os componentes atualmente fabricados na instalação de pesquisa consistem em até 26 camadas de fibras de carbono.
De modo geral, os componentes prontos consistem em até 26 camadas de fibras de carbono.
O sistema deve ser flexível, pois trata-se de pedidos de pesquisa e não de uma produção seriada real. Foi de suma importância, tanto para o conceito de sistema como também para a programação, ter a maior liberdade possível. As trocas de ferramentas devem funcionar de forma rápida e simples, também a programação dos robôs deve ser intuitiva. Os estudantes devem estar em condições de realizar novas funções/produtos no sistema após uma curta fase de aprendizado. Isso também é relevante no uso prático, pois um avião comercial de tamanho médio dispõe de cerca de 140 segmentos de frames, entre os quais praticamente não há dois iguais.

A solução

A automação através da KUKA Industries é um robô de revestimento (drape robot), que retira um recorte 2D para moldá-lo no contorno 3D desejado. Para isso ele dispõe de uma garra que apanha sempre apenas um recorte. A posição dos recortes na área de transferência é registrada através de um sistema de processamento de imagens. Após a conformação o robô de revestimento (drape robot) coloca o pré-moldado na ferramenta da estação de consolidação. A ferramenta é fresada em contorno de alumínio e fixada em uma base, que possui uma interface à mesa deslizante da estação de consolidação. A estação de consolidação consiste em uma prensa de membrana com mesa de prensa móvel. O pré-moldado é aquecido através de radiação infravermelha e o aglutinante em pó existente no tecido é fundido para estabilizar o laminado. 
O laminado é estabilizado através da aplicação de radiação infravermelha para fundir o aglutinante em pó no tecido
Após este passo de trabalho de moldagem o pré-moldado consolidado é transferido pelo robô de sequenciamento para a ferramenta da próxima estação de rebordamento fino. O robô de sequenciamento move-se ao longo de um eixo linear vertical, de modo que há máxima liberdade de movimento no pavilhão. O robô une as respectivas estações de processo. A programação da trajetória do respectivo robô ocorre offline com base nos dados CAD do componente e no software de programação de trajetória fastCURVE da empresa Cenit. Através de uma interface correspondente a unidade de comando Reis ROBOTstarV possibilita uma trajetória flutuante, muito exata, uma vez que ela não é apenas programada como um "polígono", de ponto a ponto. Assim uma trajetória programada também pode ser deslocada posteriormente em um determinado valor.
A programação de trajetória do respectivo robô ocorre offline com base nos dados CAD do componente e um software de programação de trajetória. Através de uma interface correspondente a unidade de comando KRC ROBOTstar possibilita uma trajetória flutuante, muito exata. Assim uma trajetória programada também pode ser deslocada posteriormente em um determinado valor. Através da escolha da ferramenta de corte ideal é possível cortar com muita precisão com uma faca ultrassom, sem afetar o material em volta.

Depois de apenas alguns diálogos ficou claro para nós que a empresa de Obernburg não era um iniciante na automação de componentes tão volumosos. Os gerentes de projeto estavam em condições de observar aspectos individuais do processo de pré-moldagem de forma muito modular e, com base em componentes padrão, apresentar um conceito coerente.

Sven Torstrick, Gerente de Projeto no Centro de Tecnologia de Produção de Construção Leve no DLR
Tecnologia de garra para o manuseio de componentes PRFC

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