KUKA выполняет манипулирование деталями из волокнистого композиционного материала в Германском авиационно-космическом центре (DLR)

CFK Nord в Штаде – ультрасовременный многоотраслевой центр для исследования деталей из армированного углеродным волокном пластика. Одним из пользователей является Германский авиационно-космический центр (DLR). Совместно с KUKA Германский авиационно-космический центр разработал автоматизированную производственную установку для исследовательских целей.

Исходное состояние

Германский авиационно-космический центр (DLR) поставил перед собой цель разработки эффективных производственных технологий для изготовления деталей из армированного пластика. На новой полностью автоматической производственной линии длиной 45 метров производятся детали из армированного пластика, например, шпангоуты. До сих пор производство деталей из углепластика для самолетов считается дорогим и связанным с большим объемом ручного труда. Научно-исследовательский центр DLR решил исправить эту ситуацию для производства будущих поколений самолетов.

Углепластик является легким и стабильным, однако высокие требования производителей самолетов будут выполняться только в том случае, если весь процесс производства, а вместе с ним и качество, будет воспроизводимым. Поскольку в отличие от алюминия качество углепластика может быть разным, если, например, направление волокон будет не оптимальным или через обрезные кромки в материал проникнет влага. К тому же возможные механические повреждения материала снаружи не видны. Поэтому во время изготовления должна обеспечиваться максимальная точность.

Задача

На опытной установке производятся объемные заготовки в форме шпангоутов, которые стабилизируют фюзеляж самолета изнутри. Речь идет об автоматическом производстве текстильной заготовки, ее обрезке и последующей пропитке жидкой эпоксидной смолой. На предшествующем этапе процесса разный необходимый волокнистый материал разматывается с рулонов и обрезается резаком (дисковым ножом с приводом). Затем заготовки хранятся в соответствующих секциях системы хранения до их последующего использования. Основную сложность во всем проекте представляли датчики, поскольку необходимое качество продукции может быть обеспечено только при соблюдении положения и угла волокон в точном соответствии с нормами. Встроенная система вихретоковых датчиков обеспечивает визуализацию и анализ характеристики угла волокна. В целом, детали, изготавливаемые сегодня в этой установке для научных исследований, могут иметь до 26 слоев карбоновых волокон.

В целом, готовые детали могут иметь до 26 слоев карбоновых волокон.

Установка должна быть гибкой, поскольку речь идет о заказах на научное исследование, а не о серийном производстве. Решающее значение имело обеспечение максимальной свободы действий в отношении концепции установки и в отношении программирования. Устройства смены инструментов должны работать просто и быстро, а программирование роботов должно быть интуитивно понятным. Студенты должны уметь реализовать на установке новые задания/продукцию после краткого курса обучения. Это также актуально для практического использования, поскольку один самолет гражданской авиации среднего размера имеет более 140 шпангоутов, среди которых нет двух одинаковых.

Решение

Автоматизация, предлагаемая компанией KUKA, заключается в использовании робота, который берет 2D-заготовку и преобразует ее в необходимую 3D-структуру. Для этого он оснащен захватом, способным брать только одну заготовку. Положение заготовок на промежуточном столе фиксируется системой обработки изображений. После преобразования робот выкладывает заготовку на пресс-форму укрепляющей станции. Пресс-форма сделана из алюминия и закреплена на основании, которое имеет интерфейс для подсоединения передвижного стола укрепляющей станции. Укрепляющая станция состоит из мембранного пресса с подвижной плитой. С помощью инфракрасного излучения для стабилизации слоев заготовка нагревается и расплавляется порошковое связующее вещество, находящееся на текстиле.

С помощью инфракрасного излучения для стабилизации слоев расплавляется порошковое связующее вещество, находящееся на текстиле.

После этого этапа формования укрепленная заготовка перемещается межпрессовой робототехнической системой в пресс-форму следующей станции обрезки. Межпрессовая система перемещается вдоль высоко проложенной линейной оси, вследствие чего в цехе обеспечивается максимальная свобода перемещения. Робот объединяет отдельные станции процесса. Траектория соответствующего робота программируется в автономном режиме на основании данных CAD детали с помощью программного обеспечения для программирования траекторий fastCURVE компании Cenit. Через соответствующий интерфейс система управления Reis ROBOTstarV обеспечивает при этом плавную и очень точную траекторию, поскольку она программируется не только углами от точки к точке. Система управления позволяет впоследствии смещать запрограммированную траекторию на определенное значение.
Траектория соответствующего робота программируется в автономном режиме на основании данных CAD детали с помощью программного обеспечения для программирования траекторий. Через соответствующий интерфейс система управления KRC ROBOTstar обеспечивает при этом плавную и очень точную траекторию. Система управления позволяет впоследствии смещать запрограммированную траекторию на определенное значение. Благодаря оптимальному выбору режущего инструмента с помощью ультразвукового ножа можно выполнять очень точную обрезку, не затрагивая окружающий материал.

Уже после нескольких бесед стало понятно, что обернбургское предприятие проектировало автоматизацию производства таких объемных деталей не один раз. Руководители проекта смогли модульно рассмотреть отдельные аспекты процесса изготовления заготовки и представить основную концепцию на основании стандартных компонентов.

Свен Торстрик (Sven Torstrick), руководитель проекта в Центре технологий производства облегченных конструкций при DLR