‘Fiber placement’ de alta velocidad sobre estructuras grandes y complejas

Reducir el peso de una aeronave es esencial para maximizar la eficiencia en el uso de combustible. No sólo resulta importante en términos de reducción de costes, sino que, teniendo en cuenta que se espera que los aviones recorran distancias cada vez mayores en el futuro, contar con más capacidad resulta fundamental. La alta relación resistencia/peso de la fibra de carbono es una de las principales innovaciones de la actualidad, pero para alcanzar índices de producción elevados se necesita maquinaria extremadamente compleja. Electroimpact ha desarrollado una solución extraordinaria que ofrece una velocidad de 50 metros por minuto en la colocación automática de la fibra de carbono. Se trata de un sistema de control muy sofisticado con sistemas de accionamientos altamente estables y precisos. Andantex USA, filial del grupo Redex en EE UU, se encargó de suministrar los importantísimos componentes mecánicos para el accionamiento de los ejes.

Electroimpact es una joven empresa de ingeniería cuya misión es convertirse en el principal proveedor de equipos de automatización para la industria aeronáutica mundial. Electroimpact ha desarrollado la tecnología de Colocación Automatizada de Fibra (Automated Fiber Placement o AFP), que permite cortar y aplicar cintas de fibra de carbono (tow) con tolerancias de colocación para el cliente final de hasta 2.000 pulgadas por minuto sobre superficies inclinadas y complejas. Cada laminado puede llevarse a cabo de forma totalmente bidireccional y el operario puede controlar la velocidad de avance sin que ello repercuta en la precisión del corte. Electroimpact cuenta con gran experiencia en el suministro de soluciones de automatización y mecanizado industriales. El punto fuerte de la empresa es la integración de la automatización y el mecanizado en soluciones de producción sinérgica. Sus equipos de ingenieros de alta cualificación dotan a la compañía de una gran flexibilidad para asumir varios proyectos a gran escala simultáneamente. Este enfoque único ha hecho crecer a Electroimpact hasta llegar a convertirse en el mayor integrador de líneas de montaje de aeronaves de todo el mundo. Su cartera de clientes incluye fabricantes de aviación comercial y militar de todo el mundo.

El perfil de cliente de Electrimpact es un gran fabricante de componentes de aeronáutica de EE UU que fabrica fuselajes, componentes de intradós, compuestos y alas para la industria aeronáutica. La sede de la empresa se encuentra en Wichita, Kansas, la Capital Mundial del Aire, pero también trabajamos en Tulsa y McAlester, Oklahoma, Prestwick, Escocia y Samlesbury, Inglaterra.

La máquina de colocación automatizada de fibras (AFP) está diseñada para fabricar grandes estructuras de aeronaves comerciales y cuenta con cabezales modulares de cambio rápido, con una velocidad de cambio automático de 30 segundos. Para fabricar estas grandes piezas de las aeronaves, la estructura de la máquina que controla el movimiento X, Y y Z del cabezal de colocación de la fibra (diseños de molino o de puente) tiene un peso de unas 350.000 libras (175 toneladas) y se acelera a 0,2 g. Los tows de fibra de carbono (estrechas cintas de fibra de carbono impregnada) se colocan sobre piezas con múltiples formas (amplias cintas de ¼ ó 1/8 pulgada en áreas de contorno alto o de ½ pulgada o menos en zonas de contorno bajo) para alcanzar la máxima productividad posible: se trata de una operación 100% sin torsión, 100% sin roturas de empalmes y completamente bidireccional.

Detalle del cabezal del Fiber Placement.

Los ejes X, Y y Z de rotación del tambor funcionan conjuntamente para que la fibra de carbono pueda seguir el contorno de la pieza que se está fabricando. Las cintas de fibra de carbono se colocan sobre la herramienta que se está mecanizando con la forma definitiva de la misma. Además, la fibra de carbono se tiene que aplicar en diferentes capas y en diferentes direcciones para optimizar la resistencia de la pieza final. El objetivo es que fibra de carbono tenga una tensión muy fuerte para que todas las cargas que actúan sobre la pieza puedan ser soportadas en tensión.

Los recorridos lineales pueden ser cortos, ~ 2 metros (6,6 pies) en el eje X, o desplazarse a lo largo de todo el eje X, que tiene ~30 metros (98,4 pies) de longitud. El recorrido depende de la pieza que se fabrique.

El sistema de corte de la máquina ha sido sometido a una reingeniería completa y se ha optimizado el sistema de avance, el recorrido de la cinta y el sistema de fileta del cabezal de colocación de la fibra. El sistema de control de la máquina alcanzó el corte según las especificaciones, así como la aplicación al vuelo superiores a 2000 pulgadas por minuto. Concretamente, a partir del corte de alta velocidad al vuelo surgieron una serie de cuestiones. Con una velocidad de extendido de 2000 pulgadas por minuto (R) y la tolerancia de colocación al final del corte de +/-0,050" (o 0,10" total [k]), la oportunidad en cuanto a tiempo es la siguiente:

T = (60 * k) / R (segundos) o,

T = (60 * 0,10) / 2000T = 0,003 segundos.

Dicho de otro modo, a 2.000 pulgadas por minuto, 1 milisegundo equivale a 0,033 pulgadas de desplazamiento de la cinta. Esto demuestra que la precisión total y la repetibilidad del sistema de corte tienen que ser muy superiores a la velocidad de ciclo típica del CNC (4-8 ms). La repetibilidad de los componentes individuales (como actuadores, válvulas, etc.) debe estar en el rango de los sub-milisegundos o incluso mejorarlo. Además, el sistema para señalizar un corte debe tener una resolución de sub-milisegundos.

Electroimpact ha desarrollado un mecanismo de corte de alta velocidad que permite cortar a velocidades elevadas con tiempos de corte que en total no superan 1 milisegundo. Asimismo, el sistema tiene poca variabilidad, haciendo que la colocación de la cinta sea precisa y repetible, incluso con velocidades de extendido muy altas. Los factores que afectan al tiempo del corte y de aplicación al vuelo son, entre otros, la ejecución del programa, la reacción del módulo de salida, la actuación de la válvula solenoide, el flujo de aire y las reacciones de inercia de los mecanismos de actuación. Todos estos factores retrasan la ejecución de un corte o aplicación con respecto a la señal nominal. Si este retraso es predecible y repetible, el tiempo de corte se puede compensar. En cualquier caso, estos retrasos deben reducirse siempre que sea posible. Gracias a la gran cantidad de desarrollos y pruebas realizadas en Electroimpact, la variabilidad del retraso, tanto en el avance como en el corte, se ha reducido por debajo de 1 milisegundo, logrando una gran precisión en la colocación al final del corte y al comienzo de la secuencia.

Generalmente, los controladores convencionales como los PLC o CNC funcionan con un “tiempo de ciclo” que habitualmente se mide en milisegundos. Los productos son accionados una vez por cada ciclo, por lo que la resolución temporal se limita al tiempo de ciclo. Si un retraso de 1 milisegundo da como resultado un error de colocación final de 0,033“a 2000”/minuto, introducir un error de control de tan solo 1 milisegundo no es aceptable en los cortes o aplicaciones al vuelo de alta velocidad. Se necesita una integración extremadamente precisa del control de movimiento del CNC y de la temporización de los comandos de corte y aplicación para reducir hasta el mínimo los retrasos en el tiempo de control.

Electroimpact ha decidido utilizar el ‘Customer Board’ de Fanuc, un sistema que nos permite interpolar el corte y la aplicación al perfil en movimiento al nivel de comando de velocidad del CNC. Esta es la primera vez que se utiliza el ‘customer board’ fuera de Japón. Electroimpact ha colaborado estrechamente con Fanuc para implementar características específicas para las aplicaciones del AFP. Los retrasos temporales debidos al control se encuentran en el rango de los milisegundos, lo cual elimina de forma efectiva los retrasos en el tiempo de control como fuente de error en el corte y la aplicación.

Los clientes de Electroimpact han reconocido que dentro de su paquete estándar de software, que actualizan y mantienen periódicamente, necesitan un software de programación desarrollado por un proveedor reconocido dentro de la industria. Desde hace más de 2 años, Electroimpact ha sido socio no exclusivo de CGTech en el desarrollo de un software de programación para AFP denominado ‘Vericut Composite Programming and Simulation Suite’.

Para Electroimpact, Andantex USA, filial del grupo Redex en EE UU, debía hacer frente a complejas limitaciones: Combinar velocidades altas, máquinas de gran peso y movimientos muy complejos con aceleraciones consecutivas y frecuentes en todas las direcciones.

“Elegimos los accionamientos Redex Andantex porque nadie más puede fabricar una caja de precisión con ese par y fuerza propulsora”, explica Peter Vogeli, Jefe de Ingeniería de ElectroImpact, Inc.

La primera dificultad es eliminar la holgura. Los sistemas de accionamiento piñón-cremallera TwinDrive están formados por 2 servorreductores planetarios montados en paralelo y acoplados eléctricamente. El sistema de precarga elimina la holgura y permite que el servo-sistema pueda controlar con precisión la posición del eje de control.

La segunda cuestión es asegurarse de que existe la máxima rigidez para ofrecer una perfecta repetibilidad a pesar de los frecuentes ciclos de aceleración. Gracias a un eje de transmisión con un piñón integrado en el sistema planetario del reductor y reforzado con rodamientos de gran diámetro se obtiene una gran rigidez en todas las direcciones. Este concepto exclusivo de Redex Andantex ofrece unas características en cuanto a rigidez de torsión que se encuentran entre las mejores del mercado pero, sobre todo, ofrece rigidez en los demás planos (radial y axial); normalmente esto permite trabajar con índices de aceleración o peso que pueden llegar a doblar los de otras soluciones. El diámetro del piñón está optimizado para garantizar la mejor proporción entre el par transmitido y la rigidez lineal (vista desde la cremallera). La disposición de los rodamientos consiste en dos rodamientos de rodillos cónicos, precargados y con un tamaño extragrande. Esta disposición de los rodamientos está diseñada para soportar que el piñón se acerque lo máximo posible a la fuerza aplicada y que lo único que separe al piñón del rodamiento de salida sea el grosor de la contratuerca de precarga. Este especial diseño ofrece una reducción considerable en lo que a desviación radial se refiere, la cual, representando el 60% de la desviación global, no suele ser atajada correctamente con otros sistemas.

Andantex USA es un proveedor global de engranajes de ejes lineales y rotatorios y de cremalleras y piñones.

Los accionamientos Redex Andantex están instalados en todos los ejes de la máquina, siendo por tanto los responsables del comportamiento mecánico del conjunto de la máquina.

El eje de rotación del tambor acciona la herramienta sobre la que se va a colocar la fibra de carbono. Esta herramienta suele estar fabricada en invar, que es un tipo de acero con una dilatación térmica muy reducida. Esto es importante, ya que una vez fabricada la pieza todo el conjunto se coloca en un autoclave y se hornea para garantizar que la fibra de carbono impregnada adquiere su estado definitivo. Después de ello, la herramienta se extrae y la pieza restante es de fibra de carbono en su totalidad. 4 reductores Redex Andantex tipo KRP tamaño 6 permiten una rotación precisa.

• Velocidad máxima de rotación: 81 RPM
• Velocidad nominal de rotación: 25 RPM
• Par motor de pico: 6.600 NM
• Configuración: (2) accionamientos TwinDrive / eje

Vista del cabezal de Fiber Placement.

El eje X está equipado con 4 reductores planetarios KRP de tamaño 6, que es el máximo tamaño disponible en la gama de Redex Andantex. Estos reductores se complementan con dos líneas de cremalleras en un tramo de 35 m de largo.

• Velocidad lineal = 51 M/min. (2000 pulgadas/min)
• Masa = 160 toneladas (175 toneladas americanas)
• Aceleración = 0,2 g
• Configuración: (2) accionamientos TwinDrive / eje

El eje Y cuenta con dos reductores planetarios SRP en una configuración de accionamiento TwinDrive. Están montados sobre una cremallera de 5,5 m.

• Velocidad lineal = 53M/min. (2450 pulgadas/min)
• Masa = 14,3 toneladas (15,7 toneladas americanas)
• Aceleración = 0,2 g
• Configuración: (1) accionamiento TwinDrive / eje

Para la realimentación secundaria del encoder en los ejes X e Y, Electroimpact también utiliza el PDP o»piñón precargado para accionar el encoder directamente desde la cremallera con Holgura Cero. Esta solución de alta rentabilidad representa la primera generación de ‘piñón doble precargado’ en reductores planetarios para aplicaciones de piñón y cremallera de alta precisión. El PDP está compuesto por dos piñones rectificados, con una anchura de media cremallera cada uno, y que se conectan entre sí mediante un sistema patentado de precarga para eliminar la holgura del engranaje entre el piñón y la cremallera. El concepto innovador del PDP proporciona una realimentación del encoder directamente desde la cremallera, lo que ofrece una gran precisión de posicionamiento y repetibilidad a precios muy competitivos.

• Mod. Eje X. 10, Circ. = 500 mm
• Mod. Eje Y. 5, Circ. = 250 mm

Andantex suministró también módulos 10 & 5 de cremalleras helicoidales, templadas y rectificadas para los ejes X e Y con piñones lubricados de poliuretano para lubricar las cremalleras y piñones de forma automática. Las cremalleras se ofrecen en secciones de 1 ó 2 metros. Así, Andantex ha sido el proveedor oficial de todos los componentes mecánicos entre el servomotor y el eje.

Al final, la precisión de posicionamiento equivale a la precisión de corte (+/- 0,05’’) a máxima velocidad. El eje accionado por los reductores Redex Andantex debe tener una precisión aún mayor que este valor, ya que todos funcionan conjuntamente para crear una forma compleja. Podemos calcular que la precisión de los ejes X, Y y Z es de 1/10 de la precisión de colocación o +/- 0,005’’ (0,0125 mm)», explica Dave REGIEC, Jefe de Proyectos de Andantex.

Redex Andantex, con sede central en Ferrières, Francia, emplea a 320 personas y cuenta con tres centros de producción en Europa y Norteamérica. Más del 75% de sus ventas se generan fuera de Francia. El progreso tecnológico, el compromiso con la calidad y soporte técnico excepcional son los valores fundamentales de Redex Andantex.