Los robots están demostrando ser herramientas flexibles para la fabricación y el conjunto de aeronaves. Sin embargo, su potencial máximo puede verse limitado por los desafíos que supone programar un robot en un entorno CAD/CAM. El software que integra programación fuera de línea, simulación, generación de código y optimización de rutas hace que el proceso sea fluido y sin errores.
Los robots están a punto de transformar la industria aeroespacial, tal como revolucionaron el ensamblaje automotriz a finales de las décadas de 1970 y 1980. El aumento de la productividad y el ahorro de costos impulsan la transición hacia la automatización robótica flexible.
A diferencia de sus primos terrestres, las aeronaves presentan diferencias clave que desafían el paradigma de la automatización. Las tolerancias de fabricación aeroespacial son mucho más estrictas, mientras que los subconjuntos tienden a ser significativamente más grandes y pesados. En comparación con la producción de automóviles, los volúmenes de producción de aeronaves son mucho menores, mientras que la esperanza de vida de los aviones comerciales se mide en décadas, no en años.
La demanda mundial de aeronaves está aumentando, lo que pone a prueba los recursos de fabricación actuales. El Advanced Manufacturing Research Centre con Boeing (AMRC) está a la vanguardia de esta tendencia de la industria.
“Las ventas de aviones comerciales están aumentando”, afirma Ben Morgan, Director del Grupo de Fabricación Integrada de AMRC. “La mayoría de los fabricantes han llevado su capacidad de producción al límite absoluto y se necesitan más inversiones de capital para alcanzar el ritmo objetivo. Para algunas plataformas en las que estamos trabajando, esto podría suponer hasta 60 aviones al mes, lo que es una cantidad increíble. “Por lo tanto, es necesario un cambio radical en la fabricación”.
Ese cambio radical llegará en forma de automatización robótica flexible. El inicio de la incursión de los robots fue la aparición de los materiales compuestos en la fabricación de componentes aeronáuticos.
Según un estudio de la firma de investigación de mercado Lucintel, se espera que el mercado global de compuestos aeroespaciales alcance los 112 mil millones de dólares anuales para 2017, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 5.3 % (fuente: CompositesWorld).
Los materiales compuestos suelen pesar un 20 %menos que el aluminio y tienen una vida útil más larga que los materiales metálicos tradicionales. Los materiales compuestos para aeronaves, reconocidos por sus mayores relaciones resistencia-peso, mejor eficiencia de combustible e intervalos de servicio más largos, son vitales para la industria aeroespacial.
La revolución de los materiales compuestos ayudó a extender el uso de los aviones a los robots. El mecanizado robótico y la eliminación de material se utilizan cada vez más en aplicaciones metálicas y no metálicas, como el fresado, la perforación, el revestimiento, el remachado y el corte y recorte con chorro de agua de revestimientos y componentes compuestos para grandes aviones comerciales.
Durante años, los robots miraron por encima de los hombros de sus homólogos controlados numéricamente por computadora. Ahora el enfoque ha cambiado.
“Con los avances en robótica de los últimos 10 años, los dispositivos de brazo en serie se están convirtiendo en una opción más viable”, afirma Morgan. “Ha habido un auge en el interés por el recorte, enrutamiento y mecanizado robóticos. “Al desarrollar sistemas de recorte robóticos conceptuales y las instalaciones que tenemos en el AMRC, estamos empezando a demostrar a los fabricantes automotrices y aeroespaciales de alta gama que las celdas flexibles son una alternativa a algunas de las costosas máquinas herramienta CNC tradicionales”.
El AMRC se estableció en 2001 como una colaboración entre la Universidad de Sheffield y Boeing. Ubicado en un extenso parque industrial de alta tecnología en Sheffield, Inglaterra, emplea a más de 400 investigadores e ingenieros enfocados en modernizar la fabricación mediante pruebas y demostraciones de diferentes tecnologías, y tiene más de 100 empresas miembro que van desde gigantes aeroespaciales mundiales hasta pequeñas empresas locales.
“Estamos hablando de quizás 15 millones de dólares para algunas de las grandes máquinas CNC que se utilizan para fabricar estas piezas aeroespaciales”, dice Morgan. “Para una célula robótica, probablemente estaríamos buscando un par de cientos de miles de dólares”.
El costo de implementar robots continúa disminuyendo, a la vez que su rigidez y precisión mejoran. La tecnología robótica ahora puede competir en una amplia gama de aplicaciones aeroespaciales que antes se limitaban a maquinaria a medida, incluyendo ensamblajes de una sola pieza, perforación y llenado, la colocación automatizada de cintas (ATL) y la colocación automatizada de fibra (AFP).
La mayoría de los proveedores aeroespaciales de primer nivel reconocen las ventajas de implementar robots para sus operaciones de subensamblaje e incluso han destinado presupuestos anuales para la robotización. Sin embargo, para algunos, la programación de robots es el truco.
La singularidad, la calibración, las colisiones, las limitaciones de alcance y la granularidad del movimiento son aspectos singularmente complejos para los sistemas robóticos y pueden hacer que programar robots para operaciones de mecanizado sea particularmente engorroso. Buscar entre los errores puede llevar mucho tiempo.
Las empresas acostumbradas a utilizar máquinas-herramientas CNC se quedan estancadas cuando intentan implementar un robot por primera vez. A menudo intentan utilizar el software del fabricante del robot para la programación. Sin embargo, este software normalmente está destinado a fines de simulación, no de programación. En un entorno de simulación se puede ver el error, pero la dificultad radica en identificar la causa y cómo solucionarlo.
Un enfoque diferente es el uso de convertidores de puntos CAD/CAM, que crean trayectorias de robot para diferentes tipos de aplicaciones. Los convertidores de puntos tienden a realizar una conversión rápida y económica a un sistema robótico, pero no hay forma de validar la cinemática y verificar errores.
El principal problema de estos métodos es la falta de una herramienta de optimización de rutas. Una vez que el programa se aplica al robot, puede haber un largo período de prueba.
“Cuando decidimos comprar una nueva solución para herramientas de piezas compuestas con un robot, no podíamos imaginar lo diferente que era el mundo de la robótica de nuestro mundo tradicional de máquinas CNC”, afirma Eddy Coubard, Director de Ingeniería de producción CAD & CAM en SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE. “Nuevo vocabulario, un nuevo método de trabajo y nuevos problemas, fue todo un reto”.
Conmemorando su 30 aniversario, SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE es una filial totalmente propiedad del Grupo SOGERMA, con base en Francia y 475 empleados de producción e I&D que apoyan a más de 100 proveedores principales en Europa y en todo el mundo con productos de materiales compuestos de alto rendimiento.
“Herramientamos piezas compuestas aeronáuticas en pequeñas cantidades, lo que significa que tenemos que programar el robot correctamente a la primera”, afirma Coubard. “De lo contrario, nuestros costos aumentan drásticamente”.
“El primer software robótico que probamos no era eficiente en absoluto”, afirma. "Había que crear la trayectoria de la herramienta en el software CAD/CAM y escribir una especie de código G con un postprocesador, luego leer este código G en un simulador, solo para darse cuenta de que la mayoría de las veces había errores. Luego tuvimos que volver al software CAD/CAM y escribir el código del robot a través de otro postprocesador”.
Este es el caso típico. Una empresa adquiere un robot, intenta desplegarlo para una operación de mecanizado, solo para darse cuenta de que no tiene el software adecuado para el trabajo.
Una mejor estrategia: Piense en el software de programación del robot desde el principio. Esto debe hacerse en el momento de la adquisición del sistema robótico o incluso antes de la compra.
El software CAD/CAM diseñado específicamente para la programación de robots aborda problemas de singularidad, colisiones, límites de las articulaciones, problemas de alcance y giros de muñeca. El software adecuado debe calcular y optimizar automáticamente las trayectorias del robot, integrar perfectamente los ejes externos y proporcionar retroalimentación visual instantánea. Debe ser fácil de usar, incluso para operarios nuevos en robótica.
El software también debe ser compatible con la programación fuera de línea, sin interrumpir la producción en el taller excepto para la prueba final y el ajuste fino. Los cambios se convierten entonces en una operación paralela, en lugar de secuencial.
Recientemente nombrado uno de los 10 proveedores de soluciones de diseño de ingeniería más prometedores por la revista CIO Review, Jabez Technologies de Montreal (Canadá), lanzó el primer software de programación robótica sin conexión basado en CAD/CAM en 2002. La última versión del software Robotmaster® agiliza la programación, la simulación, la generación de código y la optimización de rutas en una solución integrada. Se admiten todos los principales modelos de robot.
“Un robot puede ser un dispositivo difícil de gestionar”, afirma Chahe Bakmazjian, Presidente de Jabez Technologies. "Consta de seis articulaciones giratorias apiladas una encima de la otra, por lo que es muy difícil anticipar errores. Normalmente se encuentra con el error cuando ocurre. No hay advertencia".
“Los fabricantes de aviones suelen implementar grandes sistemas robóticos, pero solo los utilizan en un área limitada donde saben que pueden evitar errores”, afirma Bakmazjian. “Cada vez que quieren salir de esas áreas, se vuelve muy restrictivo”.
Coubard, de COMPOSITES AQUITAINE, afirma que al reemplazar su antiguo software, su tiempo de programación se redujo entre dos y tres veces.
“Robotmaster nos permite trabajar de la misma manera que usábamos nuestras máquinas CNC para mecanizar piezas”, afirma. “Como Robotmaster también interactúa con el software Mastercam®, pudimos realizar fresados y taladrados completos de 7 ejes de forma rápida y sencilla”.
Coubard dice que están utilizando Robotmaster para programar un robot de 6 ejes montado sobre rieles. Las aplicaciones incluyen la fabricación de piezas de protección térmica hechas de fibra de vidrio para el avión de pasajeros Airbus A330 y de panal para el helicóptero Airbus Super-Puma MK II.
"Con Robotmaster podemos abrazar el mundo de la robótica. Ahora podemos mecanizar nuestras piezas compuestas de la misma manera que solíamos hacerlo con la máquina CNC", afirma Coubard. “De hecho, la nueva función de simulación es tan potente que aún no hemos explotado todas sus características”.
Sin Robotmaster, Coubard dice que lo más probable es que hubieran abandonado la robótica y vuelto a los antiguos métodos de mecanizado CNC.
En el AMRC, el grupo de Morgan utiliza la robótica y la metrología para desarrollar nuevos métodos para ensamblar productos complejos para la industria aeroespacial y otras industrias de alto valor.
“Llevamos tres años trabajando con Robotmaster”, afirma Morgan. "El software ha permitido a nuestros operarios e ingenieros reprogramar la célula de forma rápida y eficaz, así como optimizar la ruta de la máquina. Tiene una gran flexibilidad y control".
“El uso de este software es especialmente adecuado para el entorno de investigación, debido a nuestra gama de trabajo y la variabilidad de las piezas”, afirma Morgan. "Aquí no fabricamos nada, así que a menudo terminamos haciendo una, dos o tres piezas y luego pasamos a otra pieza. Pero el propio sector aeroespacial también exige reconfigurabilidad, por lo que estamos satisfaciendo ese requisito con Robotmaster”.
Los operadores informan que el software funciona al 100 por ciento del tiempo, la primera vez, sin necesidad de intervención manual de enseñanza o retoques. Es una programación de robots sin errores y sin la complejidad. Tan fácil que incluso un principiante puede usarlo.
Acople un robot flexible con una solución de software avanzada. Ahora tiene libertad para explotar todo el espacio de trabajo del robot. Lo que antes aparecía como una responsabilidad de un sistema sobredeterminado con varias formas de llegar al mismo punto se ha convertido ahora en una oportunidad dadas las sofisticadas herramientas de optimización de rutas.
Los robots han demostrado su capacidad de volar. Solo necesitan el software adecuado para desarrollar todo su potencial.