I robot si confermano strumenti altamente flessibili per la produzione e l’assemblaggio di aeromobili. Il loro pieno potenziale, tuttavia, può essere limitato dalle difficoltà nella programmazione dei robot in un ambiente CAD/CAM. Il software che integra programmazione offline, simulazione, generazione del codice e ottimizzazione dei percorsi rende il processo fluido e privo di errori.
I robot sono pronti a trasformare l’industria aerospaziale nello stesso modo in cui hanno rivoluzionato l’assemblaggio automobilistico alla fine degli anni ‘70 e ‘80. L’aumento della produttività e il risparmio sui costi stanno spingendo verso l’adozione dell’automazione robotica flessibile.
A differenza dei loro “cugini” terrestri, gli aeromobili presentano differenze fondamentali che sfidano il paradigma dell’automazione. Le tolleranze produttive in campo aerospaziale sono molto più ristrette, mentre i sottogruppi tendono a essere significativamente più grandi e pesanti. Rispetto all’industria automobilistica, i volumi di produzione degli aeromobili sono molto inferiori, mentre la vita utile degli aeromobili commerciali si misura in decenni, non in anni.
La domanda globale di aeromobili è in aumento, mettendo sotto pressione le risorse produttive attuali. L’Advanced Manufacturing Research Centre con Boeing (AMRC) è in prima linea in questa evoluzione del settore.
“Le vendite di aeromobili commerciali sono in aumento”, afferma Ben Morgan, responsabile dell’Integrated Manufacturing Group presso l’AMRC. “La maggior parte dei produttori ha portato la propria capacità produttiva al limite massimo e sono necessari ulteriori investimenti per raggiungere il tasso di produzione previsto. Per alcune piattaforme su cui stiamo lavorando, questo potrebbe arrivare fino a 60 aeromobili al mese, un numero straordinario. È quindi necessario un cambiamento radicale nella produzione.”
Questo cambiamento radicale si sta realizzando sotto forma di automazione robotica flessibile. L’ingresso dei robot è stato reso possibile dall’avvento dei materiali compositi nella produzione di componenti aeronautici.
Secondo uno studio della società di ricerche di mercato Lucintel, si prevede che il mercato globale dei materiali compositi aerospaziali raggiungerà i 112 miliardi di dollari all’anno entro il 2017, con un tasso di crescita annuo composto del 5,3% (fonte: CompositesWorld).
I materiali compositi pesano generalmente il 20% in meno rispetto all’alluminio e hanno una durata maggiore rispetto ai materiali metallici tradizionali. Riconosciuti per il rapporto resistenza-peso superiore, l’efficienza del carburante ottimizzata e intervalli di manutenzione più lunghi, i materiali compositi per aeromobili sono fondamentali per l’industria aerospaziale.
La rivoluzione dei materiali compositi ha favorito l’adozione dei robot nella lavorazione aeronautica. La lavorazione robotica e l’asportazione di materiale trovano un impiego sempre crescente nelle applicazioni sia non metalliche sia metalliche, tra cui fresatura, foratura, spianatura, rivettatura e taglio e rifilatura a getto d’acqua di rivestimenti e componenti compositi per i grandi aerei commerciali.
Per anni, i robot osservavano da vicino le loro controparti controllate numericamente dal computer (CNC). Ora l’attenzione si è spostata.
“Con i progressi nella robotica degli ultimi dieci anni, i dispositivi a braccio seriale stanno diventando un’opzione sempre più praticabile”, afferma Morgan. “Si è registrato un vero e proprio boom di interesse per il taglio, il routing e la lavorazione robotizzati. Sviluppando sistemi concettuali di taglio robotizzato e sfruttando le strutture a nostra disposizione presso l’AMRC, stiamo iniziando a dimostrare ai produttori automobilistici e aerospaziali di fascia alta che le celle flessibili rappresentano un’alternativa ad alcune delle tradizionali e costose macchine utensili CNC.”
L’AMRC è stato fondato nel 2001 come collaborazione tra l’Università di Sheffield e Boeing. Situato in un ampio parco industriale high-tech a Sheffield, Inghilterra, impiega oltre 400 ricercatori e ingegneri concentrati sulla modernizzazione della produzione attraverso test e convalide di diverse tecnologie, e conta più di 100 aziende associate, dai giganti globali dell’aerospazio alle piccole imprese locali.
“Stiamo parlando forse di 15 milioni di dollari per alcune delle grandi macchine CNC utilizzate per produrre questi componenti aerospaziali”, afferma Morgan. “Per una cella robotizzata probabilmente si tratterebbe di qualche centinaio di migliaia di dollari.”
Il costo per l’implementazione dei robot continua a diminuire, mentre rigidità e precisione continuano a migliorare. La tecnologia robotica può ora competere in un’ampia gamma di applicazioni aerospaziali precedentemente riservate a macchinari personalizzati, tra cui assemblaggio unitario, foratura e riempimento, laminazione automatica del nastro (ATL) e posizionamento automatizzato della fibra (AFP).
La maggior parte dei fornitori aerospaziali di primo livello riconosce i vantaggi dell’impiego dei robot nelle operazioni di assemblaggio dei sottogruppi e ha persino stanziato budget annuali per la robotizzazione. Ma per alcuni, la programmazione dei robot rappresenta un vero e proprio pantano.
Singolarità, calibrazione, collisioni, limiti di estensione e granularità del movimento sono complessità intrinseche ai sistemi robotici e possono rendere la programmazione dei robot per operazioni di lavorazione particolarmente impegnativa. Correggere gli errori può richiedere molto tempo.
Le aziende abituate a utilizzare macchine utensili CNC si bloccano quando tentano di utilizzare un robot per la prima volta. Spesso cercano di utilizzare il software fornito dal produttore del robot per la programmazione. Tuttavia, questo software è generalmente pensato per scopi di simulazione, non per la programmazione vera e propria. In un ambiente di simulazione è possibile individuare l’errore, ma la difficoltà consiste nell’identificare la causa e capire come correggerlo.
Un approccio alternativo consiste nell’utilizzo di convertitori di punti CAD/CAM, che generano traiettorie robotiche per diversi tipi di applicazioni. I convertitori di punti consentono una conversione rapida ed economica verso un sistema robotico, ma non permettono di convalidare la cinematica né di verificare eventuali errori.
Il problema principale di questi metodi è l’assenza di uno strumento di ottimizzazione del percorso. Una volta applicato il programma al robot, potrebbe essere necessario un lungo periodo di collaudo.
“Quando abbiamo deciso di acquistare una nuova soluzione per utensili e pezzi compositi con un robot, non avremmo potuto immaginare quanto il mondo della robotica fosse diverso dal nostro tradizionale mondo delle macchine CNC,” afferma Eddy Coubard, responsabile dell’ingegneria di produzione CAD & CAM di SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE. “Nuovo vocabolario, nuovo metodo di lavoro e nuovi problemi: è stata una vera sfida.”
In occasione del suo 30º anniversario, SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE è una filiale interamente controllata dal Gruppo SOGERMA, con sede in Francia e 475 addetti alla produzione e alla ricerca e sviluppo che supportano oltre 100 fornitori di primo piano in Europa e nel mondo con prodotti in materiali compositi ad alte prestazioni.
“Lavoriamo componenti compositi aeronautici in piccole quantità, il che significa che dobbiamo programmare correttamente il robot già alla prima prova,” afferma Coubard. “Altrimenti, i nostri costi aumenterebbero drasticamente.”
“Il primo software robotico che abbiamo provato non era affatto efficiente,” afferma. “Era necessario creare il percorso utensile nel software CAD/CAM, scrivere una sorta di codice G con un post-processore, quindi leggere questo codice G su un simulatore, solo per accorgersi che nella maggior parte dei casi c’erano errori. Poi dovevamo tornare al software CAD/CAM e generare il codice del robot tramite un altro post-processore.”
Questo è lo scenario tipico. Un’azienda acquista un robot, cerca di impiegarlo in un’operazione di lavorazione, solo per accorgersi di non avere il software adeguato.
Una strategia migliore: Valutare il software di programmazione del robot fin dall’inizio. Questa valutazione dovrebbe essere effettuata al momento dell’acquisizione del sistema robotico o addirittura prima dell’acquisto.
Il software CAD/CAM progettato specificamente per la programmazione dei robot affronta problemi come singolarità, collisioni, limiti delle giunzioni, problemi di portata e rotazioni indesiderate del polso. Il software adeguato deve calcolare e ottimizzare automaticamente le traiettorie del robot, integrare in modo fluido gli assi esterni e fornire un feedback visivo immediato. Dovrebbe essere facile da usare, anche per operatori alle prime armi con la robotica.
Il software dovrebbe inoltre supportare la programmazione offline, senza interrompere la produzione in officina, se non per il test finale e la messa a punto. I cambi utensile diventano così operazioni parallele, anziché sequenziali.
Recentemente nominata tra i 10 fornitori di soluzioni di progettazione ingegneristica più promettenti dalla rivista CIO Review, Jabez Technologies di Montreal, Canada, ha rilasciato nel 2002 il primo software di programmazione robotica offline basato su CAD/CAM. L’ultima versione del software Robotmaster® integra in un’unica soluzione la programmazione, la simulazione, la generazione del codice e l’ottimizzazione dei percorsi. Tutti i principali modelli di robot sono supportati.
“Un robot può essere un dispositivo complesso da gestire”, afferma Chahe Bakmazjian, presidente di Jabez Technologies. “È costituito da sei giunti rotanti sovrapposti, perciò prevedere gli errori risulta molto difficile. Nella maggior parte dei casi, l’errore si manifesta solo quando accade. E senza alcun preavviso.”
“I costruttori aeronautici installano spesso grandi sistemi robotici, ma li utilizzano solo in aree limitate in cui sanno di poter evitare errori”, afferma Bakmazjian. “Ogni volta che cercano di operare al di fuori di queste aree, le restrizioni diventano significative.”
Coubard di COMPOSITES AQUITAINE afferma che sostituendo il vecchio software, i tempi di programmazione si sono ridotti di due o tre volte.
“Robotmaster ci permette di lavorare i pezzi nello stesso modo in cui operavamo con le nostre macchine CNC”, afferma. “Poiché Robotmaster si interfaccia anche con il software Mastercam®, siamo stati in grado di eseguire rapidamente e con facilità fresature e forature complete a 7 assi.”
Coubard afferma di utilizzare Robotmaster per programmare un robot a 6 assi montato su rotaia. Le applicazioni includono componenti di protezione termica in fibra di vetro per l’Airbus A330 e strutture a nido d’ape per l’elicottero Airbus Super-Puma MK II.
“Con Robotmaster siamo in grado di sfruttare appieno il mondo della robotica. Ora possiamo lavorare i nostri pezzi compositi con la stessa facilità con cui lo facevamo con le macchine CNC”, afferma Coubard. “La nuova funzione di simulazione è così potente che non abbiamo ancora sfruttato tutte le sue potenzialità.”
Senza Robotmaster, Coubard afferma che probabilmente avrebbero abbandonato la robotica e fatto ritorno ai vecchi metodi di lavorazione CNC.
Presso l’AMRC, il gruppo di Morgan utilizza la robotica e la metrologia per sviluppare nuovi metodi di assemblaggio di prodotti complessi destinati al settore aerospaziale e ad altre industrie ad alto valore aggiunto.
“Collaboriamo con Robotmaster da tre anni”, afferma Morgan. “Il software ha permesso ai nostri operatori e ingegneri di riprogrammare la cella in modo rapido ed efficace, oltre a ottimizzare i percorsi della macchina. Offre grande flessibilità e controllo.”
“L’utilizzo di questo software si adatta particolarmente all’ambiente di ricerca, grazie alla varietà dei nostri lavori e alla diversità dei componenti”, afferma Morgan. “Qui non produciamo in serie, quindi spesso realizziamo uno, due o tre pezzi per volta, per poi passare a un altro componente. “Ma anche il settore aerospaziale richiede flessibilità e riconfigurabilità, e con Robotmaster soddisfiamo pienamente questa esigenza.”
Gli operatori riferiscono che il software funziona correttamente al 100% già al primo utilizzo, senza necessità di interventi manuali o ritocchi. È programmazione robotica senza errori e senza complessità. Così semplice da usare che anche un principiante può farlo.
Abbina un robot flessibile a una soluzione software avanzata. Ora puoi sfruttare liberamente l’intero spazio di lavoro del robot. Ciò che prima sembrava un problema di un sistema sovradeterminato, con più modi per raggiungere lo stesso punto, è ora diventato un’opportunità grazie a sofisticati strumenti di ottimizzazione del percorso.
I robot hanno dimostrato la loro affidabilità operativa nel settore aerospaziale. Hanno solo bisogno del software giusto per esprimere appieno il loro potenziale.