INTElligent FIXtures for the manufacturing

of low rigidity componentsGrant agreement no: 609306

Jornada: Iniciativa I4MS – ICT Innovation for Manufacturing SMEsOscar Gonzalo (IK4-TEKNIKER)

Bilbao 21/11/2013

• Industria de fabricación mecánica:

• Mecanizado preciso de componentes de tamaño medio y grande (aeronáutica, espacio o energía)

• Aumentar el rendimiento de los procesos de mecanizado

• Funciones convencionales del utillaje: Situar y fijar la pieza de forma precisa y segura

• Uso de sistemas de utillaje inteligentes que permitan monitorizar, controlar y adaptar el proceso parala obtención de resultados adecuados en lo referente a los requisitos de precisión, calidad y coste

• Funciones adicionales de los utillajes de INTEFIX: reducir el impacto de las deformaciones,vibraciones y distorsiones de la pieza durante el proceso

• Conceptos empleados:

• Sistemas Mecatrónicos/Adaptrónicos basados en sensores, actuadores, algoritmos de control, herramientas de

simulación…

• Adaptabilidad: Comportamiento ajustable ante variaciones del sistema de mecanizado (máquina-utillaje-pieza)

• Modularidad: Utilización de elementos modulares (recuperación y reutilización)

• Aplicable a otros procesos como soldadura, montaje/ensamblaje…

Introducción

El desarrollo de utillajes adaptativos, eficientes e inteligentes presenta los siguientes retos:

• Elementos móviles: Precisión y repetibilidad. Tolerancias del utillaje entre 20% y 50% de las tolerancias de la pieza.

Mantener las referencias

• Seguridad, fiabilidad, robustez, anti-fallo. Reducción de piezas rechazadas/retrabajos. Soportar condiciones de trabajo.

• Automatización: reducción de tiempos y errores

• Reducir costes. Incremento de precio al incluir sensores, actuadores y componentes electrónicos

• Modularidad: Reducir tiempo de ajuste/desarrollo para una nueva configuración/componente.

• Identificar problemas/limitaciones del proceso (vibraciones, deformaciones...) y adaptar el comportamiento del utillaje.

Potenciales ventajas de su utilización:

• Posibilidad de cambiar el comportamiento del utillaje (estático y dinámico): modificación de la posición, fuerza de

amarre, frecuencias naturales/amortiguamiento/rigidez del sistema (máquina-utillaje-pieza)

• Reducción o eliminación de los problemas estáticos (posición, deformación, distorsión…) y dinámicos (chatter,

vibraciones forzadas…) durante el mecanizado

• Control del proceso y del utillaje basado en sensores (laser, piezoeléctricos, MEMS, FBG...) y actuadores (hidráulicos,

neumáticos, mecánicos, electromecánicos...). Sistemas mecatrónicos y adaptrónicos

• Mejorar el rendimiento del proceso (tiempos, precisión y calidad, MRR, vida de herramienta, ecoeficiencia…).

• Reutilización de componentes de utillaje y facilidad de adaptación a nuevas geometrías de pieza (utilización de amarres

zero point, elementos modulares…).

Retos y ventajas de los utillajes inteligentes

El proyecto INTEFIX pretende establecer metodologías de diseño de utillajes utilizando hardware ysoftware con tecnologías en el estado del arte (sensores, actuadores, CAD/CAM/CAE, CNC, PLC,simulación de procesos...) en combinación con herramientas ICT (algoritmos de control, herramientasde simulación...) desarrolladas expresamente para controlar y adaptar el comportamiento del utillaje;dando como resultado los utillajes inteligentes. Estas metodologías se basarán en el empleo deelementos modulares para la obtención de sistemas de utillaje reconfigurables, rápidos, precisos yrobustos.

El proyecto INTEFIX está basado en 3 pilares: Monitorización/ Actuación / Control del comportamiento del utillaje

• Experimentos ⇒ Metodología

• Sistemas en el estado del arte ⇒ Integración

• Utillaje adaptativo ⇒ Utillaje inteligente

• Elementos modulares

Objetivo Principal

El proyecto trata sobre la instalación de utillajes inteligentes y el desarrollo de los experimentos paraverificar su capacidad en la mejora de procesos:

• Reducción del tiempo de desarrollo de utillajes (50%) y del tiempo de ajuste de pieza (50%) en componentes complejos

• Automatización y mejora de la seguridad para el operario

• Respuesta ante fuerzas, vibraciones y desplazamientos no deseados ⇒ Estrategias de monitorización y control.

• Utilización de tecnologías en el estado del arte: sensores (laser, piezoeléctrico…); actuadores convencionales

(neumático, hidráulico…) y alternativos (magneto-reológico, piezoeléctrico…); materiales avanzados (composites) para

dar amortiguamiento/rigidez...

• Comunicación con el CNC/PLC ⇒ monitorización (señales internas) y modificación de condiciones de trabajo.

• Modularización, estandarización y reutilización de los elementos de sensorica y actuación. P.ej. Posicionamiento

preciso y repetible de la pieza basado en sistemas zero-point.

• Mejora del rendimiento del mecanizado (15%) y la fiabilidad (75-90% menor tasa rechazo) , por el control de

vibraciones, deformaciones y posicionamiento.

• Adaptar las herramientas de simulación (chatter, fuerzas, modos, deformaciones...) a la predicción del comportamiento

del utillaje bajo las cargas de trabajo

• 2 alternativas para el uso de los utillajes inteligentes: a) En tiempo real basado en los datos de la monitorización, o b)

Predefinido en base a simulaciones pre-proceso.

• Definición de trayectorias/condiciones de mecanizado adaptadas al comportamiento del sistema pieza-utillaje

Objetivos específicos

El proyecto está organizado en una serie de CASOS DE ESTUDIO para los que se desarrollansoluciones basadas en sensores, actuadores, tecnologías de mecanizado y tecnologías ICT.

Los casos de estudio están divididos en 3 escenarios de aplicación:

• ESCENARIO 1: VIBRACIÓN. Piezas con problemas de vibraciones durante el mecanizado.

• ESCENARIO 2: DEFORMACIÓN. Piezas con problemas de deformaciones/distorsiones durante el mecanizado.

• ESCENARIO 3: POSICIONAMIENTO. Piezas con problemas de posicionamiento/referenciación durante el mecanizado

CASE STUDY n

Coordinating partner

Technology

supplyers

End-user

RTD

performers

SCENARIO 1

VIBRATIONS

SCENARIO 2

DEFORMATIONS

SCENARIO 3

POSITIONING

CASE STUDY n

Coordinating partner

Technology

supplyers

End-user

RTD

performers

Case studies from

OPEN CALL

CASE STUDY n

Coordinating partner

Technology

supplyers

End-user

RTD

performers

WP4: INTEFIX methodology development

WP3: Specifications

OPEN CALL

WP

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CASE STUDY n

Coordinating partner

Technology

supplyers

End-user

RTD

performers

WP 13 – CS 0.1

WP14 – CS 0.2

WP15 – CS 0.3

WP 5 – CS 1.1

WP 6 – CS 1.2

WP 7 – CS 2.1

WP 8 – CS 2.2

WP 9 – CS 2.3

WP 10 – CS 2.4

WP 11 – CS 3.1

WP 13 – CS 3.2

CASE STUDY n

Coordinating partner

Technology

supplyers

End-user

RTD

performers

Estructura del proyecto

DURACIÓN: 18 meses

Participantes: 22

Fecha de inicio: Julio 2013

Fecha de fin: Junio 2016

Duración: 3 años - 36 meses

Presupuesto: 9.639.391

Financiación: 7.499.998 €

OPENCALL:

Presupuesto: 1.500.000 €

Apertura estimada: febrero/marzo 2014

Número de nuevos experimentos: 3

Datos del Proyecto

ESCENARIO 1: VIBRACIONESCS 1.1

Identificación y amortiguamiento activo de las vibraciones criticas asociadas a la pieza en elfresado de impellers/blisk con paredes delgadas.

Descripción:

• Impeller fabricado en aluminio EN AW-7075 mecanizado en 5-ejes simultaneos.

• Reducir las vibraciones en el mecanizado de los álabes.

• Integración de sensores y actuadores para monitorizar el proceso y evitar las condiciones de mecanizado inestables.

• La vibración ocurre debido a la baja rigidez y a las fuerzas de corte, que conducen a condiciones de proceso

inestables, malos acabados superficiales y desgaste de la herramienta.

Participantes:

• GIGGEL GmbH; ROEMHELD GmbH; INVENT GmbH; CEDRAT Technologies; ISF (TUDortmund); IFQ (OvGU-

Magdeburg)

Solución planteada:

• Desarrollo del “i-chuck”: nueva mordaza de

amarre con sensores integrados que permitan

detectar las condiciones inestables del proceso,

junto con actuadores para contrarrestarlas

• Apoyo en simulaciones dinámicas del proceso de

mecanizado

ESCENARIO 1: VIBRACIONESCS 1.2

Torneado de la carcasa de la turbina de baja presión.

Descripción:

• Torneado de la carcasa fabricada en INCONEL 718. Dimensiones: D=1800 mm; H=550 mm; e=2.5-6 mm.

• El rendimiento está limitado por las vibraciones que limitan las condiciones de corte y la vida de la herramienta

• Las vibraciones provocan mal acabado superficial e integridad ⇒ Riesgo de rechazo de la pieza.

• Propiedades dinámicas del conjunto variables debido a la eliminación de material

• Pieza-utillaje girando en el plato del torno vertical

Participantes:

• ITP; INVENT GmbH; CEDRAT TECHNOLOGIES; COMPOTECH s.r.o.; ALAVA Ingenieros; ADAPTRONICS

International GmbH; IK4-TEKNIKER

Solución planteada:

• Integración de sensores y actuadores

• Desarrollo de utillajes que detecten las vibraciones

• Modificación del comportamiento del sistema (máquina-utillaje-pieza)

• Actuar sobre las condiciones de contorno de amarre de la pieza para modificar su

comportamiento dinámico: fuerza, presión, amortiguamiento ⇒ Modificación de la

rigidez y el amortiguamiento, ajustable por la posición y fuerza de amarre

ESCENARIO 2: DEFORMACIONESCS 2.1

Detección y compensación de las distorsiones de pieza durante el mecanizado de piezasaeronáuticas esbeltas y con paredes delgadas.

Descripción:

• Componente estructural nervado fabricado en aluminio para el sector aeroespacial

• Las distorsiones ocurren por la presencia de tensiones residuales y las altas tasas de eliminación de material

• Conduce a piezas no válidas

• Integrar sistemas para detectar estas distorsiones y compensar los errores de forma mediante actuadores

Participantes:

• DEHARDE; GIGGEL GmbH; ROEMHELD GmbH; INVENT GmbH; BCT; ISF (TUDortmund); IFQ (OvGU-Magdeburg)

Solución planteada:

• Integración de sensores que detecten las fuerzas consecuencia de las

deformaciones

• Introducción de actuadores para compensar las distorsiones con una estrategia

de mecanizado incremental por etapas

• Mecanizado por etapas: Adaptación de las trayectorias NC a la configuración

deformada

ESCENARIO 2: DEFORMACIONESCS 2.2

Amarre de componentes curvos de paredes delgadas

Descripción:

• Control de deformación en un componente estructural de paredes delgadas fabricado en Al 7075 (L=3000 mm;

W=1100mm; e=2-3 mm) partiendo desde un bloque

• Control de las fuerzas de amarre y medición de espesores durante el proceso.

• Volteo para el mecanizado de ambas caras

• Rigidez variable durante el proceso ⇒ Control de la fuerza de amarre para limitar la deformación

• Controlar el espesor final de la pieza como consecuencia de las deformaciones (Mayor peso o menor rigidez)

• Limitaciones secundarias debido a vibraciones ⇒ optimización de los parámetros de proceso

Participantes:

• RCMT; TYC s.r.o; ROEMHELD GmbH

Solución planteada:

• Integración de sensores para medir las fuerzas de amarre y controlarlas

• Comunicación entre el utillaje y el CNC

• Integración de sensores para medida de espesor

• Control de fuerza de amarre mediante la relación con la rigidez de la pieza

ESCENARIO 2: DEFORMACIONESCS 2.3

Distorsiones en piezas estructurales aeronáuticas

Descripción:

• Control de distorsiones en componente estructural aeronáutico esbelto y con gran cantidad de material eliminado

• Existencia de tensiones residuales de procesos previos y tensiones adicionales debido al proceso de amarre

• Alto número de atadas para obtener un mecanizado sin distorsiones ⇒ baja precisión, alta dispersión, alto número de

rechazos

• Utillaje complicado debido a la rigidez cambiante y reducida (eliminación de material + liberación de tensiones)

• Soporte de la pieza mediante resina con proceso de polimerización: tiempo de ciclo elevado

Participantes:

• KALE AERO; DR. MATZAT; IK4-IDEKO

Solución planteada:

• Amarres inteligentes para medir la fuerza y aplicar un desplazamiento adecuado

• Desarrollo de amarres semi-inteligentes: Desplazamiento para buscar la posición de

contacto y fijación sin deformación con mínima fuerza

• Modelo matemático de las tensiones residuales en el componente ajustado con el

comportamiento de la pieza tras cada operación de mecanizado ⇒ Predición del

estado tras las diferentes operaciones de mecanizado

• Mecanizado de la pieza corrigiendo y compensando de antemano la distorsión

ESCENARIO 2: DEFORMACIONESCS 2.4

Mecanizado de estructuras de soporte de turbinas aeronáuticas

Descripción:

• Componente estructural de turbina fabricado en INCONEL 718 (D=1900mm; H=350mm; 6-10mm).

• Control de deformaciones y vibraciones durante el mecanizado en estructuras soldadas.

• Torneado de bridas asegurando la precisión y cumpliendo los requisitos para el ensamblaje posterior.

• Operación en centro de mecanizado con pieza-utillaje giratorio en plato.

Participantes:

• ITP; STERN Hidráulica; ALAVA Ingenieros; ROEMHELD GmbH; IK4-TEKNIKER

Solución planteada:

• Monitorizar y controlar las deformaciones y las vibraciones desde el utillaje

• Sensores para detectar las deformaciones y las vibraciones

• Actuadores para corregir las deformaciones adaptando la posición de los

localizadores y la fuerza del amarre

• Transmisión de señales y alimentación en elementos rotativos durante el

mecanizado (uniones rotativas, transmisión de señal wireless)

ESCENARIO 3: POSICIONAMIENTOCS 3.1

Utillaje para el ajuste y fijación de la pieza con y sin predeformación

Descripción:

• Reducir el tiempo de ajuste y mejorar la precisión en el amarre de la pieza.

• Lograr el posicionamiento correcto teniendo en cuenta la deformación de la pieza al amarrar.

• Piezas de grandes dimensiones y gran flexibilidad. Pieza estructural de acero (L=2500mm; H=1500mm) fabricada por

soldadura.

• Introducción de sistemas para amortiguar la vibración en el mecanizado por la baja rigidez dinámica.

• Operaciones de fresado y taladrado, estando la precisión limitada por las deformaciones en el amarre

Participantes:

• RCMT; TYC s.r.o; ROEMHELD GmbH; ADAPTRONICS International

Solución planteada:

• Utillaje de amarre modular para la nivelación de la pieza (soportes

independiente y moviles) con capacidad de medir la fuerza y la

posición, trabajando en lazo cerrado.

• Integración de sensores y actuadores

ESCENARIO 3: POSICIONAMIENTOCS 3.2

Referenciación semiautomática para su aplicación en piezas grandes

Descripción:

• Medición de la posición e introducción de las correcciones mediante desplazamientos de la

pieza

• Evitar faltas de material en zonas de la pieza tras el mecanizado.

• Reducir el tiempo de ajuste

• Piezas de grandes dimensiones y gran peso.

• Operaciones de fresado y taladrado

Participantes:

• SORALUCE; GOIMEK; ROEMHELD GmbH; IK4-IDEKO

Solución planteada:

• Sistema de visión integrado en máquina

• Utillaje de amarre modular para la nivelación de la pieza (soportes

independientes y móviles) con capacidad de medir la fuerza y la

posición, trabajando en lazo cerrado.

• Aplicación en máquinas con 2 estaciones de trabajo

• Aplicaciones en la línea de las presentadas:

• Vibraciones / Distorsiones / Posicionamiento

• Posibilidades de automatización e integración de sistemas inteligentes

• Formar consorcio con usuarios, empresas que aporten soluciones tecnológicas y

entidades de investigación.

• Proceso de OPENCALL: Enero 2014-Junio 2014

• Apertura de la OPENCALL: febrero-marzo 2014

• Incorporación al proyecto de las propuestas seleccionadas: Julio-2014

• Contribución EC máxima por propuesta: 500.000

OPENCALL

Eskerrik asko

Gracias

Mas información:

www.intefix.eu

www.i4ms.eu

Contacto: Oscar Gonzalo

(oscar.gonzalo@tekniker.es)