Die Herausforderung
von Adam Graunke, Gabriel Burnett & Charles Hu (Boeing Forschung und Technologie)
Vorgestellt auf der Winter Simulation Conference 2015
Angesichts der steigenden Nachfrage nach leichten Verbundwerkstoff-Flugzeugen werden fortschrittliche Verbundwerkstoff-Fertigungsverfahren entwickelt, um mehr Flugzeuge in kürzerer Zeit, mit höherer Qualität und geringeren Kosten zu liefern. Diese fortschrittlichen Techniken erfordern eine Bewertung der Produktionsreife als Teil der Flugzeugentwicklungsprogramme. Die Fertigungstechniken müssen unter anderem im Hinblick auf Kosten, Geschwindigkeit und Qualität bewertet werden. Diese Studie befasst sich mit einer Verbundwerkstoff-Layup-Technik namens AFP (Automated Fiber Placement), die auf große Flugzeugstrukturen angewendet wird. Ziel der Studie war es, die kritischen Leistungsvariablen für die weitere Technologieentwicklung zu bestimmen, die Geschwindigkeit und die Qualitätsfähigkeit zu ermitteln und die grundlegenden Leistungsanforderungen zu definieren. Ein agentenbasierter Ansatz wurde verwendet, um Parameterexperimente mit einer großen Anzahl von Variablen und Variablenwerten zu ermöglichen. Das Ergebnis war ein validierter Satz von Leistungsparametern mit Basiswerten, die den Programmanforderungen entsprechen.
Problemstellung
Diese Studie wurde von produktionstechnischen Gruppen bei Boeing in Auftrag gegeben, um die Durchführbarkeit und Fähigkeit von AFP für ein bestimmtes Teil eines in der Entwicklung befindlichen Flugzeugprogramms zu bewerten. Die Auftraggeber waren daran interessiert, abzuschätzen, wie der aktuelle Stand der Technik bei einem bestimmten Teil in einem vorgeschlagenen Produktionssystem funktionieren würde. Außerdem waren sie daran interessiert, eine Reihe von Parametern und zulässigen Mindestwerten zu entwickeln, die in einem Ausschreibungsdokument verwendet werden sollten. Der Kunde stellte eine Reihe von Entscheidungsvariablen, KPIs und Systemeigenschaften zur Verfügung, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Außerdem wurden die Anforderungen an die Teilegeometrie und die Produktionsrate vorgegeben.
Tabelle 1. Problemcharakteristika
| Entscheidungsvariablen: Anzahl von Robotern, Anzahl von Köpfen pro Roboter |
| KPIs: Legegeschwindigkeit (Pfund pro Stunde) für ein bestimmtes Teil, einmalige Systemkosten |
| Ausfallzeit-Parameter: Kopfwechselzeit, Spulenkapazität, Prozentsatz fehlgeschlagener Kurse, Ausfallzeit pro Fehler, Qualitätsprüfungszeit |
| Leistungsparameter: Beschleunigung/Verzögerung, maximale lineare Geschwindigkeit, maximale Rotationsgeschwindigkeit, Schnittzeit, Mindestabstand zwischen den Robotern |
Die Lösung
Motivation und Systembeschreibung
Boeing Commercial Airplanes schätzt in seiner Marktprognose 2015, dass in den nächsten 20 Jahren ein Bedarf an fast 9.000 Großraumflugzeugen besteht. Ein Großteil dieser Nachfrage wird durch die aktuelle und die nächste Generation von Flugzeugen gedeckt werden, die eine große Anzahl von Verbundstoffteilen und -strukturen aufweisen. Um diese Nachfrage zu befriedigen, investieren die Hersteller der Luft- und Raumfahrtindustrie erhebliche Anstrengungen in die Entwicklung neuer Technologien für Verbundwerkstoffe und Fertigungstechniken. Diese Materialien und Verfahren müssen natürlich vor dem Einsatz in der Produktion validiert, getestet und qualifiziert werden. Fertigungstechniken lassen sich in der Entwicklungsphase nur schwer testen, insbesondere im Hinblick auf Produktionsleistungskennzahlen wie Ratenfähigkeit und Auslastung, da ein Produktionssystem in der Praxis sehr komplex und eng miteinander verbunden ist. Daher ist ein Simulationsansatz eine ideale Methode zur Abschätzung der Produktionsleistungsparameter.
Advanced Fiber Placement (AFP) ist eine Technik, bei der mehrere dünne, harzgetränkte Fasern auf ein konturiertes Werkzeug aufgebracht werden. Diese Technik eignet sich gut für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, wo eine hohe Genauigkeit bei großen, konturierten Teilen erforderlich ist. Derzeit gibt es mehrere Anbieter von AFP-Systemen, die ihre Maschinen- und Steuerungstechnologien ständig weiterentwickeln, um den steigenden Anforderungen der Endanwender gerecht zu werden. Ein AFP-System besteht aus einem oder mehreren Robotern, und jeder Roboter hat eine Reihe von Köpfen, die jeweils ein Kabel ablegen. Für jeden Kopf gibt es eine Spule, die das Fasermaterial dem Kopf zuführt. Die Roboter bewegen sich über ein Werkzeug hin und her (oder das Werkzeug rotiert unter dem Roboterkopf), um das Material abzulegen.
Ansatz für die Simulation
Aufgrund der Beschaffenheit der verfügbaren Eingabedaten wurde ein agentenbasierter Ansatz gewählt. Die Roboter und Roboterköpfe wurden als Agenten mit Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Beschleunigung modelliert, und das Bauteil wurde als eine Gruppe von Agenten modelliert, die eine Schleppbreite des abzulegenden Materials (als "Bahn" bezeichnet) darstellen. Diese Bahn-Agenten wurden mit den Geometriedaten des Teils gefüllt. Auf diese Weise konnten wir mit der Anzahl der Roboter und der Anzahl der Köpfe pro Roboter sowie mit den Leistungsparametern der Roboter experimentieren.
Die geschäftlichen Auswirkungen
Ergebnisse
Die Ergebnisse dieser Studie ermittelten die effiziente Grenze von Robotern/Roboterköpfen und einmaligen Kosten. Außerdem wurde die erforderliche Mindestkonfiguration für die Anforderungen an die Produktionsrate ermittelt. Mehrere dieser Lösungen wurden dann für eine detaillierte Sensitivitätsanalyse der Parameter für Roboterleistung und Ausfallzeiten ausgewählt (Abbildung 1). Eine lineare Regression dieser detaillierten Ergebnisse ergab zwei kritische Schlüsselparameter, die am stärksten für die Ablageleistung verantwortlich waren.
Abbildung 1. Optimale Grenze und detaillierte Empfindlichkeitsanalyse für ausgewählte Szenarien
Auswirkungen und Schlussfolgerung
Diese Studie war entscheidend, um die Entscheidungsträger über die Produktionsleistung einer bestimmten Technologie zu informieren, lange bevor das eigentliche Teil oder System getestet werden konnte. Wir haben überprüft, ob diese Technologie die Ratenanforderungen erfüllen kann und wie hoch die minimalen einmaligen Kosten dafür sein würden. Die Sensitivitätsanalyse lieferte einen Beitrag zu den Mindestanforderungen an die Leistung von Anbietern, die diese Technologie entwickelten.