Le défi
par Adam Graunke, Gabriel Burnett & Charles Hu (Boeing Research and Technology)
Présenté lors de la conférence Winter Simulation 2015
Face à la demande croissante d'avions en matériaux composites légers, des techniques avancées de fabrication de matériaux composites sont développées pour livrer plus d'avions rapidement, avec une qualité accrue et des coûts réduits. Ces techniques avancées nécessitent des évaluations de l'aptitude à la production dans le cadre des programmes de développement des avions. Les techniques de fabrication doivent être évaluées en termes de coût, de capacité de production et de qualité, entre autres. Cette étude porte sur une technique de stratification des composites appelée AFP (Automated Fiber Placement) appliquée aux structures des avions de grande taille. Les objectifs de l'étude étaient de déterminer les variables de performance critiques pour le développement ultérieur de la technologie, de déterminer la capacité de taux et de qualité, et de définir les exigences de performance de base. Une approche basée sur les agents a été utilisée pour permettre l'expérimentation des paramètres à travers un grand nombre de variables et de valeurs variables. Le résultat a été un ensemble validé de paramètres de performance avec des valeurs de base pour répondre aux exigences du programme.
Énoncé du problème
Cette étude a été demandée par les groupes de technologie de fabrication de Boeing pour évaluer la faisabilité et la capacité de l'AFP à être utilisée sur une pièce spécifique d'un programme d'avion en cours de développement. Les demandeurs souhaitaient estimer les performances de l'état actuel de la technique sur une pièce donnée dans le cadre d'un système de production proposé. En outre, ils souhaitaient développer un ensemble de paramètres et de valeurs minimales admissibles à utiliser dans un document de demande de proposition (RFP). Le client a fourni un ensemble de variables de décision, d'indicateurs clés de performance et de propriétés du système, comme indiqué dans le tableau 1. Il a également fourni des exigences de haut niveau en matière de géométrie des pièces et de taux de production.
Tableau 1. Caractéristiques du problème
| Variables de décision: Nombre de robots, nombre de têtes par robot |
| ICP: Vitesse de dépose (livres par heure) pour la pièce spécifiée, coût non récurrent du système |
| Paramètres de temps d'arrêt: Temps de changement de tête, capacité de la bobine, pourcentage de cours échoués, temps d'arrêt par échec, temps de contrôle de la qualité. |
| Paramètres de performance: Accélération/décélération, vitesse linéaire maximale, vitesse de rotation maximale, temps de coupe, distance minimale entre les robots. |
La solution
Motivation et description du système
Boeing Commercial Airplanes estime, dans ses perspectives de marché concurrentiel pour 2015, qu'il y a une demande pour près de 9 000 avions à fuselage large au cours des 20 prochaines années. Une grande partie de cette demande sera satisfaite par les avions actuels et de la prochaine génération qui comportent un grand nombre de pièces et de structures en matériaux composites. Afin de répondre à cette demande, les fabricants de l'industrie aérospatiale investissent des efforts considérables dans le développement de nouvelles technologies pour les matériaux composites et les techniques de fabrication. Ces matériaux et techniques doivent évidemment être validés, testés et qualifiés avant d'être utilisés en production. Les techniques de fabrication sont difficiles à tester au cours de la phase de développement, en particulier pour les mesures de performance de la production telles que la capacité de production et l'utilisation, en raison de la nature interconnectée et complexe d'un système de production réel. C'est pourquoi la simulation est une méthode idéale pour estimer les paramètres de performance de la production.
L'Advanced Fiber Placement (AFP) est une technique qui consiste à appliquer de multiples "câbles" de fibres minces imprégnées de résine sur un outil profilé. Cette technique est bien adaptée aux applications aérospatiales qui nécessitent une grande précision sur des pièces de grande taille et de forme particulière. Plusieurs fournisseurs proposent actuellement des systèmes AFP et continuent de développer des machines et des technologies de contrôle pour répondre aux exigences croissantes des utilisateurs finaux. Un système AFP se compose d'un ou de plusieurs robots, et chaque robot possède un certain nombre de têtes qui déposent chacune un câble. Chaque tête est équipée d'une bobine qui l'alimente en fibres. Les robots se déplacent d'avant en arrière sur un outil (ou l'outil tourne sous la tête du robot) pour déposer le matériau.
Approche de la simulation
En raison de la nature des données d'entrée disponibles, une approche basée sur les agents a été utilisée. Les robots et les têtes de robot ont été modélisés comme des agents dotés de propriétés telles que la vitesse et l'accélération, et la pièce a été modélisée comme un ensemble d'agents représentant une largeur de matériau à déposer (appelée "parcours"). Ces agents de parcours ont été alimentés avec les données géométriques de la pièce. De cette manière, nous avons pu expérimenter le nombre de robots et le nombre de têtes par robot, ainsi que les paramètres de performance des robots.
L'impact sur l'entreprise
Les résultats
Les résultats de cette étude ont permis de déterminer la frontière efficace des robots/têtes de robot et des coûts non récurrents. La configuration minimale requise pour les exigences de taux de production a également été identifiée. Plusieurs de ces solutions ont ensuite été sélectionnées pour faire l'objet d'une analyse de sensibilité détaillée pour les paramètres de performance des robots et de temps d'arrêt (figure 1). Une régression linéaire sur ces résultats détaillés a mis en évidence deux paramètres critiques clés qui étaient les plus responsables de la performance de la mise en stock.
Figure 1. Frontière optimale et analyse de sensibilité détaillée pour les scénarios sélectionnés
Impact et conclusion
Cette étude a été essentielle pour informer les décideurs des performances de production d'une technologie spécifique bien avant que la pièce ou le système ne puisse être testé. Nous avons vérifié que cette technologie pouvait répondre aux exigences en matière de taux, et quel serait le coût non récurrent minimum pour y parvenir. L'analyse de sensibilité a permis de définir des exigences minimales de performance pour les fournisseurs qui développent cette technologie.