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Proyecto I4MS. INTEFIX - intelligent fixtures for the manufacturing of low rigidity components

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Presentación proyecto INTEFIX - Oscar Gonzalo, IK4-TEKNIKER (lider del proyecto), en la jornada celebrada en SPRI - Bilbao, el 21 de Noviembre 2013. La jornada ha estado dirigida a Pymes del sector …

Presentación proyecto INTEFIX - Oscar Gonzalo, IK4-TEKNIKER (lider del proyecto), en la jornada celebrada en SPRI - Bilbao, el 21 de Noviembre 2013. La jornada ha estado dirigida a Pymes del sector TIC innovadoras en el entorno de fabricación y/o Pymes manufactureras dispuestas a ser usuarios tempranos de nuevas tecnologías TIC. Estas empresas participarán en un ecosistema de innovación que les permitirá una mejora significativa de sus actividades de I+D. Durante la Jornada se han expuesto los detalles de la iniciativa I4MS, sobre las convocatorias de experimentos, así como los proyectos que se están desarrollando en este marco.

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  • 1. INTElligent FIXtures for the manufacturing of low rigidity components Grant agreement no: 609306 Jornada: Iniciativa I4MS – ICT Innovation for Manufacturing SMEs Oscar Gonzalo (IK4-TEKNIKER) Bilbao 21/11/2013
  • 2. Introducción • 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 para la 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…
  • 3. Retos y ventajas de los utillajes inteligentes 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…).
  • 4. Objetivo Principal El proyecto INTEFIX pretende establecer metodologías de diseño de utillajes utilizando hardware y software 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, herramientas de simulación...) desarrolladas expresamente para controlar y adaptar el comportamiento del utillaje; dando como resultado los utillajes inteligentes. Estas metodologías se basarán en el empleo de elementos modulares para la obtención de sistemas de utillaje reconfigurables, rápidos, precisos y robustos. • Experimentos ⇒ Metodología • Sistemas en el estado del arte ⇒ Integración • Utillaje adaptativo ⇒ Utillaje inteligente • Elementos modulares El proyecto INTEFIX está basado en 3 pilares: Monitorización/ Actuación / Control del comportamiento del utillaje
  • 5. Objetivos específicos El proyecto trata sobre la instalación de utillajes inteligentes y el desarrollo de los experimentos para verificar 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
  • 6. Estructura del proyecto El proyecto está organizado en una serie de CASOS DE ESTUDIO para los que se desarrollan soluciones 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 SCENARIO 2 DEFORMATIONS SCENARIO 3 POSITIONING WP 7 – CS 2.1 WP 11 – CS 3.1 WP 8 – CS 2.2 WP 6 – CS 1.2 WP 13 – CS 3.2 WP 9 – CS 2.3 WP 13 – CS 0.1 WP 10 – CS 2.4 WP14 – CS 0.2 WP15 – CS 0.3 CASE STUDY n Coordinating partner CASE STUDY n Coordinating partner Technology supplyers RTD performers End-user CASE STUDY n CASE STUDY n Coordinating partner Coordinating partner Technology supplyers RTD performers End-user Technology supplyers Technology supplyers RTD performers End-user WP4: INTEFIX methodology development RTD performers End-user RESULTS WORK PACKPAGES WP1 Management Case studies from OPEN CALL SCENARIO 1 VIBRATIONS WP 5 – CS 1.1 OPEN CALL WP2 Training, dissemination and exploitation WP3: Specifications CASE STUDY n Coordinating partner Technology supplyers RTD performers End-user DURACIÓN: 18 meses
  • 7. Datos del Proyecto 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
  • 8. ESCENARIO 1: VIBRACIONES CS 1.1 Identificación y amortiguamiento activo de las vibraciones criticas asociadas a la pieza en el fresado 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 (OvGUMagdeburg) 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
  • 9. ESCENARIO 1: VIBRACIONES CS 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
  • 10. ESCENARIO 2: DEFORMACIONES CS 2.1 Detección y compensación de las distorsiones de pieza durante el mecanizado de piezas aeronáuticas 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
  • 11. ESCENARIO 2: DEFORMACIONES CS 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
  • 12. ESCENARIO 2: DEFORMACIONES CS 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
  • 13. ESCENARIO 2: DEFORMACIONES CS 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)
  • 14. ESCENARIO 3: POSICIONAMIENTO CS 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
  • 15. ESCENARIO 3: POSICIONAMIENTO CS 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
  • 16. OPENCALL • 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
  • 17. Eskerrik asko Gracias Mas información: www.intefix.eu www.i4ms.eu Contacto: Oscar Gonzalo (oscar.gonzalo@tekniker.es)

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