Boom met MBI door geluidsbarrière

Boom1

Supersonische vliegtuigen verdienen een terugkeer naar de burgerluchtvaart. Althans, dat vinden ze bij vliegtuigbouwer Boom Supersonic. Hun nieuwe Overture toestel - dat indien gereed 55 tot 75 passagiers kan vervoeren - moet een machje of 2,2 gaan doen. Om die snelheid te halen, is de grootste precisie en top kwaliteit vereist. Veel testen dus, onder andere met een 1/3 schaalmodel dat XB-1 is genoemd. Hierbij is een belangrijke rol weggelegd voor Model Based Inspection.

Wanneer je een verkeersvliegtuig ontwerpt en bouwt dat bedoeld is om te vliegen met Mach 2.2, oftewel ongeveer 1.459 MPH, is precisie- en kwaliteitsverificatie van elk onderdeel van cruciaal belang. Gelukkig zit een continu ­streven naar kwaliteit in het Boom-dna ingebakken, wat er ook toe leidde dat inspectie en meten op een hele andere manier benaderd werd. Binnen de eigen gelederen, maar ook in de toeleveringsketen.

Voor het opzetten van een uitgebreide meetstrategie, heeft het Boom eerst gekeken naar de toepassingsdoelstellingen en de reikwijdte van de meting en rapportage binnen de gehele onderneming. “Voor veel ingenieurs is de term meting of metrologie synoniem met inspectie en kwaliteitscontrole. Bij Boom is dat niet ­anders. Maar we omarmen ook metrologie als middel om kwaliteit in te bouwen in alles wat we doen”, legt manufacturing engineer Ryan Bocook uit. Het was daarbij vanaf het ­begin ons doel om parallel aan de productie van XB-1 ­productietechnieken en -processen te ontwikkelen. Dit vereiste absolute documentatie, procescontrole, rapportage en solide databeheer vanaf de bron, wat ons uiteindelijk op het pad van Model Based Definition (MBD) bracht”, ­aldus Bocook.

MBI als digitale draad

Bij het implementeren van een MBD-strategie wordt het 3D-CAD-model de basis voor alle ­informatie die nodig is om een onderdeel of product te produceren en aspecten van de productlevenscyclus te beheren. Alles wat nodig is om een onderdeel te produceren is opgenomen in het CAD-model, van ontwerp tot productie, inclusief alle afmetingen en vorm en plaatstoleranties (GD&T). Door het gebruik van MBD en MBI blijft de ‘digitale draad’ middels een digitale tweeling van meetwaarden in stand. Het ­gebruik van MBD kan vergaand zijn en veel verschillende attributen van een bepaald onderdeel of product bevatten. Denk aan afwer­kingen, coatings, kleuren, versiebeheer en statistische procescontrole (SPC). En er is nog veel meer te bedenken. Maar wat voor aanvullende informatie je ook aan je model wilt hangen, modelgebaseerde metingen en inspecties zijn vrijwel altijd een goed vertrekpunt. Ze zijn essentieel  voor vrijwel alle implementaties van MBD. “Bij Boom is het 3D-CAD-model ondubbelzinnig leidend , ook wanneer er een conflicten ontstaan tussen tekeningen en modellen. Met de autoriteit die aan het model wordt toegekend, elimineert MBD fouten die het gevolg zijn van het verwijzen naar een onjuiste bron en maakt het de processen efficiënter”, voegt ­Bocook toe.

Eén platform

De modelgebaseerde meet- en inspectiestra­tegie van Boom omvat elke afdeling van het bedrijf, inclusief het ontwerp, de productie, de verzending/ontvangst, de assemblage en de kwaliteitsinspectie. Om alle meet- en inspectiebehoeften effectief te beheren, heeft Boom de volgende eisen opnieuw geïdentificeerd:

  • Eén enkele meetsoftware moet alle metrologieprocessen aansturen, inclusief kwaliteitsinspectie, reverse-engineering, gereedschapsbouw en assemblage­begeleiding.
  • De software moet een interface hebben met verschillende draagbare meettoestellen, waaronder armen en trackers, en deze controleren
  • De software moet een modelgebaseerd CAD-platform zijn waarmee flexibel bestanden beheerd kunnen worden en modelgebaseerde inspecties kunnen worden uitgevoerd.
  • De software moet in staat zijn om intelligente GD&T - Geometric Dimensions and Tolerances-gegevens te importeren en te bewerken om zo snel inspectieroutines te kunnen creëren.
  • De software moet verschillende type inspectiegegevens verwerken, van handmatige sondering tot contactloze scangegevens.

Boom2

Op basis van deze criteria kwam voor Boom ­Verisurf Software als beste uit de bus. Hun software kent een open CAD-gebaseerde architectuur en kan modelgebaseerd met vrijwel alle hardware-meetapparatuur overweg of deze zelfs aansturen. “Verisurf software dient als een gemeenschappelijk meetplatform voor Boom en communiceert open met al onze CAD-­bestanden, ook die van onze leveranciers”, ­aldus metroloog Todd Wyatt. “Uiteindelijk levert dat niet alleen een betere kwaliteit en meer ­efficiëntie op, ook onze directe kosten worden door standaardisatie lager. Al onze gebruikers hoeven slechts voor één enkele meet- en ­inspectiesoftware getraind te worden. Ook hebben we nu maar met één licentie te maken voor wat betreft databeheer en onderhoud”, voegt Wyatt toe.

Alles weten

Het oude adagium ‘meten is weten’ is bij Boom een vanzelfsprekendheid. Vrijwel elk onderdeel wordt onderworpen aan een 100% kwaliteitsverificatie. “We gebruiken overal in dit vliegtuig meet- en inspectiesoftware. Het lijkt me sterk dat er één onderdeel is dat niet is gemeten of ­gescand”, vervolgt Wyatt. Naast het verbeteren van het eindresultaat gebruikt Boom de modelgebaseerde metingen en inspecties ook om uren, dagen en zelfs weken van kritische processen af te schaven. Zo komt het modelgebaseerd meten en inspecteren voor tijdens het ontwerp, reverse engineeren en het inspec­teren en scannen van alle vlieghardware en testartikelen, inclusief:

  • Inspectie van gereedschappen en afwerkingsonderdelen
  • Reverse Engineering
  • Gereedschapsontwerp en -validatie
  • Off Aircraft Testopstelling
  • Vliegtuigonderdeel lokaliseren
  • Inspectie van gereedschaps- en afwerkingsonderdelen van leveranciers
  • Aangepaste vlieghardware vereist dimensionale inspectie van kritieke functies.

Boom3

Boom maakt ook gebruik van modelgebaseerde inspectiesoftware om binnenkomende ­onderdelen te controleren en om de door de leveranciers verstrekte inspectieverslagen van de eerste artikelen te valideren. Dit kan gaan om bewerkte onderdelen, samengestelde ­onderdelen en assemblages, tooling, plaatwerk, 3D-geprinte metallics, of vrijwel elk ­ander intern geproduceerd of uitbesteed onderdeel.

Reverse engineering

Om de bouwtijd van XB-1 te verkorten, zijn veel onderdelen COTS (Common Off The Shelf) componenten van andere vliegtuigbouwers. De motoren zijn bijvoorbeeld GE J-85-15 motoren. Boom had geen goed model van kritische interfacepunten, dus de meetsoftware werd ­gebruikt om locaties van functies zoals: motorsteunen, tandwielaandrijfas, brandstof­spruit-­stukken en luchtkanalen te herleiden. Door het scannen van de buitenkant van de motor werd een basismodel van de vrije ruimte gemaakt voor schotten, gondels en andere systemen, zodat een goede pasvorm ook op krappe plekken verzekerd was.

Gereedschapsontwerp en validatie

Doordat het XB-1 testtoestel een one off is, moet de tooling snel en tegen lage kosten worden gegenereerd. Met behulp van meetsoftware voor reverse-engineering kan een onderdeel of oppervlak worden gescand of gesondeerd en kan een op maat gemaakt ­onderdeel of gereedschap worden ontworpen rond de verzamelde gegevens. Om bijvoorbeeld een actuator te demonteren, is speciaal gereedschap nodig. Het scannen of sonderen maakt het mogelijk om snel de afmetingen vast te leggen die nodig zijn om een gereedschap te ontwerpen en te bouwen. In combinatie met 3D-printing kunnen gereedschappen in enkele uren worden ontworpen en gemaakt. Een groot deel van de XB-1 structuur is gemaakt van composietmateriaal; de meet- en inspectiesoftware wordt gebruikt om composiet­gereedschappen te vergelijken met het 3D- CAD-model voor de lay-up.

Best Fit Analyse

Een goed voorbeeld van een eenmalige composiet onderdeelbouw voor XB-1 is de horizontale staart (HT) assemblage. Meetsoftware speelde een cruciale rol bij het creëren van aangepaste oppervlakken op basis van de werkelijke productietoleranties. Het proces voor de ­horizontale staart assemblage bestond uit:

  • Eerst werd de bovenhuid van de horizontale staart in de tool gelegd.
  • De B-zijde van die samengestelde huid werd gescand terwijl in een vacuümspanner de contour van het onderdeel aan het gereedschap werd vastgehouden.
  • De meetsoftware werd gebruikt om nurb oppervlakken te maken van de werkelijk geproduceerde B-zijde van het composiete onderdeel.
  • Het nurb oppervlak werd vervolgens gebruikt om het kernmodel te trimmen naar de eigenlijke scan en er werd een CNC-programma gegenereerd voor het bewerken van de kern, zodat deze overeenkwam met het eigenlijke productprofiel.
  • De bewerkte kern werd vervolgens aan de buitenste schil B-zijde verlijmd.
  • De onderste huid werd opgehangen en gescand.
  • Op dezelfde manier als het buitenste huidproces, wordt het scannen van het eigenlijke onderdeel vervolgens gebruikt om de gelijmde kern te bewerken om precies overeen te komen met de close out huid.
  • Tot slot kan de close out huid worden gelijmd en is de horizontale staart constructie bijna voltooid.

Off Aircraft testopstellingen

Om het technische ontwerp van de XB-1 te ­ondersteunen en te valideren, werden verschillende off-aircraft testopstellingen ontworpen en gebouwd. Met behulp van een bankopstelling wordt modelgebaseerde meetsoftware gebruikt om componenten te lokaliseren voorafgaand aan het lassen/bevestigen en om te valideren dat de kritische componenten in de opstelling op de juiste wijze zijn uitgelijnd. Zo wordt bijvoorbeeld de horizontale as van de staartmomentbuis nauwkeurig uitgelijnd met behulp van de meetsoftware en tijdens de ­opstelling op zijn plaats gelast. Op dezelfde ­manier wordt de pitch rig, die verschillende ­onderdelen bevat die zich in de 3D-ruimte ­bevinden, nauwkeurig uitgelijnd en in positie gelast. De rolroerproefopstelling is ook opgezet met behulp van de meetsoftware om alle ­onderdelen per CAD-model te lokaliseren.

Op de plaats van de onderdelen in het vliegtuig

Modelgebaseerde meetsoftware is essentieel voor het lokaliseren van XB-1 structuren en ­onderdelen in de 3D-ruimte. Omdat XB-1 een eenmalige constructie is, moet montage­gereedschap eenvoudig en goedkoop zijn. De meetsoftware helpt bij deze missie door het elimineren van de noodzaak voor precieze ­assemblageopspanningen en het bieden van flexibiliteit bij het installeren van componenten in de 3D-ruimte. De software maakt gebruik van lasertrackers en -armen om onderdelen ­tijdens de assemblage nauwkeurig te lokali­seren en in positie te brengen. Er zijn verschillende voorbeelden waarbij deze toepassing van cruciaal belang is voor de bouw, waaronder composiet assemblage, het lokaliseren van de vleugelsamenstelling naar het romplichaam en het lokaliseren van systeemonderdelen en -beugels in de romp.

“Modelgebaseerde meet- en inspectiesoftware speelt een cruciale rol bij de fabricage en ­assemblage van XB-1, van onderdeelinspectie, tot tooling, opstelling en validatie, tot reverse engineering, het creëren van opspanningen, en uiteindelijk de assemblage van het vliegtuig. De meetsoftware van vandaag de dag is eenvoudig te gebruiken en te leren; het heeft zijn weg gevonden in vrijwel elk ontwerp/bouwproces bij Boom”, aldus Wyatt. “Zonder deze software zou de bouw van het vliegtuig langzamer, duurder en minder nauwkeurig zijn.

Ernie Husted, CEO Verisurf - Beeld: Boom Supersonic