Prototyping a combined fiber placement and filament winding head (CFPH) using robots in collaboration

Nowadays composite materials are fundamental in the manufacturing of lightweight components because of its extraordinary strength-to-weight-ratio. As a matter of fact, they are well-known in a large range of sectors such as aerospace, automotive, wind energy, etc. In addition, due to an increase in requirements such as low production time, low manufacturing cost, saving materials and manufacture complex shape components the manufacturing methods has evolved considerably from a manual process like as “Hand lay-up method” to high advanced manufacturing methods such as “filament winding”, “automated tape laying” and “automated fiber placement”. Moreover, the trend of combining different advances technologies seems to meet more requirements. Therefore, in the presented Master Thesis two advanced manufacturing processes “filament winding” and “automated fiber placement” have been studied in order to merge their advantages in a single solution by prototyping a combined head with printed parts, that we called “Combined Fiber Placement Head – CFPH”. Furthermore, in order to increase the flexibility in the design and in the manufacturing process, two robot arms had been used in collaboration. As a result, the main characteristics of the CFPH are the capability of producing either axisymmetric or not-axisymmetric components, capability of producing complex shape parts, capability of reinforcing zones where are more needed, so saving material, and high flexibility in the manufacturing process.

Nei giorni d’oggi, i materiali compositi sono fondamentali nella produzione di componenti leggeri grazie al loro straordinario rapporto resistenza/peso. Essi sono, infatti, ben conosciuti in una vasta gamma di settori come quello aerospaziale, automobilistico, dell’energia eolica, ecc. Inoltre, a causa di un aumento nei requisiti come tempi di produzione ridotti, basso costo di produzione, risparmio di materiale e produzione di componenti complessi, i metodi di produzioni si sono evoluti notevolmente, passando da un processo manuale come “Metodo di Hand lay-up” a metodi di produzione avanzati come “filament winding”, “automated tape laying” e “automated fiber placement”. Inoltre, la tendenza a combinare tecnologie avanzate differenti sembra soddisfare più esigenze. Pertanto, in questa Tesi di Master, due processi di produzione avanzati “filament winding” e “automated fiber placement” sono stati studiati al fine di unire i loro vantaggi in unica soluzione, realizzando un prototipo di una testa combinata con materiali stampati, che chiamiamo “Combined Fiber Placement Head – CFPH”. Infine, per aumentare la flessibilità nella progettazione e nel processo di produzione, sono stati utilizzati due bracci robotici in collaborazione. Di conseguenza, le principali caratteristiche del prototipo sono: capacità di produrre componenti assialsimmetrici e non assialsimmetrici, capacità di produrre componenti di forma complessa, capacità di rinforzare le zone dove sono più necessarie, risparmiando così materiale, ed aumentando la flessibilità nel processo di produzione.