Amsterdamse verfverwijderrobot eindelijk klaar voor take-off

Tweeënhalf jaar geleden had Xyrec zijn oplossing al klaar willen hebben. De robot voor het verwijderen van de verflaag op vliegtuigen bleek dusdanig complex dat engineers er meer tijd voor nodig handen. Inmiddels zijn alle technische uitdagingen opgelost en staan de klanten in rij, aldus ceo en cto Peter Boeijink.

Alexander Pil

Elk jaar worden er wereldwijd zo’n twintigduizend vliegtuigen opnieuw geverfd. Hoewel daarvoor soms commerciële of esthetische redenen zijn, zijn het vooral de strikte luchtvaartreglementen die luchtvaartmaatschappijen verplichten dit onderhoud regelmatig uit te voeren. Na een jaar of vijf à zes is de coating namelijk zijn corrosiebestendigheid verloren. Om potentieel fatale doorroestplekken te vermijden, is het dus een vereiste om vliegtuigen regelmatig van een nieuwe laklaag te voorzien.

Voordat het nieuwe verfje erop kan, moet de oude laag eerst worden verwijderd. En dat is een hels karwei. Op alle statische metalen delen is het toegestaan om chemicaliën te gebruiken. Verfoplossers dus die over het algemeen niet milieuvriendelijk zijn. De rest van het vliegtuig – alle bewegende componenten en alle kunststof onderdelen – wordt met de hand gestript: met schuurpapier en kleine handschuurmachines. Bij kleinere vliegtuigen is dat drie tot vier dagen werk. Wide body-modellen zoals een Boeing 777 staan vijf tot zeven dagen in de hangar. Bij militaire vliegtuigen kost het zelfs negen dagèn voordat alle verf eraf is.

De regels schrijven voor dat het personeel tijdens zo’n monsterklus volledig is ingepakt in beschermende kleding, ook vanwege mogelijke Chroom-6-blootstelling. ‘In Nederland is dat al zwaar werk, maar stel je even voor hoe dat is in warmere regionen waar het ’s zomers makkelijk veertig graden wordt in een hangar’, schets Peter Boeijink, directeur van het Amsterdamse Xyrec, de barbaarse werkomstandigheden. ‘Dat is gewoon onmenselijk. Dus wat gebeurt er? Ze worden niet vol ingepakt en dan speel je dus met je leven.’

Launching customer

Samen met kompaan Pieter van Mal zag Boeijink een kans om dit zware en smerige karwei te automatiseren. Zeer interessant ook omdat de markt zo’n 2,6 miljard dollar groot is. Na aan paar jaar van marktresearch en voorbereidende onderzoeken schoot hun bedrijf – toen nog LCR Systems geheten – in september 2015 uit de startblokken met een kapitaalinjectie van miljoenen euro’s door particuliere investeerders en RVO. Met ondersteuning van partners zoals Southwest Research Institute (systeemontwikkeling en prototype), Trumpf (laserontwikkeling en -productie) en NTS (productievoorbereiding) moest de Laser Coating Removal-robot eind 2017 op de markt zijn.

‘Vanaf het begin hebben we ervoor gekozen om geen eigen engineeringafdeling op te zetten’, vertelt Boeijink. ‘Daarvoor is het palet aan technologievraagstukken simpelweg te groot.’ Voor elk deelprobleem zocht Xyrec wereldwijd naar het beste team. ‘Ik geloof er niets van dat we al die kennis op voldoende niveau bij elkaar hadden kunnen krijgen. We besteden nu alles uit: design, productie, inkoop, alles.’ Nog altijd staan er maar twee namen op de loonlijst van Xyrec; een kopstaartbedrijf in extremis.

De marktintroductie heeft langer op zich laten wachten – daarover later meer – maar Xyrec staat op het punt een contract te sluiten met een grote Amerikaanse partij die als launching customer optreedt. Dan is het huidige businessmodel over zijn houdbaarheidsdatum heen, denkt Boeijink. Zodra de Amsterdamse verfverwijderrobot zich in de praktijk heeft bewezen, rekent hij op heel veel telefoontjes. ‘Ik heb een netwerk van een tiental bedrijven die allemaal om een oplossing zoals onze robot zitten te springen. We verwachten in het begin vooral in de VS te gaan verkopen. Daar gaat de besluitvorming sneller. De businesscase is glashelder: binnen een tot twee jaar heb je hem terugverdiend. Dat snappen Amerikanen heel goed.’ Als de sales inderdaad losbarst, zoals Boeijink verwacht, zullen er echt een paar medewerkers bij moeten om de coördinatie te verzorgen.

Driedimensionaal inlezen

De Xyrec-robot bestaat uit een kraan op een verrijdbaar platform vol elektronica en besturingskasten. Aan het begin van het proces staat het platform in de hoek van de hangar geparkeerd. Nadat het vliegtuig de hal in is gereden, wordt de robot manueel naar zijn startpositie gereden en wordt hij volledig aangesloten: een voedingskabel, een dataverbinding en slangen voor waterkoeling en stikstof. Vanaf dat moment switcht hij naar autonome modus.

De eerste stap daarna is zijn exacte locatie bepalen. ‘Die controle is noodzakelijk omdat de robot weliswaar naar zijn startpositie is begeleid’, legt Boeijink uit, ‘maar makkelijk een halve meter naast zijn plek in de vorige ronde kan staan.’ De locatiebepaling gebeurt op basis van lidars en reflectoren die op een aantal strategische punten in de hangar zijn opgehangen. Als de robot zich heeft georiënteerd, rijdt hij naar zijn voorgeprogrammeerde beginpunt. Uiteraard met een ruime marge ten opzichte van het vliegtuig zodat er geen kans is op botsingen.

Stap twee is een tweede meting om te bepalen waar het vliegtuig staat. Ook daarvoor gebruikt Xyrec lidarscanners die tien tot twaalf markers op het vliegtuig detecteren. ‘Onder aan het platform hebben we twee lidarsystemen gemonteerd zodat we de meetdata kunnen vergelijken’, vertelt Boeijink. ‘In combinatie met de vliegtuigkarakteristieken in onze database halen we zo een nauwkeurigheid van een centimeter, op een afstand van veertig meter.’

Boeijink benadrukt dat zijn systeem het vliegtuig driedimensionaal kan inlezen, dus ook in de z-richting. ‘Dat is nodig omdat de vleugels gaan doorhangen, de druk in de hydraulische cilinders van het landingsgestel varieert of een lading in het vrachtruim de boel scheef trekt. Een kleine afwijking op het ene punt vertaalt zich een flink verschil aan de andere kant van het vliegtuig.’

Het inmeten van het vliegtuig is een van de grootste uitdagingen geweest. ‘Ook het lasersysteem en het proces om de verf te verwijderen, hebben ons de nodige hoofdbrekens gekost’, zegt Boeijink. ‘De engineers hebben aan het begin onderschat hoeveel werk het zou zijn om die drie grote uitdagingen goed te krijgen.’ Daarom slaagde Xyrec er niet in de geplande marktintroductie van eind 2017 te halen. Inmiddels zijn de engineers vijf patenten verder, zijn alle rimpels gladgestreken en staat de robot zo goed als klaar om zich te bewijzen bij de Amerikaanse launching customer.

Open scharnieren

Xyrec koos in zijn systeem voor een CO₂-laser. Was een fiberlaser niet veel praktischer geweest? ‘Klopt, daarmee kun je de laserbundel inderdaad veel makkelijker naar het goede punt leiden’, licht Boeijink toe. ‘Uit een voorstudie die we tussen 2010 en 2014 deden, bleek echter dat een CO₂-laser vele malen efficiënter verf kan verwijderen. Dan heb je het over een factor tien tot vijftig in vergelijking met alle andere lasertypes. Dat komt omdat de golflengte van het licht tien keer groter is. Daardoor gaat het licht niet door de verflaag heen. Alle energie komt in de verf.’

Om een hoge stripsnelheid te halen, heeft de laser een vermogen van 20 kW. Xyrec betrekt die bij het Duitse Trumpf. ‘Ze hebben veel geïnvesteerd in die laseroplossing. Formeel is het nu een catalogusproduct, maar als je goed kijkt, dan is hij eigenlijk speciaal voor ons gebouwd.’

Het nadeel van de gekozen CO₂-laser is dat er een paar kubieke meter aan elektronica en besturingen nodig is om de bundel op te wekken. Dat betekent dat het laserlicht van het robotplatform naar de kop moet worden getransporteerd. ‘Ook dat was een van de kernpunten in ons vooronderzoek’, vertelt Boeijink. ‘Hoe houden we de spiegels in de acht open scharnieren van de robot uitgelijnd zodanig dat de laserbundel van acht centimeter in doorsnede steeds netjes in het hart van de volgende spiegel belandt en uiteindelijk op de juiste plek op het vliegtuig schijnt? Daarbij moet je bedenken dat de robot over al die assen beweegt en er in totaal veertien spiegels in het pad zitten die we continu dynamisch bijstellen.’

De oplossing van dit probleem is een gezamenlijke inspanning geweest van het Amerikaanse laserinstituut EWI en Xyrec-partner Southwest Research Institute. ‘Zij hebben dat samen als contractors voor ons ontwikkeld’, aldus Boeijink.

Artificial intelligence

Dan komen we bij de kern van het proces. ‘Als je vertelt dat je met een laser op een vliegtuig schiet, is de eerste reactie vaak: ben je niet bang dat je er dan een gat in brandt?’, heeft Boeijink ervaren. ‘De controle van de laserstraal is inderdaad cruciaal.’

De laserbundel is ovaal met doorsnedes van ongeveer zes en acht millimeter. Het licht verhit de verf die daardoor sublimeert. Het gas dat vrijkomt, reageert met de zuurstof en verbrandt. Elke keer als de laser over de oppervlakte sweept, verwijdert hij een paar micrometer aan verf. Tegelijk legt een camerasysteem vast hoe de situatie is. ‘Met artificial intelligence bepalen we vervolgens in realtime of dat gedeelte al klaar is of dat het nog een lading nodig heeft’, vertelt Boeijink. ‘Dat besluitvormingsproces vindt vierhonderd keer per seconde plaats. Omdat we maar zo weinig per keer verwijderen, is het niet zo heel erg als we een keer over een stukje gaan dat eigenlijk al klaar is. Liever niet natuurlijk, maar het veroorzaakt geen schade. Sowieso is onze methode superieur aan manueel schuren; dat veroorzaakt veel meer schade omdat met de hand vaak te veel verf wordt weggeschuurd.’

De laserbundel sweept tweehonderd keer per seconde over zijn bereik van dertig centimeter. Niet als een zigzag, maar steeds vanaf dezelfde kant, zodat er een gelijkmatigere energieverdeling ontstaat. Bedenk daarbij dat de robot zijn kop met 200 mm/s over het vliegtuigoppervlak laat bewegen. Boeijink: ‘Als je dat sommetje oplost, kom je erop uit dat je voor een typische laagdikte van honderdtachtig micron drie keer met de kop over dezelfde plek moet. De robot stript zo’n veertig vierkante meter verf per uur.’

Een bijkomende uitdaging is dat het vliegtuig natuurlijk geen mooi plat vlak is. Dat betekent dat de kop zeer nauwkeurig met alle contouren moet meebewegen. Een precisie van een paar millimeter is vereist. ‘In een achtassige reuzenrobot is dat uiteraard zeer ingewikkeld’, zegt Boeijink. Het was Southwest Reseach Institute dat Xyrec naar de oplossing leidde.

Ready for take-off

Hoe staat de Xyrec-robot er nu voor? ‘NTS heeft heel veel mechanische onderdelen voor ons gemaakt en die zijn verscheept naar de bouwlocatie van Southwest Research Institute. Inmiddels staat de robot klaar in de Xyrec-hangar. Daar in San Antonio leggen ze nu de laatste hand aan onze eerste robot’, vertelt Boeijink.

Een laatste rimpel die nog moet worden gladgestreken, is de certificering. Daarvoor heeft Xyrec het Arnhemse Dekra in de arm genomen. ‘We hadden een discussie aan welke regels we nu moeten voldoen. In de uitgebreide catalogus van de World Trade Organization staan heel veel apparaten, maar geen een die vergelijkbaar is met onze oplossing. Is het een robot? Is het een agv? Is het een lasersysteem? Niemand die het met zekerheid kan zeggen, dus we moeten aan de eisen van al die apparaten voldoen.’

Maar als dat papierwerk achter de rug is, is Xyrec ready for take-off.