自動化領跑航空復合材料的應用 zund G3 3XL-3200-PET-foil台中切割加工－鄭建勳焦點新聞熱搜

    隨著復合材料在航空工業應用的增長, 復合材料零部件及結構應用自動化也將隨之擴展。《復合材料市場報告》的工業分析師Chirs Red指出，今后10內用自動化制造技術生產的航空結構量將大幅度上升。他的結論是根據對自動化機床市場的分析得出的。他分析了諸如自動化纖維鋪放（AFP）以及自動化鋪帶技術的情況。
    他說：“保守地說，市場數據表明，用AFP或ATL制造的航空結構總量目前小于20%，但在今后10年，我估計這一數據將大致翻一番，達到40%。”這類機器將占復合材料結構份額的相當大一部分。估計復合材料結構份額將從2010年的108640kg增長到2015年的635040~680400kg。推動這一增長的有力推手也許是大量使用復合材料的民機波音787和A350，同時還有洛克希德的F-35。Red說，大約在2015年，波音787及A350將開始高速生產，需要有龐大的生產能力。
    迄今為止，生產率的提高使自動化得到廣泛認可，在鋪層效率上，這些自動化機器將手工鋪層的0.9kg/h提高了大約一個數量級。
人為誤差與變數的影響
    除了效率外，推動自動化還有其他的因素，根據古德里奇航空結構公司的業務及產品策略副總裁羅杰斯的看法，其中重要的兩個重要因素是人工工效學及穩定性。他認為波音787 及A350XWB改變了復合材料的格局。這兩個產品極大地推動了復合材料的應用，不只用作像飛行控制面之類的小件，而是推動了復合材料用于制造整個飛機。使復合材料的成本隨著用量的增加而降低。在這方面，自動化的出現功不可沒，自動化避免了工藝的人為因素及不穩定性。
    對比說明好的例子莫過于古德里奇公司的Ingersol機床公司（IMT）提供的AFP機器鋪放波音787及A30XWB用的發動機短艙。該發動機的反推力裝置屬大結構，尺寸超過3m×3m，過去用手工鋪，工人要在織物上依靠手腳爬行，這對工人及工件很不利。
    為滿足波音787的高生產率，減少工藝變數也很重要。過去將反推力裝置的兩個半部裝配到發動機上一度長達數月，而根據波音787要求只能在數小時內完成。要滿足這一時間要求，必須要求產品的變數小，很穩定，要確保每一產品一樣才能取消夾具或將其減到少。而自動化可以提供這種至關緊要的產品穩定性。
生產率的提高
    提高生產效率仍然是重要的。根據IMT 公司的報道，過去幾年生產率得到加速推進，2007 年，該公司機器的生產率約為3.4kg/h。通過技術改進，到2008年初，鋪放率達到14.4kg/h，同年末增加到20.9kg/h。IMT 公司的新鋪放機MongooseVI立式鋪放機，有一可自動變換的組件，是公司引以為豪的筒子架式鋪放機。
    自動質量檢驗控制系統用一具有專利權的掃描器及攝像機組合裝置，用于鋪放時對表面進行檢驗并與存儲的CAD數據進行對比。如有問題，例如出現纖維斷裂，系統即向操作人員發出警報，進行校正。而目前鋪層只有操作人員及質量檢驗員的目視檢查，而該公司的完全一體化的檢驗系統可以實時識別每一道鋪層的均一性以及差異。其中半數問題可以通過機器自身矯正。因此，雖然IMT 公司提高500%，但檢驗及返工占了生產周期的30%。
    上述復合材料市場報告對檢驗及返工進行了展望。民機典型復合材料結構包括檢驗在內成本為507~606美元/kg，其中只有102~154美元/kg是復合材料增強體，機器的成本更小，而大約220美元/kg 為檢驗及后續工作費用。航空結構成本大約33%~50%與手工檢驗及后續的缺陷檢驗有關。
鋪放機的進步
    提升現用機器也是供應商另一個重點工作。復合材料結構制造機屬于技術不斷演進的領域，據MAG公司稱2000年出廠機器的控制技術目前已顯著改進。例如肖特公司與MAG公司簽訂合同提升MAG制造的Charger復合材料自動鋪放機包括新的控制軟硬件，新的控制系統。這種新的控制可以更快處理數據以及以不同方式將數據分類，以便加快處理及控制速度。此舉將提高鋪帶機的能力，有可能將潛在的運行周期縮短10%~15%。也可能采用新的機械，該機械可使其在150mm~305mm帶寬之間進行轉換時，轉換時間減少50%，加快鋪帶速度。
    生產效率是重要的，因此機器與工件的正確匹配至關重要。這一點可與金屬切削業相比較。后者在175年的歷史中，機床分為兩大基本類型：臥式及立式機床，每類又分多種型別，復合材料也將是這一趨勢。
    許多公司想買的機床可以在制造波音787、A350、JSF以及民用公務機等機種上有通用靈活性。IMT公司目前可提供這樣的機器。不過隨著時間的推移，機床工業有可能為2級供應商服務。這種2級供應商只想制造單一的零部件，如公務機的機身，而且是它唯一要制造的產品，這些供應商對787機身用的大型鋪帶機不感興趣，他們需要的機器種類減少而相對集中，很像較小型的切削中心。預計這種機器將有大的發展。
可靠性與小件鋪放
    復合材料制造開發商ATK 的總裁稱：一般來說，我們需要運行可靠穩定的自動化鋪帶機及纖維鋪放機，它有助于改善鋪層效率，機器的總的速度并不像機器簡單及運轉可靠那樣關鍵。關鍵是與材料的匹配性，機器要能加工不同黏度水平、不同厚度以及不同預浸水平的材料。
    目前，復合材料鋪層機器工業的重點一直放在所謂的大面積零部件鋪層的自動化，即蒙皮及殼體的鋪層設備上，但在許多情況下，結構重量及成本一半以上是加強筋零件而不是蒙皮。作為鋪層機械工業，大量工作放在蒙皮及殼體件的自動化而不是結構的加強筋上，為解決這一問題，ATK公司的開發重點放在長的整體化機身、機翼及整流罩應用的增加，這些結構中的加強筋也變得足夠大，可以算作大面積復合材料件。因此，復合材料自動化未來將包括更多的混合工藝，即AFP、ASF、ATL的組合。RTM以及RFI的增強體鋪層工藝的自動化也是這樣的混合工藝。
    對于生產批量小、工藝復雜的航空工廠來說，采用工業機器人可代替人工鋪層，而生產率高、成本低。在機器人中，快速控制器以及小的馬達可能有更多的運動軸，從而使機器人的臂做更多需人工完成的工作。
    預計MAG公司今年晚些時候將宣布一種基于機器人的自動化纖維鋪放機，它是針對匹配良好的AFP設計的。這種機器雖然相對于典型的多軸機器有不足之處，但在某些場合將來一定有其用武之地。目前這方面的解決方案可能被大材小用。
    德國Aerotec公司已開發一種自動化的碳纖維復合材料鋪放系統以及自行加熱預成形及固化系統。其方法是機器人鋪放裝置用一真空杯來支承材料，用一種特殊的塑料泡沫來鋪敷，泡沫根據不同的材料類型（干態層合板或預浸料）進行剪裁。公司已對三維體型件（如復雜的C 型梁或薄殼的加強件）的鋪敷進行了驗證。自動化的鋪敷系統與自行加熱成形及固化系統相結合，可縮短周期16%及節省大量能源。

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