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FRP玻璃鋼復(fù)合材料論壇

標(biāo)題: 自動化纖維鋪放（AFP）系統(tǒng) [打印本頁]

作者: cdhydf 時間: 2016-1-22 13:12
標(biāo)題: 自動化纖維鋪放（AFP）系統(tǒng)
Coriolis復(fù)合材料公司以標(biāo)準(zhǔn)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，作為八軸向運(yùn)動的纖維鋪放系統(tǒng)的基礎(chǔ)

若你看到工作中的自動化纖維鋪放（AFP）系統(tǒng)，它超級靈活的鋪放頭以不可思議的速度跟隨著某個元件的復(fù)雜輪廓，就會發(fā)出這樣的疑問：這些元件原本是如何進(jìn)行手工鋪放的。

即使手動層合機(jī)可以按照纖維的方向和完整性需求在復(fù)雜的曲面上鋪放纖維層，他們也不可能在量產(chǎn)過程中完全重復(fù)這樣的操作。手工生產(chǎn)工藝也不可能滿足飛機(jī)制造商所需的生產(chǎn)速率要求。復(fù)合材料現(xiàn)在是地面車輛和其他交通工具的主流材料。例如，飛機(jī)制造商波音計劃在幾年時間內(nèi)，將碳纖維B787寬體雙引擎飛機(jī)的生產(chǎn)速率提高到每月38架。

AFP技術(shù)是可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的自動化生產(chǎn)技術(shù)之一。自動化纖維帶鋪放（ATL）和纖維纏繞技術(shù)是復(fù)合材料部件實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)的關(guān)鍵，同時保證了生產(chǎn)的可靠性、連續(xù)性和成本效益。

復(fù)雜的幾何形狀

AFP與ATL有許多相同之處，但是，后者更適合生產(chǎn)表面相對較平坦的部件，AFP則可用于幾何形狀更加復(fù)雜的部件。這是因?yàn)?，AFP可以鋪放更窄的絲束，并可以在尖銳的曲面上操控絲束；但寬一些的纖維帶則需要彎曲一部分纖維才能鋪放，而這會降低層壓板的強(qiáng)度。

如果采用旋轉(zhuǎn)工具或芯軸，AFP則更像是纖維纏繞，但采用絲束會使這一工藝過程的速度加快。

在AFP系統(tǒng)中，大量預(yù)浸絲束或纖維窄帶被供給鋪放頭，鋪放頭將他們鋪放成一個連續(xù)的預(yù)浸料層。先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備可以同時鋪放32根絲束，絲束是由位于鋪放頭或其附近的紗架供應(yīng)給鋪放頭的。

AFP鋪放頭可以安裝在繞著模具/芯軸移動的多軸關(guān)節(jié)臂上，或者由起重機(jī)支撐。另一種選項(xiàng)是，模具在靜止的鋪放頭上旋轉(zhuǎn)，或鋪放頭和芯軸按照軟件程序的精心設(shè)計雙雙“共舞”。

與大多數(shù)自動化系統(tǒng)一樣，AFP需要一定的前期投資，但是僅僅是降低勞動力成本和減少材料浪費(fèi)這一點(diǎn)，它就能夠抵銷這一成本，更不用說它還能夠更加精確、穩(wěn)定和重復(fù)地鋪放絲束，從而得到超高質(zhì)量的層壓板。

絲束可以按照程序預(yù)先設(shè)定的方向鋪放，因此，使纖維與使用過程中可能受到的局部壓力相匹配，就可以遵照設(shè)計師針對不同結(jié)構(gòu)部件提出的強(qiáng)度和硬度參數(shù)要求，生產(chǎn)出定制的層壓板。材料在鋪放過程中不會受到拉伸和折疊，并且壓力也經(jīng)過精確設(shè)定。鋪放頭可以執(zhí)行所有必需的切割和重啟操作，并可以和壓緊輥整合在一起。

Premium AEROTEC采用MAG纖維帶鋪放機(jī)生產(chǎn)空客A350WB的機(jī)身板

高速狀態(tài)下，執(zhí)行多項(xiàng)同步功能需要精確的加工程序，以確保切割、運(yùn)動和定位控制可以密切配合，同時也可進(jìn)行高度動態(tài)的反向運(yùn)動。AFP的控制與數(shù)控（CNC）機(jī)床有許多共同之處，因此，有些重型AFP供應(yīng)商也生產(chǎn)CNC機(jī)床，例如MAG（原來的Cincinnati Machine）、Ingersoll和MTorre。

AFP的使用

CNC纖維鋪放機(jī)的第一次商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)80年代后期。到90年代中期，AFP的生產(chǎn)初具規(guī)模，盡管規(guī)模有限。

一個歐洲聯(lián)盟在名為Full-Barrel Composite Fuselage（FUBA-COMP）的研究項(xiàng)目中生產(chǎn)出一個4.5m長的碳纖維機(jī)身部件，這是一個重要的里程碑。這個一體式部件寬2m，由英國的BAE系統(tǒng)公司采用MAG的VIPER 1200 CNC纖維鋪放系統(tǒng)制成。這臺設(shè)備是該公司生產(chǎn)的三臺AFP系列設(shè)備之一，另外兩個系列是Viper 4000和6000。

復(fù)雜的機(jī)頭部位，例如波音B787的機(jī)頭，正是AFP系統(tǒng)的目標(biāo)市場所在

飛機(jī)機(jī)身具有明顯復(fù)雜的曲面，這對于自動化系統(tǒng)來說是一個重大挑戰(zhàn)，但是VIPER可以進(jìn)行七軸向運(yùn)動，成功為蜂窩芯材結(jié)構(gòu)鋪放了碳纖維預(yù)浸帶，形成了一個接近網(wǎng)狀的輪廓結(jié)構(gòu)，而且具有所有必需的空隙和可變的厚度。合適的軟件程序可以最大程度的減少材料浪費(fèi)和切除操作。

隨后，類似的自動化技術(shù)被Hawker Beechcraft公司用于其Premier 1和Hawker 4000商務(wù)飛機(jī)的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料機(jī)身的生產(chǎn)。該公司在位于堪薩斯州Wichita的生產(chǎn)工廠內(nèi)有多臺VIPERS自動化系統(tǒng)，不僅具有可編程的七軸向運(yùn)動靈敏度，還可以控制24根寬1/8in（約3.18mm）的纖維絲束的啟動/停機(jī)/切割。這些機(jī)器長90ft（27.4m），適用于更加大型的Horizon噴氣飛機(jī)的長機(jī)身芯軸。

Hawker公司聲稱，用AFP生產(chǎn)整個復(fù)合材料機(jī)身的所需時間僅僅為生產(chǎn)相應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)所需時間的一小部分。這一點(diǎn)，加上大大減少的部件數(shù)量、組裝的簡便性、維護(hù)的減少和最終部件性能的提高，使得這一技術(shù)成為了大贏家。

Beechcraft Premier 1A商務(wù)噴氣機(jī)的復(fù)合材料機(jī)身采用先進(jìn)的纖維鋪放系統(tǒng)制造而成

波音公司也效仿這種做法，采用VIPER 6000來生產(chǎn)B787機(jī)身的桶形部位。

去年，俄羅斯聯(lián)合飛機(jī)公司（UAC）購買了一套VIPER AFP系統(tǒng)，這是出售到俄羅斯的第一套自動化復(fù)合材料加工系統(tǒng)。該設(shè)備將用于UAC MS-21系列中型飛機(jī)的生產(chǎn)。

軍用飛機(jī)領(lǐng)域，1998年，Alliant Techsystems公司（ATK）展示了AFP在生產(chǎn)Lockheed Martin F-22 Raptor戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料進(jìn)氣管時所發(fā)揮的實(shí)力。那個時候，ATK已經(jīng)采用AFP生產(chǎn)了一系列飛機(jī)部件，例如F-22的某些特定部件，這些部件是在弗吉尼亞州一個專門的纖維鋪放工廠內(nèi)生產(chǎn)的。

自那時起，ATK已經(jīng)用AFP生產(chǎn)出了F-35 Lightning II聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）機(jī)翼表面的復(fù)合材料蒙皮，長度達(dá)到35ft（約10.7m）。AFP為生產(chǎn)過程帶來了前所未有的精確度。蒙皮所用的絲束鋪放在一個大型芯軸上，為了保證熱穩(wěn)定性和耐久性，芯軸采用鎳鐵合金制成。

最近，ATK在北美地區(qū)已有五套系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，訂購了另外兩套MAG的VIPER AFP系統(tǒng)，用于F-35的生產(chǎn)。新機(jī)器預(yù)計于2012年初交付到ATK位于猶他州Clearfield的工廠內(nèi)，這些機(jī)器將配備有MAG的ACES軟件（先進(jìn)復(fù)合材料環(huán)境套件），這是一個模塊化的編程模擬系統(tǒng)，可以輔助工廠現(xiàn)有的機(jī)器進(jìn)行編程。

據(jù)說，MAG憑借成本優(yōu)勢贏得了一項(xiàng)合同。MAG可以為客戶的特定應(yīng)用需求進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化，即使采用難以處理的雙馬來酰亞胺（BMI）材料也可以實(shí)現(xiàn)快速鋪放。但最重要的是，它可以滿足客戶在F-35項(xiàng)目上降低成本的要求。

MAG IAS為Alliant Techsystems公司位于猶他州Clearfield市的工廠供應(yīng)了兩臺VIPER 6000纖維鋪放系統(tǒng)，用于F-35飛機(jī)項(xiàng)目。這份訂單包括MAG的ACES軟件——一個模塊化的編程模擬系統(tǒng)。這兩套系統(tǒng)已經(jīng)于2012年年初交付

VIPER的優(yōu)點(diǎn)包括：獨(dú)立控制32根絲束的喂料、夾取、切割和重啟，自動在線調(diào)整纖維帶寬，控制纖維在變化極大的表面或開孔周圍的鋪放。該系統(tǒng)在飛機(jī)的機(jī)身部件、面板、整流罩、管道和噴嘴錐頭等多種部件的精密生產(chǎn)過程中，可以在閉合的深輪廓結(jié)構(gòu)上鋪放出無褶、近乎網(wǎng)絡(luò)形狀的纖維層。

西班牙人認(rèn)為MTorres公司是另一個開發(fā)出了AFP和ATL設(shè)備的機(jī)床專家。該公司早期生產(chǎn)的一臺AFP系統(tǒng)被出售給了日本的川崎重工（Kawasaki Heavy Industries），用于生產(chǎn)波音787的整體機(jī)身部件。該系統(tǒng)可以同時鋪放24根0.5in（約12.70mm）寬的絲束。相反，GKN Aerospace和Spirit AeroSystem用于生產(chǎn)翼梁的類似機(jī)器，控制著翼梁周圍的16根1/4in（約6.35mm）寬的絲束，包括它們尖銳的曲面邊緣。對待這些邊緣，需要認(rèn)真設(shè)定TORRESFIBERLAYUP機(jī)械，對多種參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

MTorres為GKN Aerospace供應(yīng)自動化纖維鋪放機(jī)來制造空客A350的復(fù)合材料機(jī)翼后梁

MTorres的發(fā)言人說，這種機(jī)械必須能夠處理多種材料，其中一些是非常具有挑戰(zhàn)性的。例如，用于大多數(shù)B787部件的東麗（Toray）Torayca 3900系列環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，以及用于A350部件的赫氏（Hexcel）Hexply M21，都具有較低的樹脂粘度——這使得部件在固化后可以達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)性能。因此，這些材料在壓緊的時候，需要更高的溫度和壓力。

作者: moon84 時間: 2016-7-19 22:08

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