自動化纖維鋪放（AFP）系統(tǒng)

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Coriolis復合材料公司以標準的多關節(jié)機械手，作為八軸向運動的纖維鋪放系統(tǒng)的基礎


    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雜輪廓，就會發(fā)出這樣的疑問：這些元件原本是如何進行手工鋪放的。

    即使手動層合機可以按照纖維的方向和完整性需求在復雜的曲面上鋪放纖維層，他們也不可能在量產(chǎn)過程中完全重復這樣的操作。手工生產(chǎn)工藝也不可能滿足飛機制造商所需的生產(chǎn)速率要求。復合材料現(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寬體雙引擎飛機的生產(chǎn)速率提高到每月38架。

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

    復雜的幾何形狀

    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雜的部件。這是因為，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度。

    如果采用旋轉工具或芯軸，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)的預浸料層。先進的機械設備可以同時鋪放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/芯軸移動的多軸關節(jié)臂上，或者由起重機支撐。另一種選項是，模具在靜止的鋪放頭上旋轉，或鋪放頭和芯軸按照軟件程序的精心設計雙雙“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這一點，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先設定的方向鋪放，因此，使纖維與使用過程中可能受到的局部壓力相匹配，就可以遵照設計師針對不同結構部件提出的強度和硬度參數(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纖維帶鋪放機生產(chǎn)空客A350WB的機身板


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

    AFP的使用

    CNC纖維鋪放機的第一次商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀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）的研究項目中生產(chǎn)出一個4.5m長的碳纖維機身部件，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。這臺設備是該公司生產(chǎn)的三臺AFP系列設備之一，另外兩個系列是Viper 4000和6000。


    復雜的機頭部位，例如波音B787的機頭，正是AFP系統(tǒng)的目標市場所在


    飛機機身具有明顯復雜的曲面，這對于自動化系統(tǒng)來說是一個重大挑戰(zhàn)，但是VIPER可以進行七軸向運動，成功為蜂窩芯材結構鋪放了碳纖維預浸帶，形成了一個接近網(wǎng)狀的輪廓結構，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和切除操作。

    隨后，類似的自動化技術被Hawker Beechcraft公司用于其Premier 1和Hawker 4000商務飛機的碳纖維/環(huán)氧復合材料機身的生產(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/切割。這些機器長90ft（27.4m），適用于更加大型的Horizon噴氣飛機的長機身芯軸。

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


Beechcraft Premier 1A商務噴氣機的復合材料機身采用先進的纖維鋪放系統(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機身的桶形部位。

    去年，俄羅斯聯(lián)合飛機公司（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合材料加工系統(tǒng)。該設備將用于UAC MS-21系列中型飛機的生產(chǎn)。

    軍用飛機領域，1998年，Alliant Techsystems公司（ATK）展示了AFP在生產(chǎn)Lockheed Martin F-22 Raptor戰(zhàn)斗機的復合材料進氣管時所發(fā)揮的實力。那個時候，ATK已經(jīng)采用AFP生產(chǎn)了一系列飛機部件，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（JSF）機翼表面的復合材料蒙皮，長度達到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)。新機器預計于2012年初交付到ATK位于猶他州Clearfield的工廠內(nèi)，這些機器將配備有MAG的ACES軟件（先進復合材料環(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)有的機器進行編程。

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


    MAG IAS為Alliant Techsystems公司位于猶他州Clearfield市的工廠供應了兩臺VIPER 6000纖維鋪放系統(tǒng)，用于F-35飛機項目。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)點包括：獨立控制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)在飛機的機身部件、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構上鋪放出無褶、近乎網(wǎng)絡形狀的纖維層。

    西班牙人認為MTorres公司是另一個開發(fā)出了AFP和ATL設備的機床專家。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，需要認真設定TORRESFIBERLAYUP機械，對多種參數(shù)進行微調(diào)。


    MTorres為GKN Aerospace供應自動化纖維鋪放機來制造空客A350的復合材料機翼后梁

    MTorres的發(fā)言人說，這種機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到最佳的結構性能。因此，這些材料在壓緊的時候，需要更高的溫度和壓力。

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