自动化在线检测提速未来航空复合材料制造,复

日期:2020-01-01编辑作者:威尼斯在线平台

原标题:刘亚威 ¦ 自动化在线检测提速未来航空复合材料制造(上)

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从复合材料的价值链来看,原材料的附加值为30%,而结构件制造的附加值占55%,预浸料等中间产品占10%。第一项及第三项成本具有相对稳定性,降低结构件的制造成本是关键,而目前有效的方法是采用自动化及大批量生产工艺。根据国外2005年的统计,在复合材料制造工艺中手工占20%,自动纤维铺放只占17%,因此采用一体化模压成型以及铺带、丝束铺放自动化检验尚有很大的发展空间。自动铺丝、自动铺带以及自动模压成型等大批量生产工艺,是促进复合材料产品降低成本、进入市场的必由之路。自动铺层技术及设备2007年大型民机复合材料结构中只有43% 是用自动化技术制造的,预计10年内将达到64%。自动铺带及丝束铺放的材料利用率能达到80%~97%,而手工铺层的材料利用率仅为40%。复合材料制造自动化包括铺放、编织、缝纫、检验等多个方面,其中自动铺放技术是军民用飞机生产自动化技术中发展最为迅猛的部分。在自动铺带领域,目前铺带宽度最大可达到300mm,铺带速度达1.3~20.4kg/h,生产效率可达到手工铺叠的数十倍;丝束铺放技术适于大曲率机身和复杂曲面成型,目前铺丝速度可达6.8~11.3kg/h,最高可达23kg/h,最新的Viper6000系统可以铺放并控制32个纤维束,每束宽3.2mm,以前的机器为24个丝束,从而使铺层带宽从7.6cm增到10.2cm。铺放速度达到30m/min,精度为±1.3mm。从自动铺带及纤维铺放来看,目前全球有100多台设备。辛辛那提公司近日又推出2种设备,一种是69Charger铺带机,一种是49纤维铺放机,两者均体现了铺层机上革命性的变化。1 辛辛那提公司的自动铺层技术及设备自动铺带机是在20世纪60年代初无纬布预浸带出现后几年、为加速铺层的工艺过程而开发的。早期的铺带机都是由本国开发的,在美国,第一台电子计算机控制的龙门式铺带机就是根据美空军材料实验室计划由通用动力公司与Conrac公司合作开发的。此后又大量开发了用于大型复合材料结构的自动铺带机及纤维铺放机。第一代铺带机及其以后出现的纤维铺放机是由一些传统的计算机数控机床制造商开发的,它们自面世起就与飞机复合材料制造业密切合作。其中马格·辛辛那提就是继承了辛辛那提米拉克龙公司,其他类似的公司还有Ingersoll机床工具公司、Forest-Line以及MTorres公司。在铺带机方面,马格·辛辛那提提供了品牌Charger型机,可以铺75mm、150mm或300mm无纬预浸带。Charger型面铺带机可以铺达25°锐角的特型铺层,它应用的是CNC十轴龙门型系统,可自动下料、压实预浸带。该系统应用了独特的侧面加载头,可提供快速、简单更换300mm 宽、650mm直径铺放压辊功能。空客及欧洲合作伙伴曾购买10台铺带机用于生产A320/330/340/380及A400M的机翼桁条、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、发动机短舱、机身蒙皮及机腹整流罩等。除了通用的铺带机外,马格·辛辛那提还开发出形状相同或相似的大批量生产的专用铺带机,如为沃特飞机公司开发了平面铺带机,用于制造长而平面的构件,该机有18.5m长的平面钢制真空台以及用伺服系统从一端到另一端运输的机构,铺带速度达30.48 m/s、22.7~27.2kg/h, 精度±0.75mm,启动停车精度±0.75mm。后续该公司还开发了小型平面铺带机,用于生产长、窄、平面构件,多件铺层和板、隔膜成型蒙皮等,典型用途有大梁、桁条、梁、剪切带、框、襟翼及蒙皮。它还提供长、窄的结构件,特别适用于飞机用的复合材料桁条、大梁及梁。这种机器可用于宽300mm的预浸带,其特点是铺带头能力高、运载结构及支承结构能量大,既可铺无纬带,也可铺织物。在纤维铺放方面,马格·辛辛那提提供了品牌Viper的49 Charger铺放机,其中最新的型号是Viper6000,能操作达86180kg的心轴,可对32条丝束或窄带进行供料、夹持、下料及铺放。目前,沃特飞机公司用来生产波音787的机身段,空客订购6台Viper6000用于A350XWB的机身制造,机身的92%将用Viper制造。在目前全球100多台复合材料部件生产的机器中将增加2种设备:一是69Charger铺带机和49纤维铺放机。二者体现了在机床上的一些革命。它们将飞机专业公司推向世界的领导地位。该公司已为代表航空未来的机床制造的创新途径制定了“规范”。随着空客及波音等制造商铝合金使用量的减少,生产复合材料零部件的机器便有机会走向前台。在马格公司Hebron厂的张贴画上展示了用公司生产的机器制造的飞机型材。铺带机始于B-2轰炸机。Viper 铺放机有4 种类型,生产更复杂的曲线及角形零件,如机身、短舱及尾椎。铺带机及纤维铺放机正用来制造18种飞机零件,被29家公司所采用,波音有24台Charger,3台Viper,空客有7台Charger、10台Viper。Viper纤维铺放系统是公司在复合材料领域内的珍宝。它用先进的计算机控制器完成铺带及纤维缠绕,可生产不同厚度、高度特型的结构,废料低到2%。马格· 辛辛那提公司的首个Viper产品是霍克比奇公司的首相1号公务机。复合材料比铝轻20%,但重要的优点是简单,首相1号的前机身由3000个零件组成,现在则由两部分组成。几十年前,关注的重点是用这种设备能否制出产品,后来转为能否制出合格产品,目前则转化为低成本的合格产品。2 其他公司自动铺层技术及设备除辛辛那提公司外,Ingersoll及MTorres公司等近年来在航空复合材料自动铺层技术及设备开发上也成果倍出。首先,Ingersoll机器工具公司宣称已完成了A350XWB龙骨制造设备的方案论证,龙骨结构长18m、最大厚度0.12mm,最大半径5.2m,该机器为Mongoose V3立式纤维铺放机,可铺32条6.25mm的丝束。其次,西班牙MTorres公司的自动铺带机也有长期的开发历史,A350XWB将采用“TORRESLAYUP”十一轴的龙门式高速铺带机,可铺300mm、150mm 和75mm的宽带,铺带头内装有预浸带缺陷检测系统。该公司的自动铺带设备在A400M机翼生产中也发挥了重要作用。自动化设备的应用在加快效率的同时,降低了废料率,A400M翼梁采用自动铺带后,铺放效率比手工快了40倍,A400M的翼梁采用自动铺带后孔隙率降低到1%~1.5%,14m长的翼梁精度保持在0.5mm内,相应的金属件精度在300mm内。但国外认为,丝束铺放是对自动铺带技术的补充,后者虽在生产大型平坦件时的性能极佳,但在加工高度复杂构件时易产生纤维屈曲;前者虽不如后者那样能快速铺出大面积,但能精确铺出更极端的曲线及方向变化。GKN公司正在评估这种技术用于要求更高的翼梁、发动机的混杂构件以及消音衬里。为发展铺丝技术,而为复合材料翼梁专门设计的 MTorres AFP机已在2010年交货。为提高效率,除了采用通用的自动化铺层设备外,一个发展趋势是采用专用定制的铺层设备,如桁条、梁结构件等专用的铺层设备。在该方面,美国CG技术公司介绍了自动纤维铺放机的编程及模拟软件。现行的自动铺放机的脱机编程软件都是由自动铺放机制造商提供的,飞机制造商被迫使用这种专用的软件,这与20世纪50~60年代的金属切削用CNC机床的情况一样。CG技术公司的创新则是开发与机器无关的编程及模拟软件,即VCP和VCS。该公司开发的Electroimpact多机AFP单元,有铺放头更换器,高速运转,可制造整体飞机机身筒体,目前正在用户的工厂中装配。热塑性复合材料自动化成型技术及自动化设备配套1 自动化成型技术一体化热成形法批量生产热塑性复合材料零件是未来又一发展趋势。未来的飞机为了节能和减少CO2 排放,将采用轻重量结构,热塑性碳纤维增强复合材料将在此发挥越来越重要的作用。目前的障碍是缺少经济、快速、可靠的零件制造工艺。例如聚苯硫醚、聚醚胺及聚醚醚酮已被波音、空客经过认证,并用于飞机结构,尽管如此,热塑性复合材料的应用依然不多,只用在空客的A340-600和A380机翼前缘、龙骨梁或副翼,原因是目前的热成型法的效率不高。为此,德国的不来梅纤维所、施塔德复合材料技术中心以及不来梅大学生产工程系开发了高度自动化热塑性CFRP/GFRP的制造单元。目前的热成型工艺不包括无损检验、型面切削和打标记,因此零件生产成本非常高,因为这些工艺不是组合在一起的。而自动化热成型工艺的目标是将工艺各个步骤组合在一起,以保证周期为1min。其中一个关键要素是用超声试验以及数字成像分析法检验,检验的对象是孔穴、分层、纤维取向、结晶度以及几何形状。除以上创新点外,在热塑性复合材料成型方面德国弗劳恩荷夫生产技术所开发了用激光辅助铺热塑性复合材料预浸料的自动化技术生产承力结构的能力。这一技术是在红外、微波以及激光辅助缠绕技术的基础上进一步开发的。此外,由于航空制造是多品种、小批量生产,手工劳动量大,因此,用机器人代替手工劳动的需求显得越来越突出,近年来在该方面进展突出,据国外专家指出,凡是能用手工劳动的地方,均可用机器人操作。2 自动化设备的配套由于复合材料结构件品种多、结构复杂,其加工既需要通用自动化设备,也需专用设备。以HITCO公司为例,配备了一系列的复合材料自动化加工设备,自动化投资主要取决于工件及结构种类,设备总成本可达几百万美元。该公司配备了2~3台自动铺带机和1~2台自动铺丝机来取代某些复合材料手工铺层工艺。此外,自动铺带及铺丝机的采购还需要有相应的配套设备,包括CNC钻孔机及层板切割系统、运送设备、热压罐等。HITCO公司增加了2台新热压罐,其中1台长12.2m、高4.6m。此外,该公司还配备了Gerber技术公司提供的CNC铺层切割系统、1台从Flow国际公司采购的六坐标喷水切割机、1 台由Virtek Vision国际公司提供的激光定位系统、1台来自铺层技术公司的热隔膜成型机、1台购自Radivs工程公司的自动化三角型材拉挤设备。复合材料自动化检测技术复合材料检测技术的自动化是传统检测技术的发展,极大地推动了检测技术的进步。其中激光超声、相控阵超声检测等是发展迅速的领域。与传统检验相比,相控阵超声检验改进了探测的概率,并明显加快了检测速度。传统超声检测要用许多不同探头来做综合分析,而相控阵检验用一个多元探头即可达到同样的结果。GE公司开发了复合材料检测用的相控阵技术,该公司有UTxx先进缺陷探测器,该探测器采用NuScan成像软件包,NuScan相控阵机既可采用脉冲回波技术,也可采用穿透技术,它有128元探头,每一个10cm宽。全部探头以同一顺序启动,而不是离散分批启动,扫描速度达到20m2/h。这种NuScan相控阵缺陷探测器的一个非常重要的特征是可以检测半径范围及边角的缺陷,其原理是“逆向延迟”,方法是将所有的探头指向半径范围,根据返回每一探头的响应时间测定曲率半径,然后将半径范围转换为平面。检测结果可以用各种形式显示,包括A、B、C、D扫描以及三维成像。通过波束的自扫描、面积测量以及横断面的切取即可对缺陷进行探测,确定其尺寸。相控阵超声试验机已在航空界用于复合材料结构的检测,如JAS 39机体结构、发动机风扇叶片。检测疏松的灵敏度可达3%,已成功用于分层、脱胶、孔隙的检验,可以提供极好的探测概率和重复性好的检验结果,并达到复合材料制造所需的检验速度。激光超声利用高能激光脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波,具有非接触、远距离探测、频带宽以及检测可达性好等优点。尤其适用于处于一些恶劣环境及具有较快运动速度的被检件。目前,激光超声主要用于检测复合材料结构,由洛马公司开发的Laser UT用于F-22进气道的检测。该系统有2个激光器,一个激光器通过热弹性膨胀的机理在复合材料中产生超声,在此过程中,在构件表面之上10~100μm范围内激光能转变成热,温度的升高使材料产生局部膨胀。如果激光器加热的速度快,膨胀将在超声频率范围内产生,超声波将垂直于表面传播而与激光的入射角无关,其入射角可以达到45°,而传统的水浸系统,入射角必须保持在3°以内才能产生超声。该系统可检测零件的厚度、大小及几何形状,至今已检测了厚达43mm的构件。据悉,该系统检测零件实际并无尺寸及几何形状方面的限制,唯一受到限制的是材料的匹配性。采用该系统检测,所用时间不到2h,而采用第一代检测设备则需花费24h,检验时间减少90%,制造周期可缩短数周。结束语通过上述分析可以看出,复合材料自动化制造的大规模实施,可以显著降低复合材料结构件的制造成本,采用一体化模压成型以及铺带、丝束铺放自动化检验尚有大的发展空间。因此采用自动化批量生产工艺,是促进复合材料产品降低成本、得到更广泛应用的必由之路。(end)

《空天防务观察》导读:本文为刘亚威先生第十二届全国复合材料学术会议征文。在本号后台留言,以及相关人员与本号运营人员的私下沟通之中,我们不止一次收到这样的问题:你们是空天防务领域的公众号,为什么会经常放制造、材料类的专栏文章?我们在此统一做一次答复:我们认为,所有的武器装备,首先是工业产品,然后是商品,最后才是武器装备。大体上,武器装备完全服从强制性任务(甚至是政治任务)和计划管理,突出任务完成和有无问题;商品强调产品对客户真正的使用价值,强调甲方和乙方的经费核算和定价机制,强调双方都要注重成本效益、注重维护保障;工业产品重视的是生产质量、一致性、规模化和为最大化商品价值提供手段等。

长期以来,我们只重视武器装备的武器装备属性,缺少将其首先视为工业产品甚至是商品的思维和文化。可以毫不客气的说,很多情况下就因为这一点,我们的武器装备并没有看上去那么光鲜亮丽。工业能力,在相当大的程度上,限制了我们武器装备的效费比、寿命以及其他性能、能力,所以我们必须重视国防领域制造、材料等与工业能力密切相关的主题。在当前和未来国防工业越来越需要自主发展的背景下,实际上需要更加重视这些问题。

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当前,大型航空复合材料部件制造主要由以自动丝束铺放(AFP)和自动铺带(ATL)为核心的自动化工艺完成,但是自动化制造还未完全实现,瓶颈就在于当前必不可少的人工检测环节。为了满足复合材料结构的高安全性要求,每一铺层铺放之后必须停机,由检测人员完成肉眼检查和确认,而且为了满足质量保证的要求,返工是经常性的。对于一个需要数百铺层的大型复合材料部件来说,检查和返工对生产速度的影响是巨大的,从而影响F-35、波音787和777X、空客A350XWB等大量采用复合材料结构的飞机的交付进度。

为此,近年来,美空军、美国航空航天局(NASA)和美国防部、波音公司、欧盟和空客公司纷纷开展相关的技术开发与验证工作,寻找基于数字化手段的自动化在线检测方法,试图终结这一人工检测环节,充分体现自动化铺放的效率,实现“零缺陷”复合材料结构制造。本文分析了自动化在线检测对提升复合材料生产速度的贡献,总结了相关工作的最新进展,并且展望了该手段的未来应用。

一、自动化在线检测的优势

以往的人工检查必须在每一铺层铺放之后停机,检查人员根据投射在模具表面的激光轮廓通过肉眼与铺层进行对比,确认丝束末端精度,之后使用手持放大镜扫描缺陷,这个过程费时费力且存在一定的漏检率和错误率。波音曾针对**AFP工艺的生产周期进行过研究,对于787飞机桶形机身47段和48段这样的复合材料部件,执行数控程序铺放零件占据了24%的总周期,而检测和返工则占到了63%,是铺放本身的2.5倍。而且,这些时间的分布还是在波音实施了多年工艺改进、检测时间和总周期已经下降了不少的情况下得到的。同样地,从空客对A350飞机后翼梁AFP工艺的分析可以看出,检测和返工占了无增值任务的近60%。**

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●图1 复合材料部件铺放中不同环节的生产周期

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●图2 空客A350后翼梁制造中的非增值任务

自动化在线检测综合利用传感器、大数据、机器学习、数字化和自动化技术,终结人工检查环节,能够带来的最大优势就是速度和效率的提升,同时还会带来额外的成本节省和潜在的质量提升。欧盟希望通过开发和应用自动化在线检测系统,能够将复合材料部件生产效率提升**30%~50%,这将解决当前质量控制系统无法跟上飞机生产速度增加的问题(每月60架),帮助空客等制造商达到所需的生产率。而且,相关的人力节省和效率提升将进一步缩减制造成本,据空客估算,A320neo复合材料机翼蒙皮制造中如果采用自动化在线检测系统,每年预计将节省1.5亿欧元。**此外,检测系统记录全部的相关数据,这将能够支撑智能化的工艺决策支持,让用户做出更有依据的决策,提升部件质量,甚至通过数字化手段证明部件质量后,还能够让设计许用值使用变得更加灵活,进一步改进部件设计。

2 重要技术开发与验证工作及其最新进展

近年来,美空军、美国NASA、波音公司、欧盟和空客集团都开展了相关的技术开发与验证工作,技术/制造成熟度基本都达到了7-8级。这些工作有很多共同点,从自动化在线检测系统架构上来讲,都是在商业AFP机床上安装高精度传感器实时测量获取数据,然后通过数字化、智能化手段分析缺陷问题。不过,在具体实现手段和系统功能上则各有千秋。有意思的是,每项工作使用AFP机床都属于不同的装备制造商,这意味着当这些技术成熟时,整个美欧复合材料装备制造业将迎来一次革命性的升级。

1.美空军ACSIS项目

美空军是自动丝束铺放技术的先驱,2012年美空军研究实验室(AFRL)就在国防部制造技术(ManTech)计划下启动了自动化复合材料结构检测系统(**ACSIS)项目**。项目由美国国防制造与加工中心(NCDMM)、英格索机床公司和轨道ATK公司(已被美国诺格公司收购)联合实施,为期三年的第一阶段工作是开发安装在复合材料结构铺放工装上的检测系统,2014年开始的第二阶段则是进行系统增强和进一步优化速度,以便更快地部署并向军民用市场转移。

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