Airborne在空客、GKN Aerospace和帝人汽車技術公司推出的自動鋪層系統最大限度地提高了靈活性和智慧型自動化。
自動鋪層機械人。
Airborne 的應用程式自動鋪層技術代表了機械人技術、智慧型軟體和流程優化方面的進步。 它是一種機械人操作、自動化和模組化的瓶坯解決方案，可在樹脂傳遞模塑 （RTM） 加工之前最大限度地提高複合材料部件的設計和材料自由度。
複合材料在汽車和飛機製造中的使用正在激增。 這是由於它們具有許多優點，例如重量輕、強度高、耐用性、耐腐蝕性和設計靈活性。 隨著這些行業對複合材料部件的需求持續增長，生產複合材料部件所需的高速、高精度、柔性、智慧型和模組化製造技術也在不斷增長。 Airborne（荷蘭海牙）是一家複合材料製造系統公司，通過建立一種稱為應用程式自動鋪層放置的概念來解決這個問題。
APP是一種機械人操作、自動化和模組化的瓶坯技術，可在樹脂傳遞模塑（RTM）加工之前最大限度地提高複合材料部件的設計和材料自由度。 它代表了機械人技術、智慧型軟體和流程優化的進步。
Airborne董事總經理Joe Summers解釋說：“由於機械人和自動化軟體的高精度，該應用程式使工程師能夠設計出最佳效能，而不受手動布局的限制。 自動鋪層旨在提高精度，減少浪費，並使任何形式的複合材料都能在自動化製造中生產。 ”
Joe Summers繼續說道：“許多複合材料都是以一捲材料的形式出現的。 ”。自動纖維鋪放 （AFP） 和自動鋪帶 （ATL） 將複合材料轉化為基於膠帶的層壓板，這些層壓板僅限於以狹縫膠帶形式提供的一小部分複合材料。 從帶狀開始，通常是單向 （UD） 材料，限制了優化最終零件的範圍。 取而代之的是，我們可以使用所有材料形式——不僅是幹纖維、預浸料或熱塑性 UD 膠帶，還包括紡織品，如無捲曲織物，以及薄膜、金屬層板（例如夾芯板的芯材）、預固結的層壓板或片材中的均質材料。 ”
應用程式自動鋪層分解
在該過程的第一階段，該應用程式使用傳統的輸送機工具將層精確地切割成所需的形狀。 然後，應用程式機械人拾取層並使用基於攝像頭的視覺系統評估其準確性。 它檢查層的正確幾何形狀，驗證每個切割層的精度質量，並測量層在機械人末端執行器上的位置。
自動鋪層機可用於多種材料形式。
標準輸送機切割機在加工的第一階段精確切割層。 我們可以使用多種材料形式，包括幹纖維或熱塑性 UD 膠帶、紡織品（如無捲曲織物）、薄膜、金屬層板（例如用於製造夾芯板的芯材）、預固結的亞層壓板或 SMD 均質材料。
準備加工的復合層被定向並放置在焊接台上——軟體調整機械人的動態運動以確保準確放置。 按照製作 2D 定製鋼坯層壓板所需的正確順序，將夾板堆疊在焊台上，並通過超聲波或熱銷焊接進行焊接。 焊接可啟用幹纖維材料中的粘合劑，也可用於熱塑性複合材料。 對於預浸料坯料，此過程不是必需的，但可以整合去除箔或襯紙的中間步驟。
尚未準備好進行加工的切割層儲存在緩衝系統中，從而實現“無序”巢狀。 這減少了材料浪費，因為層是為生產預先準備的，增加了運營成本和可持續性。 焊接加工後的層壓板後，機械人將層壓板準確地定位在熱褶成型機上，為RTM做準備。 機械人修整站用於修整預成型零件的外邊緣，以確保與模具緊密配合。
對於RTM零件製造，將準備好的網狀預製件插入剛性模具的型腔中，類似於注塑成型中使用的模具。 剛性模具可以施加 1 bar 的壓差，從而提高浸漬質量，從而提高層壓質量。
密封型腔後，瓶坯被壓縮到最終的纖維體積。 樹脂通過乙個或多個注射澆口注入型腔，使零件完全浸漬，然後在所需溫度下固化和脫模。 RTM在複合材料零件大規模製造中的主要優勢是能夠實現流程自動化以提高生產率。
Airborne首席技術官Marcus Kremers強調：“精確的預製件對於RTM來說尤為重要，以確保樹脂的良好滲透性並避免零件缺陷。 ”。作為RTM複合材料生產線的一部分，APP可以非常精確和可重複地控制複合材料製造過程，無需休息或精細工作培訓，消除了複合材料製造過程中的人為因素和相關變化。 ”
Airborne 的製造即服務 （MaaS） 業務模式使客戶能夠購買或租賃他們的自動化系統。 該應用程式的可定製性意味著客戶可以定義自動化工作站的功能。 這提供了優化的製造解決方案，以支援汽車、航空航天和可再生能源等行業的多樣化需求，以及技術研究中心、製造公司等。
空中巴士赫塔菲生產A350部件
空客A350XWB機身19段，採用RTM製造機身後梁和維修門框。
19段整合框架是與Hearst（Hexcel - Stamford，CT，USA）合作開發的，使用單組分RTM6環氧樹脂和中模量（IM）碳纖維增強層逐層定製。 優化採用並行方法，包括同時開發原材料、結構設計、製造工藝和工業製造解決方案。
2D 預製件是使用 UD、非捲曲和機織織物手動建立的，然後熱覆蓋成 3D 形狀，組裝成梁結構，並注入 RTM6 樹脂。 空中巴士公司開發了一種定製的RTM工作站，並將其描述為高精度RTM，並補充說這是製造這些高負載主要結構的有效方法。
空中巴士公司為該專案實現預製件自動化生產的主要驅動力是通過取代涉及許多步驟的手動操作來改善質量控制。 空中巴士公司及其一級製造商已將這種自動化用於定製RTM工作站的各種零件，例如“高速、自動化的RTM下一代擾流板”（參見本文後面的補充圖片，“空中巴士A320擾流板RTM自動生產線”），不僅是為了提高質量，減少浪費，也是為了滿足不斷提高的生產力，例如該公司承諾到2024年每月生產75架A320飛機。
Airborne在開發應用程式系統以滿足專案需求時面臨許多挑戰。 首先，零件的尺寸相當大。 因此，Airborne對空客的工作站進行了改造，以處理多達3個尺寸的工作站5公尺預製件。 該專案還涉及各種層形狀和各種材料。 Airborne附帶的自動程式設計軟體技術用於應對這些挑戰。 最後，該系統通過自動拾取和放置來生產幹纖維瓶坯，這在空中巴士公司尚屬首次。 因此，空中巴士公司正在對應用程式技術進行資格認證，並將支援它以確保其符合生產標準。
汽車一流業務
滿足汽車行業的高生產率和質量要求是製造機械最具挑戰性的壯舉之一。 隨著複合材料在汽車設計和製造中不斷取代其他材料，生產層並將其組裝成層壓板和元件正日益成為乙個關鍵問題。 該應用程式的第乙個汽車應用程式是為帝人汽車技術位於美國密西根州奧本山的法國普安塞工廠生產的高度工程化的幹纖維RTM零件開發的。
帝人汽車技術是一家一級汽車零部件製造商，提供使用各種技術製造的零部件，包括SMC片材模塑料、熱塑性複合材料、熱固性預浸料和RTM。 整合該應用程式的驅動因素是帝人的客戶需要為高效能跑車提供完整的複合門，該車具有完整的道路適應性，包括符合碰撞安全法規。
帝人汽車技術的應用程式系統管理使用幹纖維RTM生產的全複合材料車門。
主要的挑戰是設計和製造複合材料碰撞結構，“帝人汽車技術公司的Marc Philippe Toitgans說，他是該公司法國龐塞工廠的研發總監。 “傳統上，複合門具有抗碰撞的金屬結構，用複合材料代替它需要對復合結構進行非常精確的**和可重複性研究，以確保結構的安全性和合格性。 ”
Toitgans繼續說道：“在製造過程中，每層的精確放置，尤其是地下的纖維角度，至關重要。 ”。使用傳統的手動鋪層工藝無法實現高精度的可重複性，而可以通過應用程式對每一層進行目視檢查並精確地放置機械人。 ”
“另乙個優點是該應用程式可以準確地切割和放置 30 多層 2 到 300 克的層，這消除了使用 AFP 時需要管理的間隙和重疊，”Toitgans 補充道。 ”。AFP 在放置幹纖維膠帶或絲束方面具有許多優點，但挑戰在於準確性，特別是因為絲束本身對膠帶絲束的寬度也有一些公差。
對於零件厚度的變化，如上所示，層壓板，在需要的地方新增額外的層，以提供強度並減少應力較低的區域的厚度。
Toitgan指出，即使可以控制精度，也會存在許多間隙或重疊，這可能會影響懸垂（褶皺中可能出現的間隙）或輸液（不同的滲透率）。 “該應用程式消除了這一挑戰，”他說。 一旦門的 2D 定製毛坯製成，它就會通過先進的定製 RTM 成型工藝成型成 3D 零件。
對於特金汽車科技來說，幹纖維RTM是提高其複合材料技術速度和精度的重要戰略技術。 該公司已經在研究未來的APP製造方法和裝置專案。
吉凱恩航空英國全球技術中心
吉凱恩航空公司（英國雷迪奇）和位於英國布里斯托的全球技術中心（GTC）將於2024年第三季度完成首次機上APP技術的安裝。 該中心占地 10,000 平方公尺，擁有 300 名工程師，並與大學、英國彈射器網路和英國吉凱恩航空合作，支援航空航天脫碳技術的設計和開發。
它也是吉凱恩宇航在空客“明日之翼”技術專案中的技術合作基地。 GTC的主要產出將是下一代增材製造、先進複合材料、元件和工業40工序實現飛機結構的高速生產。 其自動預成型工作站，內部稱為GKN Aerospace的Adapt-Advanced自動預成型技術（AP）工作站，使用英國Airborne公司開發的APP技術。
Airborne App系統將安裝在GKN位於英國布里斯托的全球航空航天技術中心。
GKN Aerospace Composites 首席技術專家 Kevin Barlow 解釋說：“ADAPT 工作站將成為開發堅固、可重複和靈活的幹纖維複合材料部件的自動沉積、成型、成型、預成型、修整和檢測的關鍵，用於製造高速和可持續的 RTM 加工部件。 ”。據CW-Composite World在2024年2月報道，英國資助的ASCEND專案將首次利用該裝置的使用來開發和演示兩個關鍵演示器，即整合翼尖和機翼後緣測試件，以達到TRL 6成熟度。 ”
Kevin Barlow指出：“重要的是，Adapt工作站將能夠在未來的技術計畫或客戶互動中快速展示其他關鍵目標產品，並在Ascend-Advanced超導和低溫實驗動力總成演示器中展示'****'。鏈驅動開發“部分。”。
吉凱恩航空公司的ADAPT工作站是自動化系統的一部分，其子系統包括Airborne-Supplied App、Assyst Bullmer（英國韋克菲爾德）的層切割機、PAC集團（英國北愛爾蘭貝爾法斯特）的熱褶皺成型機和Accudyne Systems（美國德拉瓦州紐瓦克）的瓶坯修整模組。 薩默斯補充道：“ASCEND計畫促進了當今複合材料技術的更多採用，實現了新技術的工業化，並提高了航空航天生產力，以滿足未來的大批量市場需求。 ”。這項合作將有助於在英國最好的產業鏈中開發技術，以開發製造未來可持續空中交通和道路車輛所需的輕質結構所需的先進材料和自動化裝置。 ”
自動程式設計，複合材料 40
APP 系統關鍵 40 Technology 是 Airborne 的自動化程式設計軟體。 傳統上，機械人是由人類使用程式語言程式設計的。 這個過程可能非常耗時且容易出錯，需要並非所有製造商都具備的專業知識。
自動化程式設計意味著人類程式設計師不需要教機械人如何執行任務，從而實現完全自動化的製造過程。 該軟體接受設計和操作輸入，並將其直接轉換為正確的機械人**和每層的工藝設定。 這是動態完成的，如果操作員上傳新設計或提供新的層形狀，系統將進行調整，這使得它很容易在車間實施。
這種軟體驅動的自動化方法使系統非常靈活，因為它可以很容易地適應設計或材料的變化，而無需示教或重新程式設計機械人。 除了消除手動程式設計的需要外，自動化程式設計還可以通過自動執行需要更大靈活性的更複雜的任務和自動化更全面的製造流程來顯著提高生產力。
該應用程式軟體是Airborne為支援過程自動化而建立的技術的演變，該技術將套料、切割、標記和匹配生產步驟整合到乙個生產工作站中。 Airborne的軟體將這些製造步驟整合到乙個程式中。
“軟體開發對於實現複合材料的工業化和採用非常重要，”Kremers說。 ”。進行研發設定是一回事，但如果你想在全面生產中擁有數千個不同層形狀的零件，自動化是必要的。 自動化程式基於先進的演算法，可以讀取製造情況並即時進行調整，無需過度程式設計和機器設定。 ”
自動程式設計演算法考慮了材料的柔韌性，並確定了拾取層層以最大限度地減少流掛的最佳方法。
自適應揀選，放置精度高。
雖然軟體開發的複雜性不容小覷，但另乙個挑戰是機械人的物料搬運。
“讓夾具將層與套料中的其他材料牢固地分開，特別是對於粘合劑預浸料，尤其具有挑戰性，”Kremers 指出。 ”。也可能有未切割的纖維，這將導致整個骨頭被拉出切割臺。 我們整合了感測器，可以檢測未切割的光纖，並暫停系統以供操作員干預。 ”
另乙個問題是下垂。 由於複合材料是柔性的，並且層由帶有一系列夾具的末端執行器拾取，因此夾具之間和外部可能會下垂。 自動程式設計演算法考慮到了這一點，並確定了拾取層層以最大限度地減少流掛的最佳方法。 例如，機械人可以拿起帶有旋轉末端執行器的矩形層，將吸盤定位在層的角落。 夾持器力的大小取決於層的形狀，並針對每個夾持器確定。
將鋪層釋放到焊臺或緩衝系統上時，貼裝精度也至關重要。 該應用程式使用基於視覺或閉環控制的實時校準來掃瞄連線到末端執行器時的每個層，並將其位置與預期位置進行比較。 然後調整機械人的運動以確保準確放置。 “由於我們掃瞄了鋪層，因此系統可以控制質量，精確檢測切割邊緣，或發現鋪層中可能在切割機上看不到的缺陷，”Kremers 說。 ”。
緩衝和回放
應用程式系統的自動化配套包括用於分揀和排序的緩衝溶液。 一旦材料被切割成 2D 層，機械人可以根據需要自動將其放入緩衝區，將層分類為每個零件的套件，並按正確的順序排列層，以便以後輕鬆鋪設。 緩衝區也可以從工作站外部接近，因此可以很容易地手動解除安裝套件或瓶坯，也可以由其他機械人解除安裝。
如果出現問題，系統執行、零件位置、時間、溫度、速度等的數字記錄可以稱為“回放”工具，這一點尤為重要，因為這些過程的**是實時生成的。 這些資料還被輸入到物理資產的虛擬副本中，為未來的流程改進提供實時洞察和分析。
額外：無需程式設計即可提高自動化程度
正如CW-Composite World之前報道的那樣，Airborne的自動化程式設計、德國航空航天中心（德國斯圖加特）輕型生產技術中心的人工智慧工作站，以及SAM XL（荷蘭代爾夫特）的“零程式設計”自動化軟體都是軟體驅動的自動化解決方案的例子，旨在消除對機械人進行手動程式設計的需要。 但是，這三種解決方案之間存在一些關鍵差異。
零件設計、鋪層形狀和材料資料是輸入。 根據這些輸入，Airborne的軟體可以實時建立所有必需的機器**和工藝設定，以執行整個物料搬運過程，而無需外部程式設計。
Airborne的自動化程式設計是一種專用解決方案，專注於滿足高效能複合材料行業在製造前對高耐受性、高速率和可重複層壓生產的需求。 它旨在實現複合材料堆垛的自動化，這是乙個複雜且勞動密集型的過程。 例如，德國航空航天中心配備人工智慧的工作站用途更廣。 它使製造過程自動化，包括焊接、切割和噴漆。 該工作站使用人工智慧來規劃和執行機械人任務，使其能夠靈活地適應生產環境的變化。
未來應用開發與應用
關於該應用程式的未來潛力，Kremers說：“軟體開發是我們一直在做的事情，以提高系統的速度和魯棒性，特別是因為我們收集的資料有很大的潛力為我們的客戶提供更多的功能和效能。 例如，系統現在在放置每個圖層之前對其進行檢查。 如您所料，直接從切割機上拾取的圖層的精度非常好，幾乎沒有校正或根本沒有校正。 如果系統識別到這種趨勢，您可以跳過檢查或降低頻率，例如，每十層中只檢查一層，從而提高產量。 ”
另乙個例子可能是對材料的特殊依賴，“他繼續說道。 “有些材料比其他材料更難切割並獲得乾淨的邊緣，系統可以看到這一點，並提供有關如何正確設定刀具、更頻繁地更換刀具或對其他材料使用不同切割方法的見解。 此外，軟體中還開發了材料焊接：如果粘合劑的質量或數量發生變化，系統可能會從焊接資料中識別出這一點。
鋪層自動放置在層壓台上，為焊接做準備。
優化以減少浪費、產量或二氧化碳排放
儘管應用程式系統是自動化的，但在最大輸出和最小浪費之間需要權衡。 在典型的工廠中，這種情況每天都在變化。 Airborne正在開發“Optimize X”軟體，以便操作員或數字工廠管理系統可以選擇所需的優化選項，例如，如果他們願意，以最小的浪費、最大的產量或最小的二氧化碳足跡。 這是柔性自動化製造或複合材料 40 基數。
當選擇一種模式時，例如最低 CO2，自動化軟體會考慮潛在的生產力影響和末端執行器相容性因素。 它評估對製造過程的整體影響，以便使機器指令適應預期的操作結果。
Airborne計畫使用這項技術為各種客戶優化其自動化工作站，使運營商能夠規定不同的場景並做出明智的決策。 Airborne還使用纖維和樹脂、生物材料以及熱固性塑料、熱塑性塑料和金屬的混合物來測試應用程式及其自動化程式設計，以驗證自動化軟體識別和補償缺陷的能力。
“如果開發成功，它可以為各種行業的**和低二氧化碳應用開啟大門，”Kremers解釋說。 ”。為了使複合材料更具可持續性，減少能源使用、減少步驟和減少浪費非常重要。 ”
碳纖維中嵌入的能量相對較高，因此減少浪費和使用二氧化碳足跡較低的替代纖維對於可持續發展至關重要。 此外，3D列印或機械人注塑包覆成型等整合技術可以根據任何應用的獨特需求進行定製。
-END --補充影象。 注意：有關原始文字，請參閱“模組化機械人單元使用任何材料格式實現高速率RTM” 2023 8：23
楊超凡 20238.24