AFP/ATL軟件不僅有助于消除試運行操作和代價高昂的錯誤，還開始通過數字線程的互連性使整個產品生命周期受益。

數字價值

隨著數百萬美元的機器制造數百萬美元的組件，如復合材料機身，編程和模擬在AFP/ATL 操作中發揮著重要作用。早期進入者CGTech于2005年開發了第一個獨立于機器的程序VERICUT Composites 軟件。

優化運營

在確保滿足設計要求的同時最大限度地提高效率，Autodesk的TruFIBER軟件優化了操作參數，并為AFP/ATL制造生成了NC代碼。

導航曲線

MikroPlace和其他AFP/ATL軟件包逐層數字化構建AFP程序，分析纖維路徑，以有效地穿過曲面，同時放置具有可接受纖維方向、重疊和間隙的材料。

光纖路徑分析

AFP/ATL軟件包包括纖維取向的分析，當上籃頭通過曲面和復雜幾何形狀時，纖維取向偏離了理想。Autodesk TruPLAN軟件在此處用紅色表示偏差超過制造公差的區域。

模擬不同的機器

NCSIMUL軟件首先應用于細絲纏繞，然后應用于AFP/ATL模擬，而其他軟件提供商在開始使用AFP/ATL后擴大了其復合材料制造產品組合。

為多臺機器編程

AFP/ATL軟件不斷發展，并添加了與AFP/ATL硬件保持同步的功能。例如，MikroPlace4.0 版支持多臺機器或機器人在同一項目的不同方面工作。

“設計往往被拋到制造業的九霄云外。”Autodesk（美國加利福尼亞州圣拉斐爾市）制造和生產行業戰略及業務發展總監Robert Yancey 巧妙地總結了一種常見但不受歡迎的情況，他接著談到了他的公司正投入大量資源的“設計和制造的融合”。這些努力是構建數字線程的關鍵要素，數字線程旨在提供通信框架，最終將連接產品生命周期中的功能。

被稱為“智能制造”、“工業物聯網（IIoT- Industrial Internet of Things）”或“工業 4.0”，當今制造業運營的數字化在許多領域都在順利進行。在某些情況下，如位于德國安貝格的全自動化西門子（德國慕尼黑）Simatic 可編程邏輯控制器（PLC- programmable logic controller）工廠，或復合材料技術中心（CTC，Stade，Germany；Airbus Operations GmbH 的子公司），從近乎清潔的設計中有意實現了全面數字化。然而，更常見的是，制造商必須從現有運營逐步過渡到完全數字化的未來。

在自動纖維鋪設（AFP）和自動膠帶鋪設（ATL）系統的情況下，復合材料制造的數字化落后于其他制造操作幾步，這是有充分理由的。CGTech（美國加利福尼亞州歐文市）的復合材料產品經理Andre Colvin指出：“復合材料制造業與金屬切削業截然不同，也不如金屬切削業成熟。”他補充道，“機器制造商和用戶都非常謹慎。他們希望在競爭中保持一切可能的優勢。”

然而，AFP/ATL數字化在兩個方面取得了明顯的進 展。首先，獨立于機器的軟件不斷成熟，使復合材料制 造商能夠在不同的AFP/ATL品牌上使用相同的軟件包。

這種成熟還意味著在軟件包中開發對新的AFP/ATL或類似技術的支持。其次，軟件開發人員正在努力實現數字線程，以便設計和制造中的不同功能組更直接、更高效地進行通信和交互。

 

AFP/ATL數字自動化件

為了優化AFP/ATL或類似系統的效率，制造商努力實現雙重目標：（1）盡可能經常以最大進給速度運行機器，同時（2）通過在重復進行多次材料切割和添加的疊層區域或高輪廓區域放慢速度，最大限度地減少生產誤差。在 2017 年 CGTech 白皮書《自動化復合材料路線圖》中描述，這些目標正在推動機器本身的持續發展，從鋪設材料的末端執行器到機器人和新型高速連續纖維預成型方法。然而，同樣重要的是正在進行的軟件開發，該軟件使機器能夠按照設計生產部件，或者提醒設計者所需的可制造性變化。

AFP/ATL制造軟件由多個模塊組成。機器控制軟件——數字代碼（NC- numerical code），最常見的“G代碼”——指導機器的運動和操作設置。機器編程軟件或路徑規劃軟件通過后處理向控制器提供每個待構建組件的操作數據。該軟件規定了材料放置的方向和位置。它旨在優化鋪放頭路徑、進給速率和其他操作參數。仿真軟件與機器編程協同工作，使生產運行的工程離線，并使制造商能夠在屏幕上可視化生產。它通過處理后處理器生成的G代碼來實現這一點。數字模擬取代了實際生產設備上的試運行，節省了大量時間和成本。Yancey說：“這些都是高價值的機器，鋪設的材料很昂貴。”“因此，機器上任何不生產產品的活動都是昂貴的。”

十年前，“ CW-Composite World”報道了AFP/ATL控制、編程和模擬軟件，即使在那時，這些產品也遵循了工業軟件解決方案的熟悉路徑。首先，新生產技術的發明者雇傭了一個內部軟件開發團隊（或緊密合作的軟件開發合作伙伴）來創建適合正在開發的特定生產系統的機器控制程序。當其他公司創建類似的競爭技術時，他們也會生成專門為每個系統設計的專有軟件。隨著編程和控制軟件的建立，機器制造商希望減輕客戶對機器本身進行干式測試的需求，因此創建了模擬軟件，以實現機器程序的離線測試和驗證。

 

機器獨立性

 

AFP/ATL軟件的基本目標是從CAD 系統中讀取復合材料零件的設計數據，然后為自動鋪放創建和模擬數控程序。從 CAD 到成功的 NC 程序是一個迭代的多步驟過程。當然，甚至在 CAD 文件首次發送到制造軟件之前，設計中通常會出現多個步驟，包括層壓板和簾布層的設計、分析和模擬。接下來，使用 CAD 數據設計工具表面，生成與零件信息一樣對疊層的至關重要的信息。機器編程導入零件和刀具信息并創建 NC 路徑。在這一點上會發生一些迭代：滿足材料和 AFP/ATL 工藝要求的路徑會反饋給 CAD 程序，以確保設計能夠產生。該過程考慮了材料轉向極限、工具曲率、重疊和間隙以及最小牽引長度等因素。

一旦機器編程和設計修改達到令人滿意的結果，后處理器就會生成特定于所使用的 AFP/ATL 機器的代碼?？茽栁闹赋觯?ldquo;在創建這些零件程序的每一步中，都有可 能出現錯誤。”“如果有丟失的絲束或材料放置在您預 期之外的其他地方，則必須報廢部件的成本非常高。”因 此，接下來將使用NC代碼通過制造模擬程序模擬鋪放 過程。這是另一個迭代點，在這里可以驗證過程，檢測 問題，并可以再次調整和模擬機器編程，直到對NC程序的最終版本有很高的置信度，最終將其發送到機器。隨著提供類似生產技術的公司數量的增長，原始設備制 造商和其他大型制造商不希望他們的工程團隊必須從 一臺機器到另一臺機器學習和維護多個軟件包，因此對 機器獨立軟件的需求也在增長。這就是CGTech最初參與AFP/ATL軟件開發的方式。2004 年，當波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）為787夢想客機的主要部件實施 AFP 技術時，很明顯，波音內部團隊及其層級供應商將采用多種AFP/ATL機型。因此，CGTech開發軟件的方式使其能夠與任何AFP/ATL系統協同工作。

2005年發布的VERICUT AFP/ATL滿足了波音公司的要求，因為它成功地對 Electroimpact 公司（美國華盛頓州穆基爾特奧）的AFP機器進行了編程和模擬，但可以定制為與其他系統一起工作。不久之后，該公司發布了帶有兩個模塊的 VERICUT 復合材料應用程序：VERICUT組合編程（VCP- VERICUT Composite Programming）和VERICUT合成模擬（VCS- VERICUT Composite Simulation）。VCP 讀取 CAD 表面和簾布層邊界信息，并根據用戶指定的制造標準和要求創建纖維放置路徑以填充簾布層。疊層路徑鏈接在一起以形成特定的疊層序列，并作為AFP機器的NC程序輸出。

VCS 讀取鋪放工具和夾具的CAD模型，并直接從NC程序文件中模擬鋪放順序。在 VERICUT 的虛擬數控仿真環境中，通過數控程序指令將絲束材料應用于疊層形式。應用于模具的模擬材料可以進行測量和檢查，以確保NC程序符合制造標準和要求?？梢宰詣觿摻@示模擬結果和統計信息的報告。

正如VERICUT復合材料應用程序系列設計用于任何 AFP/ATL機器一樣，VCS 也可以直接從 VCP 或其他復合材料疊層路徑生成離線編程應用程序進行模擬。

在開發復合材料制造軟件之前，CGTech通過其 VERICUT 金屬加工軟件建立了自己的聲譽，波音公司自 1989 年以來一直是該軟件的客戶。另一家公司， NCSIMUL 軟件制造商，現為 Hexagon Manufacturing Intelligence Division（美國馬薩諸塞州波士頓）所有，也在 CNC 加工軟件的基礎上開發了其復合材料制造包。NCSIMUL Composites 創建于 2014 年，專注于 AFP/ATL（以及細絲纏繞）編程中的模擬功能，包括 NC 程序分析、材料疊層模擬和結果分析。

在一位客戶要求提供模擬線纏繞的能力后， NCSIMUL 增加了復合材料制造模擬。該公司抓住機遇，將計劃擴展到包括復合材料絲束疊層在內，從數控加工轉向添加工藝。Hexagon 生產軟件業務總經理 Silvère Proisy 解釋道：“這兩種技術相似，只是纖維必須被視為矩形（即占寬度）。”“挑戰在于了解如何沉積材料，而不是將其帶走。我們需要了解很多關于放置頭使用的技術。”

然而，并不是所有的復合材料制造軟件都是從金屬加工開始的。TruComposites 軟件工具套件不是在CNC軟件基礎上工作，而是從刀具嵌套和激光投影軟件擴展到自動化復合材料制造。該套件由 Magestic Systems（美國新澤西州韋斯特伍德）創建，現在歸 Autodesk 所有，包括AFP/ATL相關模塊：TruPLAN 分析和優化軟件，其中包括用于AFP/ATL應用程序的光纖路徑生成；以及TruFIBER，其優化 AFP/ATL 操作參數并生成用于制造的NC代碼。

在 2009 年“CW-Composite World”專題報道時，Makidea（馬其頓普里勒普）正在測試其 MikroPlace 軟件包，該軟件包是為與姊妹公司 Mikrosam（馬其頓普里勒普）當時的新AFP 機器一起使用而編寫的。MikroPlace從一開始就采用模塊化結構，因此可以容納其他 AFP 和 ATL。MikroPlace 4.0 版現在由 Mikrosam 提供，支持纖維纏繞和3D打印以及AFP/ATL，還支持多臺機器或機器人在同一項目的不同方面工作。

這些生產軟件開發人員強調了機器獨立軟件的優勢，指出金屬切削行業經歷了類似的轉變，從機床制造商創建的軟件轉向單獨開發的軟件。Yancey 回憶道：“Magestic 意識到，需要在多臺機器上使用更復雜的路徑規劃。我們的系統考慮了影響速度和質量的不同擱置策略。這涉及到權衡，我們可以考慮設計并確定最適合這項工作的機器。”

Colvin 同意，制造商可以自由選擇特定零件、零件系列或制造工藝的最佳機器，而無需在每個品牌的機器的工程流程中引入不同的軟件。他補充道，“當軟件與機器分離并應用于各種應用時，軟件會提高整個制造過程的效率和靈活性。”

當然，一些 AFP/ATL制造商保留了他們的專有軟件。Automated Dynamics（美國紐約州尼斯卡尤納）是 選擇在內部進行軟件開發的幾家 AFP/ATL 制造商之一。該公司的 FPM（Fiber Placement Manager）支持 AFP 構 建的復合結構的規劃、開發和模擬，FPS（Fiber Placement Software）自動化機器控制是基于 Windows 的程序，為專有套件提供了易用性。機器制造商開發的專有軟件的 一個優點是，所有故障排除都由一個供應商負責。有趣 的是，在金屬加工領域也存在著同樣的哲學分歧：大久馬（日本東京）選擇為其機床中心構建和維護自己的控 制器和機床編程軟件。

無論是專有的還是獨立于機器的，AFP/ATL 軟件都已準備好與其他軟件系統進行更充分的集成，以實現完整的數字線程。

 

功能數據集成

在 AFP/ATL 操作中構建數字線程不僅需要集成制造軟件模塊，還需要集成整個產品生命周期，從設計到每個組件的制造和檢查，最終到最終產品生命周期的組裝和 MRO- maintenance, repair and overhau（l 維護、修理和大修）操作。這種集成的主要挑戰是智能制造社區所說的“傳統上孤立的”功能。也就是說，設計功能是與制造功能分開開發和發展的，因此將信息從一個功能移動到另一個功能絕非自動。一個功能齊全的數字線程將消除功能之間的通信障礙，使應用程序開發成為一個更加精簡的過程。

然而，有兩個因素使復合材料部件的制造比金屬、塑料和其他材料的制造更難實現互連。首先，AFP/ATL仍然是一項相對年輕的技術。對于獨立于機器的AFP/ATL 軟件來說，15年的開發時間聽起來可能很長，但與20世紀70年代推出的用于金屬加工操作的CNC軟件相比，這聽起來并不長。此外，AFP/ATL硬件仍在不斷發展，并進行了大量定制，Colvin 指出。“為了取得成功，公司通常需要對機器進行定制，以適應他們的零件和工藝-每臺機器都有定制的東西。每個人的工藝都是不同的：不同的滾筒、單獨的壓實（ debulk） 等等。”AFP/ATL軟件設計師必須繼續專注于支持核心、通用功能，并適應不斷發展的機器定制，也許比與其他系統集成更重要。

其次，由于復合材料的各向異性和非均勻性，復合材料設計和制造中相對較多的變量導致了比使用金屬和其他各向同性、同質材料制造更多的功能零件?？茽栁恼f：“對于金屬切削，只要零件與最終設計相匹配，你是如何到達那里的并不重要，但復合材料編程中的不同程序將導致完全不同的零件。”

在設計制造周期中，顯然需要在功能之間進行通信。Yancey問道：“如果我做出改變來幫助制造，這對設計有什么影響？”他強調了必須在兩個方向上都可移植的數據類型。

軟件提供商正在為此努力工作。Yancey繼續說道：“我們正在更好地展示可以制造的產品，并回去確保它符合設計規范。”。“例如，這使我們能夠減少過度設計，以考慮搭接和間隙，并制造重量更輕的復合材料結構。” Yancey特別提到了 Autodesk推出的Fusion 360，這是一個連接設計和制造工作流的基于云的通用數據環境。最初，Fusion 360 支持制造業的數控加工，“但增材制造是下一個需要解決的問題， ”Yancey 說。這包括 AFP/ATL 編程以及 3D 打印軟件。Autodesk 目前正在開發的是 Fusion Production，這是一種額外的產品，將使制造商能夠規劃、 監控和優化生產性能。Fusion Production 創建了制造過程的數字視圖，從調度和調度工作到跟蹤和分析生產和工業物聯網（IIoT-- Industrial Internet of Things）數據。

同樣，CGTech與西門子PLM軟件公司（美國得克薩斯州普萊諾）合作，將 VERICUT 與西門子Teamcenter數字生命周期管理軟件集成。據這些公司稱，這種集成使CGTech 用戶能夠與旨在增強產品開發決策和生產更好產品的技術無縫互動。按照 Fusion 360 的歷史趨勢， VERICUT金屬切割軟件目前正在與 Teamcenter 集成；CGTech 報告稱， VERICUT Composites軟件尚未與Teamcenter 集成。

最終，智能制造的目標是完全關閉設計-制造循環。Yancey 說：“今天有很多傳感器數據主要用于識別問題，以便在過程的早期進行糾正。”“數據就在那里，我認為我們可以用它做更多的事情，這樣我們就可以改進，而不是一開始就引入缺陷。”

Yancey不僅期望設計和制造之間的融合，而且期望制造方法的融合。“如果我們有一個機器人切割材料，我們能從中學到什么，并將其應用于機器人鋪設材料？”他預見到混合工作流程和更大的能力來研究不同制造方法的權衡。“CW-Composite World”采訪的所有機器獨立軟件開發人員都報告了對新制造方法的關注，尤其是機器人技術，以及為每種制造方法帶來最佳性能的混合制造方法的機會。

注：原文見《Smarter, integrated data for ATL/AFP》2019.5.1

楊超凡 2023.6.24