01氫燃料電池汽車

Airborne在空客、吉凱恩航空航天和帝人汽車技術公司的自動鋪層系統，達到最大限度地提高靈活性和智能自動化。

自動鋪層機器人。Airborne的自動鋪層（APP- automated ply placement）技術代表了機器人技術、智能軟件和工藝優化的進步。這是一種機器人操作、自動化和模塊化的預成型解決方案，可在樹脂傳遞模塑（RTM）加工之前最大限度地提高復合材料部件的設計和材料自由度

復合材料在汽車和飛機制造中的應用正在激增。這是由于它們的許多優點，如重量輕、強度、耐用性、耐腐蝕性和設計靈活性。隨著這些行業對復合材料組件的需求持續增長，生產復合材料組件所需的高速率、高精度、柔性、智能化和模塊化制造技術也在不斷增長。復合材料制造系統公司Airborne（荷蘭海牙）開始通過創建一個稱為自動鋪層（APP-automated ply placement ）的概念來解決這一問題。

APP是一種機器人操作、自動化和模塊化的預成型技術，在樹脂傳遞模塑（RTM）加工之前最大限度地提高復合材料部件的設計和材料自由度。它代表了機器人技術、智能軟件和過程優化方面的進步。

Airborne董事總經理Joe Summers解釋道：“由于機器人和自動化軟件的高精度，APP使工程師能夠在不受手動鋪放限制的情況下設計出最佳性能。研發自動鋪層是為了提高精度、減少浪費，并使任何形式的復合材料都能在自動化制造中生產。”

Joe Summers繼續說道：“許多復合材料都是以一卷材料的形式出現的。”。“自動鋪絲（AFP）和自動鋪帶（ATL）將復合材料轉化為基于膠帶的層壓板，僅限于以狹縫膠帶形式提供的一小部分復合材料。從膠帶形式開始，通常是單向（UD）材料，限制了優化最終零件的范圍。相反，APP可以使用所有材料形式——不僅是干纖維、預浸料或熱塑性UD帶，還可以使用無卷曲織物等紡織品，以及薄膜、金屬分層片材（如用于制作夾芯板的芯材）、預固結亞層壓板或成片的同質材料。”

02自動鋪層分解

在工藝的第一階段，APP使用傳統的輸送刀具將簾布層精確切割成所需形狀。然后，APP機器人拾取簾布層，并使用基于攝像頭的視覺系統評估其準確性。它檢查簾布層的幾何形狀是否正確，驗證每個切割簾布層的精度質量，并測量簾布層在機器人末端執行器上的定位方式。

自動鋪層機可使用多種材料形式。標準的輸送機切割機在加工的第一階段精確地切割簾布層。APP可以使用多種材料形式，包括干纖維或熱塑性UD帶、無卷曲織物等紡織品、薄膜、金屬分層片材（如用于制作夾芯板的芯材）、預固結亞層壓板或貼片同質材料

準備進行加工的復合材料層被定向并放置在焊接臺上——該軟件調整機器人的動態運動，以確保準確放置。按照制作2D定制坯料層壓板所需的正確順序，將夾板堆疊在焊接臺上，并通過超聲波或熱引腳焊接進行焊接。焊接激活了干纖維材料中的粘合劑，也可用于熱塑性復合材料。這個過程對于預浸料坯來說是不必要的，但可以集成去除箔或襯紙的中間步驟。

未準備好進行加工的切割層存儲在緩沖系統中，從而實現“無序”嵌套。這減少了材料浪費，因為簾布層是為生產預先準備的，提高了運營成本和可持續性。在焊接處理好的層壓板后，機器人將層壓板準確定位在熱褶皺成型器上，為RTM做準備。機器人修剪工作站用于修剪預成型件的外邊緣，確保在模具中緊密配合。

對于RTM零件制造，將準備好的網狀預成型件插入剛性模具的空腔中，類似于注射成型中使用的模具。剛性模具可以施加>1巴的壓差，從而提高浸漬質量，從而提高層壓質量。

在封閉空腔之后，預成型件被壓縮到最終的纖維體積含量。樹脂通過一個或多個注射門注射到空腔中，以完全浸漬零件，然后在所需溫度下固化并脫模。RTM在復合材料零件的批量制造方面的主要優勢是能夠自動化工藝以提高生產率。

Airborne CTO Marcus Kremers強調：“準確的預成型件對于RTM來說尤其重要，以確保樹脂的良好滲透并避免零件中的缺陷。”。“作為RTM復合材料生產線的一部分，APP可以非常準確和重復地控制復合材料的制造過程，而無需休息或接受精細工作的培訓，將人為因素和相關變化從復合材料制造過程中去除。”

Airborne的制造即服務（MaaS）商業模式使客戶能夠購買或租賃其自動化系統。APP的可定制特性意味著客戶可以定義自動化工作站的功能。這提供了優化的制造解決方案，以支持汽車、航空航天和可再生能源等行業以及技術研究中心、制造公司等的各種需求。

03空客Getafe（赫塔菲）制造A350部件

空中客車公司（法國圖盧茲）在其西班牙Getafe（赫塔菲）的生產工廠使用Airborne的APP，自動制造碳纖維增強聚合物（CFRP）后機身梁和維護門框的預制件，空中客車公司稱之為A350XWB機身的第19段。后機身采用共固化CFRP蒙皮長桁整體筒，尺寸為6×5米。梁支架和門框集成為一個單獨的、共同注入的RTM部件，將兩個長梁、兩個過梁和四個框結合在一起，面積為3平方米。

空客A350XWB機身19段，使用RTM制造后機身梁和維修門框

19段集成框架使用單組分RTM6環氧樹脂和中模量（IM）碳纖維增強材料，逐層定制，并與赫氏（Hexcel-美國康涅狄格州斯坦福德）合作開發。優化采用并行方法，包括原材料的同時開發、結構設計，制造工藝和工業制造解決方案。

2D預成型件是使用UD、非卷曲和編織織物手動創建的，然后熱懸垂形成3D形狀，組裝成梁結構并注入RTM6樹脂?？湛凸鹃_發了一種定制的RTM工作站，并將其描述為高精度RTM，并補充說，這是制造這些高負載初級結構的有效方法。

空客公司為該項目自動化預制件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提高質量控制?？湛图捌湟患壒桃褜⒍ㄖ芌TM工作站中的這種自動化用于各種零件，如“高速率、自動化RTM生下一代擾流板”（見本文后面補充圖“空客A320擾流板 RTM自動生產線”），這不僅是為了提高質量和減少浪費，也是為了滿足不斷提高的生產率，例如該公司承諾到2026年每月生產75架A320飛機。

Airborne在開發APP系統以滿足該項目的需求方面面臨著一些挑戰。首先，零件的尺寸相當大。因此，Airborne公司對空中客車公司的工作站進行了改造，使其能夠處理最大尺寸為3.5米的預制件。該項目還涉及各種簾布層形狀和多種材料。Airborne附帶的自動編程軟件技術被用來解決這些挑戰。最后，該系統通過自動挑選和放置生產干纖維預制件，這是空客公司的第一次。因此，空客公司正在對APP技術進行鑒定，并將為其提供支持，以確保其符合生產標準。

04汽車一級供應商

滿足汽車行業的高生產率和高質量需求是制造機械最具挑戰性的壯舉之一。隨著復合材料在汽車設計和制造中不斷取代其他材料，生產簾布層并將其組裝成層壓板和部件越來越成為一個關鍵問題。APP的第一個汽車應用程序是為帝人汽車技術有限公司（Teijin automotive Technologies-美國密歇根州奧本山）法國Pouancé工廠生產的高度工程化干纖維RTM零件開發的。

帝人汽車技術有限公司是一家一級汽車零部件供應商，提供使用各種技術制造的零部件，包括片狀模塑化合物（SMC-sheet molding compound）、熱塑性復合材料、熱固性預浸料和RTM。整合APP的驅動因素是帝人的客戶需要一個完整的復合材料門，用于一輛具有完全道路適應性的高性能跑車，包括符合碰撞安全法規。

帝人汽車科技的APP系統管理著一個使用干纖維RTM生產的全復合材料門

“主要的挑戰是設計和制造復合材料的碰撞結構，”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，復合材料門有一個抗碰撞的金屬結構，要用復合材料代替它，需要對復合材料結構進行非常準確的預測和可重復性研究，以確保結構的安全性和合格性。”

Toitgans繼續說道：“在制造過程中，每個簾布層的準確放置至關重要，尤其是亞表層的纖維角度。”。“使用傳統的手動鋪層工藝，無法實現高精度的重復性，而APP對每個鋪層的視覺檢查和精確的機器人放置可以實現。”

Toitgans補充道：“另一個優點是APP可以準確地切割和放置超過30層2至300克的簾布層，這消除了間隙和重疊的問題，如果使用AFP，則需要進行管理。”。AFP放置干纖維帶或絲束有很多優點，但挑戰在于準確性，尤其是絲束本身對帶/絲束的寬度也有一定的公差。

對于零件厚度的變化，如上面所示的那樣，疊層，在需要的地方增加額外的層以提供強度，并在應力較低的區域減少厚度

Toitgan指出，即使可以控制準確性，也會有許多間隙或重疊，這可能會影響懸垂（存在間隙的區域可能會出現褶皺）或輸液（不同的滲透性）。“APP消除了這一挑戰，”他說。門的2D定制坯料制成后，通過先進的定制RTM成型工藝將其成型為3D零件。

對于帝金人汽車技術公司來說，干纖維RTM是提高其復合材料技術的速度和準確性的一項重要戰略技術。該公司已經在進行未來的APP制造方法和設備項目。

05吉凱恩（GKN）航空英國全球技術中心

吉凱恩(GKN)航空公司（英國Redditch）英國布里斯托爾全球技術中心（GTC- Global Technology Centre）將于2023年第三季度完成機載APP技術的首次安裝。這座占地10000平方米的研究中心擁有300名工程師，并與大學、英國彈射器網絡和吉凱恩航空英國供應鏈合作進行研發，支持航空航天脫碳技術的設計和開發。

它也是吉凱恩(GKN)航空航天在空中客車“明日之翼”技術項目中的技術合作伙伴關系的基地。GTC的主要產出將是新一代增材制造（AM-additive manufacturing）、先進復合材料、組件和工業4.0工藝，以實現飛機結構的高速生產。其自動預成型工作站，在GKN Aerospace內部被稱為先進的自動預成型技術（ADAPT-advanced automated preforming technology）工作站，采用了英國Airborne公司開發的APP技術。

Airborne APP系統將安裝在英國布里斯托爾的吉凱恩航（GKN）空航天全球技術中心

GKN Aerospace復合材料首席技術專家Kevin Barlow解釋道：“ADAPT工作站將是開發用于制造高速率和可持續RTM加工部件的干纖維復合材料零件的堅固、可重復和靈活的自動沉積、成型、預成型、修剪和檢查的關鍵。”。據“CW-composite world”2023年2月報道，英國ATI-資助的ASCEND項目將首次利用該設備的使用，開發并展示兩個關鍵的演示者，即集成翼尖和機翼后緣試驗件，以達到TRL 6的成熟度。”

Kevin Barlow指出：“重要的是，ADAPT工作站將能夠在未來的技術計劃或客戶互動中快速展示其他關鍵目標產品，并展示先進的超導和低溫實驗電源演示器（ASCEND-Advanced Superconducting and Cryogenic Experimental powertraiN Demonstrator）中可交付成果中的‘供應鏈驅動的開發’部分。”。

吉凱恩(GKN)航空公司的ADAPT工作站構成了自動化系統的一部分，該系統的子系統包括Airborne-supplied APP、Assyst Bullmer（英國韋克菲爾德）的簾布層切割機，PAC集團（英國，北愛爾蘭，貝爾法斯特）的熱褶皺成型機和Accudyne系統公司（美國，特拉華州，紐瓦克）的預成型件修整模塊。 Summers補充道：“ASCEND計劃促進了對當今復合材料技術的更多采用，新技術的工業化，并加快了航空航天生產率，以滿足未來的大批量市場需求。”。“此次合作將有助于開發英國整個供應鏈的技術，以開發制造未來可持續空中交通和道路車輛所需的輕型結構所需的先進材料和自動化設備。”

06自動化編程，復合材料4.0

APP系統的?關鍵的4.0技術是 Airborne的自動化編程軟件。傳統上，機器人是由人類使用編程語言進行編程的。這一過程可能耗時且容易出錯，需要并非所有制造商都具備的專業技能。

自動化編程意味著人類程序員不需要教機器人如何執行任務，從而實現完全自動化的制造過程。該軟件接受設計和操作輸入，并將其直接轉換為每個層的正確機器人代碼和過程設置。這是動態完成的，如果操作員上傳新的設計或提供新的簾布層形狀，系統將進行調整，這使其易于在車間實施。

這種軟件驅動的自動化方法使系統非常靈活，因為可以很容易地適應設計或材料的變化，而無需對機器人進行教學或重新編程。除了消除對人工編程的需求外，自動化編程還可以自動化需要更大靈活性的更復雜任務，并自動化更全面的制造流程，從而顯著提高生產力。

APP軟件由Airborne為自動化配套過程創建的技術演變而來，該技術將嵌套、切割、標記和配套的生產步驟集成到一個生產工作站中。Airborne的軟件將這些制造步驟集成到一個程序中。

Kremers說：“軟件開發對于實現復合材料中的拾取和放置的工業化和采用具有重要意義。”。“進行研發設置是一回事，但如果你想讓數千種不同簾布層形狀的零件全面生產，自動化是必要的。自動化程序基于先進的算法，可以讀取制造情況并進行動態調整，從而消除了過度編程和機器設置的需要。”

自動編程算法考慮了材料的靈活性，并確定了拾取簾布層的最佳方式，以將下垂降至最低。

07自適應拾取，放置精度

雖然軟件開發的復雜性不容低估，但另一個挑戰是機器人的材料處理。

Kremers指出：“讓夾具將簾布層與嵌套中的其他材料牢固地分離，尤其是對于粘性預浸料，這尤其具有挑戰性。”。“也可能有未切割的纖維，這將導致從切割床上拉出整個骨骼。我們集成了檢測未切割纖維的傳感器，并將系統暫停，以便操作員進行干預。”

另一個問題是下垂。由于復合材料是柔性的，并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出現下垂。自動編程算法考慮到了這一點，并確定了拾取簾布層的最佳方式，以將下垂降至最低。例如，機器人可以用旋轉的末端執行器拾取矩形簾布層，以將吸盤定位在簾布層的角落中。夾持器力的大小取決于簾布層形狀，并為每個夾持器確定。

當將簾布層釋放到焊接臺或緩沖系統上時，放置精度也至關重要。APP使用基于視覺或閉環控制的實時校準，從而在連接到末端執行器時掃描每個簾布層，并將其位置與預期位置進行比較。然后調整機器人的運動以確保準確放置。Kremers指出：“因為我們掃描簾布層，系統可以控制質量，精確檢查切割邊緣，或者發現簾布層中可能在切割機上看不到的缺陷。”。

• 緩沖和重放

APP系統的自動化配套功能包括用于分揀和排序的緩沖解決方案。將材料切割成2D簾布層后，如果需要，機器人可以自動將其放入緩沖區，將簾布層按每個零件分類成套件，并按正確的順序排列簾布層，以便以后輕松鋪放。緩沖區也可以從工作站外接近，因此配套件或預成型件可以很容易地手動或由另一個機器人卸載。

如果出現問題，系統操作、零件位置、時間、溫度、速度等的數字記錄可以被稱為“回放”工具，這一點尤其重要，因為這些過程的代碼是實時生成的。這些數據還輸入到物理資產的虛擬復制品中，為未來的流程改進提供實時見解和預測分析。

• 附加：無需編程即可提高自動化程度

正如“CW-composite world”之前報道的那樣，Airborne的自動化編程、德國航空航天中心（德國斯圖加特）的輕型生產技術中心配備人工智能的工作工作站和SAM XL（荷蘭代爾夫特）的“零編程”自動化軟件都是軟件驅動的自動化解決方案的例子，旨在消除對機器人人工編程的需求。然而，這三種解決方案之間存在一些關鍵差異。

部件設計、簾布層形狀和材料數據是輸入。根據這些輸入，Airborne的軟件實時創建所有所需的機器代碼和過程設置，以執行整個材料處理過程，而無需外部編程

Airborne的自動化編程是一種專門的解決方案，專注于高性能復合材料行業在制造之前對高公差、高速率和可重復層壓生產的需求。它的設計目的是使復合材料的疊層自動化，這是一個復雜且勞動密集的過程。例如，德國航空航天中心配備人工智能的工作站更通用。它可以自動化制造過程，包括焊接、切割和噴漆。工作站使用人工智能來規劃和執行機器人任務，這使其能夠靈活適應生產環境的變化。

08未來APP開發、應用

關于APP?，Kremers說，未來的潛力，“軟件開發是我們一直在做的事情，以提高系統的速度和穩健性，特別是因為我們收集的數據有很大的潛力為客戶提供更多的能力和性能。例如，現在系統在放置前檢查每一層。你可以預見，直接從切割機上挑選的層的準確性相當不錯系統只進行最小的校正或者根本不進行校正。如果系統識別出這一趨勢，您可以跳過檢查或減少頻率并檢查，例如，每十層中只有一層，從而提高產量。”

“另一個例子可能是對材料有特殊的依賴性，”他繼續說道。“有些材料比其他材料更難切割和獲得干凈的邊緣，系統可以看到這一點，并就如何正確設置刀具、更頻繁地更換刀具或對其他材料使用不同的切割方法提供見解。”此外，軟件中還開發了材料焊接：如果粘合劑質量或數量發生變化，系統可以潛在地從焊接數據中識別出這一點。

鋪層被自動放置在層壓臺上，為焊接做準備

09優化以減少浪費、產量或二氧化碳排放

盡管APP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，這種情況每天都會發生變化。Airborne正在開發“優化X”軟件，以便操作員或數字工廠管理系統可以選擇所需的優化方案，例如，如果他們愿意，可以選擇最小的浪費、最大的產量或最小的二氧化碳足跡。這是靈活自動化制造或Composites 4.0的基礎。

當選擇了一種模式，例如最小CO?時，自動化軟件會考慮潛在的生產力影響和末端執行器兼容性因素。它評估對制造過程的總體影響，以使機器指令在運行中適應所需的結果。

Airborne計劃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并做出明智的決定。Airborne還使用回收纖維和樹脂、生物材料以及熱固性材料、熱塑性塑料和金屬的混合組合測試APP及其自動化編程，以驗證自動化軟件識別缺陷和補償的能力。

Kremers解釋道：“如果開發成功，它可以為各種行業的回收和低二氧化碳應用打開大門。”。“為了使復合材料更具可持續性，減少能源使用、減少步驟和減少浪費很重要。”

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可持續性至關重要。此外，3D打印或機器人注射二次成型等集成技術可以根據任何應用程序的獨特需求進行定制。

10補充圖