Fred Young亞毫米望遠鏡（FYST）效果圖（圖片來源：CPI Vertex Antennentechnik GmbH）

 

Fred Young 亞毫米望遠鏡（FYST）是一款6米直徑的先進望遠鏡，被設計用于在亞毫米到毫米的波長下工作，進行寬視場觀測和大面積測量，包括對銀河系的磁性結構、形成和基礎物理學的研究，以及對恒星和星系的形成、大爆炸后第一批恒星的誕生及宇宙起源和發展的研究。

 

CCAT合作伙伴關系對此進行了20多年的開發，其全球合作伙伴包括：康奈爾大學（美國紐約州伊薩卡），由科隆大學、波恩大學和加興馬克斯普朗克天體物理研究所組成的一個德國聯盟，以及由10個加拿大學術機構組成的CATC聯盟。2024年底，FYST的安裝已在智利北部阿塔卡馬沙漠中一座5600米高的Cerro Chajnantor山峰上完成。

 

由于該儀器的絕對復雜性以及微波中大氣的“不透明性”，亞毫米波長天文學被認為是最后一個未開發的波長前沿。最近制造的用于天文目的的靈敏外差接收器（一種無線電接收器），首次打開了這個波段。然而，望遠鏡占地面積23平方米，可容納近20噸的儀器——這種高科技儀器與大型物理尺寸的結合，產生了對輕質而又堅固、極其堅硬的熱穩定結構的需求，以便容納其兩個巨大的鏡子。

 

因此，FYST的鏡像支撐結構（MSS）是使其能夠深入研究宇宙的關鍵。值得注意的是，這是一種復合材料的結構，其設計、制造和組裝由Airborne（荷蘭海牙）與客戶和主承包商CPI Vertex Antennentechnik（德國杜伊斯堡）合作完成。該項目展示了技術上極具挑戰性的復合材料的設計和制造案例，這其中所需要的自動化制造流程和裝配設計技術，可能為未來太空和地球上的復雜復合材料結構帶來重要的價值。

設計：前所未有的2倍精度

Airborne之前曾與CPI Vertex合作，為智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列 （ALMA）和南極洲的南極望遠鏡（SPT）開發MSS。“這兩臺望遠鏡都為2019年有史以來第一次黑洞圖像作出了貢獻。”Airborne的業務部門經理Sandor Woldendorp 說道，“雖然ALMA望遠鏡的設計具有25微米的高鏡面精度，但對 FYST而言，要求更加嚴格。”

 

FYST采用離軸交叉Dragone設計，包括一個拋物面主鏡和一個大型凹面副鏡，直徑均約為6米。這創造了一個高通量、寬視場的望遠鏡，能夠非?？焖儆行У乩L制天空圖。然而，帶有兩個6米直徑反射鏡的整個系統在運行期間的表面誤差預算僅10.7微米。“這在此類望遠鏡中以前從未實現過。”Airborne的復合材料專家兼首席工程師Jaap Dekker說道。

 

CPI Vertex 和 Airborne 面臨的另一個挑戰是，制造將采用相同設計的兩臺望遠鏡：FYST和西蒙斯天文臺大口徑望遠鏡（SOLAT）。SOLAT和FYST擁有相同的MSS，并且兩個項目同時實施。

此圖由 Airborne 和 CPI Vertex Antennentechnik GmbH 提供

設計挑戰

Airborne的任務是開發極穩定的被動MSS，該MSS幾乎不受重力或環境溫度變化的影響。鏡子位于半封閉的外殼中，因而可受到保護，但在觀察期間卻要暴露在-21℃至9℃的外部環境溫度下。雖然這使得MSS的設計過程更具挑戰性，但該望遠鏡的設計堅固而可靠。“這是最大程度地降低在5600米的山頂上發生故障風險以及減少必要維修的關鍵。”Dekker表示。

 

他繼續說，MSS是使用先進的碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料設計的，因為該材料具有接近零的熱膨脹系數（CTE）和非常高的剛度，可以確保變形絕對最小化。“我們設計了一種混合結構，它使用厚的CFRP/鋁蜂窩夾層頂板，反射鏡段安裝在該頂板上。”Dekker 補充道。連接到該頂板的三維桁架結構為望遠鏡結構的其余部分提供了全局剛度和連接點。該三維桁架由使用整體CFRP層壓板制成的標準C型型材構成。

復合材料層壓板、CTE、瀝青纖維

由于FYST的拋物面主鏡和凹面副鏡具有不同的形狀，并且位于望遠鏡內不同的位置，因此承受的載荷不同，具有各自獨特的設計。使用Ansys Inc.（美國賓夕法尼亞州卡農斯堡）的有限元建模（FEM）和內部開發的優化程序，CPI Vertex Antennentechnik 優化了桁架中每根梁的橫截面積。“我們面臨的挑戰是，設計實際的桁架結構以匹配這些橫截面積，同時還要考慮節點中的所有連接。”Dekker 說道。Airborne使用分析計算開發了初步設計，以預測梁的屬性，如其剛度、CTE和密度。這樣，可以繼續進行詳細設計，包括在 Siemens NX（美國德克薩斯州普萊諾）CAD中對所有細節進行3D建模、詳細說明節點并完成更多的FEM分析。Airborne還使用了Ansys軟件。

 

“結構設計的一個組成部分是設計復合材料本身，以滿足所需的高比剛度和接近零的CTE要求。”Dekker表示，“后者還必須在整個結構中盡可能均勻。由于結構類型完全不同，要足夠準確地預測和匹配夾層頂板的CTE與桁架結構的CTE 非常具有挑戰性。”

 

“我們很快就發現，無法用常規的高強度碳纖維、甚至單一的纖維類型來滿足高標準的設計要求，因此，我們使用高強度碳纖維和超高模量（UHM）的瀝青碳纖維設計了一種混合的層壓結構。”他繼續說道。后者的剛度是高強度碳纖維的3倍。“由于這種組合，桁架層壓板的比剛度（縱向剛度除以密度）大約是特殊的低CTE的Invar 36鋼合金的5倍，而其CTE 僅為 Invar 36 的 1/5。”

制造：利用自動化最大程度地降低復合材料的制造成本

Airborne設計策略的一部分是使結構元件盡可能大，以最大程度地減少裝配階段所需的連接數量。“首先，我們最大程度地擴大了頂板夾層段的尺寸，這樣每個鏡子只需要4個。”Dekker說道，“其次，桁架結構設計有3個子組件，幾乎貫穿了結構的整個長度。”這些子組件的構成是從桁架形狀中兩個大型“蒙皮”層壓板開始的，它們之間有標準C型截面來提供彎曲剛度。盡管這種設計策略產生了高性能的結構，但層壓該項目所需的復合材料結構元件卻是一項重大挑戰。

 

“龐大的規模令人感到氣勢磅礴。”Woldendorp說道，“每個MSS重約1500公斤，由5000平方米（或 33 公里）的單向（UD）預浸帶構成。桁架蒙皮的設計也非常復雜，許多組件都非常大，很難通過手糊方式進行制造。”

另一個問題是UHM 瀝青碳纖維非常脆，因此難以處理。“不幸的是，市場上沒有能夠制造復雜桁架蒙皮的自動化制造工藝，因此，我們內部開發了自動化的制造解決方案。”Woldendorp 補充道。

自動層壓單元

Airborne的自動層壓單元（ALC）包括：層壓板的自動鋪帶（ATL）、將層壓板自動切割成所需要的坯料，以及拾取/放置（P&P）裝置按桁架蒙皮的形狀鋪放切割好的層。“用于頂板的大型層壓板也采用ALC進行層壓。”Dekker 說道，“據我們所知，這是世界上唯一能夠自動層壓易碎瀝青碳纖維的系統。我們實現了所有層壓的自動化，節省了數千小時的手工勞動，同時確保了可重復的高質量流程。”

 

ALC Manager軟件平臺支持直接導入CAD數據，其中包含不同組件的形狀、材料和鋪層細節。多個組件的信息可以同時發送給ALC Manager，ALC Manager從無數不同的組件和毛坯中自動生成嵌套模式，然后，ALC 使用多種層壓板設計，從數十到數百個單獨的切割坯料中構建桁架蒙皮，以實現所需的結構剛度。該軟件還自動生成ATL、切割和拾取/放置所需的所有機器人運動和CNC代碼。這是一個巨大的優勢，因為Airborne不必進行任何編程，而編程需要花費數千小時。

ALC實施自動鋪帶（ATL，頂部），然后拾取來自主層壓板的桁架蒙皮坯料并放置到桁架形狀（中）中，以便在層壓后形成一套凈形狀的桁架蒙皮，為固化作好準備（圖片來源：Airborne）

凈形狀的部件

Airborne優化了其設計，使幾乎所有的部件都能制成凈形，從而最大程度地減少后續的CNC加工。這還節省了數千小時的編程和加工時間，材料浪費也非常低。“只有頂板蒙皮有一個小的超大尺寸以用于粘接，但無論如何都需要銑削，因為需要為放置襯套打孔，以便安裝鏡段調節器。”Dekker 說道。

C型型材的自動化制造

對于C型型材，ALC Manager一次性從大約40個C型型材中創建大型嵌套模式，它們經層壓后被切割成近凈形狀的坯料。“在此階段，所有的C型型材坯料都有一個唯一的識別標簽，這些坯料是使用內部開發的熱成型單元進行熱懸垂成型，并在加熱爐中固化，沒有超壓，只有真空。”Dekker說道。

 

作為裝配設計的一部分，所有的C型型材的末端都有獨特的角度。“這些是根據它們的標識和參數化銑削文件進行銑削的，我們只需要對銑床進行一次編程，就可以完成數百個不同的C形型材。”Dekker 說道。

嚴格控制纖維的體積含量

如上所述，Airborne以高強度碳纖維與UHM瀝青碳纖維的精確比例以及每種纖維與環氧樹脂的精確比例設計了復合材料層壓板。因此，需要采取嚴格的措施來控制預浸料以及完工后層壓板中的纖維和樹脂的量。“我們的預浸料供應商東麗先進復合材料（英國Langley Mill）通過調整其機器以實現最嚴格的制造公差，以及實施更多的檢測和平衡來為我們提供支持。”Dekker說道。然后，Airborne 檢查來自不同批次的所有進料預浸料和材料，以確保用于每個層壓板的預浸料滿足要求。

 

“我們還需要在最終的固化產品中保持精確的樹脂/纖維比。通常，在熱壓罐固化過程中，大量的樹脂會從層壓板中流出。我們與東麗合作，通過開發訂制的固化方法解決了這個問題。因此，我們能夠高效地鋪層和固化400多個單獨的C型型材，總長度1200米，同時在嚴格的邊界內實現CTE，橫截面尺寸公差為±0.2毫米。”Dekker 說道。這種訂制的固化工藝也被用于所有其他的層壓板，同樣是為了在嚴格的邊界內實現 CTE。

組裝

下一步是將這些組件組裝成MSS部分，然后將其運到德國進行最終裝配。“通過使用制造和裝配設計（DFM&A）方法，我們能夠在制造和裝配階段節省大量成本，同時仍確保滿足極端的性能要求。”Woldendorp 說道。

 

為了說明所涉及的復雜性，兩個MSS（M1和M2）中的每一個都需要組裝大約6600 個組件——包括大約2400個復合材料部件，其中大約有300個是采用8種截然不同的專用粘合劑獨特層壓的。“我們不得不將這兩個結構組裝兩次，一個用于 FYST 望遠鏡，一個用于SOLAT 望遠鏡。”Woldendorp 說道，“在具有這種復雜性和規模的項目中，成本始終是一個主要問題。因此，我們需要一種簡單且低成本的組裝工藝，它還要使我們能夠獲得非常準確的最終結果。”

桁架子組件

Airborne首先進行了全面的公差研究，以研究不同裝配級別所需的尺寸公差。“這還導致了對標稱粘接線厚度的定義，這為設計剛度、質量分布以及進行熱膨脹分析提供了重要的輸入。”Dekker表示。

子裝配過程中桁架復雜節點示例，顯示了帶銷釘的工具（圖片來源：Airborne）

 

該分析的一個結果是，需要專門設計的工具才能實現高裝配精度，但這并不一定意味著工具必須成本高昂。“我們的DFM&A方法使我們能夠使用低成本的工具概念來創建桁架的子組件。”Dekker 解釋道，“該概念使用帶有銷釘的 MDF（中密度纖維板）木板來準確定位桁架的所有元件。MDF面板使用2.5軸銑削加工，從而可以在超過6米×1.7米的子組件上實現亞毫米級的裝配公差。這個概念使我們能夠顯著減少對桁架結構的CNC 加工。”

低成本、高精度的桁架裝配工具

下一個挑戰是，高精度地實現桁架與桁架的組裝。“為了將平面桁架組裝在一起，我們用MDF面板創建了一個7米×7米的平面裝配地板（平面度<1.5 毫米），我們在其中加工了準確的位置，用于放置由Multiplex制成的標準垂直柱。”Dekker說道。Multiplex是由膠合木單板制成的膠合板。“它們在三維空間中定義了一個精確的平面來定位每個不同的桁架。相同的裝配地板和柱子可以重復用于M1和M2。”他繼續說道。

 

因此，使用DFM&A方法，Airborne 能夠使用由低成本材料制成的簡單標準化元件。“依靠2.5D CNC的加工精度、簡單的工具組裝步驟和平坦的地板，我們能夠在7米×7米×1.7米的盒子中定位不同的桁架，精度約±1.0毫米。”Dekker 說道，“這使我們能夠在與望遠鏡結構其余部分的界面點上實現嚴格的公差，并很好地控制粘接層的厚度。”

頂板組件

下一個挑戰是如何用大量的夾芯板（包括鋁蜂窩和CFRP表皮）組裝大型頂板，這些夾芯板的尺寸約為6.5米×1.8米，厚85毫米。“為了能夠與其他結構元件連接，同時仍能滿足性能要求，這些面板配備了額外的內部和圓周加固系統。”Dekker 說道，“同樣，通過使用DFM&A方法，我們能夠定義相對簡單的流程和裝配工具來創建這些復雜的子組件。”

在平坦的裝配地板上進行桁架與桁架的組裝，展示了標準化的工具元件（圖片來源：Airborne）

將襯套組裝到頂板段上（圖片來源：Airborne）

 

為了將所有元件連接在一起，需要3種具有高溫固化功能的專用粘合劑系統。然而，組裝的頂板段的CTE 接近于零。“這使得在固化過程中無法使用標準的金屬工具來定位所有元件，因為金屬工具在冷卻過程中的收縮會壓碎沒有出現熱膨脹或收縮的頂板。”Dekker 解釋說，“為了解決這個問題，我們選用了一種粘合劑來將內部和圓周加固系統粘接到在室溫下部分固化的蒙皮上，這使我們能夠在室溫下使用低成本的工具來準確定位和固化元件。”

襯套組件

為了完成頂板子組件，Airborne必須將多達126個襯套組裝到每個帶芯的CFRP 面板段中。這些襯套（連接到兩個夾層板蒙皮的復合材料管）將容納安裝在頂板上的鏡段調節機構。

 

組裝后，鏡子被設計為具有雙曲面，精度約3微米。“為了實現這一目標，所有襯套都需要以獨特的3D角度和突起長度組裝到頂板上，并且它們之間具有相當高的定位精度。”Dekker說道，“我們能夠再次使用低成本的工具，但將襯套連接到每個頂板段的兩個蒙皮上是一項重大挑戰。”

運往德國前的MSS（圖片來源：Airborne）

 

“我們很早就知道這種連接不是極具剛性的，因為在熱負載期間 的CTE差異，復合材料的襯套會將鋁蜂窩芯撕裂。”他繼續說道，“因此，我們用碳纖維增強熱塑性材料設計了復雜的3D彈簧元件，由Promolding（荷蘭海牙）注塑成型。通過調整這些組件的剛度，我們可以控制鋁蜂窩中的應力水平，同時仍能提供足夠的剛度來有效調整鏡段。”

為運輸優化裝配

由于MSS的尺寸大，因此在將M1和M2運往德國前不能完全組裝。Airborne 的解決方案是將結構組裝成兩半，但這需要嚴格的對齊和定位，才能實現小于0.5 毫米的精度。“我們首先將頂板段分成兩組組裝，以創建半頂板。”Dekker說道，“挑戰是需要大量的粘合劑，同時還要滿足嚴格的位置公差要求以及完成后頂板的平整度要求，以便能夠將其粘接到半個桁架上。DFM&A 方法使我們能夠使用簡單的流程和低成本的工具和設備來實現這一目標。”

總裝

每半個MSS的尺寸約為3.3米×6.5米×1.8米，用卡車運輸尺寸恰好。Airborne 在德國的一家工廠完成了MSS的最終組裝，該工廠靠近整個望遠鏡總成的試驗地點。“由于粘接面積非常大，加上需要使用不同的粘合劑以及具有嚴格的公差要求，因此很難在一個組裝步驟中將這些大型結構粘接在一起。”Dekker說道，“最好的解決方案是同時涂抹所有的粘合劑，然后在粘合劑固化前緩慢而準確地將結構移動到位。根據要求，我們一次性地完成了這項工作，并且精度達到亞毫米級。”

 

然后，CPI Vertex Antennentechnik 組裝反射鏡段并使其與Airborne 交付的 MSS對齊。雖然MSS未安裝到本次試驗的總成中，但所有其他的主要機械系統都經過了試驗組裝和測試。FYST將被拆分成大型部件并運送到位于智利的最終地點，在那里進行最終的組裝和調試，以便2025年投入使用。

完成最終裝配后其中的一個MSS的細節（圖片來源：Airborne）

 

“Airborne為ALC的開發投入了大量資金，這使我們能夠在第一時間正確地完成這個項目。”Woldendorp 說道，“由于大部分制造實現了自動化，因此我們現在已完全準備好了為其他望遠鏡構建更多的MSS。我們還開發了廣泛的技術、工藝和能力，這對其他大型復合材料結構也同樣具有價值。”

 

原文鏈接：

https://www.compositesworld.com/articles/design-for-manufacturing-assembly-and-automation-enables-complex-cfrp-telescope-supports-