復合材料制造自動鋪層技術及設備
從復合材料的價值鏈來看,原材料的附加值為30%,而結構件制造的附加值占55%,預浸料等中間產品占10%。項及第三項成本具有相對穩定性,降低結構件的制造成本是關鍵,而目前有效的方法是采用自動化及大批量生產工藝。根據國外2005年的統計,在復合材料制造工藝中手工占20%,自動纖維鋪放只占17%,因此采用一體化模壓成型以及鋪帶、絲束鋪放自動化檢驗尚有很大的發展空間。自動鋪絲、自動鋪帶以及自動模壓成型等大批量生產工藝,是促進復合材料產品降低成本、進入市場的必由之路。
自動鋪層技術及設備
2007年大型民機復合材料結構中只有43% 是用自動化技術制造的,預計10年內將達到64%。自動鋪帶及絲束鋪放的材料利用率能達到80%~97%,而手工鋪層的材料利用率僅為40%。復合材料制造自動化包括鋪放、編織、縫紉、檢驗等多個方面,其中自動鋪放技術是軍民用飛機生產自動化技術中發展為迅猛的部分。在自動鋪帶領域,目前鋪帶寬度大可達到300mm,鋪帶速度達1.3~20.4kg/h,生產效率可達到手工鋪疊的數十倍;絲束鋪放技術適于大曲率機身和復雜曲面成型,目前鋪絲速度可達6.8~11.3kg/h,高可達23kg/h,新的Viper6000系統可以鋪放并控制32個纖維束,每束寬3.2mm,以前的機器為24個絲束,從而使鋪層帶寬從7.6cm增到10.2cm。鋪放速度達到30m/min,精度為±1.3mm。
從自動鋪帶及纖維鋪放來看,目前有100多臺設備。辛辛那提公司近日又推出2種設備,一種是69Charger鋪帶機,一種是49纖維鋪放機,兩者均體現了鋪層機上革命性的變化。
1 辛辛那提公司的自動鋪層技術及設備
自動鋪帶機是在20世紀60年代初無緯布預浸帶出現后幾年、為加速鋪層的工藝過程而開發的。早期的鋪帶機都是由本國開發的,在美國,臺電子計算機控制的龍門式鋪帶機就是根據美空軍材料實驗室計劃由通用動力公司與Conrac公司合作開發的。此后又大量開發了用于大型復合材料結構的自動鋪帶機及纖維鋪放機。
代鋪帶機及其以后出現的纖維鋪放機是由一些傳統的計算機數控機床制造商開發的,它們自面世起就與飛機復合材料制造業密切合作。其中馬格?辛辛那提就是繼承了辛辛那提米拉克龍公司,其他類似的公司還有Ingersoll機床工具公司、Forest-Line以及MTorres公司。
在鋪帶機方面,馬格?辛辛那提提供了品牌Charger型機,可以鋪75mm、150mm或300mm無緯預浸帶。Charger型面鋪帶機可以鋪達25°銳角的特型鋪層,它應用的是CNC十軸龍門型系統,可自動下料、壓實預浸帶。該系統應用了獨特的側面加載頭,可提供快速、簡單更換300mm 寬、650mm直徑鋪放壓輥功能??湛图皻W洲合作伙伴曾購買10臺鋪帶機用于生產A320/330/340/380及A400M的機翼桁條、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、發動機短艙、機身蒙皮及機腹整流罩等。
除了通用的鋪帶機外,馬格?辛辛那提還開發出形狀相同或相似的大批量生產的專用鋪帶機,如為沃特飛機公司開發了平面鋪帶機,用于制造長而平面的構件,該機有18.5m長的平面鋼制真空臺以及用伺服系統從一端到另一端運輸的機構,鋪帶速度達30.48 m/s、22.7~27.2kg/h, 精度±0.75mm,啟動停車精度±0.75mm。
后續該公司還開發了小型平面鋪帶機(SFTL),用于生產長、窄、平面構件,多件鋪層和板、隔膜成型蒙皮等,典型用途有大梁、桁條、梁、剪切帶、框、襟翼及蒙皮。它還提供長、窄的結構件,特別適用于飛機用的復合材料桁條、大梁及梁。這種機器可用于寬300mm的預浸帶,其特點是鋪帶頭能力高、運載結構及支承結構能量大,既可鋪無緯帶,也可鋪織物。
在纖維鋪放方面,馬格?辛辛那提提供了品牌Viper的49 Charger鋪放機,其中新的型號是Viper6000,能操作達86180kg的心軸,可對32條絲束或窄帶進行供料、夾持、下料及鋪放。目前,沃特飛機公司用來生產波音787的機身段,空客訂購6臺Viper6000用于A350XWB的機身制造,機身的92%將用Viper制造。
在目前100多臺復合材料部件生產的機器中將增加2種設備:一是69Charger鋪帶機和49纖維鋪放機(Viper)。二者體現了在機床上的一些革命。它們將飛機專業公司推向的領導地位。該公司已為代表航空未來的機床制造的創新途徑制定了“規范”。
隨著空客及波音等制造商鋁合金使用量的減少,生產復合材料零部件的機器便有機會走向前臺。在馬格公司Hebron廠的張貼畫上展示了用公司生產的機器制造的飛機型材。鋪帶機始于B-2轟炸機。Viper 鋪放機有4 種類型,生產更復雜的曲線及角形零件,如機身、短艙及尾椎。
鋪帶機及纖維鋪放機正用來制造18種飛機零件,被29家公司所采用,波音有24臺Charger,3臺Viper,空客有7臺Charger、10臺Viper。
Viper纖維鋪放系統是公司在復合材料領域內的珍寶。它用先進的計算機控制器完成鋪帶及纖維纏繞,可生產不同厚度、高度特型的結構,廢料低到2%。
馬格? 辛辛那提公司的Viper產品是霍克比奇公司的相1號公務機。復合材料比鋁輕20%,但重要的優點是簡單,相1號的前機身由3000個零件組成,現在則由兩部分組成。
幾十年前,關注的重點是用這種設備能否制出產品,后來轉為能否制出合格產品,目前則轉化為低成本的合格產品。
2 其他公司自動鋪層技術及設備
除辛辛那提公司外,Ingersoll及MTorres公司等近年來在航空復合材料自動鋪層技術及設備開發上也成果倍出。
先,Ingersoll機器工具公司宣稱已完成了A350XWB龍骨制造設備的方案論證,龍骨結構長18m、大厚度0.12mm,大半徑5.2m,該機器為Mongoose V3立式纖維鋪放機,可鋪32條6.25mm的絲束。
其次,西班牙MTorres公司的自動鋪帶機也有長期的開發歷史,A350XWB將采用“TORRESLAYUP”十一軸的龍門式高速鋪帶機,可鋪300mm、150mm 和75mm的寬帶,鋪帶頭內裝有預浸帶缺陷檢測系統。該公司的自動鋪帶設備在A400M機翼生產中也發揮了重要作用。自動化設備的應用在加快效率的同時,降低了廢料率,A400M翼梁采用自動鋪帶后,鋪放效率比手工快了40倍,A400M的翼梁采用自動鋪帶后孔隙率降低到1%~1.5%(小于4%為合格),14m長的翼梁精度保持在0.5mm內,相應的金屬件精度在300mm內。但國外認為,絲束鋪放是對自動鋪帶技術的補充,后者雖在生產大型平坦件時的性能極佳,但在加工高度復雜構件時易產生纖維屈曲;前者雖不如后者那樣能快速鋪出大面積,但能精確鋪出更極端的曲線及方向變化。GKN公司正在評估這種技術用于要求更高的翼梁、發動機的混雜構件以及消音襯里。為發展鋪絲技術,而為復合材料翼梁專門設計的 MTorres AFP機已在2010年交貨。
為提高效率,除了采用通用的自動化鋪層設備外,一個發展趨勢是采用專用定制的鋪層設備,如桁條、梁結構件等專用的鋪層設備。在該方面,美國CG技術公司介紹了自動纖維鋪放機的編程及模擬軟件?,F行的自動鋪放機的脫機編程軟件都是由自動鋪放機制造商提供的,飛機制造商被迫使用這種專用的軟件,這與20世紀50~60年代的金屬切削用CNC機床的情況一樣。CG技術公司的創新則是開發與機器無關的編程及模擬軟件,即VCP和VCS。該公司開發的Electroimpact多機AFP單元,有鋪放頭更換器,高速運轉,可制造整體飛機機身筒體,目前正在用戶的工廠中裝配。










































