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【兆恒機械】航空復(fù)合材料自動化生產(chǎn)的未來:熱固性or熱塑性塑料?

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  • 添加日期:2022年08月11日

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預(yù)制件和夾具:制造真空袋裝干燥預(yù)制件的工藝步驟如下圖2所示。通過采用空客專利技術(shù)——真空輔助工藝(vacuum assisted process,VAP)向其中注入RTM6環(huán)氧樹脂,該工藝采用半透膜降低孔隙率。預(yù)制件疊層包括兩組16層,最長5米,使用5束緞紋碳纖維織物的整個寬度1.27米。在這兩個裝置之間嵌入了25個復(fù)雜形狀的加強件,尺寸達到1.5×2.5米,上面放了八根桁條。


圖2 PROTEC NSR的工藝步驟,用于制造干式預(yù)成型坯:(a)切割材料;(b)(d)將材料運輸?shù)綑C器人小室;(c)增強層和(e)結(jié)構(gòu)層的切片識別、拾取、覆蓋和應(yīng)用;(f)更嚴格的整合;(g)工具側(cè)和(h)B側(cè)外部輔助材料的真空裝袋。

在該過程中開發(fā)能夠在鋪蓋和處理方面達到必要精度的工具和夾具是最大的挑戰(zhàn)之一。部分原因是由于復(fù)雜的層混合需要三種不同的懸垂機制:

其一、直接從輥子上施加必須適應(yīng)模具形狀的全寬材料。

其二、大面積結(jié)構(gòu)鋪層的懸垂,其中兩個機器人協(xié)作,每個織物邊緣一個,以拾取并創(chuàng)建模具的目標幾何形狀 以確保貼合前無皺紋。

其三、適用于1.5到2.5米的小型異形鋪層。

對于協(xié)作機器人,專家開發(fā)了末端執(zhí)行器,其中包含六個通過球形接頭連接的模塊,這使得末端執(zhí)行器可以類似于蛇的方式變形,從而符合模具的目標幾何形狀。集成的加熱裝置可在織物運輸和成形過程中激活粘合劑,一旦放置便保持其3D形狀和位置。

對于小形狀的層在高達1.5×2.5米的地方,開發(fā)了第二種抓取器,該抓取器使用了127個配有真空抽吸裝置的模塊進行拾取(圖3)。此夾具在2D狀態(tài)下拾取材料,然后將其彎曲到目標幾何形狀,但它必須決定要固定的127個模塊中的哪個,以及要滑動以將2D層轉(zhuǎn)換為3D形狀的模塊。因此,它與手的懸垂工作方式非常相似。

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末端執(zhí)行器具有一個抓取器,該抓取器使用127個配備有真空抽吸功能的模塊來拾取切下的織物層,然后轉(zhuǎn)變?yōu)?D形狀,然后在放入模具之前對其進行加熱

在線檢查:模塊化夾持器中的光學傳感器監(jiān)測懸垂過程。放置層板后,末端執(zhí)行器將結(jié)合徠卡T-SCAN和基于PrimeBaseTM照相機的纖維角度測量系統(tǒng)檢查質(zhì)量。測試過程中首先測量了纖維角度,并與CAD文件進行了比較,然后測量了每一塊的邊緣,并對照CAD文件檢查了其位置。

縱梁和真空袋:完成預(yù)制件后,將八個加強筋(縱梁)連接到頂部。為此,開發(fā)了多運動夾持器,并將其應(yīng)用于真空袋輔助材料。該夾持器由三個獨立的6自由度小型機器人和一個剛性臂組成,全部安裝在工業(yè)6自由度機器人的中心法蘭上。真空包裝輔助材料——剝離層、穿孔離型膜和樹脂流動介質(zhì)(工具側(cè)輔助材料)——預(yù)先切割和預(yù)連接,設(shè)計用于放置位置。它們不需要疊起來,只需要放置即可。預(yù)制的半透膜通過帶有“傘狀”機構(gòu)的末端執(zhí)行器以半自動方式應(yīng)用,而粘性膠帶和外部真空袋的放置仍然是手動的,但也可以自動化。

周期時間和成本:最大的挑戰(zhàn)是構(gòu)建基于人工智能(AI)的模塊化制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES),以監(jiān)控流程鏈。在整個過程中必須建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),將完全不同的流程整合在一起,然后利用MES通過一個數(shù)據(jù)交換端口進行指揮。PROTEC NSR技術(shù)于2019年1月通過制造全尺寸演示器得到驗證,并在2019年年中達到TRL 5-6的成熟度水平。與PAG目前最先進的工藝相比,這種自動化工藝鏈將軋制布料應(yīng)用的周期時間縮短了58%,切割層的選擇和放置減少了50%。這些業(yè)務(wù)的制造成本分別降低了11.5%和31%。

熱塑性RPB

該項目于2018年,由PAG和Institut für Verbundwerkstoffe研究所合作,以展示熱塑性復(fù)合材料在大型零件和主要結(jié)構(gòu)中的可能性,RPB并不是真正的主要部件,因為它的機械要求沒有機翼或機身那么高,但它顯示了對于大型、扁平、略微彎曲的結(jié)構(gòu)是可能的。在短短四個月內(nèi),便開發(fā)了一款A(yù)320 RPB演示機,并將其作為如何將現(xiàn)有鋁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為熱塑性復(fù)合材料的示例。

該演示使用Cetex碳纖維織物/聚苯硫醚(PPS)有機板(Toray Advanced Composites)和電阻焊。焊接的兩個表面之間的電阻元件產(chǎn)生熱量并留在焊接結(jié)構(gòu)中。GKN Fokker幾十年來一直使用這種技術(shù)來生產(chǎn)飛機起落架門和固定前緣。對于這架A320 RPB,ZLP團隊使用了CF電阻元件,而不是傳統(tǒng)的不銹鋼網(wǎng)。

 由于熱塑性復(fù)合材料RPB的價格相同或更便宜,但材料要貴得多。因此,通過自動化而降低生產(chǎn)成本是關(guān)鍵,使用八個相同的花瓣部分也是關(guān)鍵。熱成型作為一個單獨的部分將需要一個非常大的壓力,這會太昂貴。熱塑性塑料壓制成型的自動化程度高于熱固性復(fù)合材料。主要使用匹配的金屬模具,但恒定的溫度是主要問題,但這也使自動沖壓周期非???。

整合質(zhì)量檢查:使用一個標準試驗臺制作多個焊接樣品,測量電流、電壓和溫度,然后用超聲波檢測(UT)對它們進行了檢查,并得出了工藝參數(shù)和良好固結(jié)度之間的相關(guān)性。還建立了一個過程模擬,將焊接過程中獲得的數(shù)據(jù)與建立的初始基線進行比較。

自動化和循環(huán)時間整個過程非???,達到了汽車零部件的規(guī)模。在2019年的評估中實現(xiàn)了TRL3,并且已經(jīng)成熟到TRL4。將在2021年底實現(xiàn)TRL6。在疫情大流行之前,PAG曾表示將在2021年前將熱塑性RPB投入生產(chǎn)。雖然未來還不太明朗,但熱塑性RPB仍然被視為“未來的機身”,重量從41公斤減少到35公斤,加工和裝配時間減少75%,整體零件成本降低10%以上。