缩小预浸单向带弥合ATL- AFP的差距
特写五轮回旋ATL头。每条车道都是单独控制和驱动的，并允许编程的圈数和间隙。
众所周知，自动铺丝（ATL）和自动铺带（AFP）是将碳纤维复合材料应用于波音787和空客A350飞机主要航空结构的关键技术。在这些飞机开发之前，30多年来，复合材料在商用飞机中的应用量一直在逐渐增加， 但主要是在使用手工叠层和一些自动化制造工艺的次要结构中。
然而，随着787和A350的推出，波音公司（美国华盛顿州西雅图）和空中客车公司（法国图卢兹）对轻型飞机的需求做出了回应，这加速了复合材料和工艺的采用，用于机身蒙皮、长桁、框、机翼蒙皮、翼梁、翼盒和尾部结构。ATL和AFP引领潮流，使每个OEM及其供应商能够有效地铺设大量预浸UD预浸带和丝束。
ATL找到了一个制造机翼结构的地方，机翼结构的 轮廓适中，利用了胶带产品的宽格式（3、6或12英寸）， 可以快速铺设。然而，ATL 在速度和体积上所提供的， 却牺牲了一致性。
另一方面，AFP铺设了0.125至0.5英寸宽的多条丝束，找到了一个制造机身和其他更具轮廓的结构的地方，这些结构需要最大的灵活性和一致性。然而，ATL提供的适形性牺牲了速度和体积。
此外，尽管这些技术是可行的，但它们清楚地反映 了近20年前飞机最初开发时ATL/AFP的艺术状态。事实上，787和A350的生产速度（鉴于冠状病毒大流行，现在每个月都不到10架）与相对缓慢的上一代 ATL/AFP 技术非常一致。这些技术还依赖于人工操作员提供过程中的目视检查和质量控制，检查搭接、间隙、 褶皱、异物碎片（FOD-foreign object debris）和其他自动化铺 设过程中常见的缺陷。这一质量控制步骤代表了复合材料结构制造中的一个重要瓶颈。
但随着商用飞机制造商展望未来（远远超过冠状病毒大流行）和他们将开发的飞机，特别是取代波音737和空客A320的新单通道（NSA-new single-aisle）项目，机组 数量可能会达到每月60-100架。这就要求复合材料和加工能力比那些用于制造787和A350结构的材料和加工效率高出一个数量级。
五轮回旋ATL头 Fives Lund SLALOM解决方案在一定程度上依赖于单独驱动和压缩的磁带通道。这使得工艺控制得到了显著改进，包括根据零件的允许值对搭接和间隙进行编程的能力。
两全其美
Fives Lund LLC首席执行官兼 Fives Composites（美国华盛顿州西雅图）首席技术官Erik Lund 在过去几年 里一直在思考这一切，Fives Composite是 Fives Group（法国巴黎）的子公司，该公司还拥有 Fives Cincinnati、Fives Forest Liné 和 Fives LinéMachines，为复合材料行 业提供 ATL 和/或AFP机械。Lund 一直在考虑提高预 浸带/丝束铺设效率的方法，与整个Fives Composites 团 队合作，研究和评估 ATL 和 AFP 的优缺点。
了解ATL和AFP的优势（和劣势）首先需要了解 这些流程运行的设计允许环境。Lund指出，无论制造商 是在铺设预浸带还是丝束，都必须跟踪和测量过程中产 生的误差。例如，当两条预浸带或丝束并排放置时，理 想情况下，它们的边缘应该邻接，以提供不间断、均匀 的帘布层表面。然而，机械和材料的缺陷可能会产生重叠和间隙。重叠是重叠的缩写，当两个相邻的胶带或丝 束在铺设过程中相互重叠时就会发生。相反，当两个相 邻的磁带或丝束相互“漂移”时，可能会产生间隙。搭接 或间隙本身不一定有问题，因此必须测量每个搭接或间隙的宽度，并且任何超过零件规定允许值的搭接或间隙都必须恢复一致性，通常通过手动返工。
如前所述，ATL的优势在于该工艺可以在大面积上快速 放置大量材料。只要该区域平整或轮廓适中，胶带就不 会起皱或弯曲。此外，由于胶带相对较宽，对接胶带的总数相对较小，因此与AFP相比，形成搭接和间隙的机会较小。这样一来，ATL allowables环境就更宽容了。
相反，AFP，因为它放置了多个较小的丝束，可以更容 易地操纵这些丝束，并使材料适应复杂和轮廓表面。然 而，圈数和间隙的机会更大——考虑到仅24牵引AFP头理论上就有23次圈数和间隔的机会——因此必须更 密切地监测，通常是手动监测。Lund 指出，许多 AFP允许在铺设材料的给定线性距离（通常为12英寸）上 限制搭接或间隙违规。此外，他说，在一个给定的区域 内，从一层到另一层积累的圈数和间隙也可能违反允许的限制。
AFP的另一个缺点是，放置头中的复杂机械包装只 为这么多硬件留出了空间。因此，所有丝束都通过一个 压实压路机压实到工具表面上。对于较宽的AFP头（24- 32 丝束），压路机可能难以为每个丝束提供均匀一致的 压实压力，这可能会影响最终的层压板质量。Lund认为，出于类似的原因，ATL 中的压实一致性也可能是一个挑战，并指出“操作员的返工，尤其是6英寸胶预浸带的返工，可能会影响整体层压板质量。 ”
另一方面，AFP中的多股丝束也提供了该工艺有时 被忽视的好处：当将材料放置在非0度或非90度的帘布层边界角时，AFP头能够在边界处独立切割每股丝束， 从而形成细齿帘布层边界。Lund说，这种边界锯齿有助 于优化材料使用，而ATL不可能做到这一点，因为 ATL必须依靠“复杂的切割”来构建工程化的帘布层边界。
解决方案：窄磁带
Lund说，他和Fives Lund和波音公司的其他人考 虑到了纤维和预浸带放置的复杂世界，并想知道是否有 一个中间地带可以利用。他们寻求机会利用和整合ATL和AFP的优势，并专注于目前正在发挥作用的材料和工艺组合，这对下一代高速率飞机生产显示出巨大的前景。
Lund说：“我们试图实现AFP的一致性。我们也试 图从边界处的细锯齿中获益。 ” “同时，我们想要ATL的间隙公差和允许值。问是， ‘我们能使用的最窄的预 浸带是什么，仍然使用预浸带允许值？’”考虑到最窄的预浸带是3英寸，最宽的丝束是0.5英寸，选择有很多。 然而Lund说，从允许和圈/间隙公差的角度来看，有 一点预浸带会变成牵引带，他不想超过这个点。Lund回忆道：“我们花了大约30分钟才确定1.5英寸的预浸带宽度。 ” “我们感谢自己做出了这个决定。如果有更窄的范围，我们所开发的东西在机械上是不可能的。 ”
当然，Lund开发的系统不仅仅是一个放置1.5英寸预浸带的铺放头。作为AFP和ATL的混合体，它具有两者共同的功能。首先，每个1.5英寸预浸带通道都单 独控制胶带供应，并有自己的压实压路机，独立于其他通道启动。这使得压实压力可以单独编程并由预浸带通 道控制。其次，与AFP一样，每条预浸都是在帘布层边界处单独添加和切割的，这就允许Lund 梦寐以求的细齿。
第三，也许也是最重要的一点，该系统采用了在线传感技术。该系统与每个独立定位和伺服可调的磁带通道协同工作，Lund说，这可以很容易地控制磁带之间的间距。简而言之，该系统允许可编程的搭接和间隙。Lund称之为“拨号间隙” ，并表示这为运营商提供 了编程重叠或打开间隙的选择，以满足不同的间隙平均值，并将每条车道更改为特定的间隙宽度。此外，该系统可以看到图案，测量标准偏差，然后调整到整体平均值，甚至调整到层压板的特定区域。
Lund说：“它对每次传球的车道进行了统计，并根据数据的积累得出结论。 ” “如果能够正确管理和控制间隙，你就可以在某些区域薄化层压板。 ”Lund说，最终，这种严格的过程控制与机器学习相结合， “代表了检查的发展，以开发你可以信任的数据。这提高了能力和 期望，并最大限度地减少了变化。 ” Lund说，这台1.5英寸的预浸带机——现在商业化为Fives Lund SLALOM——是与波音公司合作开发的， 波音公司拥有一些关键知识产权，包括独立的压路机系统。Fives Lund还与波音公司密切合作，以获得1.5英寸预浸带系统的资格。
三菱重工（MHI，日本东京）为 波音787制造机翼蒙皮，已经使用了三台19车道回转机六年。Lund说，三台第一代MHI机器以每秒0.6米的速度添加、铺设和切割预浸带。然而，Fives Lund正在测试的当前技术已经实现了航空航天预浸带铺设公差和可靠性，增加速度为每秒2.5米，铺设/切割速度为 每秒4.5米，无需加热即可实现一致压实。Lund说：“无论应用程序如何，这种规模的自动化都不会发展得那么快。 ” “我们低估了复合材料的极限速度，不得不重新设计其他制造系统，以获得我们想要的更高速度和加速度。 ”
未来会怎样
Lund表示，展望每月建造60-100架飞机的潜在单 通道更换计划，1.5 英寸的胶带非常适合制造长桁、翼梁、机翼蒙皮以及水平和垂直安定面。它们也可用于构建随后成形和压制的扁平层压板，从而考虑到定制的压实和剪切因素。Lund还承认，1.5英寸预浸带面临的最大障碍是“缺乏制度化。在使用1.5英寸预浸带的情况下，几乎没有历史，也很少有运营渠道。 ”
这就是说，他相信窄磁带回答了商业航空航天工业 提出的技术和速度问题。Lund正在特别考虑他的1.5英寸的预浸磁带，而不是竞争的过程，如液体树脂输注， 使用干纤维。空中客车公司通过其“明日之翼”计划，正在评估干纤维灌注来制造机翼结构，以取代其单通道飞机。
空中客车公司通过其“明日之翼”项目，正在评估干纤维注入，以制造单通道替换机翼结构。Lund认为，在制造碳纤维复合材料机翼的单通道生产环境中，关键的 工艺参数将是工具的启动时间：“问题是， ‘你需要多少工具才能达到速度？’工具必须通过吞吐量和利用率来 衡量，而干纤维工艺不会很快释放出这种工具。Lund认为，有了一个管理良好的 1.5 英寸预浸带系统， “你最长 应该在2-3天内从冰箱到固化。如果你能做到这一点， 那么预浸时间只是制造‘噪音’的一部分。 ”
尽管新冠病毒大流行给新型商用飞机的规划和开发带来了困难，但Lund认为，商业航空旅行的长期前景总体上是积极的，为这一关键的终端市场开发下一代材料和工艺应该并将继续快速发展。 “商业航空航天需求推动了ATL和AFP 的市场，但随着它们的复苏，我们正在寻找其他历史较少的行业来使用这项新技术。 ”
编译者补充说明： “空中客车公司通过其“明日之翼”项目，正在评估干纤维注入，以制造单通道替换机翼结构。 ”这里的干纤维是“无卷曲织物（NCF）” 。
