Airborne的自动铺层系统在空客、GKN和帝人的应用旨在实现最大化的灵活性和智能自动化。

Airborne的自动铺层放置(APP)技术集机器人技术、智能软件与工艺优化之大成。这一机器人操作、自动化且模块化的预成型解决方案，在树脂传递模塑(RTM)工艺前，为复合材料部件设计与材料选择提供了最大自由度。

复合材料在车辆和飞机制造中的使用正在激增。这归功于它们的诸多优势，例如轻质、高强度、耐用性、耐腐蚀性和设计灵活性。随着这些行业对复合材料部件的需求持续增长，对高速率、高精度、灵活、智能和模块化Craft技术的需求也随之增加。复合材料Craft系统公司Airborne(荷兰海牙)通过提出一种名为自动铺层放置(APP)的概念来解决这一问题。

APP是一种机器人操作、自动化且模块化的预成型技术，可在树脂传递模塑(RTM)加工前最大化复合材料部件的设计和材料自由度。它代表了机器人技术、智能软件和工艺优化方面的进步巅峰。

“APP允许工程师设计以实现最佳性能，不受手工铺层限制，这得益于机器人和自动化软件的高精度，”英国Airborne公司董事总经理乔·萨默斯（Joe Summers）解释道。“自动铺层技术的发明旨在提高精度、减少浪费，并使任何形式的复合材料都能在自动化制造中生产。”

“许多复合材料是以卷材形式提供的，”萨默斯继续说道，“自动纤维铺放（AFP）和自动铺带（ATL）技术只能将狭缝带形式的少量复合材料转化为基于预浸带的层压板。从通常为单向（UD）材料的预浸带开始，限制了优化最终部件的可能性。”相反，APP可处理所有材料形式——不仅是干纤维、预浸料或热塑性UD带，还包括无纺布等纺织品，以及薄膜、金属层压板（如夹层板芯材）、预固化子层压板或片状均质材料。

流程分解

在流程的第一阶段，APP采用传统输送带切割机精确地将层板切割成所需形状。随后APP机器人拾取层板，通过基于摄像头的视觉系统评估其精确度—检测层板几何形状是否正确，验证每块切割层板的精度质量，并测量层板在机器人末端执行器上的定位情况。

标准输送切割机在工艺第一阶段精确切割层板。APP可操作多种材料形式，包括干纤维或热塑性UD胶带、非屈曲织物等纺织品，以及薄膜、金属层压板材料（如夹芯板用芯材）、预固化子层压板或呈片状的同质材料。

待加工的复合材料层片在焊接台上定向定位—软件实时调整机器人动作以确保精准放置。层片按制作二维定制层压板的顺序堆叠于焊接台，通过超声波或热针焊接进行接合。该焊接工艺可激活干纤维材料中的粘合剂，亦适用于热塑性复合材料。预浸料无需此步骤，但可集成去除离型膜或背衬纸的中间工序。

未做好加工准备的裁切铺层存储在缓冲系统中，支持“乱序”铺叠。由于铺层已为生产预先准备就绪，此举减少了材料浪费，提升了运营成本效益和可持续性。已加工铺层完成焊接后，机器人将层合材料精准定位在热成型机上，为RTM工艺做准备。采用机器人修切单元对预制件外缘进行修整，确保其与模具紧密贴合。

在RTM部件制造过程中，制备好的净形预制件被放入刚性模具的型腔中，类似于注塑成型所用的模具。刚性模具能够施加>1巴的压差，从而提高浸渍质量，进而提升层压板质量。

合模后，将预制件压缩至最终纤维体积含量。树脂通过一个或多个注射口注入型腔，充分浸渍部件，随后在所需温度下固化并脱模。RTM（树脂传递模塑）在复合材料部件批量生产中的关键优势在于能够实现流程自动化，从而提高生产率。

“对于RTM工艺而言，精确的预成型件尤为重要，它能确保树脂充分浸润并避免部件缺陷，”Airborne公司首席技术官马库斯·克雷默斯（Marcus Kremers）强调道，“作为RTM复合材料生产线的一部分，APP系统能以极高精度和重复性控制复合材料制造流程，无需休息或针对精细作业进行培训，从而消除人为因素及其给复合材料制造过程带来的变量。”

Airborne的制造即服务(MaaS- manufacturing as a service )商业模式使客户能够购买或租用其自动化系统。APP的可定制性意味着客户可以定义自动化单元的功能。这提供了优化的制造解决方案，以支持汽车、航空航天和可再生能源等行业以及技术研究中心、制造公司等的各种需求。

空客Getafe A350生产线

空中客车公司（法国图卢兹）在其西班牙赫塔菲生产基地采用Airborne公司的APP技术，用于A350XWB机身第19段碳纤维增强聚合物（CFRP）后机身梁和维护门框预成型件的自动化制造。该后机身采用共固化CFRP蒙皮桁条筒体结构，尺寸为6×5米。梁支撑件与门框通过共注射RTM工艺集成为单一部件——包含两根纵梁、两根过梁和四个框段——总面积为3平方米。

第19段一体化框架采用单组分RTM6环氧树脂和中间模量（IM）碳纤维增强材料，这些材料逐层定制，并与美国康涅狄格州斯坦福德市的Hexcel合作开发。优化采用了同步方法，同时开发原材料、结构设计、制造工艺和工业化制造解决方案。

二维预成型件采用UD、非屈曲和机织织物手工制成，然后通过热压成形为三维形状，组装成梁结构并注入RTM6树脂。空客开发了定制化的RTM单元，将其描述为高精度RTM，并补充说这是制造这些高负荷主结构的高效方法。

空客（Airbus）在该项目中实现预成型体生产自动化的主要驱动力，是通过取代包含多道工序的手工操作来提升质量控制。此类定制化RTM生产单元的自动化技术已被空客及其一级供应商应用于多种部件，不仅提高了质量并减少浪费，更为了满足日益增长的生产速率—例如该公司承诺到2026年实现每月生产75架A320飞机的目标。

Airborne在开发APP系统以满足该项目需求时面临多项挑战。首先，零件尺寸相当大。为此，Airborne改造了空客单元以处理最大3.5米的预制件。该项目还涉及多种铺层形状与Multi材料。Airborne配套的Automated Programming软件技术被用于应对这些挑战。最终，这套系统实现干纤维预制件的自动化取放生产，这在空客尚属首次。因此，空客正在对APP技术进行资格认证，并将提供支持以确保其符合生产标准。

汽车一级供应商

满足汽车行业对高生产率和高质量的要求是制造业设备面临的最严峻挑战之一。随着复合材料在汽车设计和制造中持续替代其他材料，生产板材并将其组装成层压板和部件已成为日益关键的问题。APP的首个汽车应用是由帝人汽车技术公司（美国密歇根州奥本山）法国Pouancé工厂开发的高度工程化干纤维RTM部件。

帝人汽车科技是一家汽车零部件一级供应商，提供采用多种技术制造的组件，包括片状模塑料(SMC- sheet molding compound )、热塑性复合材料、热固性预浸料和RTM。采用APP的驱动因素是帝人客户对一款高性能体育汽车完整复合材料车门的需求，该车门需具备全面道路适用性，包括符合碰撞安全法规。

帝人汽车科技的APP系统成功管理了一款采用干纤维RTM工艺生产的全复合材料车门

“主要挑战在于设计和制造复合材料的碰撞结构，”帝人汽车技术公司法国普昂塞研发中心主任马克-菲利普·托伊特甘斯(Marc-Philippe Toitgans)表示，“传统复合材料车门采用金属结构防撞，改用复合材料后，需对复合材料结构进行精确预测与可重复性研究，以确保结构安全合规。”

“在制造过程中，每一铺层的精确定位至关重要，尤其是次表层纤维的角度，” 托伊特甘斯继续说道。“传统手工铺层工艺无法实现高精度重复性，而APP通过视觉检测每层铺层并结合机器人精准定位则能做到。”

另一个优势是APP能精准裁剪并铺放30多层2至300克的材料，从而消除间隙与重叠问题——若采用AFP技术则需额外管控这些缺陷，” 托伊特甘斯补充道，“AFP的干纤维带/丝束铺放虽有许多优点，但精准度是挑战，尤其因丝束本身在宽度上存在公差。”

如上所示的AU平行宇宙层叠结构用于实现部件厚度的变化，在需要增强强度的区域增加层数，在应力较低的区域减少厚度。

托伊特甘斯指出，即使能够控制精度，仍会出现许多间隙或重叠，这会影响draping（间隙处可能出现皱纹）或infusion（渗透性不同）。他说：“APP消除了这一挑战。”在完成车门的2D tailored blanks制作后，它们通过先进的定制RTM成型工艺塑造成3D部件。

对于帝人汽车技术公司而言，干纤维RTM是提升其复合材料技术速率与精度的重要战略技术。该公司已采用APP制造方法及Equipment开展未来项目。

GKN航空航天英国全球技术中心

GKN Aerospace公司（英国雷迪奇）位于英国布里斯托尔的全球技术中心（GTC）将成为首个完整配置Airborne公司APP技术系统的机构，预计2023年第三季度完成。这个1万平方米的研究中心拥有300名工程师，与多所大学、英国弹射创新网络及GKN Aerospace英国供应链展开联合研发，致力于航空航天脱碳技术的设计与开发。

它也是GKN Aerospace在空客“明日之翼”技术项目中技术合作的基地。GTC的主要成果将是为飞机结构的高速率生产提供新一代增材Craft（AM）、先进复合材料、装配件和工业4.0工艺。其自动预成型单元（在GKN Aerospace内部称为先进自动预成型技术（ADAPT）工作站）采用了Airborne英国公司开发的APP技术。

GKN Aerospace复合材料首席技术官凯文·巴洛（Kevin Barlow）解释道："ADAPT单元将成为开发稳健、可重复且灵活的自动化沉积、成型、预成型、修整和干纤维复合材料件检测的关键，用于制造高速率且可持续的RTM加工部件。正如CW在2023年2月报道的那样，英国ATI资助的ASCEND计划将率先利用该装备，通过开发和展示两个关键演示件——集成翼尖和TE假工作盒，达到TRL6成熟度。"

巴洛指出："重要的是，ADAPT单元将能在未来技术项目或客户互动中快速演示其他关键目标产品，并展示ASCE GKN Aerospace的ADAPT单元构成一个自动化系统的一部分，该系统的子系统包括Airborne提供的APP、Assyst Bullmer（英国韦克菲尔德）的铺层切割机、PAC Group（英国北爱尔兰贝尔法斯特）的热成型机以及Accudyne Systems（美国特拉华州纽瓦克）的预制件修整模块。萨默斯补充道：“ASCEND计划旨在推动当前复合材料技术的更广泛应用、新技术的工业化以及加速航空航天生产速率，以满足未来大批量市场需求。”此次合作将助力开发来自英国供应链的多种技术，以研制制造轻量化结构所需的先进材料与自动化Equipment，用于实现可持续空中交通及未来道路交通工具。

自动化编程，composites 4.0

APP系统的关键赋能4.0技术是Airborne的自动化编程软件。传统上，机器人由人类使用编程语言进行编程。这一过程可能耗时且容易出错，需要并非所有制造商都具备的专业技能。

自动化编程意味着无需人类程序员教导机器人如何执行任务，从而实现完全自动化的制造流程。该软件接收设计和操作输入，并将其直接转换为每层铺叠（ply）对应的正确机器人代码与工艺参数。此过程实时完成，且当操作员上传新设计或提供新铺叠形状时，系统会自动调整，这使得在Shop中实施变得极为便捷。

这种软件驱动的自动化方法使系统非常灵活，因为设计或材料的变更可以轻松适应，无需教导或重新编程机器人。除了消除人类编程的需求外，Automated Programming还能自动化需要更高灵活性的更复杂任务，并自动化更全面的制造流程，从而显著提高生产效率。

该APP软件由Airborne为自动化配套流程开发的技术演变而来，将排料、切割、贴标和配套等生产步骤集成到单个生产单元中。Airborne的软件将这些制造步骤整合到单个程序中。

克雷默斯表示：“软件开发对于实现复合材料拾取放置的工业化和应用至关重要。建立研发环境是一回事，但若想实现包含数千种不同铺层形状零件的全面量产，自动化必不可少。自动化程序基于能实时读取制造工况并动态调整的先进算法，从而减少繁琐的编程和机器设置工作。”

自适应拾取、放置精度

自动化编程算法会考量材料的柔韧性，并确定拾取单层材料的最佳方式以最大限度减少下垂。虽然软件开发的复杂性不容小觑，但另一个挑战是使用机器人进行材料处理。

“让夹爪稳固地将材料从料巢的其余部分分离出来，尤其是对于粘性预浸料，这尤其具有挑战性，”克雷默斯指出。“还可能存在未切断的纤维，这会导致整个骨架从切割床被拉出。我们集成了可检测未切断纤维的传感器，并使系统暂停运行，以便操作员进行干预。”

另一个问题是下垂。由于复合材料具有柔性，且铺层由带有夹持器阵列的末端执行器拾取，夹持器之间和外侧可能出现下垂。Automated Programming算法会考虑这一点，并确定拾取铺层的最佳方式以最大限度减少下垂。例如，机器人可能通过旋转末端执行器来拾取矩形铺层，从而将吸盘定位在铺层角落。夹持力度取决于铺层形状，并会为每个夹持器单独确定。

将铺层放置到焊接台或缓冲系统上时，放置精度同样至关重要。APP采用基于视觉或闭环控制的实时校准技术：每片铺层安装到末端执行器时都会进行扫描，并将其位置与预期坐标进行对比。随后调整机器人动作以确保精准定位。"由于系统会扫描铺层，因此能进行质量控制——精确检测切割边缘或发现裁切机上可能被忽视的铺层缺陷，"萨默斯解释道。

缓冲区与重放

APP系统的自动配套能力包含用于分类和排序的缓冲解决方案。材料被切割成2D铺层后，机器人可根据需要将其自动放入缓冲区内，按部件将铺层分类配套，并按正确顺序排列铺层，以便后续轻松铺设。缓冲区还可从工作单元外部进入，方便人工或其他机器人手动卸载配套件或预制件。

如果出现问题，系统运行、零件位置、时间、温度和速度等的数字记录可被称作“replay”工具，这一点尤为重要，因为这些过程的代码是实时生成的。这些数据还会输入到物理资产的虚拟副本中，为未来的流程改进提供实时洞察和预测分析。

未来APP开发，应用

关于APP的未来潜力，克雷默斯表示：“软件开发是我们持续进行的工作，旨在提升系统的速度和稳健性，特别是因为我们采集的数据具有巨大潜力，能为客户提供更多能力和性能。例如，当前系统会在铺放前检查每一层材料。可以预见直接从切割机拾取的铺层精度相当不错，系统只需进行极小修正甚至无需调整。”如果系统识别出这一趋势，你就可以跳过检验或降低频率，比如每十层中只检验一层，从而提高产量。

他接着说道：“另一个例子可能是对材料有特定的依赖。有些材料比其他材料更难切割，难以获得干净的边缘，而系统可以识别这一点，并提供关于如何正确设置切割机、更频繁地更换切割刀具或针对其他材料使用不同切割方法的见解。”此外，软件中还有材料焊接的进展：如果粘合剂质量或数量发生变化，系统有可能从焊接数据中识别这一点。

层板由机器人放置在叠层台上，准备进行焊接

优化为最小浪费、输出或CO2

虽然APP系统是自动化的，但需要在最大输出和最低浪费之间进行Trade。这在典型工厂中可能每日变化。Airborne正在开发一款软件以"为X优化"，这样操作员或数字化工厂管理系统可以根据需要选择理想的优化场景，例如针对最低浪费、最大输出或最小CO2足迹。这就是灵活自动化制造或Composites 4.0的基础。

当选择了一个模式（例如minimal CO2）时，自动化软件会考虑潜在的生产力影响和end effector兼容性因素。它评估对制造流程的整体影响，以便动态调整机器指令，从而实现预期结果。

Airborne计划利用该技术为不同客户优化其自动化生产单元，使操作员能够规定不同场景并做出明智决策。Airborne还在测试APP及其自动化编程与回收纤维和树脂、生物材料以及热固性塑料、热塑性塑料和金属的混合组合，以验证该自动化软件识别缺陷和补偿的能力。

“如果开发成功，它将为回收和低CO2应用在多个行业打开大门，”克雷默斯解释道。“为了使复合材料更具可持续性，重要的是减少能源使用、步骤数量和废弃物。”

碳纤维的隐含能量相对较高，因此减少浪费并使用CO 足迹较低的替代纤维对可持续发展至关重要。此外，整合3D打印或机器人注塑包覆成型等技术可根据任何APP应用的独特需求进行定制。

无需编程即可提升自动化水平

正如CW此前所报道的那样，Airborne的Automated Programming、DLR(德国斯图加特)轻量化生产技术中心的AI-equipped work cell以及SAM XL(荷兰代尔夫特)的"zero programming" automation software都是旨在消除机器人人工编程需求的软件驱动自动化解决方案。然而，这三种解决方案之间存在一些关键差异。

组件设计、铺层形状和材料数据为输入项Airborne的软件根据这些输入实时生成所有必需的机器代码和工艺参数，从而执行整个物料处理流程，无需外部编程。

Airborne的自动编程是一种专业解决方案，专注于高性能复合材料行业在制造前对高公差、高速率和可重复叠层生产的需求。该系统旨在自动化复合材料的铺放过程，这一过程复杂且劳动密集型。例如，DLR配备AI的工作单元则更为通用，可自动化包括焊接、切割和喷涂在内的制造流程。工作单元利用AI来规划和执行机器人任务，这使其灵活且能适应生产环境的变化。

附注：2023.8.24的微信文章《Airbone模块化自动铺 层工作站》重新整理后，今日仍用原标题再次发出。此文中有空客A350机身第19段结构，很有参考价值。

原文，《Modular, robotic cells enable high-rate RTM using any material format》 2023.8.23

杨超凡

原发文2023.8.24

现重新发文2025.11.16