复合材料制造自动铺层技术及设备
从复合材料的价值链来看,原材料的附加值为30%,而结构件制造的附加值占55%,预浸料等中间产品占10%。项及第三项成本具有相对稳定性,降低结构件的制造成本是关键,而目前有效的方法是采用自动化及大批量生产工艺。根据国外2005年的统计,在复合材料制造工艺中手工占20%,自动纤维铺放只占17%,因此采用一体化模压成型以及铺带、丝束铺放自动化检验尚有很大的发展空间。自动铺丝、自动铺带以及自动模压成型等大批量生产工艺,是促进复合材料产品降低成本、进入市场的必由之路。
自动铺层技术及设备
2007年大型民机复合材料结构中只有43% 是用自动化技术制造的,预计10年内将达到64%。自动铺带及丝束铺放的材料利用率能达到80%~97%,而手工铺层的材料利用率仅为40%。复合材料制造自动化包括铺放、编织、缝纫、检验等多个方面,其中自动铺放技术是军民用飞机生产自动化技术中发展为迅猛的部分。在自动铺带领域,目前铺带宽度大可达到300mm,铺带速度达1.3~20.4kg/h,生产效率可达到手工铺叠的数十倍;丝束铺放技术适于大曲率机身和复杂曲面成型,目前铺丝速度可达6.8~11.3kg/h,高可达23kg/h,新的Viper6000系统可以铺放并控制32个纤维束,每束宽3.2mm,以前的机器为24个丝束,从而使铺层带宽从7.6cm增到10.2cm。铺放速度达到30m/min,精度为±1.3mm。
从自动铺带及纤维铺放来看,目前有100多台设备。辛辛那提公司近日又推出2种设备,一种是69Charger铺带机,一种是49纤维铺放机,两者均体现了铺层机上革命性的变化。
1 辛辛那提公司的自动铺层技术及设备
自动铺带机是在20世纪60年代初无纬布预浸带出现后几年、为加速铺层的工艺过程而开发的。早期的铺带机都是由本国开发的,在美国,台电子计算机控制的龙门式铺带机就是根据美空军材料实验室计划由通用动力公司与Conrac公司合作开发的。此后又大量开发了用于大型复合材料结构的自动铺带机及纤维铺放机。
代铺带机及其以后出现的纤维铺放机是由一些传统的计算机数控机床制造商开发的,它们自面世起就与飞机复合材料制造业密切合作。其中马格・辛辛那提就是继承了辛辛那提米拉克龙公司,其他类似的公司还有Ingersoll机床工具公司、Forest-Line以及MTorres公司。
在铺带机方面,马格・辛辛那提提供了品牌Charger型机,可以铺75mm、150mm或300mm无纬预浸带。Charger型面铺带机可以铺达25°锐角的特型铺层,它应用的是CNC十轴龙门型系统,可自动下料、压实预浸带。该系统应用了独特的侧面加载头,可提供快速、简单更换300mm 宽、650mm直径铺放压辊功能。空客及欧洲合作伙伴曾购买10台铺带机用于生产A320/330/340/380及A400M的机翼桁条、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、发动机短舱、机身蒙皮及机腹整流罩等。
除了通用的铺带机外,马格・辛辛那提还开发出形状相同或相似的大批量生产的专用铺带机,如为沃特飞机公司开发了平面铺带机,用于制造长而平面的构件,该机有18.5m长的平面钢制真空台以及用伺服系统从一端到另一端运输的机构,铺带速度达30.48 m/s、22.7~27.2kg/h, 精度±0.75mm,启动停车精度±0.75mm。
后续该公司还开发了小型平面铺带机(SFTL),用于生产长、窄、平面构件,多件铺层和板、隔膜成型蒙皮等,典型用途有大梁、桁条、梁、剪切带、框、襟翼及蒙皮。它还提供长、窄的结构件,特别适用于飞机用的复合材料桁条、大梁及梁。这种机器可用于宽300mm的预浸带,其特点是铺带头能力高、运载结构及支承结构能量大,既可铺无纬带,也可铺织物。
在纤维铺放方面,马格・辛辛那提提供了品牌Viper的49 Charger铺放机,其中新的型号是Viper6000,能操作达86180kg的心轴,可对32条丝束或窄带进行供料、夹持、下料及铺放。目前,沃特飞机公司用来生产波音787的机身段,空客订购6台Viper6000用于A350XWB的机身制造,机身的92%将用Viper制造。
在目前100多台复合材料部件生产的机器中将增加2种设备:一是69Charger铺带机和49纤维铺放机(Viper)。二者体现了在机床上的一些革命。它们将飞机专业公司推向的领导地位。该公司已为代表航空未来的机床制造的创新途径制定了“规范”。
随着空客及波音等制造商铝合金使用量的减少,生产复合材料零部件的机器便有机会走向前台。在马格公司Hebron厂的张贴画上展示了用公司生产的机器制造的飞机型材。铺带机始于B-2轰炸机。Viper 铺放机有4 种类型,生产更复杂的曲线及角形零件,如机身、短舱及尾椎。
铺带机及纤维铺放机正用来制造18种飞机零件,被29家公司所采用,波音有24台Charger,3台Viper,空客有7台Charger、10台Viper。
Viper纤维铺放系统是公司在复合材料领域内的珍宝。它用先进的计算机控制器完成铺带及纤维缠绕,可生产不同厚度、高度特型的结构,废料低到2%。
马格・ 辛辛那提公司的Viper产品是霍克比奇公司的相1号公务机。复合材料比铝轻20%,但重要的优点是简单,相1号的前机身由3000个零件组成,现在则由两部分组成。
几十年前,关注的重点是用这种设备能否制出产品,后来转为能否制出合格产品,目前则转化为低成本的合格产品。
2 其他公司自动铺层技术及设备
除辛辛那提公司外,Ingersoll及MTorres公司等近年来在航空复合材料自动铺层技术及设备开发上也成果倍出。
先,Ingersoll机器工具公司宣称已完成了A350XWB龙骨制造设备的方案论证,龙骨结构长18m、大厚度0.12mm,大半径5.2m,该机器为Mongoose V3立式纤维铺放机,可铺32条6.25mm的丝束。
其次,西班牙MTorres公司的自动铺带机也有长期的开发历史,A350XWB将采用“TORRESLAYUP”十一轴的龙门式高速铺带机,可铺300mm、150mm 和75mm的宽带,铺带头内装有预浸带缺陷检测系统。该公司的自动铺带设备在A400M机翼生产中也发挥了重要作用。自动化设备的应用在加快效率的同时,降低了废料率,A400M翼梁采用自动铺带后,铺放效率比手工快了40倍,A400M的翼梁采用自动铺带后孔隙率降低到1%~1.5%(小于4%为合格),14m长的翼梁精度保持在0.5mm内,相应的金属件精度在300mm内。但国外认为,丝束铺放是对自动铺带技术的补充,后者虽在生产大型平坦件时的性能极佳,但在加工高度复杂构件时易产生纤维屈曲;前者虽不如后者那样能快速铺出大面积,但能精确铺出更极端的曲线及方向变化。GKN公司正在评估这种技术用于要求更高的翼梁、发动机的混杂构件以及消音衬里。为发展铺丝技术,而为复合材料翼梁专门设计的 MTorres AFP机已在2010年交货。
为提高效率,除了采用通用的自动化铺层设备外,一个发展趋势是采用专用定制的铺层设备,如桁条、梁结构件等专用的铺层设备。在该方面,美国CG技术公司介绍了自动纤维铺放机的编程及模拟软件。现行的自动铺放机的脱机编程软件都是由自动铺放机制造商提供的,飞机制造商被迫使用这种专用的软件,这与20世纪50~60年代的金属切削用CNC机床的情况一样。CG技术公司的创新则是开发与机器无关的编程及模拟软件,即VCP和VCS。该公司开发的Electroimpact多机AFP单元,有铺放头更换器,高速运转,可制造整体飞机机身筒体,目前正在用户的工厂中装配。








































