摘　要

　　在制造先进复合材料中，费用结构是由加工成本所主导。在RTM中，也需要在全过程包括预成型中降低加工成本倜期时间。Tecnalia公司推出了一种新型的全自动高能效三维预成型单元，它克服了一部分限制。
　　在制造先进复合材料部件中的费用结构是由加工成本所主导，在某些情况下它占到整个成本的70％。这个因素还限制了一些大规模生产应用的产能。在成本敏感的应用中，如汽车工业，这是一个特别重要的限制。汽车工业正在要求采用更多的复合材料，使得新型汽车如电动车或限制CO₂排放的新一代汽车能进一步减重。同样，在航空工业中，新的项目正瞄准高生产率，因此有兴趣来降低加工成本和周期时间。在RTM制造零部件中，由于传统较长的注射和固化周期，以及一般都是劳动密集型的预成型工艺，因此加工成本，时间也是一个问题。特别是传统的热成型过程，使用传统的加热模具或烘箱，通常涉及到大量的人工操作，并消耗许多时间和能源进行加热／激活粘结剂。
　　在这个背景下，Tecnalia公司开发了一种新型全自动单元(图1)，用于制造小型，中型三维干预成型物，主要使用粘结剂。该单元是为使用复合材料零部件／结构件的主要领域而准备的。

　　主要的目的是降低整个预成型周期时间，提高加工能力、可重复性和质量控制，同时减少涉及该过程的能耗和可消耗材料。
　　这种先进的预成型单元中的主要创新和功能是(1)一个全自动的处理／预包覆末端受动器，(2)一种基于直接电阻加热的快速高能效选择性激活系统，(3)一个可以覆盖不同形状的灵活的压实系统，(4)一个基于人工视觉的自动检测系统。

1　织物自动处理、预包覆和预固定

　　通过使用机械手和末端受动器，该系统把所有操作人员进行的一般人工织物预处理步骤自动化，如织物处理、调整／折叠成三维形状和固定到预成型模具上。
　　先，把二维织物图案放在一个台面上，通过抓放系统连续抓取不同的织物层。该系统
是以一台拟人机械手和一个末端受动器(图2)为基础，带有几个真空抓取器，每个抓取器有不同的自由度和独立的动作可能性。这些动作通过机电促动器实施并用一个特定的PLC控制。织物通过真空抓取器抓取，它能根据二维图案的具体形状自动调整到位。

　　一旦织物被抓取后，它被送到放置预成型模具的铺放台上。此时，织物被放在预成型模具上。为了把织物铺放在复杂的形状上，抓放系统改动了真空抓取器的结构，以使它适应和预包覆在三维模具铺放形状上。为了避免不希望的动作、变形或铺层的偏离，末端受动器可以用带有额外自由度的特殊真空抓取器固定一些局部激活的区域，同时周围的参考点仍然全
部固定在模具上。

2　通过人工视觉的自动检测

　　一旦织物图案铺放在预成型模具上，单元使用一种基于人工视觉的装置(图3)实施自动检测步骤，确保放置正确。单元可以在铺放过程中检测铺层，使用一种先进的立体视觉检测系统。该系统能自动检测出典型的错误(皱折、位置或纤维方向错误)并向操作人员发出警报，在需要的地方进行纠正。这些检测可以在每层铺放之间进行，或者作为预成型过程中的后一步进行。

3　快速、高能效的激活和后预成型压实

　　一旦预定的铺层数被铺放好，就自动进行激活、固结和压实步骤。针对这个步骤，开发了一种创新的一次注射系统，它采用可重复使用的高伸长膜系统，特别适应于复杂形状，它施加必要的压力/真空，同时热激活粘结剂(图4)以压实整个预成型物。开发了一个基于直接电阻加热的选择性先进加热技术用于粘结剂激活(图4)，这样提供了一个快速加热和冷却循环，并且大幅度降低了能耗。

4　演示部件：翼肋

　　为了生产不同的演示预成型物，按照项目技术的开发阶段，上述新的功能被集成在一个全尺寸的工业演示单元上，并采用相应的控制软件。生产和研究的演示部件之一是基于一种通用翼肋(图5)的要求和形状，考虑到翼结构通常有大量相似的肋，但在尺寸上有一些不同。该预成型物有一个带有不同截面的U形。它约700毫米长，2毫米厚，使用6层碳纤维织物层和一种需要在90℃左右激活的粘结剂。

　　根据针对该演示所进行的工艺验证，开发的这个单元显示了前景良好的结果，特别是有关整个加工时间和大幅降低的能源消耗。对于所提到的原型，加工周期范围在10到12分钟，包括织物处理、检测、激活加热、压实、冷却和脱模。用于激活加热的能耗可以减少达70％，这是因为能量被直接用于碳纤维中，没有像在烘箱中或其他传统过程中一样，间接地通过模具或通过空气。

5　结论

　　开发的这种预成型单元主要好处是它提供了全自动制造三维干预成型物，大幅降低了全过程周期(从数小时到数分钟)，它采用一个能够应对各种形状的压实系统，提高了质量控制和可重复性，大量的各种可用材料／织物包括各种碳纤维和玻璃纤维预成型物(从低重量贴面层到重型织物)，同时由于选择性加热导致了一个非常低的能耗。
　　Tecnalia公司已经实现了主要的技术目标并验证了全尺寸的单元。同时已经为该单元的新功能和使能技术申请了。在这种情况下，Tecnalia公司现在正和复合材料价值链上的几家不同的工业公司接触，准备在几个不同领域中实施这项技术。