自动化铺丝发展成为具有多种材料和工艺能力的更紧凑、灵活、模块化和数字化的系统。

更紧凑系统中的新功能(左上角，顺时针方向)。Add composites于2023年推出了4丝束AFP-X头， Carbon Axis在其XCell AFP系统中增加了纤维缠绕功能，MTorres的新型紧凑型eVTOL AFP头具有更新的在线检测(OLI-online inspection)功能，M&A Dieterle为AFP的新加入者提供了一系列选择，包括cobots头。

随着复合材料行业的成熟，多层和越来越复杂的层压板的手工叠层继续被自动铺带(ATL)和自动铺丝(AFP)所取代，通常使用碳纤维预浸丝束（预浸无捻纱）或单向预浸料切割成精确宽度的胶带，。也可以使用干纤维带，用热塑性粘合剂固定在一起。这篇文章不是一个完整的调查，而是对供应商的选择，强调了一些趋势，如更小的尺寸、为压力容器和转子套管增加绕组、增加数字化和过程控制。它还显示了可用系统的演变范围，从最简单、最容易进入AFP到每年超过50万个零件的自动化大规模生产。

MTorres 为 ATL 推出 eVTOL 磁头、OLI

图1. 高角度eVTOL头。对于其最新的AFP头， MTorres增加了较小、更复杂零件的铺放间隙角，并继续升级其在线检查(OLI-online inspection)，以将最高7公斤/小时的铺放总设备效率(OEE-overall equipment efficiency)提高到 75-85%，或比手动铺放高5-6倍。

MTorres(Torres de Elorz，西班牙)成立于 1975年，旨在为工业流程提供自动化，在25年内交付了89个ATL系统，在16年内交付 70个AFP系统。从2011年起，该公司每两年推出一款新的AFP头,包括:激光基热塑性复合材料、AFP头上的线轴、24丝束头、宽至2英寸的丝束，以及2017年推出的更紧凑、更高角度的头。“但这还不是我们想要的头，”MTorres 机器首席增长官马努·莫蒂尔瓦说。“到 2022 年，我们有了我们所说的eVTOL头，它有八根丝束，角度至少为40-45°，可以获得更大的间隙，制造更小、更复杂的零件。它将我们的旋转刀具保持在头中——伺服驱动，而不是气动——最小切割长度为100毫米，集成在线检测（OLI），可用于龙门架或机器人。”

MTorres AFP机头主要用于关键零件的高规格生产，但尺寸较大且几何结构不太复杂（例如，空客A350机翼和机身、波音 787 机翼）。“对于A350，我们每小时铺设100公斤，”Motilva指出，“但有了这个eVTOL头，我们将每小时只铺设5-8 公斤，但整体设备效率非常高，达到85%。”传统上，AFP机器只铺设了一半的使用时间：25%是手动检查，12%是停机时间，7%是维护，7%是重新装载预浸带卷轴。莫蒂尔瓦说：“然后，我们将线轴集成到机头中，这样操作员就可以使用自动机头更换装置在机器外并行重新加载，使总设备效率(OEE)达到 68%。到2019 年，我们添加了在线检测(OLI)，总设备效率(OEE)达到75-85%，这相当于新型高角度AFP机头的7公斤/小时，比手动铺放高5-6 倍。”

莫蒂尔瓦说：“这些是波音、空客和其他复材零件制造商非常关注的指标，而不仅是铺设得更快。”

“我们已经以每分钟2400-4000英寸的速度铺设。通过这种方式，生产率不会提高两倍，而是通过在总体运行时间内增加铺设部分。所以现在，有了在线检测(OLI)，我们的铺设速度提高了1.5倍。到目前为止，我们从先进空中机动(AAM-advanced air mobility)制造商那里得到的关于这种新型eVTOL头的反馈是，这正是他们所需要的。”

升级版在线检测（OLI）

如上所述，MTorres 已经为AFP推出了在线检测(OLI），莫蒂尔瓦表示：“但我们需要将其升级为 1-、 2-和 4-胶带 ATL，这在高速生产中效果良好。”。“在线检测(OLI)硬件是标准的：滚筒后面的激光线投射到复合材料铺层上，相机测量激光的高度，带镜子的光学盒提供三角测量来计算胶带高度。关键是我们内部开发的软件，可以精确地显示所有所需的数据。这就像我们 2017 年的方法，但我们的技术就像把 1000个轮廓仪放在滚筒后面，而不是一个轮廓仪。”

新的eVTOL 头与MTorres 的在线检查（OLI）设置（左）兼容，该设置具有 HMI 功能，可帮助用户轻松查看缺陷和铺层位置（如图所示）

他继续说道：“你可以在线查看所有缺陷，并检测异物碎片(FOD-foreign object debris)。”。“我们测量每条胶带的位置，并将其与CAD文件进行比较，当铺层超出公差时，现场向操作员显示，并存储数据以证明竣工零件符合要求的规范。操作员可以在 HMI 中轻松地看到一个阈值或跳跃图，而不是在铺层中定位一个层，黑色对黑色，包括所有层的位置、间隙、重叠、FOD和缺陷测量。它以一种更容易理解的方式为操作员提供了更多关于实际铺放的信息。例如，通过铺层位 置，您可以清楚地看到一个高度图，该图显示了 UD碳纤维胶带的典型 0.2 毫米高度。我们在0.2毫米的高度内进行了五到六次测量，可以在 Z 轴测量到0.03毫米，在 Y 轴测量到0.07毫米，在 X 轴或机器移动轴测量到 0.4 毫米。现在，您有数千个数据集，可以进行大数据分析，我们开始看到这给市场带来的巨大好处。”

添加复合材料：纤维缠绕，3D 打印

Addcomposite（s 芬兰埃斯波）的即插即用（plug-and-place）AFP-XS 头成立于 2018 年，可集成到任何现有的机械臂中，发展迅速——除了热固性预浸料和干纤维外，它还提供热塑性胶带、胶带缠绕、集成过程控制、模拟、在线缺陷检测和有限元分析软件(FEA-Finite element analysissoftware)互操作性，用于其专门构建的Addpath软件，以及用于1-、2-和4-丝束放置的选项。2022年，它展示了来自合作伙伴IND集团（加拿大舍布鲁克）的AFP-XS头戴式cobot，2023年，它推出了用于高速生产复杂零件的4丝束AFP-X系统。

Addcomposites 首席执行官普拉金·卢塔达（Pravin Luthada）表示：“我们在2023年发送了12个AFP系统，并将系统运往中国、沙特阿拉伯、澳大利亚、新加坡，希望很快还会运往印度。”

AFP与细丝绕组的融合

AFP-XS头现在也可以是一个细丝系统。AFP擅长精确放置预浸胶带。它能够在任何位置切割和重新启动，高度控制纤维方向，并施加热量和压力，以创建具有先进定制机械性能的复杂几何形状。同时，细丝缠绕提供了圆柱体和管道的高速生产，其中丝束被拉到旋转芯轴上，该芯轴被引导通过缠绕眼来确定缠绕模式，而主动张力控制能够实现高机械性能的压 实。Addcomposites 的新系统将绕组的散装材料放置与 AFP 的战略性纤维放置相结合。

图2. 自动切换：AFP、灯丝缠绕和3D打印。Addcomposites 的自动切换可以使用其AFP-XS头（顶部）在AFP和细丝缠绕之间快速切换，并使用单个机器人和软件平台使用其新的SCF3D头（底部）进行3D打印。

当从AFP切换到卷绕时，该系统将材料储存转变为张紧筒子架，压实辊导向器用作卷绕眼。这是由一个专门的绕组模块移动的，该模块可以实现多种绕组可能性，包括切割和重新启动。卢塔达说：“对于需要高张力的应用，你可以在AFP头前安装一个附件，将张力增加十倍。”。“同时，我们的 AddPath 软件可以将AFP-XS磁头保持在一定的偏移距离。”

“到目前为止，AFP 软件还不能起到细丝缠绕软件的作用，”他继续说道。“但在AddPath中，你可以在两者之间切换。这种融合为细丝缠绕带来了放置精度和材料自由度，并为 AFP 带来了速度优势，同时也为结构中具有可变材料特性的复杂形状带来了新的多功能性。它还提供了更优化、更高效的生产，以降低成 本。这就是我所看到的系统的发展方向，因为对电机套筒、压力容器和类似几何形状的缠绕有着巨大的需求。公司选择这种系统而不是细丝缠绕机，因为同样的价格，他们也可以获得 AFP。”

添加3D打印。Addcomposites还推出了用于连续纤维3D打印(3-6公斤/小时)的SCF3D- structural continuous fiber/filament（结构连续纤维/细丝3D）打印头，该打印头使用基于挤出的熔融颗粒制造(FGF-fused granulate fabrication)，也可以打印具有短切纤维或不具有增强物的聚合物（9公斤/时间）。配备定向加热和压实压路机，可实现连续纤维 40%的纤维体积分数。卢塔达说：“我们的目标不是航空航天结构件，而是以可持续的方式扩大各行业的自动化复合材料生 产。”

“我们已经提供了喷头之间的自动切换，”他指出， “所以现在你可以在一个平台上在用于 AFP 和细丝缠绕的 AFP-XS 喷头和用于连续纤维3D打印的SCF3D喷头之间切换。它们都是从一个单一的源软件平台上运行的。你可以3D打印储罐内衬，细丝缠绕第一层，然后用热塑性胶带选择性地加固，如果你想的话，甚至可以切换到热固性胶带。”

不断增强能力

卢塔达说，购买Addcomposites第一套系统的公司现在正在升级为热塑性复合材料。“他们继续与我们合作，以提高他们的能力。我们致力于与他们一起进行工艺发展，我们也看到行业对此的需求要高得多。例如，每个航空航天制造商都在寻求自动化铺放工作，而非航空航天公司正在探索在哪里可以使用AFP，各行各业的公司都在探索在哪里使用3D打印。”Addcomposites 的软件对实现这种多流程、多材料生产以及数字化制造至关重要。“每个月，我们的客户都会得到两次更新，” 卢塔达说，“这扩展了他们的能力，不仅用于新流程，还实现了真正的数字双胞胎、数据分析和与人工智能的兼容性。”

Carbon Axis：适用于所有行业的模块化、易于使用的工作站

Carbon Axis由帕维尔·佩罗泰和基埃米·阿维拉·莫里于2018年创立，生产使用XPlace AFP头制造1×0.5×0.5米以下零件的机器人 XCell。它还推出了更大的XCell-M，其部件约为2.5×1.5米，带有新的XPlace2 AFP头。阿维拉·莫里说，这些系统的模块化设计使标准紧凑型机器具有多种选择，包括热固性、热塑性和干纤维带。“我们还可以集成细丝缠绕头和轴，以及用于修剪预成型件的超声波切割。”

图 3. 紧凑型机器，多种选择。XCell是一体式产品，只需一个软件界面，就可以轻松地从热固性塑料（红外加热器）切换到热塑性塑料（热风枪）。

集成的刀具更换器可实现切换过程。佩罗泰说：“你也可以有第二个 AFP 头来放置多种材料。”。“一种可以有碳纤维，另一种可以是玻璃纤维，机器会自动在两者之间切换，以完成编程的铺放。carbon Axis 机器已经组装好，可以支持所有这些不同的选项，因为需求不断变化，所以可以随时添加。”

阿维拉·莫里说：“标准XCell机器使用带有红外加热器的热固性预浸料。”。“要加工低熔点热塑性塑料，如聚酰胺（PA）和聚丙烯（PP），只需换成热空气枪，热空气枪的温度高达 300°C。我们可以包括一个加热板（例如 120°C）来粘合第一层。我们目前不加工 PEEK 或 PEKK，因为激光加热增加了成本和安全要求。我们希望保持系统简单，将 XCell 作为一个整体运输，只需插入即可。”

启用软件

XLay软件

佩罗泰说：“XLay软件是为任何人设计的，即使没有机器人经验。”。“你只需遵循它提供的步骤。在模拟中为简单零件编程和构建铺放也很容易。但当你进行困难的铺放时，你也可以使用更先进的功能。半天后，用户就可以开始编程了；还需要一天的时间来完成机器和软件的培训。我们的客户应该能够专注于制造零件，而不是花时间为机器编程。”

“你所做的任何更改都会实时自动更新，所以你不必等待或预先计算任何内容，”他继续说道。“你可以在一个软件中完成所有路径层模拟和机器代码导出。一切都在一个界面中，因为机器是用软件设计的，反之亦然。”与Addcomposites类似，该软件基于Rhino，与传统的大型AFP机器软件相比，年许可证价格低于5000欧元，这可能每年花费高达100000欧元。

佩罗泰指出，在线检测也在集成中，使用了Edixia Automation的传感器。“硬件是标准的，但困难的部分是让软件接受检测 AFP 缺陷的培训。通过与 Edxia Automation 合作，我们已经有了一个可以检测重叠和间隙、外来物等的工作软件。”

XCell-M和XPlace2。佩罗泰说：“XCell-M可以使用一个中等有效载荷（例如50公斤）的机器人和我们的AFP头来实现更大的零件，AFP头使用相同的控制器，因此您可以根据您制造的零件类型进行交换。”。“XPlace非常紧凑，可以实现非常复杂的功能，而多线轴XPlace2可以实现更高速度的简单零件生产。”

XPlace2 AFP头可根据需要交换不同配置的线轴系统。

然而，XPlace2 不仅可以将线轴移动到铺放头上，还 可以根据需要选择不同的线轴系统。“我们想要一个标 准的骨架，您可以在其中决定包括哪些模块和多少模块。您可以使用紧凑的两个线轴头来处理更复杂的零件，也 可以使用四个线轴配置来放置较宽的位置。”

阿维拉·莫里补充道：“对于两个头部，我们都做了一切，所以你可以很快交换。”。“对称的头部还允许从左到右馈电，所以你可以在途中和返回途中放置。”她指出，XCell 系统符合与航空航天机器相同的质量规格，但输出较少。佩罗泰补充道，目标是将 AFP 带到航空航天之外，包括体育/娱乐、赛车运动、医疗和工业部门。“这就是为什么我们的目标是成本比传统大型机器人 AFP 系统低 10 倍的多材料、多工艺机器。我们能够用复杂的层压材料研发和生产许多不同的零件，这些层压材料在手动生产时会有很多废料。我们的机器也消耗很少的电力，因为这变得非常重要。”截至 2023 年，Carbon Axis 已经销售了 7 台机器，但由于其新产品和市场需求的增加，已经出现了大幅增长。

科里奥利复合材料：机器人AFP，复杂结构的缠绕专业知识

1998 年，科氏复合材料公司（法国魁北克）为空客公司展示了其第一台自动纤维铺设（AFP）机器。到2010 年， 科里奥利 AFP 公司为赛峰公司制造航空发动机短舱，到 2014 年，他们为空中客车公司生产结构复合材料零件。科氏集团（法国洛里昂）在全球拥有 100 多个 AFP 系统， 并于 2018 年收购了细丝缠绕公司 MF Tech（法国阿根坦）。

2022 年，科里奥利复合材料公司推出了其C1.2机器，为先进复杂的零件提供了比其流行的C1机器更紧凑的机头—它可以安装在直径为1米的凹形模具中，并解决45°斜坡的问题。C1.2还实现了更高的铺放速度>1.5米/秒。科里奥利复合材料公司首席商务官马修·杜普瓦（Matthieu Dupuis）解释道：“复杂零件的铺放速度取决于纤维的进给和在准确的位置上快速切割。”。“否则，您在添加操作后会加速，而在切割时会减速。切割/添加速度已提高到 1 米/秒。我们使用剪切机来实现更清洁、更快的切割。”

C1.2 筒子架可容纳高达15公斤的筒子，可容纳三倍多的材料，还可使用比典型的 220/280 克/平方米（丝束预浸料高达800克/平方米）更厚的材料，以进一步提高生产率。提供三个红外线灯作为高速热固性预浸料铺层的标准，而干纤维和热塑性材料只需要一个激光器。对于后者，提高了压实压力，以减少原位固结过程中的孔隙率。

图 4. C1.2 AFP、CPico和MF技术系统C1.2紧凑型AFP系统可实现复杂的高级铺放（顶部），而CPico将单拖AFP头与FFF和FGF 3D打印（中间）相结合。MF Tech的业务现在在科里奥利现场，为机器人缠绕和混合系统提供新的可能性（底部）。

C1.2 还具有改进的可维护性。“这是基于我们客户的反馈，”杜普瓦说。“您不需要任何工具来清洁或维护机器。一切都是为操作员设计的，以快速解决制造过程中的任何问题，这一点很重要。”此外，在更换刀片之间的较长时间内，每个切割刀片最多可实现 100000 次切割，并且无需平台即可进入筒子架。

CPico。科里奥利复合材料公司也在开发CPico，它使用自动换刀器将 AFP 和 3D 打印结合在一个紧凑的机器人系统中。该公司今年将向工业和研究团体提供机器。

对于AFP，CPico将提供一个紧凑的单胶带头，用于处理从标准 6.35 毫米到 1 毫米的胶带宽度，从而实现局部和高度定向的额外加固以及非常紧凑的转向半径。

对于3D打印，CPico将提供熔融丝制造（FFF- fused filament fabrication）和热塑性颗粒的 FGF（- fused granulate fabrication）挤出。任何商业长丝都可以与 FFF 头一起使用，而 FGF 的颗粒可以用短切纤维（高达 35%）增强。这两个打印头设计用于提供高温聚合物的原位固结，例如具有小于 1%孔隙率和高结晶度的聚芳基酮（PAEK）系列材料，以获得高级复合材料级机械性能。

机器人细丝缠绕。2023年，MFTech的业务转移到科里奥利工厂。杜普瓦说：“现在对细丝绕组的需求很大，主要是在 H2 储罐中，也有管道和管道中。”。“我们现在在一个地方拥有机器人 AFP 和细丝缠绕方面的所有专业知识，包括两家公司的资源和支持团队。如果客户想要一台带有 AFP 和细丝绕组的机器，那么我们可以做到。我们有一个实验室，里面有所有的机器，可以制作原型和演示。我们已经与我们的新组织一起制造并交付了三台新的机器人缠绕机。”

杜普瓦说：“公司正在努力为接下来的事情做准备。”。“热塑性复合材料，结合了缠绕和 AFP、增材制造以及这些和其他工艺的混合——我们正在将这些模块组装在一起，以在一个地方满足所有这些要求。公司正在寻技术突破，灵活并能够为其服务非常重要。”

开放式纤维系统，最简单地进入AFP

机械结构专家 M&A Dieterle（德国Ottenbach）于 2015 年成立了其复合材料业务部门。其开放式纤维系统产品组合包括AFP头、放置系统和模块化胶带生产线。M&A Dieterle开放纤维系统复合材料主管本杰明·格里辛表示：“我们的重点是保持技术尽可能简单，这样公司就可以很容易地启动并向上发展。”。“他们可以从我们的CrossLayer机器开始，该机器可以使用我们的任何放置头，这些放置头可以在几分钟内更换。你也可以将我们的放置头放在协作机器人(cobot-collaborative robot)或工业机器人上。一切都是模块化和开放的，这样你就可以根据需要对其进行修改。我们不会隐瞒信息，因为这会减缓技术进步所需的发展。”

图 5. CrossLayer 2.5D AFP。设计简单易用—编程是起点和终点的列表，训练时间不到 4 小时—这个 2.7×1.9×1.9 米的基线系统具有一个连接到床区的预制棒铺设框架，该框架在AFP头下方移动，AFP头可以旋转 360°，并与运动活塞一起上下移动，以适应2.5D形状。

CrossLayer 2.5D AFP

CrossLayer是与斯图加特大学飞机设计研究所共同开发的一种基于龙门架的系统，其基线版本的尺寸为 2.65×1.87×1.85 米，其中预成型件铺设框架通过磁铁连接到床区。复合材料胶带由一个可以旋转 360°但在框架移动时静止不动的头施加到该框架上，就像在定制的纤维铺设机中一样。目前，放置头包括干纤维、热固性预浸料和渗透丝束预浸料，这是一种我们稍后将介绍的特殊产品。预浸料坯和干纤维头相似，使用红外（IR）热源，最小叠层长度分别为 40 毫米和 120 毫米。格里辛承认：“你不能精确地填充一个矩形角落，但我们接受这个缺点，以保持系统简单。”

“我可以向别人展示如何在半天内运行这台机器，”他继续说道。“你输入一个起点和终点列表，按‘转 换’，然后将铺放程序加载到机器中。查看铺放参数和如何加载胶带可能需要一个多小时。”CrossLayer 主要为 2D 铺放设计，但由运动活塞激活的头部将适应2.5D 形状。格里辛解释道：“波浪形工具只会将头部向上推。”。“头部也将进行调整，以放置在另一个预成型件或夹芯上。”

M&A Dieterle 的渗透丝束预浸技术能够使用不同的树脂和纤维制造少量 AFP 胶带。

渗透式预浸料

为满足不同项目对少量AFP胶带的需求，开发了渗透丝束预浸料的第三种放置头。它使用由 IFB 开发的穿孔线轴和展开的牵引带。对于真正的内部材料开发，胶带可以使用M&A Dieterle 的 UDfixed Tow Line制成，该牵引线包括展开一卷纤维（如15-50K碳纤维、亚麻纤维等）、展开、施加粉末粘合剂、加热粘合剂、冷却胶带并倒带到 AFP 卷轴上的模块。这种缠绕在穿孔卷轴上的胶带被放置到成形容器中。然后将预先测量的注入树脂倒入线轴中心，将容器关闭并置于真空下，树脂渗入胶带。格里辛说：“树脂含量由 UDfixed Tow Line 中使用的胶带和粉末粘合剂的量来控制。”。“每种材料都有一个自然的平衡。粉末粘合剂充当流动介质，在缠绕的胶带之间保持间隙，帮助树脂渗透。胶带会吸收一定量的树脂，从而产生45-50%的纤维体积。”

格里辛说：“你可以使用你想小批量生产的树脂和纤维，这是大供应商不可能做到的，因为他们需要至少1-2吨或收取很高的价格。”。“浸润器丝束头主要是为我们的缠绕机开发的，将于今年晚些时候交付给客户。”目前，他的公司还没有使用热塑性塑料，其放置技术使用第三方软件。“我们的目标是实现模块化、价格合理的功能，公司可以使用这些功能来制造用于输液或热压罐 / 烤箱固化的预成型件，并使用各种材料和工艺。”

Conability多材料/工艺3D工作站

Conability(Herzogenrath，德国)成立于2015年，生产具有现场固结(ISC- in-situ consolidation)和模块化、多材料3D胶带铺设和缠绕工作站的交钥匙、激光安全的2D TPC胶带铺设工作站。后者的3D多材料喷头自2018年开始上市，可以集成到现有的机器人 中，以高达 1 米/秒的速度铺放。Conability 联合创始人/管理合伙人迈克尔·埃蒙斯(Michael Emonts)指出：“我们已经交付了集成的机器人生产工作站，包括缠绕轴、加热上置台、经过认证的激光安全外壳和CAM软件。”

图 6. 多功能3D单元。Conability的生产系统是交钥匙机器人工作站，可以通过专用CAM软件和在线检测在3D叠层和缠绕中在基于激光的TPC 和红外加热的热固性材料之间切换。

多种材料，加工工作站

埃蒙斯说：“我们的大多数客户都希望使用现场固结(ISC)处理 TPC胶带，即激光辅助胶带缠绕。”。“这对生产各种管道来说是有意义的，但我们的系统也可以缠绕热固性丝束，这对生产例如电机薄壁转子套很有吸引力。这种多功能性对研究小组来说很好，但也适用于批量生产。我们的客户从热固性缠绕开始，然后通过添加激光源、光纤和其他一些工艺部件。头和控制系统中的所有接口都已集成，用于添加激光器。我们也有客户使用TPC胶带生产零件，然后希望添加热固性绕组。使用我们的系统，他们可以将激光换成红外加热器，这需要4-5分钟，而且非常直观。我们的控制系统还自动检测插入了什么热源，并将人机界面(HMI-human machine interface)切换到不同的模式，以便用户看到正在使用的功能。”

使用SWMS开发的CAM 软件。

多流程数字化

Conability最近与SWMS（德国奥尔登堡）合作开发了专用 CAM 软件。Conability联合创始人/董事总经理凯·费希尔（Kai Fischer）解释道：“我们通过一个缠绕路径规划模块增强了2D和3D布局。”。“这使得能够对复杂路径进行离线编程。例如，氢气压力容器可以有30-60 层，每层都有不同的缠绕角度，而围绕圆顶缠绕也非常复杂。该软件接收带有模具/心轴几何形状和层结构的 CAD 文件，然后自动创建机器人涂抹器系统的程序，同时考虑工艺参数和碰撞控制。”

该软件还可以在线测量所有工艺参数，例如激光功率、热输入、固结力、胶带张力和胶带特性。埃蒙斯说：“我们可以定义质量界限，如果材料超过这些界限或出现问题，系统会发出警报。”。“该过程可以立即停止，以防止零件报废。”这种高速过程监控与 TPC 系统激光加热的闭环控制相结合。埃蒙斯解释道：“用户不定义激光功率，而是定义所需的温度。”。“在铺放或上卷过程中，工艺速度是否因几何形状而变化并不重要，即使在最大工艺速度下，系统也始终将所需温度保持在±5°C 以内。”

Conability 还提供软件模块，以实现每个制造零件的数字孪生。费希尔指出：“我们最近与一家汽车制造商合作，制造了现场固结（ISC）热塑性嵌件，以增强注塑零件。”。“与已经具有成本效益的短玻璃纤维增强组件相比，这降低了成本、二氧化碳足迹和重量。除了在主要负载路径上只使用少量 TPC 外，我们的软件还能够在整个生产链上对所有质量相关的材料和工艺数据进行零件单独映射，以提高材料效率、成本和可持续性。我们的生产系统通过 OPC-UA 连接到客户制造执行系统（MES-Manufacturing Execution Systems），实现质量数据的提取和分析。”

费希尔说：“我们正在提供一个完整的解决方案，包括机械铺设和缠绕系统，以及用于过程控制和数据分析的软件，以便公司为生产做好准备。”

Conability 已在全球销售了 8 套多材料、多工艺机器系统，预计 2024 年将交付 12 套以上的系统，用于包括氢罐在内的一系列项目。埃蒙斯说：“我们正在与大公司合作，使用我们为热固性丝束预浸料发明的高速缠绕技术，设计一种新的氢气压力容器。”。“这种缠绕方式比目前生产高质量压力容器的工艺快很多倍。我们希望在明年晚些时候推出。”

AFPT推进TPC绕组大规模生产

Advanced Fibre Placement Technology(AFPT，Dörth， Germany)成立于 2003年，由共同所有者兼董事总经理柯尔特角(Coert Kok)在荷兰创立，旨在将激光辅助TPC缠绕在欧洲商业化。随后，他与德国亚琛的Fraunhofer IPT合作开发闭环控制系统，并于2007年与合作伙伴在Dörth成立了AFPT GmbH。他说：“起初，我们完全专注于研发，让人们知道如何使用原位固结的热塑性复合材料。”。“但现在我们几乎只为工业界工作。”

Alformet 的成立旨在生产热塑性复合管、管道和压力容器。

柯尔特角还创立了Alformet（德国Dörth）制造零件。“AFPT 是一个机器制造商，”他解释道。“但客户会要求我们在投资设备之前先生产小系列零件，所以 Alformet会处理这一问题。”

卢卡斯·西卡雷利是Alformet的董事总经理。他补充道：“我们的长期愿景是将热塑性复合材料管材商品化。”。“但因为我们不断生产零部件，我们可以改进 AFPT 设备。”

工业制造系统

柯尔特角说：“我们正在制造每年生产 50 万台或更多的机器。”。市场包括体育用品、电动工具、汽车泵和某些零部件、海上管道和自动化机器。西卡雷利说：“它非常广泛和复杂，每个行业的要求都非常不同。”。一个市场是电动机中的转子套，其需要具有低成本点的非常薄壁的结构，并且需要短的生产时间。“因此，我们没有一台机器可以用多种材料和附加组件做不同的事情，而是在尽可能快速高效地做一件事的系统中找到了立足点。”

图 6. 多轴TPC绕组。AFPT的基于激光的ISC工作站现在是多主轴的，从机器人转向CNC控制，实现24 小时、可靠的批量生产。

柯尔特角说：“所以，你必须以完全不同的方式制造你的机器，这会影响它的价格。我们的机器现在是多主轴（最多五个），设计为每天 24 小时运行。我们也不再使用机器人操纵放置头，而是使用更多的CNC 控制。”“机器人变得不够快或不够准确，无法进行大规模生产。”这也影响了过程控制。西卡雷利指出：“我们承受不起过程的不稳定，比如温度的波峰和波谷。”。“我们的控制系统负责处理这一问题，在保持恒定温度的同时处理角落或复杂的几何形状。”

柯尔特角说：“我们采用这种闭环过程控制已经有很长一段时间了。”。“最大的区别是，我们现在正在解决这些工业机器的复杂生产问题，这些机器必须连续运行。” 西卡雷利对此表示赞同，并指出，“我们必须使这些系统可靠且易于使用，因为我们正在与从未与 AFP 合作过或绕组的公司一起开拓新市场。”

多个激光器

这是最近的发展，旨在解决在高速率生产中制造得 更复杂的TPC 零件的基于激光的现场固结（ISC）问题。柯尔特角说：“很多人认为，如果你增加更多的激光功率，你可以走得更快。”。“但这并不总是正确的，因为一些 表面和材料吸收的能量比其他表面和材料少。我们正在 使用多个激光器来推进这一点，例如在我们的海上油管 无极缠绕机中。它必须与我们的过程控制相集成，这就 需要存储更多的数据，并能够处理这些数据，以尽可能 快地进行。”

但是多个激光器不贵吗？柯尔特角说：“如果你进行大规模生产，它实际上是最便宜的能源之一。”。“能量的强度如此之高，比红外、热气或其他热源的速度要快得多。激光在工业中也更受欢迎，因此每千瓦的价格正在下降。如今，4千瓦的激光器的价格是10年前2.5千瓦激光器的四分之一。”

胶带供应、氢气和速度与湿法缠绕。柯尔特角表示， TPC 胶带的供应在可用性和质量上都趋于稳定。“现在有胶带供应商不仅专注于航空航天材料，还专注于更实惠的工业材料。TPC 胶带的总体质量相当成熟，而且有必要的数量，但这可能会随着电动汽车和氢压力容器市场的不同而改变。”

柯尔特角说：“我们已经在氢方面做了很多工作，这是一个巨大的机会。”。在这里，他指的是 IV 型储罐，其中热塑性衬里用热固性复合材料层压板包裹。“我们称我们的产品为 IV+型，因为我们实现了内衬和 TPC 层压板之间的融合，这带来了一些优势，包括回收利用。”

但是，与使用湿树脂的细丝缠绕相比，TPC胶带缠绕的速度更低呢？“我们将在未来2-3年内变得有竞争力，”柯尔特角说。“我们还可以进行局部加固，从而实现完全不同的设计。”

持续竞争、增长

新的AFP供应商扩大了复合材料市场，这反过来又创造了更多的发展机会。MTorres 的莫蒂尔瓦表示：“我认为竞争非常激烈，因为它将技术提升到了一个更高的水平。”。Alformet的西卡雷利对此表示赞同，并指出：“我们在市场上相辅相成，从成本较低的小型机器到设计用于大规模生产的机器。”

“我不认为其他AFP供应商是竞争对手，” 柯尔特角说。“我们都在共同发挥复合材料的潜力，就我们而言，就是热塑性复合材料。同样重要的是，我们的客户要看到有多个潜在的设备供应商。然后由他们来决定什么最适合他们的需求。但市场正在蓬勃发展，因为公司开始发现热塑性合成材料的潜力。”AFP 在所有复合材料中提供的潜力。

注：原文见《 The next evolution in AFP 》 2024.1.26

杨超凡 2024.1.27

本文经译者同意发布