飛機用復合材料的低成本制造設備及工藝 zund s3 m800-熱氣球台中雷射雕刻－游展仲焦點新聞熱搜

波音787已開始交付用戶，A350的格局已定，A320和波音737將重新換發，F-35正進入20年生產初期。飛機將成為下一個10年制造的主角，且將不再是以金屬為主要結構的裝備。
　　材料系統的選擇以及結構設計業已確定，金屬及復合材料之間的平衡也已肯定下來。在這種情況下，制造技術將進一步提高生產效率和降低成本，即使材料及結構方面大的決策已定，在制造方面仍有充分的改進空間。
　　由于空客及波音已將下一代窄體飛機推遲到2020 年以后，復合材料與金屬材料之爭已冷卻下來，即使這樣，先進材料及制造技術的發展仍有機遇，只是不同飛機的機遇不同罷了。
　　例如，對于A320neo 和波音737MAX 這樣的飛機，要改變材料的機遇有限，而結構及技術仍將采用標準形式。但對于A350-1000以及787-10仍有更多的機遇采用新的制造技術。目前仍處在設計中的波音777X有可能做更多的變化，例如，采用碳纖維復合材料機翼。這些飛機在結構及材料決定之后，仍有大量降低及減重以及工藝改進工作。又如，F-35仍在開發中，重點放在制造改進上，大量的手工勞動以及質量問題仍有待改進。例如花大量時間來置入緊固件，由于緊固件類別不同，需要一方面看圖紙，在蒙皮上做標記，然后再將緊固件置入蒙皮。
　　飛機復合材料結構正在開發一系列縮短周期、降低成本的先進技術。例如，從三維設計數據庫中自動取出零件的幾何尺寸數據是飛機制造商的優先項目。當飛機產量大或要求制造精度高時，需要自動化設備進入生產車間進行鋪層、切削加工、鉆孔及在生產線上進行檢驗。
　　鋪層自動化
　　對于復合材料制造來說，自動化是關鍵。碳纖維可提供所需的性能改進，但產量必須提高，成本才能降低。波音787、A350以及F-35投產時就必須提高生產率。隨著從手工鋪層到自動化鋪層，碳纖維在模具上的鋪層就成了關鍵性的推手。
　　鋪層速度至關重要，因為它決定了所需的投資。例如，GKN正在生產A350的機翼后梁以及整體化的后緣肋。每根梁需半噸材料，每月將生產13根梁。碳纖維的價格很高，因此鋪層速度必須高，從而對材料、工藝以及檢驗方面的進步提出了迫切需求。
　　自動化有幾種類型。一種是用機器人對鋪層定位，進行手工鋪層的“定位- 鋪層”；一種是自動化鋪帶法，可鋪平面或微曲面的工件，其速度可以高，但復雜的零件則需要自動化的鋪絲法（AFP）。兩者均需專門的昂貴設備，不過情況正在起變化，例如，已有自動鋪帶與自動鋪絲的組合，以及“挑選- 鋪放”的組合。這樣可以不用AFP 來鋪小件。例如，英國布列斯托爾的復合材料中心正在開發多鋪放頭式機
　　器人，可以在同一時間、同一工件上用不同的技術。
　　英國復合材料中心是使用帶兩個合作機器人鋪放頭的自動化AFP 機器，該設備由法國Coriolis 復合材料公司制造，GKN 公司將其用作下一代復合材料機翼項目。
　　ATK公司也是用德國MAG機器制造公司Gemimi的用戶，Gemimi是一龍門式機器人，可以在幾分鐘內轉換自動鋪絲及鋪帶，方法是轉換及對接機器人。
　　MAG及德國航空航天中心DLR正在開發GroF1，它是在軌道系統上的8個機器人，機器人可以在同一鋪絲機或鋪帶機上工作，每小時可以鋪150kg。
　　在過去，一臺自動鋪放機在更換操作時，必須將機器停下來，更換模具，用手工鋪織物。采用模塊式鋪放頭時，可以不將機器停下更換操作。
　　除自動化鋪層外，自動化鉆孔也值得投資。F-35的外蒙皮90%的孔是自動鉆孔。龐巴迪C 系列的機身段采用龍門式機器人連接。
　　激光加工
　　復合材料構件固化后的切割與鉆孔成為越來越大的挑戰。隨著結構越來越大，切割與鉆孔變得越來越復雜。碳纖維對刀具的磨損很嚴重，并可引起纖維損傷，而噴水切割又會使潮氣進入復合材料。激光加工是一種有前途的解決方案。位于英國利物浦的約翰摩爾大學正在與工業界聯合開發光纖激光器，該激光器成本低、切削速度高，激光束可沿光學纖維移動，易于與裝配機器人實現一體化。該大學利用JK 激光器公司提供的200W光纖激光器進行打孔演示，獲得良好的孔邊緣以及孔表面完整性，這種表面通常由手工噴砂或吹砂處理。除用于切割、切邊以及鉆孔外，其他用途還有激光銑切損傷層板，在復合材料消音襯里上鉆小孔以及熱塑性復合材料焊接。
　　自動化檢測
　　由于隱身的需要，對F-35的外模線要求采用自動檢驗，測量臺階、縫隙以及緊固件的平滑度。隨著結構變得越來越復雜，復合材料的自動化無損檢驗（分層及孔隙）成為關鍵工序。超聲檢驗一般要求浸入水槽或噴水。現在非接觸的激光超聲檢驗，可以進行遠程檢驗飛機構件。空客公司的EADS 創新工廠與法國礦冶學院用超聲激光器檢驗復合材料前機身驗證件，該驗證系統由西班牙Techatom公司提供的鉸鏈機器人將掃描頭在工件上進行大面積掃描以及檢查機身內部結構。短的激光脈沖可使工件快速加熱從而產生超聲波，超聲波的回波由另一激光器接收。CO2 激光器可以向掃描頭導引激光束。
　　復合材料構件的自動化裝配
　　汽車工業用的自動化裝配機器人正進入飛機裝配線以降低成本及節省時間。龐巴迪計劃用6 臺單臂式機器人連接C系列飛機的駕駛艙及機身段，可省40h以上。每一個12t的機器人將用來鉆孔及嵌入緊固件。復合材料結構53s 置入一緊固件，鋁鋰合金結構32s。波音計劃用新的6坐標式自動鉆孔及銑切機進行波音787復合材料機身筒體的裝配。該機器來自德國MAG公司，刀尖用液氦冷卻，以進行平滑的、高速的長壽命切削。德國弗勞恩霍夫機器制造研究所以及先進材料及CFK Nord 研究中心正在研究進一步應用機器人，他們開發一種裝配概念，即飛機切削及裝配在一滾動裝配線上進行，滾動裝配線采用一小的機器人移動機體，連續完成固化、鉆孔及銑削。一個可精確定位大飛機機身段的多用途止動器的關鍵件設計已完成，一個驗證設施將在3年后運轉。
　　低成本非熱壓罐固化工藝
　　復合材料的價值鏈非常短，供應鏈有材料供應商及機器設備供應商。供應鏈內的競爭使成本降低，但要成為供應鏈內的公司，熱壓罐及自動化是進入門坎的障礙。復合材料的成本是企業擴大的障礙，而自動化是推動成本下降的關鍵，要購置這些裝備需要足夠的資金。
　　復合材料非熱壓罐固化（OoA）是在真空袋壓力下爐內的固化，被看作制造大結構件、而又避免用熱壓罐、擴大供應基礎的途徑。非熱壓罐固化雖使工件性能有所降低，但綜合成本效益高。
　　非熱壓罐固化一直因性能不如熱壓罐固化材料而發展受到限制，但新的材料呈現出與熱壓罐固化類似的水平，可用于主承力構件。例如Cytec供應商的復合材料就是如此。龐巴迪正用Cytec公司提供的非熱壓罐固化預浸料系統制造利爾噴氣85的機身。加工時間無不同，成本卻有降低。澳大利亞開發的Qickstep 是一種固化工件的方法，它是在閉合模具內，采用加熱及加壓的液體來固化工件，已開始代替常規的熱壓罐固化，在F-35 上驗證，成本預計可降低30%。
　　具有設計制造能力
　　復合材料結構供應商與金屬材料結構供應商不同，不應只有按集成商圖紙制造的能力，而應同時具有設計制造能力。這是因為復合材料與金屬的性質不同。要充分利用復合材料的比強度、比剛度高，抗蝕性和抗疲勞性能好的優點，在設計初期將這些性能設計到產品中，制成一整體結構件，而非將多個件螺接到一起，但前提是必須了解傳力路徑。
　　結束語
　　本文分析了復合材料低成本制造工藝及設備。指出在降低復合材料成本方面，制造技術有著廣泛機遇，其關鍵是自動化設備。在低成本工藝方面，非熱壓罐技術潛力巨大，代表著未來的發展方向。
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