超高速自动化大型复合材料结构预成型工艺

Loop Technology是开发高速自动化大型复合材料结构预成型工艺的机器的前沿。用复合材料生产新一代环保、可持续的飞机部件尤其是机翼蒙皮和机身部分。未来的复合材料生产技术势必要向复合结构能够实现与金属结构等效且低成本的方向发展。

当前的自动化制造技术，如自动化纤维铺设（AFP）和自动化胶带铺设（ATL），在过去二十年中彻底改变了复合材料用于航空结构部件的制造，但由于其相对较低的生产速率而受到限制。当需要大量生产的大型零件时，必须使用更多的机器，因此，它需要额外的成本和投资，从而导致经济效益差。

新的生产方法将彻底改变复合材料用于航空结构部件的制造领域。一种新的大型零件铺放技术已经逐渐引起了各大航空航天制造商的兴趣，它不再需要铺设一系列丝束，相反，通过中生产完整的层达到一次制造成型的效果。这种制造技术每小时生产超过200公斤的材料。该技术能够减少铺设面板所需的层总数，从而减少铺设预制件所需的时间。例如，目前需要超过100000个单独丝束或胶带的机翼蒙皮在完全铺层的情况下使用该技术可以减少到150个。

除此之外，与其他系统（例如AFP工艺每小时只能生产20kg材料）相比，该技术朝着高容量发展，有可能减少40%的能源消耗，减少30%所需空间，成本降低50%。

图1:一种超高速生产设备FibreFORM

FibreFORM是一种具备超高速生产能力的机器，可以适配自动化工艺系统（见图1）。该机器拾取大块预先切割的织物，将其加工成与模具表面匹配的形状，然后将其放下并以高度可重复的精度重复该过程。

该系统基于一系列横跨单元宽度的样条曲线（见图2）。安装在这些样条上的是控制元件。每一条样条都通过一系列电机进行控制，使系统能够以理论上实现零误差率制造。样条曲线可以独立于其相邻曲面进行操作，实现双曲面。该技术精确的控制系统中材料的剪切行为，从而实现可重复的叠层过程。该技术设计用于处理预浸料和干燥纤维，单独控制的元件使FibreFORM能够拾取和放置各种不同尺寸和形状的帘布层，包括不规则截面和切口。该系统可用于处理宽度达2米的帘布层，长度从0.4米至20米。该技术还包括集成视觉系统，以促进高精度帘布层的定位。高精度系统不依赖于路径跟踪精度，并且对层板和表面几何形状没有要求。

图2:FibreFORM细节展示

与所有制造技术一样，该技术在实际应用中也存在一些问题。例如FibreFORM机器必须与预设层尺寸一样大，并且在生产过程中能耗较高。

干燥纤维在搬运材料时通常需要较高的气流速度以产生升力。根据材料特性，这可能会导致FibreFORM运行成本的增加。这些问题后续的研发过程中加以解决，以提高该技术的可行性，包括拓展其在其他行业中的应用。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。