自動化鋪絲技術正發展為更緊湊、靈活、模塊化且數字化的系統,同時具備多種材料和工藝處理能力。
AFP技術的最新發展
(左上角,順時針方向) Addcomposites 于2023年推出了其4束AFP-X頭部;Carbon Axis為其XCell AFP系統增加了纖維纏繞功能;MTorres推出了新型緊湊型eVTOL AFP頭部,具備更新的在線檢測(OLI)功能;M&A Dieterle為AFP新進入者提供了一系列選項,包括用于協作機器人的頭部。
(來源:Addcomposites、Carbon Axis、MTorres 和 M&A Dieterle)
隨著復合材料行業的不斷成熟,手工疊層的多層和復雜層壓板逐漸被自動鋪帶(ATL)和自動鋪絲(AFP)技術取代。這些技術通常使用碳纖維預浸絲束(預浸無捻紗)或切割成精確寬度的單向預浸帶,有時也會使用干纖維帶并通過熱塑性粘合劑將其固定在一起。近年來,各大企業競相推出創新的AFP系統,不斷提升工藝的精度、效率和多功能性。這些技術進步不僅加快了復雜部件的生產速度,還引入了如細絲纏繞和3D打印等集成功能,滿足了市場對輕量化、高性能材料日益增長的需求,促使復合材料制造進入了一個新的發展階段。
高角度 eVTOL 頭
MTorres在其最新的AFP頭部設計中,增加了針對更小、更復雜部件的鋪層間隙角度,并持續升級其在線檢測(OLI)系統,將整體設備效率(OEE)提升至75-85%。該系統的鋪層速度可達7公斤/小時,比傳統的手工鋪層效率提高了5至6倍。
(來源:MTorres)
MTorres(Torres de Elorz,西班牙)成立于 1975 年,專注于為工業流程提供自動化解決方案。在過去的 25 年中,MTorres 已交付 89 個 ATL 系統,并在 16 年內交付了 70 個 AFP 系統。自 2011 年以來,該公司每兩年推出一款新的 AFP 機頭,包括用于熱塑性復合材料(TPC-thermoplastic composites)的激光加熱 AFP 機頭、機頭上的線軸、24 絲束機頭、寬至 2 英寸的絲束,以及 2017 年推出的更加緊湊和高角度的機頭。
盡管如此,2017 年推出的機頭并未完全滿足預期。到 2022 年,公司推出了 eVTOL 機頭,具備八根絲束,角度至少為 40-45°,能夠在更大的間隙下制造更小、更復雜的零件。該機頭配備了伺服驅動的旋轉刀具,最小切割長度為 100 毫米,并集成了在線檢測(OLI),可用于龍門架或機器人。這些特點使得 eVTOL 機頭能夠在更加復雜的幾何形狀上高效運行。
MTorres 的 AFP 機頭主要用于生產關鍵的高規格零件,特別是尺寸較大且幾何結構相對簡單的零件,如空客 A350 的機翼和機身、波音 787 的機翼。對于 A350,每小時的鋪設量可達到 100 公斤。然而,eVTOL 機頭每小時的鋪設量雖僅為 5-8 公斤,但設備整體效率卻非常高,達到了 85%。
傳統的 AFP 設備由于需要手動檢查、停機、維護以及重新裝載預浸帶卷軸,通常只有一半的時間用于實際鋪設。MTorres 通過將線軸集成到機頭中,使得操作員可以在機器外并行重新加載,借助自動機頭更換裝置,將總設備效率(OEE)提高至 68%。到 2019 年,隨著在線檢測(OLI)的添加,總設備效率進一步提升至 75-85%,相當于新型高角度 AFP 機頭的鋪設速度達到了 7 公斤/小時,效率是手動鋪放的 5-6 倍。
這些效率指標對于波音、空客以及其他復合材料零件制造商而言尤為關鍵,不僅僅是為了加快鋪設速度。MTorres 已經實現了每分鐘 2400-4000 英寸的鋪設速度,但生產率的提升并非僅僅依賴于鋪設速度的加倍,而是通過增加總體運行時間內的實際鋪設部分而實現的。有了在線檢測(OLI),鋪設速度進一步提高了 1.5 倍。到目前為止,從先進空中機動(AAM)制造商處獲得的關于 eVTOL 機頭的反饋表明,這種新型機頭正好滿足了他們的需求。
MTorres 已為 AFP 系統引入了在線檢測(OLI)功能,且計劃將此技術擴展至 1、2 和 4 條膠帶的 ATL 系統,以提升高速生產的效果。OLI 系統的硬件配置經過標準化,包括位于滾筒后方的激光線投射裝置,該裝置將激光投射到復合材料鋪層上,隨后通過相機測量激光的高度,并利用帶有反射鏡的光學系統進行三角測量,從而計算膠帶的高度。關鍵技術在于內部開發的軟件,能夠精確呈現所需的所有數據。該方法類似于 2017 年的方法,但在技術上實現了顯著進步,如同在滾筒后方布置了大量輪廓儀,而非僅僅一個。
MTorres的新型eVTOL頭部與其在線檢查(OLI)系統兼容,該系統具備人機界面(HMI)功能,用戶可以通過這一界面輕松查看缺陷和鋪層位置(如圖所示)。這一集成設計顯著提升了操作的直觀性和效率。
此外,該系統能夠實時監控并檢測鋪層中的缺陷和異物碎片(FOD)。每條膠帶的位置都會被測量,并與 CAD 數據進行比對,當鋪層超出公差范圍時,系統會即時警示操作員,并記錄數據以確保零件符合規格要求。操作員通過人機界面(HMI)能夠輕松查看閾值圖或跳躍圖,而無需費力尋找黑色鋪層中的每一層。此類圖表能夠展示層的位置、間隙、重疊、FOD和缺陷測量結果,以更為直觀的方式為操作人員提供詳細的鋪放信息。
此外,通過鋪層位置數據,可以獲得高度圖,顯示UD碳纖維膠帶的典型0.2毫米高度。系統在此高度范圍內進行了多次測量,在Z軸上實現了0.03毫米的測量精度,在Y軸上達到了0.07毫米,而在X軸或機器移動軸上則達到了0.4毫米的精度。憑借這些海量數據,進行大數據分析成為可能,目前已開始看到這一技術對市場產生的顯著積極影響。
Addcomposite(位于芬蘭埃斯波)于2018年推出了其即插即用的AFP-XS頭模塊,該模塊可無縫集成到任何現有機械臂中,并且在發展過程中取得了顯著的進展。除了傳統的熱固性預浸料和干纖維應用外,該系統還支持熱塑性膠帶、膠帶纏繞,以及集成過程控制、仿真、在線缺陷檢測和有限元分析(FEA)軟件的互操作性,所有這些都能夠在專門開發的Addpath軟件中運行。此外,該系統還提供了1束、2束和4束纖維的放置選項。2022年,Addcomposites展示了來自合作伙伴IND集團(位于加拿大舍布魯克)的AFP-XS頭戴式協作機器人,2023年,該公司推出了用于復雜零部件高速生產的4束AFP-X系統。Addcomposites的首席執行官普拉金·盧塔達(Pravin Luthada)透露,2023年公司共發出了12個AFP系統,并將其銷往中國、沙特阿拉伯、澳大利亞、新加坡,預計很快還會向印度市場交付。
Addcomposite的AFP-XS頭部現已升級為支持細絲系統,進一步提升了其應用范圍。AFP技術以其在精確放置預浸膠帶方面的卓越性能而聞名,能夠在任意位置進行切割和重新啟動,并具備高度精確的纖維方向控制能力,同時在加工過程中能夠施加熱量和壓力,從而制造出具有先進機械性能的復雜幾何結構。與此同時,細絲纏繞技術則擅長高速生產圓柱體和管道,該過程中絲束被拉伸至旋轉芯軸上,芯軸通過纏繞眼引導來確定纏繞模式,主動張力控制則確保了高機械性能的壓實效果。Addcomposites的新系統結合了AFP的戰略性纖維放置和纏繞的批量材料放置,為復合材料的制造提供了更高效的解決方案。
自動切換:AFP、細絲纏繞和3D打印。Addcomposites的自動切換功能能夠通過其AFP-XS頭(頂部)在AFP和細絲纏繞之間進行快速切換,同時還可以通過同一個機器人和軟件平臺,利用其新的SCF3D頭(底部)進行3D打印。這種集成設計使得多種制造工藝可以在單一系統中實現。
此外,Addcomposites還推出了用于連續纖維3D打印的SCF3D打印頭(結構連續纖維/細絲3D),其打印速度可達3-6公斤/小時。這一打印頭采用基于擠出的熔融顆粒制造(FGF)技術,還能夠打印含有短切纖維或無增強材料的聚合物(9公斤/小時)。該系統配備了定向加熱和壓實壓路機,使連續纖維的體積分數達到40%。盧塔達表示,公司并非專注于航空航天結構件,而是旨在以可持續的方式擴大各行業的自動化復合材料生產。他指出,公司已經實現了噴頭之間的自動切換功能,因此現在用戶可以在同一平臺上切換用于AFP和細絲纏繞的AFP-XS噴頭,以及用于連續纖維3D打印的SCF3D噴頭。這個統一的平臺使得用戶可以3D打印儲罐內襯,細絲纏繞第一層,然后選擇性地用熱塑性膠帶進行加固,甚至可以在需要時切換到熱固性膠帶。
Carbon Axis(位于法國拉羅謝爾)由帕維爾·佩羅泰(Pavel Perrotey)和基埃米·阿維拉·莫里(Chiemi Avila Mori)于2018年創立,專注于生產用于制造尺寸小于1×0.5×0.5米零件的機器人工作站XCell。該公司還推出了更大尺寸的XCell-M,約為2.5×1.5米,并配備了升級版的XPlace2 AFP頭部。阿維拉·莫里指出,這些系統的模塊化設計使得標準緊湊型機器具備了多樣化的選項,能夠處理熱固性、熱塑性和干纖維帶。此外,該系統還能夠集成細絲纏繞頭部和軸,以及用于修剪預成型件的超聲波切割裝置。
XCell是一款緊湊型一體式設備,具有多種選項,只需通過一個統一的軟件界面操作,用戶便可輕松從熱固性塑料加工(使用紅外加熱器)切換到熱塑性塑料加工(使用熱風槍)。這種設計大大簡化了操作流程,提高了系統的靈活性和適用性。
集成刀具更換器使得不同工藝之間的切換更加高效。此外,系統還可以配置第二個AFP頭,以便放置多種材料。例如,一個頭部可以用于碳纖維,另一個則用于玻璃纖維,機器將自動在兩者之間切換,以完成編程的鋪放操作。Carbon Axis的機器設計已充分考慮到這些選項的支持,因此可以根據需求的變化隨時進行功能擴展。根據阿維拉·莫里的描述,標準的XCell機器使用帶有紅外加熱器的熱固性預浸料來進行加工。如果需要加工低熔點的熱塑性材料,如聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP),只需將加熱源更換為熱空氣槍,溫度可高達300°C。此外,該機器還可以包含一個溫度可達120°C的加熱板,以便粘合第一層。但目前不加工PEEK或PEKK材料,因為激光加熱會顯著增加成本和安全要求。公司希望保持操作的簡單性,使XCell作為一個整體系統進行運輸,用戶只需完成簡單安裝即可開始操作。
1998年,科氏復合材料公司(位于法國魁北克)為空客公司展示了其首臺自動纖維鋪設(AFP)機器。到2010年,科里奧利AFP公司為賽峰公司制造航空發動機短艙,并在2014年開始為空中客車公司生產結構復合材料零件。科氏集團(法國洛里昂)在全球范圍內已部署了超過100臺AFP系統,并于2018年收購了細絲纏繞公司MF Tech(法國阿根坦)。2022年,科里奧利復合材料公司推出了其C1.2機器,該設備相比于廣受歡迎的C1型號,具備更緊湊的機頭,適用于直徑為1米的凹形模具,并能夠應對45°斜坡的問題。C1.2的鋪放工作大于1.5米/秒,達到了更高的速度。
C1.2的筒子架可容納最多15公斤的材料筒子,較傳統系統增加了三倍的容量,還可使用重量高達800克/平方米的絲束預浸料,比典型的220/280克/平方米材料更厚,從而進一步提升生產率。該系統標配三個紅外線燈用于高速熱固性預浸料鋪層,而干纖維和熱塑性材料則僅需一個激光器。此外,系統還提高了壓實壓力,以減少原位固結過程中的孔隙率。
C1.2 AFP、CPico和MF Tech系統:C1.2緊湊型AFP系統能夠進行復雜的高級鋪放操作(頂圖),而CPico則將單束AFP頭與FFF(熔絲制造)和FGF(熔融顆粒制造)3D打印相結合(中間圖)。目前,MF Tech的業務已整合到科里奧利的運營中,為機器人纏繞和混合系統提供了新的應用可能性(底部圖)。
對于3D打印,CPico系統支持熔融絲制造(FFF)和熱塑性顆粒的熔融顆粒制造(FGF)擠出。該系統可兼容所有市售的長絲用于FFF打印頭,同時FGF打印頭可使用增強了短切纖維(含量可達35%)的顆粒。兩個打印頭均設計用于高溫聚合物的原位固結,例如聚芳基酮(PAEK)系列材料,其結晶度高且孔隙率小于1%,從而實現高級復合材料級的機械性能。
在機器人細絲纏繞方面,2023年,MF Tech的業務已并入科里奧利工廠。科里奧利復合材料公司首席商務官馬修·杜普瓦(Matthieu Dupuis)表示:“目前市場對細絲纏繞的需求非常大,主要應用于氫氣儲罐,也包括在管道和導管領域。我們現在在同一個地方集成了機器人AFP和細絲纏繞的所有專業技術,并結合了兩家公司的資源和支持團隊。如果客戶需要一臺同時具備AFP和細絲纏繞功能的機器,我們可以實現。我們的實驗室配備了所有相關設備,用于原型開發和演示。我們已經與新團隊合作,成功制造并交付了三臺新的機器人纏繞機。”
杜普瓦進一步指出:“公司正積極準備未來的發展,特別是在熱塑性復合材料領域,結合了纏繞、AFP、增材制造以及這些和其他工藝的混合技術。我們正在將這些模塊集成在一起,以滿足各種需求。公司正在尋求技術突破,靈活性和服務能力是關鍵。”
新的AFP供應商的加入正在擴大復合材料市場,從而創造了更多的發展機會。Addcomposites、Carbon Axis和MTorres等公司紛紛出新,結合了細絲纏繞和3D打印等多種功能,顯著提高了生產效率和材料利用率。MTorres的新型eVTOL頭部和升級的在線檢測系統(OLI)大幅提升了整體設備效率,而科里奧利復合材料公司通過C1.2系統和與MF Tech的整合,為機器人纏繞和混合系統提供了新的可能性。市場上的AFP供應商正在相互補充,從小型低成本設備到大規模生產解決方案,滿足了不同客戶的需求。雖然競爭激烈,但各公司共同推動了復合材料尤其是熱塑性復合材料的應用潛力,使得市場蓬勃發展。多樣化的技術選擇和模塊化設計不僅降低了生產成本,還賦予了制造商更大的靈活性和發展空間。
參考資料:Gardiner, G. (2024). The next evolution in AFP. CompositesWorld.