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        復合織物材料的未來數字化發展道路

        發布日期:2021-04-03 15:23:04 點擊:

        德國航空航天中心(DLR)為自己的工作單元開發了一個靈活的自動化平臺,以構建CFRP航空結構系列,這些結構使用相同的過程-干燥的非卷曲織物,貼放疊層和樹脂灌注-來制造后壓艙壁和 機身面板。不教授協作機器人,而是定義它們自己的無碰撞路徑,以根據CAD和過程定義輸入以及AI算法將切層放置到工具中并將其放置到工具中。這種由AI驅動的自動化是未來智能Composites 4.0工廠的基礎之一。


        復合材料4.0是工業4.0宇宙中的一個小星系,工業4.0是產品和服務如何設計、生產、交付、操作、維護和退役的數字化轉型。復合材料制造的目標是使用自動化、傳感器和數據、5G通信、軟件和其他不斷發展的數字技術,使產品和流程更高效、更智能、更適應。


        復合材料制造商正在沿著一個光譜進行這種數字化轉型。最初的步驟包括在線檢查和優化過程,以減少浪費和成本,同時提高零件質量和產量。更先進的解決方案致力于智能化、自主化的生產,這不僅是敏捷的,而且能夠響應甚至預測不斷變化的市場和客戶需求。


        “復合材料4.0不是終點,而是一種工具,”德國亞琛工業大學AZL Aachen輕質集成生產中心常務董事Michael Emonts博士解釋道。他的iComposite 4.0項目展示了一種自適應過程鏈,有可能將汽車底盤成本降低50-64%


        復合材料部件制造商Dynexa(德國Laudenbach)的總經理Christian Koppenberg認為:“僅僅是數字化與數字化轉型是有區別的。數字化轉型實際上改變了企業背后的流程,并開啟了新的機遇和商業模式?!?/p>


        “復合材料4.0不僅使用機器人,”德國航空航天中心(DLR)輕量化生產技術中心(Augsburg的ZLP)負責人Michael Kupke博士斷言,該中心開發了配備有人工智能[AI]的工作單元 在這里,協作機器人可以從生產復合后壓艙壁切換到機身面板,而無需重新編程或重新訓練?!斑@項技術可確保您不必教機器人,因為這沒有商業理由。復合材料4.0不僅可以提高效率和削減成本。公司如何思考和處理生產方式的變化將決定哪些公司能夠生存,哪些公司不能生存?!?/p>


        自適應預成型:RTM


        “復合材料 4.0項目的想法是通過結合干燥的、長玻璃纖維(25-30毫米)的噴射,然后通過自動纖維放置(AFP)用單向碳纖維網格加固,從成本效益高的碎片和拖塊中創建預制件,”Emonts解釋說?!八x擇的樣板機,在汽車底板下方,之前是用更昂貴的紡織品制造的,這也造成了60%以上的浪費?!?/p>


        復合材料4.0轉換需要集成的纖維噴涂、纖維沉積和隨后的樹脂傳遞模塑(RTM)工藝,這樣他們對彼此的反應和適應基于步驟之間的質量測量部分(圖1)?!拔覀兪褂脵C器視覺系統從Apodius GmbH(德國亞琛)與光學激光傳感器和攝像頭模塊描述的表面拓撲噴預成型,“Emonts說。Apodius對該軟件進行了改進,以分析各個方向的纖維百分比。iComposite 4.0線比較這與數字設計,并決定是否滿足機械要求。如果是,則采用標準的UD網格進行加固。如果沒有,它決定在哪里放置額外的UD纖維層。



        該AZL Aachen led項目將3D纖維噴涂、自動UD膠帶鋪設和RTM結合到一個自適應的工藝鏈中。自動化允許流程基于彼此作出反應


        對預成型質量的影響,采用激光技術對預成型質量進行評價。


        但是,這些額外的UD層可能導致零件厚度和幾何形狀超出公差。他解釋說:“因此,我們將預成型線與自適應RTM工藝相結合,必要時可通過增加壓力機某些零件上的壓力來調節零件厚度?!?nbsp;這也是自動化的,目的是代替生產線操作員的干預,但是它確實需要使用測量數據和標準FEA軟件模擬零件性能。


        “目前,零件力學性能的模擬是離線進行的,”Emonts說?!拔覀兩闪艘粋€過程和部件變化的數據庫,創建了算法來對每個變化做出反應,并通過FEA驗證這些變化。因此,基于由線測量的變化,算法指導它執行適當的緩解。為了使這條線能夠原位自適應,下一步將是增加機器學習。與此同時,AZL正在進行多個復合4.0項目,包括自優化混合熱塑性復合材料的生產,以及帶有基于帶的定制坯料的集成加勁的注塑件。


        零缺點碳纖維增強塑料機翼皮


        ZAero項目是另一個重要的復合材料 4.0項目,于2016年啟動。該項目旨在提高大型碳纖維增強塑料(CFRP)結構(如機翼皮)的生產率。通過使用預浸料AFP或Danobat(西班牙Elgoibar)的自動干材料放置(ADMP,請參見“證明干織物的可行性,用于大型飛機結構的灌注”),可以通過自動在線檢查來減少缺陷。樹脂灌注或預浸料固化過程中的過程監控將預測固化狀態并縮短周期時間。收集的過程和缺陷數據與FEA一起用于預測零件性能。然后將其輸入到決策支持工具中,以解決已發現的缺陷。開發了用于CFRP機翼皮的零件流模擬,將其輸入該工具后,有助于優化返工策略(圖2)。如今,許多這樣的零件在制造過程中進行了返工,但僅在NDI之后才進行返工。更早的返工和改進的工藝控制確實是ZAero項目的目標,也是其實現生產率提高15%,降低15-20%的目標的推動力生產成本和浪費減少了50%。

        ZAero項目展示了CFRP加筋板的在線缺陷控制。從左上方逆時針顯示:集成了AFP的激光傳感器,缺陷分類,流程圖,顯示了與零件性能和決策支持工具的FEA建模相結合以及CFRP機翼蒙皮的零件流程模擬(右上),以優化返工策略 。


        通過2019年9月的最終審查,由項目負責人Profactor(奧地利施泰爾(Steyr,Austria))開發的預浸料AFP傳感器不僅實現了自動化在線檢測,而且還可以用于現場校正零件?!霸搨鞲衅骺梢詸z測標準缺陷,例如縫隙,重疊,FOD,絨毛和扭曲的絲束,以及每個絲束的早晚切割”,Profactor機器視覺負責人Christian Eitzinger博士說。丟失的絲束可以通過將另外的絲束精確地放置在省略的位置來自動糾正。但是,必須停止機器以清除絨毛或扭曲的絲束?!笆褂肈assaultSystèmes(法國巴黎)的3D Experience for CATIA建立的數據庫,我們可以根據缺陷的大小,形狀和類型來計算對零件性能的影響。處理層中的所有缺陷僅需幾秒鐘。然后,機器操作員決定可以保留哪些缺陷以及必須進行哪些修復?!?/p>


        對于輸注過程的監視和控制,空中客車公司(法國圖盧茲)通過子公司InFactory Solutions(德國陶克基興)開發了三個傳感器,用于測量溫度,固化狀態和樹脂流動前沿?!拔覀円呀泴⑺鼈兣cCATIA 3D Experience集成在一起,并表明可以可靠地獲取數據并將其添加到每個零件的數字線程中,” Eitzinger說。


        演示者的最后三個部分是帶有三個縱梁的上翼子板小節。對于這一部分,Profactor的決策支持工具在合作伙伴FIDAMC(西班牙馬德里)進行了現場演示,該工具已與基于Siemens PLM(美國德克薩斯州普萊諾)Tecnomatix Plant Simulation軟件的零件流模擬相連接,并在奧地利的Profactor服務器上運行。除了建立缺陷數據庫外,ZAero還進行了機器學習實驗。手動設計的生成計算機模型與深度神經網絡相結合,對缺陷進行了檢測和分類,即使在人為創建的缺陷數據存在的情況下,也可以在真實的ADMP監測數據中對不同區域(間隙,重疊,拖曳,毛刺球)的正確分類率達到95%用于深度網絡培訓(類似于如何在一系列故意缺陷上校準超聲測試系統)。


        “我們一定會追求某種下一階段的成果,” Eitzinger說。同時,Profactor正在將模塊化傳感器商業化,以解決自動鋪網過程中的纖維取向和缺陷。InFactory Solutions還提供其AFP和樹脂注入傳感器,光纖放置合作伙伴Danobat和MTorres(西班牙納瓦拉的Torres de Elorz的Torres de Elorz)現在正在銷售帶集成在線檢測的設備。


        Dynexa的數字化轉型之旅


        Dynexa是一家復合材料零件制造商,專門研究CFRP管和軸?!拔覀円恢痹噲D將一切數字化?!背斩驴婆碡惛裾f?!拔覀円呀洈[脫了手動和模擬流程,主要將所有內容集成到我們的ERP [企業資源計劃]系統中。但是我們如何在制造業中做到這一點?我們了解到,我們在工作程序協議或過程中放入的所有內容都是代碼,這是數字轉換的基礎。但是它存儲在哪里?在本地服務器上,在云中還是在計算機中?我們將問五個人,并就應采取的措施得到七個答案?!?/p>


        幸運的是,德國政府已經為大學制定了一項計劃,為中小企業(SME)提供免費的工業4.0咨詢。Dynexa開始與達姆施塔特“ Mittelstand(SME)4.0”能力中心合作。Koppenberg回憶說:“他們說不用擔心數字架構,而更多地關注需要測量的內容以及如何做到這一點?!?nbsp;“我們選擇了一個涉及大量人工測量的過程,我們知道我們遇到了質量,時間和成本問題?!?/p>


        Dynexa使用濕絲纏繞工藝?!?nbsp;關鍵步驟是樹脂拾取,其中將干纖維運行到壓實輥上,該壓實輥從樹脂浴中滾出。刮刀緊靠壓實輥,該刮刀確定在纏繞前要與干絲結合的樹脂量。Koppenberg說:“如果收集的樹脂太多,我們可能會超過指定的管子直徑,但是如果樹脂過多,我們就有可能跌落到允許的最小直徑以下?!?/p>


        他指出:“如果不進行測量,則只有在所有價值都投入后,您才知道固化后的最終直徑?!?nbsp;“因此,操作員必須停止機器,測量零件,寫下來然后重新啟動。根據多年的經驗,我們知道在纏繞的每個階段層壓板的厚度應該是多少。因此,操作員可以比較測量結果,并根據需要調整刮墨刀以校正樹脂的拾取,但這非常手動,并且需要操作員的技能和經驗?!?/p>


        Dynexa與Darmstadt SME 4.0能力中心合作,開發了一種數碼相機系統,用于監控管/軸的厚度,并在纖維纏繞過程中自動調整樹脂取料(底部)(頂部),從而消除了人工測量,提高了效率和成本。源| Dynexa


        為了對此進行數字化,Dynexa與無數激光和相機制造商進行了交談?!八麄儠f,‘我們有解決方案’,但是沒人能使它奏效,”科本伯格指出。但是,達姆施塔特大學(University of Darmstadt)團隊通過確定由于某些物理因素(例如從潮濕表面反射的光)而需要進行的校正,從而啟用了攝像機的使用。他補充說:“現在,我們已經將繞線機連接到測量設備,該設備以非常標準化的方式運行?!?/p>


        該團隊開發了校正表和決策算法的數據庫,該數據庫使細絲纏繞機能夠知道要纏繞的特定管子的每個階段的目標。Koppenberg解釋說:“如果測量設備的輸入顯示樹脂拾取量不在應有的位置,則長絲纏繞機會通過調整刮刀將其恢復到規格狀態,而不會停止纏繞以進行測量?!?/p>


        現在,每臺繞線機都有數字測量系統和一個以太網卡?!白畎嘿F的部分是安裝和運行到服務器的電纜,”科彭伯格打趣道,“但是現在我們可以與每臺機器通信并收集所有數據?!边€有另一個好處?!耙郧?,操作員是在機器上進行編程的,但是一旦將它們連接到服務器,我們就可以在任何臺式機或便攜式計算機上進行編程。這進一步減少了停機時間,并消除了另一個生產瓶頸?!?/p>


        數字化的第一步使Dynexa改善了過程控制,質量和效率,使其更具成本效益。它也刺激了進一步的轉型。


        改變復合材料的范例


        空降飛機公司(荷蘭海牙)于2019年9月啟動了針對自己供應商的按需制造平臺,用于復合材料的自動化制造。供應商可以使用該工具將設計輸入基于Web的平臺。然后,系統即時創建機器代碼,并確定生產持續時間和成本。然后可以對產品進行定制,并在訂購后在自動化生產單元中進行生產。該平臺是使用機載自動層壓單元(ALC)來處理熱固性預浸料的。它將擴展到其他過程,例如,為SABIC(沙特阿拉伯利雅得)特種產品業務部門開發的大批量熱塑性復合材料(TPC)生產線。


        Airborne于2019年啟動了其復合材料在線平臺,客戶可以在其中輸入設計并接收Airborne自動化制造單元生產的層壓板/零件的成本并估計交付時間,其中包括在未來的擴展中開發的Falcon大批量熱塑性復合材料生產線 SABIC(底部)。


        “該平臺是我們如何看待復合材料制造的數字化未來的關鍵要素,”空降公司首席技術官Marcus Kremers說?!拔迥昵?,我們從零件制造業務模式轉變為幫助客戶實現自動化和數字化。我們正在開發一系列解決方案,以使客戶可以輕松地使用復合材料進行建造?!痹摦a品組合包括ALC,自動蜂巢灌封,自動鋪板套件以及使用TPC膠帶的大批量生產線,SABIC將其稱為Digital Composites Manufacturing Line(DCML),而Airborne稱為Falcon。后者是空降定制解決方案的一個例子??死啄拐f:“我們將復合材料和零件的制造知識嵌入到這些自動化系統中,從而使客戶不必成為專家?!?/p>


        機載有三種商業模式:購買自動化設備,租用或出租給機載,以通過制造即服務(MaaS)進行運營。機載自動化單元具有傳感器和在線檢查系統,它們可以根據客戶定義的缺陷和公差數據庫生成警報?!矮C鷹產品線對視覺質量缺陷的容忍度很低,” Kremers指出,“但我們的航空航天自動化更多地受到結構容限的驅動。我們還不斷提高技術的自學習能力和自適應能力。例如,我們用于ALC膠帶鋪設的下一個軟件版本將具有識別缺陷和即時修改生產程序的能力?!?/p>


        從長遠來看,愿景是擴展按需平臺,以收集分布在多個公司和地區的復合零件生產能力。Kremers引用了Protolabs(美國明尼蘇達州Maple Plains),該公司可在短短一天之內按需提供注塑成型,鈑金,CNC加工或3D打印的原型。同樣,Plyable的在線應用程序(英國牛津)提供制造復合材料的模具,提供從聚氨酯板到復合材料,包括碳纖維材料和3D打印工具?!斑@是組織價值鏈的另一種方式,” Kremers說?!拔覀冋谥圃焓箯秃喜牧狭慵蔀榭赡艿臋C器和軟件?!?/p>


        AZL亞琛公司還通過其超快速固結機來實現這一目標,該機用于在不到五秒鐘的時間內生產多層TPC層壓板。它在2019年實現了商業化,使用了Conbility(德國亞?。C器人自動激光輔助AFP涂布器和25毫米寬的UD膠帶,以及分條流原理(這是高速印刷行業中的最新技術)可以生產各種厚度的簡單地釘或完全固結的TPC層壓板,并帶有局部增強材料?!拔覀兊脑妇笆翘峁┛蓴U展的機器,以支持在線平臺,” Emonts說?!吧a線可以有多個工作站,每個工作站都有多個AFP涂布器??蛻魧⑤斎胍?,并獲得有關活頁簿,成本和交付的選項。最終確定后,施用者彼此溝通以組織生產,而不是操作員。這是定制復合材料的完全智能生產?!?/p>


        自動化!自動化!


        ZLP的主要重點是CFRP結構的自動化生產。ZLP靈活自動化團隊負責人Florian Krebs指出:“很難證明只有一個零件或程序實現自動化?!?nbsp;“但是,如果您從特定于任務的機器轉移到幾乎無需額外設置即可重新配置的自動化平臺,那么您現在有了一個業務解決方案。平臺越靈活,投資回報就越快?!?/p>


        開頭圖像中顯示的工作單元是ZLP項目PROTEC NSR的一部分,旨在按照相同的工藝路線制造一系列零件:干式非卷曲織物的拾取和放置疊層以及樹脂灌注?!斑@個過程是為空客A350后壓艙壁設計的,但是您也可以在這條生產線上制造機身面板或機翼罩,因為步驟很相似,” Krebs說。


        “要實現靈活的自動化平臺,需要某些技術基礎,包括機器人的算法,傳感器以及如何理解它們產生的數據,” Kupke說?!袄?,PROTEC NSR生產線的設計朝著最大的模塊化方向—所有模塊相互互連,以展示一種可自我配置,校正和優化的系統,可擴展的尺寸和復雜性?!?/p>


        圖5.靈活智能自動化的數字結構


        對于PROTEC NSR項目,ZLP開發了一個靈活的自動化平臺,該平臺可以生產CFRP后壓力隔板(右上)或機身面板(右下),并可以通過簡單地更改CAD文件在這些之間快速切換。工具鏈中的工程師定義的說明(深藍色框)控制著如何解釋CAD數據以自動生成新的工藝步驟。


        他解釋了自己的模塊,包括CAD模型,過程定義,允許對過程進行仿真和執行的過程模型,制造執行模塊,用于獲取數據的傳感器,用于注釋數據的軟件以及用于存儲的數據庫。


        “在模塊左側,您制定了一個計劃。然后執行模塊將執行該計劃?!?nbsp;Kupke說?!霸谶^程步驟中,我們從所有涉及的機器和過程中獲取數據,例如切割機,機器人,建筑物(溫度,壓力,濕度),取放期間的攝像機等。我們分析數據在處理過程中實時進行,并且還會自動使用元數據注釋收集的數據,以將其饋送到數據庫中,這構成了處理過程中數字孿生的基礎。數字雙胞胎最重要的一點是擁有一個中央存儲庫,是一個真理來源。每個零件的CAD模型和流程定義都是其唯一真實性的一部分?!?/p>


        安裝了這些模塊后,只需按一下按鈕,生產線就可以自主運行。機器人從CAD模型,生產計劃和攝像機中推斷出接下來要切割的工件,并在桌子上尋找工件(例如,從其他100個工件中查找)?!八麄儧Q定如何配置夾持器以將其拾取并放置在工具中,并知道將其放置在何處?!睓C器人根據生產計劃確定所有過程步驟的每個開始/結束路徑,并知道何時完成?!巴ǔ?,這些路徑是由人教的,”庫普克指出?!暗窃谖覀兊南到y中,每條路徑都是自動定義的,不會發生碰撞,而且是實時的。如果更改CAD模型或過程定義,則機器人將進行調整,而無需任何額外的教學工作。但是,如果您完全更改零件怎么辦?使用這種類型的自動化,您可以非??焖俚剡M行更改。這是實現靈活生產的途徑。我們在ZLP的作用是通過開發技術磚并將它們聯系在一起來鋪平這條道路?!?/p>


        機會與本體


        COVID-19大流行突出了靈活生產的價值。它還創造了越來越不可預測的商業環境?!霸谶^去的兩到三年中,一切都變得更加動蕩不安,” Dynexa的布魯克(Bruckhoff)說?!拔覀兊目蛻舴浅O胍焖俚拇鸢?,以便響應他們的客戶。通過提供新的在線生態系統,我們使整個供應鏈更具競爭力?!?/p>


        這是航空業公認的?!拔覀冃枰獢底只纳a線和整個站點的基礎,以實現水平和垂直整合,” VDI航空技術部技術部主席馬克·菲特(Marc Fette)說-德國工程師協會和復合技術中心(CTC)空客的R&T子公司。Composites 4.0中的CTC項目包括物料和資產跟蹤,協作機器人,高級流程鏈等。但是Fette強調了對本體的需求—本體是數字通信和數據交換的術語和通用協議。(請參見在線側欄“ Composites 4.0體系結構和本體”。)


        他解釋說:“您需要給定工廠中所有機器和生產系統的整體網絡,但這也必須擴展到整個價值創造鏈,包括工程,采購,物流和材料以及過程認證等學科, 一方面。另一方面,必須考慮所有利益相關者,例如供應商,并使其參與此變更過程。我們看到了許多試點項目,但是當您詳細查看時,仍然缺少針對每個公司或生產鏈采用整體方法的策略?!?/p>


        他繼續說:“我們擁有龐大的全球供應商網絡,他們具有相同的要求才能作為數字化供應鏈運作。我們的大多數供應商都是為飛機制造商(空客和波音)服務的中小型企業。如果沒有關于通用標準的討論,則可以將這些挑戰傳遞給供應商。他們很可能無法負擔所有機器的兩組不同標準,包括文檔,評估數據,網絡安全性等?!?/p>


        Fette承認這些想法很重要,并表示飛機原始設備制造商正在制定應對這些挑戰的計劃?!暗沁@樣的障礙很多,而且確實很復雜,不僅涉及技術,還涉及社會,經濟,人機工程學和法律問題,這是一個思想上的變革過程。我們才剛剛開始。但是要取得成功,我們必須理解,這些新系統依賴于人員,而且這些人員必須參與其中,不僅是原始設備制造商,還包括整個全球網絡?!?/p>


        ZLP的Krebs指出:“各行各業的市場變得越來越分散,每個人都面臨著轉型與轉變?!?nbsp;ZLP的庫普克(Kupke)補充說:“許多人并不認為這是一個機會?!钡悄切┐_實看到這個機會的人預見到了實現由Composites 4.0啟用的Composites個性化的訪問,因此,市場變得更加廣闊,包括我們才剛剛開始構思的應用程序。

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