自动化纤维铺放（AFP）系统

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Coriolis复合材料公司以标准的多关节机械手，作为八轴向运动的纤维铺放系统的基础


    若你看到工作中的自动化纤维铺放（AFP）系统，它超级灵活的铺放头以不可思议的速度跟随着某个元件的复杂轮廓，就会发出这样的疑问：这些元件原本是如何进行手工铺放的。

    即使手动层合机可以按照纤维的方向和完整性需求在复杂的曲面上铺放纤维层，他们也不可能在量产过程中完全重复这样的操作。手工生产工艺也不可能满足飞机制造商所需的生产速率要求。复合材料现在是地面车辆和其他交通工具的主流材料。例如，飞机制造商波音计划在几年时间内，将碳纤维B787宽体双引擎飞机的生产速率提高到每月38架。

    AFP技术是可能实现这一目标的自动化生产技术之一。自动化纤维带铺放（ATL）和纤维缠绕技术是复合材料部件实现大量生产的关键，同时保证了生产的可靠性、连续性和成本效益。

    复杂的几何形状

    AFP与ATL有许多相同之处，但是，后者更适合生产表面相对较平坦的部件，AFP则可用于几何形状更加复杂的部件。这是因为，AFP可以铺放更窄的丝束，并可以在尖锐的曲面上操控丝束；但宽一些的纤维带则需要弯曲一部分纤维才能铺放，而这会降低层压板的强度。

    如果采用旋转工具或芯轴，AFP则更像是纤维缠绕，但采用丝束会使这一工艺过程的速度加快。

    在AFP系统中，大量预浸丝束或纤维窄带被供给铺放头，铺放头将他们铺放成一个连续的预浸料层。先进的机械设备可以同时铺放32根丝束，丝束是由位于铺放头或其附近的纱架供应给铺放头的。

    AFP铺放头可以安装在绕着模具/芯轴移动的多轴关节臂上，或者由起重机支撑。另一种选项是，模具在静止的铺放头上旋转，或铺放头和芯轴按照软件程序的精心设计双双“共舞”。

    与大多数自动化系统一样，AFP需要一定的前期投资，但是仅仅是降低劳动力成本和减少材料浪费这一点，它就能够抵销这一成本，更不用说它还能够更加精确、稳定和重复地铺放丝束，从而得到超高质量的层压板。

    丝束可以按照程序预先设定的方向铺放，因此，使纤维与使用过程中可能受到的局部压力相匹配，就可以遵照设计师针对不同结构部件提出的强度和硬度参数要求，生产出定制的层压板。材料在铺放过程中不会受到拉伸和折叠，并且压力也经过精确设定。铺放头可以执行所有必需的切割和重启操作，并可以和压紧辊整合在一起。


Premium AEROTEC采用MAG纤维带铺放机生产空客A350WB的机身板


    高速状态下，执行多项同步功能需要精确的加工程序，以确保切割、运动和定位控制可以密切配合，同时也可进行高度动态的反向运动。AFP的控制与数控（CNC）机床有许多共同之处，因此，有些重型AFP供应商也生产CNC机床，例如MAG（原来的Cincinnati Machine）、Ingersoll和MTorre。

    AFP的使用

    CNC纤维铺放机的第一次商业化生产始于20世纪80年代后期。到90年代中期，AFP的生产初具规模，尽管规模有限。

    一个欧洲联盟在名为Full-Barrel Composite Fuselage（FUBA-COMP）的研究项目中生产出一个4.5m长的碳纤维机身部件，这是一个重要的里程碑。这个一体式部件宽2m，由英国的BAE系统公司采用MAG的VIPER 1200 CNC纤维铺放系统制成。这台设备是该公司生产的三台AFP系列设备之一，另外两个系列是Viper 4000和6000。


    复杂的机头部位，例如波音B787的机头，正是AFP系统的目标市场所在


    飞机机身具有明显复杂的曲面，这对于自动化系统来说是一个重大挑战，但是VIPER可以进行七轴向运动，成功为蜂窝芯材结构铺放了碳纤维预浸带，形成了一个接近网状的轮廓结构，而且具有所有必需的空隙和可变的厚度。合适的软件程序可以最大程度的减少材料浪费和切除操作。

    随后，类似的自动化技术被Hawker Beechcraft公司用于其Premier 1和Hawker 4000商务飞机的碳纤维/环氧复合材料机身的生产。该公司在位于堪萨斯州Wichita的生产工厂内有多台VIPERS自动化系统，不仅具有可编程的七轴向运动灵敏度，还可以控制24根宽1/8in（约3.18mm）的纤维丝束的启动/停机/切割。这些机器长90ft（27.4m），适用于更加大型的Horizon喷气飞机的长机身芯轴。

    Hawker公司声称，用AFP生产整个复合材料机身的所需时间仅仅为生产相应的金属结构所需时间的一小部分。这一点，加上大大减少的部件数量、组装的简便性、维护的减少和最终部件性能的提高，使得这一技术成为了大赢家。


Beechcraft Premier 1A商务喷气机的复合材料机身采用先进的纤维铺放系统制造而成

    波音公司也效仿这种做法，采用VIPER 6000来生产B787机身的桶形部位。

    去年，俄罗斯联合飞机公司（UAC）购买了一套VIPER AFP系统，这是出售到俄罗斯的第一套自动化复合材料加工系统。该设备将用于UAC MS-21系列中型飞机的生产。

    军用飞机领域，1998年，Alliant Techsystems公司（ATK）展示了AFP在生产Lockheed Martin F-22 Raptor战斗机的复合材料进气管时所发挥的实力。那个时候，ATK已经采用AFP生产了一系列飞机部件，例如F-22的某些特定部件，这些部件是在弗吉尼亚州一个专门的纤维铺放工厂内生产的。

    自那时起，ATK已经用AFP生产出了F-35 Lightning II联合攻击战斗机（JSF）机翼表面的复合材料蒙皮，长度达到35ft（约10.7m）。AFP为生产过程带来了前所未有的精确度。蒙皮所用的丝束铺放在一个大型芯轴上，为了保证热稳定性和耐久性，芯轴采用镍铁合金制成。

    最近，ATK在北美地区已有五套系统的基础上，订购了另外两套MAG的VIPER AFP系统，用于F-35的生产。新机器预计于2012年初交付到ATK位于犹他州Clearfield的工厂内，这些机器将配备有MAG的ACES软件（先进复合材料环境套件），这是一个模块化的编程模拟系统，可以辅助工厂现有的机器进行编程。

    据说，MAG凭借成本优势赢得了一项合同。MAG可以为客户的特定应用需求进行产品优化，即使采用难以处理的双马来酰亚胺（BMI）材料也可以实现快速铺放。但最重要的是，它可以满足客户在F-35项目上降低成本的要求。


    MAG IAS为Alliant Techsystems公司位于犹他州Clearfield市的工厂供应了两台VIPER 6000纤维铺放系统，用于F-35飞机项目。这份订单包括MAG的ACES软件——一个模块化的编程模拟系统。这两套系统已经于2012年年初交付

     VIPER的优点包括：独立控制32根丝束的喂料、夹取、切割和重启，自动在线调整纤维带宽，控制纤维在变化极大的表面或开孔周围的铺放。该系统在飞机的机身部件、面板、整流罩、管道和喷嘴锥头等多种部件的精密生产过程中，可以在闭合的深轮廓结构上铺放出无褶、近乎网络形状的纤维层。

    西班牙人认为MTorres公司是另一个开发出了AFP和ATL设备的机床专家。该公司早期生产的一台AFP系统被出售给了日本的川崎重工（Kawasaki Heavy Industries），用于生产波音787的整体机身部件。该系统可以同时铺放24根0.5in（约12.70mm）宽的丝束。相反，GKN Aerospace和Spirit AeroSystem用于生产翼梁的类似机器，控制着翼梁周围的16根1/4in（约6.35mm）宽的丝束，包括它们尖锐的曲面边缘。对待这些边缘，需要认真设定TORRESFIBERLAYUP机械，对多种参数进行微调。


    MTorres为GKN Aerospace供应自动化纤维铺放机来制造空客A350的复合材料机翼后梁

    MTorres的发言人说，这种机械必须能够处理多种材料，其中一些是非常具有挑战性的。例如，用于大多数B787部件的东丽（Toray）Torayca 3900系列环氧树脂预浸料，以及用于A350部件的赫氏（Hexcel）Hexply M21，都具有较低的树脂粘度——这使得部件在固化后可以达到最佳的结构性能。因此，这些材料在压紧的时候，需要更高的温度和压力。

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