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自动化在线检查实验提速今后飞行复合材料成立

[据Cytec工业公司2011年12月23日报道]Cytec工业公司12月22日宣布,其工程材料业务部门已经作为一个航空工业团队成员接受了美国国防部2011年国防制造技术成就奖。该奖项是在最近加州纳海姆举行的国防制造会议上颁布的,评审组认为该团队优化了双马来酰亚胺复合材料的自动纤维铺放技术。BMI复合材料用于F-35联合攻击战斗机的制造。 这一奖项由联合国防制造技术委员会主办,评选优秀的技术成就,使未来国防部ManTech项目“达到世界级的制造能力,经济可靠地满足作战人员的需求,贯穿防御系统的全寿命周期。”该奖项的评选标准基于重要性、易用性和该制造技术成就的潜在利益。 Cytec公司与洛克希德马丁航空航天公司,HITCO碳复合材料公司和MAG IAS公司组成团队,优化在整个F-35机翼蒙皮和机舱制造工艺,包括原材料制造、AFP机械设计和元件制造。该团队与南卡罗莱研究权威机构应用研发部联合工作,研发了关键工艺改进技术,经演示改进效率达到50%。 Cytec公司与团队优化了CYCOM 5250-4的BMI/碳预浸材料,提高了粘性、悬垂性、切边光洁度和纤维浸渍。这样与改进的AFP设备和制造工艺相结合,增加了纤维敷设效率,显著降低了部件生产周期,从而降低了飞机生产成本以及机械模具的非重复性费用。

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篇名

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2015年2月16日

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2016年1月8日、15日

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自动化在线检测提速未来航空复合材料制造(上)(即本篇)

8月29日

ACSIS项目的第二阶段已经启动,DMST和AFRL提供了额外的资金。团队正在进行系统增强,进一步优化ACSIS,以便更快地实施并向军民用市场转移。

自动化在线检测综合利用传感器、大数据、机器学习、数字化和自动化技术,终结人工检查环节,能够带来的最大优势就是速度和效率的提升,同时还会带来额外的成本节省和潜在的质量提升。欧盟希望通过开发和应用自动化在线检测系统,能够将复合材料部件生产效率提升**30%~50%,这将解决当前质量控制系统无法跟上飞机生产速度增加的问题(每月60架),帮助空客等制造商达到所需的生产率。而且,相关的人力节省和效率提升将进一步缩减制造成本,据空客估算,A320neo复合材料机翼蒙皮制造中如果采用自动化在线检测系统,每年预计将节省1.5亿欧元。**此外,检测系统记录全部的相关数据,这将能够支撑智能化的工艺决策支持,让用户做出更有依据的决策,提升部件质量,甚至通过数字化手段证明部件质量后,还能够让设计许用值使用变得更加灵活,进一步改进部件设计。

国家国防制造与加工中心英格索机床公司和轨道ATK公司近日宣布,一项3年期的旨在开发复合材料自动检测系统的项目已成功完成第一期工作。该项目由ManTech计划中国防制造科学与技术项目资助,服务对象是空军研究实验室。 对于由自动丝束铺放工艺生产的飞机组件,新开发的自动复合材料结构检测系统达到了99.7%的探测率,组件具有变化的外形,从平面过渡到复杂曲面。 ACSIS是AFP检测技术的一个重要进展,能够实现复合材料结构制造中的实时检测,发现缺陷和异常并警告操作员,然后在制造过程中修正。该系统还包括电子数据库系统,可以记录电子文档并跟踪缺陷。当前的AFP检测方法极为费时费力,而且由于缺陷很难发觉,工作非常枯燥。 在第一阶段,NCDMM最初与英格索机床公司共同开发工装上检测系统。之后,NCDMM与轨道ATK公司一起在AFP生产中实施ACSIS的测试。2015年春季,ACSIS安装为独立系统,独立于F-35短舱生产环境中的AFP机床。ACSIS进行测试并与手工检测工艺进行详细对比,识别诸如遗漏或扭曲的丝束、丝束间的缝隙、未精确铺放的丝束,以及桥接、皱褶或绞接,和外来物体与残骸。经过8周生产,不断扫描F-35短舱上0.125英寸的双马材料,ACSIS检测了54层,探测率在98.4%-99.7%之间,错误率0.1%-0.2%,符合生产环境要求。

为此,近年来,美空军、美国航空航天局(NASA)和美国防部、波音公司、欧盟和空客公司纷纷开展相关的技术开发与验证工作,寻找基于数字化手段的自动化在线检测方法,试图终结这一人工检测环节,充分体现自动化铺放的效率,实现“零缺陷”复合材料结构制造。本文分析了自动化在线检测对提升复合材料生产速度的贡献,总结了相关工作的最新进展,并且展望了该手段的未来应用。

NCDMM运营主任表示:“我们非常骄傲能够开发出一台自动检测系统,缺陷探测的准确率如此之高,并且改善了高速AFP操作。在工业界中,过去开发这样的系统的尝试不怎么成功。我们在这个项目上精诚协作,是得到如此结果的原因之一。ACSIS在非常困难的生产环境中得到验证,我们对第一阶段的成功无比兴奋。我们期待第二阶段能够相似的成果。”英格索公司总裁表示:“我们对ACSIS团队在第一阶段取得的结果非常高兴。在轨道ATK公司的生产环境中测试系统,对第一阶段的成功至关重要。我们期待在第二阶段中继续合作。”轨道ATK航宇公司结构部的军用结构副总裁表示:“公司珍视这次合作,为ACSIS的软硬件测试提供了无差别、真实的生产环境。由于具备丰富的AFP经验,我们对ACSIS在航空航天工业中进行技术转移和商业化非常有信心。ACSIS验证了可靠探测缺陷的能力,加之下一阶段的改进,该技术将支持更高速的AFP操作。”

●图3 自动化复合材料结构检测系统

以往的人工检查必须在每一铺层铺放之后停机,检查人员根据投射在模具表面的激光轮廓通过肉眼与铺层进行对比,确认丝束末端精度,之后使用手持放大镜扫描缺陷,这个过程费时费力且存在一定的漏检率和错误率。波音曾针对**AFP工艺的生产周期进行过研究,对于787飞机桶形机身47段和48段这样的复合材料部件,执行数控程序铺放零件占据了24%的总周期,而检测和返工则占到了63%,是铺放本身的2.5倍。而且,这些时间的分布还是在波音实施了多年工艺改进、检测时间和总周期已经下降了不少的情况下得到的。同样地,从空客对A350飞机后翼梁AFP工艺的分析可以看出,检测和返工占了无增值任务的近60%。**

2.美国NASA/美国防部RTAPI项目

●图2 空客A350后翼梁制造中的非增值任务

《空天防务观察》导读:本文为刘亚威先生第十二届全国复合材料学术会议征文。在本号后台留言,以及相关人员与本号运营人员的私下沟通之中,我们不止一次收到这样的问题:你们是空天防务领域的公众号,为什么会经常放制造、材料类的专栏文章?我们在此统一做一次答复:我们认为,所有的武器装备,首先是工业产品,然后是商品,最后才是武器装备。大体上,武器装备完全服从强制性任务(甚至是政治任务)和计划管理,突出任务完成和有无问题;商品强调产品对客户真正的使用价值,强调甲方和乙方的经费核算和定价机制,强调双方都要注重成本效益、注重维护保障;工业产品重视的是生产质量、一致性、规模化和为最大化商品价值提供手段等。

(中国航空工业发展研究中心刘亚威)

原标题:刘亚威 ¦ 自动化在线检测提速未来航空复合材料制造(上)

(未完待续)

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有兴趣的读者,可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

刘亚威先生已为《空天防务观察》提供55篇专栏文章,如下表所示:

ACSIS系统包括一个摄像头、若干指示灯和一台安装在龙门上用于扫描铺层并识别和标记缺陷的线扫描仪。在这一构型下,能够在制造复合材料结构的同时对其进行实时检测,发现缺陷和异常并警告操作人员,从而在同一制造过程中就完成修正。一般来说检测在每个铺层铺放完成后离线进行,但是对双面心轴上制造的翼梁来说,心轴的一面进行铺放的同时,另一面可以进行检测。该系统还包括电子数据库系统,可以记录电子文档并跟踪缺陷。

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●图1 复合材料部件铺放中不同环节的生产周期

2015年,ATK公司在F-35战斗机短舱生产车间内部署了ACSIS系统进行了为期8周测试,识别诸如遗漏或扭曲的丝束、丝束间的空隙、未精确铺放的丝束,以及桥接、褶皱或铰接,外来物体与残骸(FOD),并与手工检查进行对比。系统不断扫描**F-35短舱上厚3.175毫米的双马(BMI)材料,检测了54层,探测率在98.4%~99.7%之间,错误率0.1%~0.2%,符合F-35战斗机严格的生产环境要求。**

美空军是自动丝束铺放技术的先驱,2012年美空军研究实验室(AFRL)就在国防部制造技术(ManTech)计划下启动了自动化复合材料结构检测系统(**ACSIS)项目**。项目由美国国防制造与加工中心(NCDMM)、英格索机床公司和轨道ATK公司(已被美国诺格公司收购)联合实施,为期三年的第一阶段工作是开发安装在复合材料结构铺放工装上的检测系统,2014年开始的第二阶段则是进行系统增强和进一步优化速度,以便更快地部署并向军民用市场转移。

一、自动化在线检测的优势

2 重要技术开发与验证工作及其最新进展

1.美空军ACSIS项目

本篇供稿:系统工程研究所 编 辑:返回搜狐,查看更多

RTAPI系统使用一个商业现货激光轮廓曲线仪(本质上是一个小型激光器,在工作表面投射一条线)测量铺放后丝束带的高度,这是一种价格低廉的传感器,包含一个激光线生成器和一个摄像头。传感器采集高度和宽度点的测量数据(每个丝束路线约1000点),将点云数据传输到软件程序和用户界面,并将数据转化为铺层特征,如丝束边缘、带末端、空隙、重叠等。激光轮廓曲线仪在压实辊压过后测量纤维丝束高度,每个路线生成数百个数据点形成非常致密的点云。目前,RTAPI技术可以几乎实时地探测一个路线上的所有特征。

长期以来,我们只重视武器装备的武器装备属性,缺少将其首先视为工业产品甚至是商品的思维和文化。可以毫不客气的说,很多情况下就因为这一点,我们的武器装备并没有看上去那么光鲜亮丽。工业能力,在相当大的程度上,限制了我们武器装备的效费比、寿命以及其他性能、能力,所以我们必须重视国防领域制造、材料等与工业能力密切相关的主题。在当前和未来国防工业越来越需要自主发展的背景下,实际上需要更加重视这些问题。

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RTAPI软件能够根据设计程序对比已制造铺层以发现空隙、重叠、错位和FOD等。通过分析巨大的3D点云,软件能够发现铺层的关键特征:丝束边缘和丝束盈亏位置。VCP程序可以图形化显示建造中的零件铺层和所有缺陷及其位置,缺陷类型使用符号和颜色代码,让操作人员知道看哪里和看什么。这样,操作人员就不会费时寻找缺陷,而是必要时直接就可进行缺陷修正,然后继续看下一个铺层。用户缺陷容差可以通过图形用户界面(GUI)快速定义,统能够接受任何质量保证标准。

●图4 RTAPI软件显示铺层缺陷

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当前,大型航空复合材料部件制造主要由以自动丝束铺放(AFP)和自动铺带(ATL)为核心的自动化工艺完成,但是自动化制造还未完全实现,瓶颈就在于当前必不可少的人工检测环节。为了满足复合材料结构的高安全性要求,每一铺层铺放之后必须停机,由检测人员完成肉眼检查和确认,而且为了满足质量保证的要求,返工是经常性的。对于一个需要数百铺层的大型复合材料部件来说,检查和返工对生产速度的影响是巨大的,从而影响F-35、波音787和777X、空客A350XWB等大量采用复合材料结构的飞机的交付进度。

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美国NASA于2014年资助开发了自动化铺层检测(API)技术,之后美国防部国防后勤局(DLA)进一步资助将该技术升级为可实时操作,即实时自动化铺层检测(**RTAPI)项目**,项目将于2019年完成。项目由飞行物品公司先后联合法孚辛辛那提公司和自动动力公司(ADC)实施,法孚采用了其配备16个丝束头的Viper 7000 AFP龙门机床,ADC则使用了近期经过概念验证的一个机械臂上的热固性AFP铺放头,此外,CGTech公司为项目提供了工业界领先的VCP AFP编程软件,自动读取和显示RTAPI系统发现的铺层缺陷。

近年来,美空军、美国NASA、波音公司、欧盟和空客集团都开展了相关的技术开发与验证工作,技术/制造成熟度基本都达到了7-8级。这些工作有很多共同点,从自动化在线检测系统架构上来讲,都是在商业AFP机床上安装高精度传感器实时测量获取数据,然后通过数字化、智能化手段分析缺陷问题。不过,在具体实现手段和系统功能上则各有千秋。有意思的是,每项工作使用AFP机床都属于不同的装备制造商,这意味着当这些技术成熟时,整个美欧复合材料装备制造业将迎来一次革命性的升级。

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