復合材料在車輛和飛機制造中的應用正在迅速擴大。這得益于其諸多優勢，如重量輕、強度高、耐用性強、耐腐蝕且設計靈活。隨著這些行業對復合材料部件的需求持續增長，對高速度、高精度、靈活、智能且模塊化的制造技術的需求也隨之增加。復合材料制造系統公司Airborne(荷蘭海牙)為此提出了自動鋪層(APP)的創新概念。

APP是一種機器人操作、自動化和模塊化的預成型技術，可在樹脂傳遞模塑(RTM)加工前最大限度實現復合材料部件的設計和材料自由度。該技術集成了機器人技術、智能軟件和工藝優化方面的最新進展。

“APP 技術讓工程師能夠設計出最佳性能，擺脫手工鋪層的限制，這得益于機器人和自動化軟件的高精度，”英國 Airborne 公司董事總經理喬·薩默斯解釋道，“自動鋪層技術的發明旨在提高精度、減少浪費，并使任何形式的復合材料都能在自動化生產中制造。”

“許多復合材料以卷材形式供應，”薩默斯繼續說道。“自動纖維鋪放（AFP)和自動鋪帶(ATL)技術只能處理以窄帶形式存在的少量復合材料，它們根據帶狀材料將復合材料轉化為層壓板。從單向(UD)材料的帶狀形式開始，通常限制了優化最終部件的空間。相反，APP 可以處理所有材料形式——不僅包括干纖維、預浸料或熱塑性 UD 帶，還包括非屈曲織物等紡織品，以及薄膜、金屬層壓板（如夾芯板用芯材）、預固化子層壓板或片狀均質材料。”

自動鋪層(APP )工藝分解

在工藝第一階段，APP 使用傳統傳送帶切割機將預浸料精確切割成所需形狀。隨后 APP 機器人拾取預浸料，通過基于攝像頭的視覺系統評估其精度：檢查預浸料幾何形狀是否正確，驗證每片切割料的切割質量是否達標，并測量預浸料在機器人末端執行器上的定位情況。

準備加工的復合材料層被定向并放置在焊接臺上——軟件實時調整機器人動作以確保精準定位。各層按制造二維定制層壓板所需的正確順序堆疊在焊接臺上，通過超聲波或熱針焊接進行接合。焊接會激活干纖維材料中的粘合劑，該工藝同樣適用于熱塑性復合材料。預浸料無需此工序，但可集成去除離型膜或背襯紙的中間步驟。

未準備好加工的裁切層片存儲在緩沖系統中，實現"非順序"鋪放。這減少了材料浪費，因為層片已為生產預先準備就緒，從而降低了運營成本并提高了可持續性。處理后的層片經焊接后，機器人將層壓板精確放置在熱成型機上，為 RTM工藝做準備。采用機器人修邊單元對預制件外緣進行修整，確保與模具緊密貼合。

在 RTM 零件制造過程中，準備好的凈形預成型件被放入剛性模具型腔，類似注塑成型所用模具。剛性模具可施加>1 巴的壓差，從而提升浸漬質量，進而改善層壓板質量。

閉合模腔后，預成型體被壓縮至最終纖維體積含量。樹脂通過一個或多個注膠口注入模腔，使部件充分浸潤，隨后在所需溫度下固化并脫模。RTM 工藝對于復合材料部件批量生產的核心優勢在于能夠實現流程自動化，從而提高生產速率。

“精確的預制件對于RTM工藝尤為重要，它能確保樹脂充分滲透并避免部件缺陷，”Airborne 公司首席技術官 Marcus Kremers 強調道，“作為 RTM 復合材料生產線的一部分，APP 系統可以非常精準且重復地控制復合材料制造流程，既不需要休息也無需針對精細作業進行培訓，從而消除了人為因素及其給復合材料制造過程帶來的變異。”

Airborne 的制造即服務（MaaS）商業模式使客戶能夠購買或租賃其自動化系統。APP 的可定制特性意味著客戶可以定義自動化單元的功能。這提供了優化的制造解決方案，以支持汽車、航空航天和可再生能源等行業以及技術研究中心、制造公司等的各種需求。

空客赫塔菲 A350 生產線

空客公司在其西班牙赫塔菲生產基地采用Airborne 的APP技術，自動化生產A350XWB機身第19段的碳纖維增強聚合物(CFRP)后梁和檢修門框預成型件。該后機身采用共固化CFRP蒙皮桁條筒體結構，尺寸為 6×5 米。梁支撐件與門框通過共注射RTM工藝集成為單一部件——包含兩根縱梁、兩根過梁和四個框架段——整體面積為 3 平方米。

空客A350XWB 機身第19段采用了樹脂傳遞模塑成型的后機身梁和維護門框結構。圖片來源：空客

第 19 節集成框架采用單組分 RTM6 環氧樹脂和中等模量(IM)碳纖維增強材料，這些材料逐層定制，并與赫氏公司（美國康涅狄格州斯坦福德）合作開發。優化工作采用并行方法，同步開展原材料開發、結構設計、制造工藝和工業化生產方案的協同推進。

這些二維預成型件采用單向纖維、非屈曲織物和機織織物手工制成，隨后通過熱壓成型轉為三維形狀，組裝成梁結構后注入RTM6樹脂?？湛凸鹃_發了定制化RTM成型單元，將其稱為高精度RTM工藝，并指出這是制造高承載主結構件的高效方法。

空客公司在該項目中實現預成型生產自動化的主要驅動力，是通過取代包含多個步驟的手工操作來提升質量控制。這種定制化 RTM 單元的自動化技術已被空客及其一級供應商應用于多種零部件生產，不僅提高了質量、減少了浪費，更能滿足日益增長的生產速率需求——例如該公司承諾到 2026 年實現每月生產 75 架 A320 飛機的目標。

為滿足該計劃需求，Airborne 在開發 APP 系統時面臨多項挑戰。首先，部件尺寸非常大。為此，Airborne 改造了空客單元，使其能處理最大 3.5 米的預制件。該項目還涉及多種鋪層形狀和復合材料。Airborne 配套的自動編程軟件技術被用于應對這些挑戰。最終，該系統采用自動拾放技術生產干纖維預制件，這在空客尚屬首次。因此，空客正在對 APP 技術進行認證，并將提供支持以確保符合生產標準。

一級汽車供應商

滿足汽車行業對高生產率和高質量的要求是制造機械面臨的最具挑戰性的任務之一。隨著復合材料在汽車設計和制造中持續替代其他材料，生產鋪層并將其組裝成層壓板和部件已成為日益關鍵的問題。APP 的首個汽車應用案例由帝人汽車技術公司（美國密歇根州奧本山）法國普昂塞工廠開發，用于生產高度工程化的干纖維 RTM 部件。

帝人汽車技術公司是一級汽車零部件供應商，提供采用多種技術制造的部件，包括片狀模塑料(SMC)、熱塑性復合材料、熱固性預浸料和樹脂傳遞模塑(RTM)。該公司引入自動化預成型工藝(APP)的驅動因素，是客戶對高性能跑車整體復合材料車門的需求——該車門需具備完全的道路適用性，包括符合碰撞安全法規。

帝人汽車技術公司的 APP 系統成功生產出采用干纖維 RTM 工藝制造的完整復合材料車門。圖片來源：帝人汽車技術公司

“主要挑戰在于用復合材料設計和制造防撞結構，”帝人汽車技術公司研發總監馬克-菲利普·托伊特甘斯表示，他負責該公司法國普昂塞工廠的研發工作。“傳統復合材料車門采用金屬結構實現防撞功能，要改用復合材料替代，必須對復合結構進行極其精確的預測和可重復性研究，以確保結構安全達標。”

“制造過程中每層鋪層的精確定位至關重要，尤其是次表面層的纖維角度，”托伊特甘斯繼續說道。“傳統手工鋪層工藝無法實現高精度重復性，而 APP 的每層視覺檢測和機器人精準鋪放可以做到。”

“另一個優勢是APP可以精確切割和鋪放2至300克的30多層材料，這消除了間隙和重疊的問題，而如果使用AFP（自動纖維鋪放）則需要解決這些問題，”Toitgans 補充道。“AFP鋪放的干纖維帶或絲束有許多優點，但一個挑戰是精度，特別是因為絲束本身的寬度也存在一定公差。”

如圖所示，這些鋪層通過疊加實現零件厚度變化，在需要增強強度的區域增加額外層數，在應力較低處則減少厚度。照片來源：帝人汽車技術公司

托伊特根指出，即使能夠控制精度，仍會出現許多間隙或重疊，這些情況會影響鋪覆（間隙區域可能出現褶皺）或浸潤（滲透率不同）。他表示："APP 技術解決了這一難題。"車門二維定制坯料制成后，通過先進的定制 RTM 成型工藝加工為三維部件。

對于帝人汽車技術公司而言，干纖維RTM 技術是提升其復合材料技術生產速率和精確度的重要戰略技術。該公司已開始采用 APP 制造工藝及設備推進未來項目。