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Fred Young亞毫米望遠(yuǎn)鏡（FYST）效果圖（圖片來源：CPI Vertex Antennentechnik GmbH）
Fred Young 亞毫米望遠(yuǎn)鏡（FYST）是一款6米直徑的先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡，被設(shè)計用于在亞毫米到毫米的波長下工作，進(jìn)行寬視場觀測和大面積測量，包括對銀河系的磁性結(jié)構(gòu)、形成和基礎(chǔ)物理學(xué)的研究，以及對恒星和星系的形成、大爆炸后第一批恒星的誕生及宇宙起源和發(fā)展的研究。
CCAT合作伙伴關(guān)系對此進(jìn)行了20多年的開發(fā)，其全球合作伙伴包括：康奈爾大學(xué)（美國紐約州伊薩卡），由科隆大學(xué)、波恩大學(xué)和加興馬克斯普朗克天體物理研究所組成的一個德國聯(lián)盟，以及由10個加拿大學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)組成的CATC聯(lián)盟。2024年底，F(xiàn)YST的安裝已在智利北部阿塔卡馬沙漠中一座5600米高的Cerro Chajnantor山峰上完成。
由于該儀器的絕對復(fù)雜性以及微波中大氣的“不透明性”，亞毫米波長天文學(xué)被認(rèn)為是最后一個未開發(fā)的波長前沿。最近制造的用于天文目的的靈敏外差接收器（一種無線電接收器），首次打開了這個波段。然而，望遠(yuǎn)鏡占地面積23平方米，可容納近20噸的儀器——這種高科技儀器與大型物理尺寸的結(jié)合，產(chǎn)生了對輕質(zhì)而又堅固、極其堅硬的熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的需求，以便容納其兩個巨大的鏡子。
因此，F(xiàn)YST的鏡像支撐結(jié)構(gòu)（MSS）是使其能夠深入研究宇宙的關(guān)鍵。值得注意的是，這是一種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計、制造和組裝由Airborne（荷蘭海牙）與客戶和主承包商CPI Vertex Antennentechnik（德國杜伊斯堡）合作完成。該項目展示了技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性的復(fù)合材料的設(shè)計和制造案例，這其中所需要的自動化制造流程和裝配設(shè)計技術(shù)，可能為未來太空和地球上的復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)帶來重要的價值。
設(shè)計：前所未有的2倍精度
Airborne之前曾與CPI Vertex合作，為智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列 （ALMA）和南極洲的南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）開發(fā)MSS。“這兩臺望遠(yuǎn)鏡都為2019年有史以來第一次黑洞圖像作出了貢獻(xiàn)。”Airborne的業(yè)務(wù)部門經(jīng)理Sandor Woldendorp 說道，“雖然ALMA望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計具有25微米的高鏡面精度，但對 FYST而言，要求更加嚴(yán)格。”
FYST采用離軸交叉Dragone設(shè)計，包括一個拋物面主鏡和一個大型凹面副鏡，直徑均約為6米。這創(chuàng)造了一個高通量、寬視場的望遠(yuǎn)鏡，能夠非常快速有效地繪制天空圖。然而，帶有兩個6米直徑反射鏡的整個系統(tǒng)在運行期間的表面誤差預(yù)算僅10.7微米。“這在此類望遠(yuǎn)鏡中以前從未實現(xiàn)過。”Airborne的復(fù)合材料專家兼首席工程師Jaap Dekker說道。
CPI Vertex 和 Airborne 面臨的另一個挑戰(zhàn)是，制造將采用相同設(shè)計的兩臺望遠(yuǎn)鏡：FYST和西蒙斯天文臺大口徑望遠(yuǎn)鏡（SOLAT）。SOLAT和FYST擁有相同的MSS，并且兩個項目同時實施。
此圖由 Airborne 和 CPI Vertex Antennentechnik GmbH 提供
設(shè)計挑戰(zhàn)
Airborne的任務(wù)是開發(fā)極穩(wěn)定的被動MSS，該MSS幾乎不受重力或環(huán)境溫度變化的影響。鏡子位于半封閉的外殼中，因而可受到保護(hù)，但在觀察期間卻要暴露在-21℃至9℃的外部環(huán)境溫度下。雖然這使得MSS的設(shè)計過程更具挑戰(zhàn)性，但該望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計堅固而可靠。“這是最大程度地降低在5600米的山頂上發(fā)生故障風(fēng)險以及減少必要維修的關(guān)鍵。”Dekker表示。
他繼續(xù)說，MSS是使用先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料設(shè)計的，因為該材料具有接近零的熱膨脹系數(shù)（CTE）和非常高的剛度，可以確保變形絕對最小化。“我們設(shè)計了一種混合結(jié)構(gòu)，它使用厚的CFRP/鋁蜂窩夾層頂板，反射鏡段安裝在該頂板上。”Dekker 補充道。連接到該頂板的三維桁架結(jié)構(gòu)為望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的其余部分提供了全局剛度和連接點。該三維桁架由使用整體CFRP層壓板制成的標(biāo)準(zhǔn)C型型材構(gòu)成。
復(fù)合材料層壓板、CTE、瀝青纖維
由于FYST的拋物面主鏡和凹面副鏡具有不同的形狀，并且位于望遠(yuǎn)鏡內(nèi)不同的位置，因此承受的載荷不同，具有各自獨特的設(shè)計。使用Ansys Inc.（美國賓夕法尼亞州卡農(nóng)斯堡）的有限元建模（FEM）和內(nèi)部開發(fā)的優(yōu)化程序，CPI Vertex Antennentechnik 優(yōu)化了桁架中每根梁的橫截面積。“我們面臨的挑戰(zhàn)是，設(shè)計實際的桁架結(jié)構(gòu)以匹配這些橫截面積，同時還要考慮節(jié)點中的所有連接。”Dekker 說道。Airborne使用分析計算開發(fā)了初步設(shè)計，以預(yù)測梁的屬性，如其剛度、CTE和密度。這樣，可以繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，包括在 Siemens NX（美國德克薩斯州普萊諾）CAD中對所有細(xì)節(jié)進(jìn)行3D建模、詳細(xì)說明節(jié)點并完成更多的FEM分析。Airborne還使用了Ansys軟件。
“結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個組成部分是設(shè)計復(fù)合材料本身，以滿足所需的高比剛度和接近零的CTE要求。”Dekker表示，“后者還必須在整個結(jié)構(gòu)中盡可能均勻。由于結(jié)構(gòu)類型完全不同，要足夠準(zhǔn)確地預(yù)測和匹配夾層頂板的CTE與桁架結(jié)構(gòu)的CTE 非常具有挑戰(zhàn)性。”
“我們很快就發(fā)現(xiàn)，無法用常規(guī)的高強(qiáng)度碳纖維、甚至單一的纖維類型來滿足高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求，因此，我們使用高強(qiáng)度碳纖維和超高模量（UHM）的瀝青碳纖維設(shè)計了一種混合的層壓結(jié)構(gòu)。”他繼續(xù)說道。后者的剛度是高強(qiáng)度碳纖維的3倍。“由于這種組合，桁架層壓板的比剛度（縱向剛度除以密度）大約是特殊的低CTE的Invar 36鋼合金的5倍，而其CTE 僅為 Invar 36 的 1/5。”
制造：利用自動化最大程度地降低復(fù)合材料的制造成本
Airborne設(shè)計策略的一部分是使結(jié)構(gòu)元件盡可能大，以最大程度地減少裝配階段所需的連接數(shù)量。“首先，我們最大程度地擴(kuò)大了頂板夾層段的尺寸，這樣每個鏡子只需要4個。”Dekker說道，“其次，桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計有3個子組件，幾乎貫穿了結(jié)構(gòu)的整個長度。”這些子組件的構(gòu)成是從桁架形狀中兩個大型“蒙皮”層壓板開始的，它們之間有標(biāo)準(zhǔn)C型截面來提供彎曲剛度。盡管這種設(shè)計策略產(chǎn)生了高性能的結(jié)構(gòu)，但層壓該項目所需的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)元件卻是一項重大挑戰(zhàn)。
“龐大的規(guī)模令人感到氣勢磅礴。”Woldendorp說道，“每個MSS重約1500公斤，由5000平方米（或 33 公里）的單向（UD）預(yù)浸帶構(gòu)成。桁架蒙皮的設(shè)計也非常復(fù)雜，許多組件都非常大，很難通過手糊方式進(jìn)行制造。”
另一個問題是UHM 瀝青碳纖維非常脆，因此難以處理。“不幸的是，市場上沒有能夠制造復(fù)雜桁架蒙皮的自動化制造工藝，因此，我們內(nèi)部開發(fā)了自動化的制造解決方案。”Woldendorp 補充道。
自動層壓單元
Airborne的自動層壓單元（ALC）包括：層壓板的自動鋪帶（ATL）、將層壓板自動切割成所需要的坯料，以及拾取/放置（P&P）裝置按桁架蒙皮的形狀鋪放切割好的層。“用于頂板的大型層壓板也采用ALC進(jìn)行層壓。”Dekker 說道，“據(jù)我們所知，這是世界上唯一能夠自動層壓易碎瀝青碳纖維的系統(tǒng)。我們實現(xiàn)了所有層壓的自動化，節(jié)省了數(shù)千小時的手工勞動，同時確保了可重復(fù)的高質(zhì)量流程。”
ALC Manager軟件平臺支持直接導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)，其中包含不同組件的形狀、材料和鋪層細(xì)節(jié)。多個組件的信息可以同時發(fā)送給ALC Manager，ALC Manager從無數(shù)不同的組件和毛坯中自動生成嵌套模式，然后，ALC 使用多種層壓板設(shè)計，從數(shù)十到數(shù)百個單獨的切割坯料中構(gòu)建桁架蒙皮，以實現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)剛度。該軟件還自動生成ATL、切割和拾取/放置所需的所有機(jī)器人運動和CNC代碼。這是一個巨大的優(yōu)勢，因為Airborne不必進(jìn)行任何編程，而編程需要花費數(shù)千小時。
ALC實施自動鋪帶（ATL，頂部），然后拾取來自主層壓板的桁架蒙皮坯料并放置到桁架形狀（中）中，以便在層壓后形成一套凈形狀的桁架蒙皮，為固化作好準(zhǔn)備（圖片來源：Airborne）
凈形狀的部件
Airborne優(yōu)化了其設(shè)計，使幾乎所有的部件都能制成凈形，從而最大程度地減少后續(xù)的CNC加工。這還節(jié)省了數(shù)千小時的編程和加工時間，材料浪費也非常低。“只有頂板蒙皮有一個小的超大尺寸以用于粘接，但無論如何都需要銑削，因為需要為放置襯套打孔，以便安裝鏡段調(diào)節(jié)器。”Dekker 說道。
C型型材的自動化制造
對于C型型材，ALC Manager一次性從大約40個C型型材中創(chuàng)建大型嵌套模式，它們經(jīng)層壓后被切割成近凈形狀的坯料。“在此階段，所有的C型型材坯料都有一個唯一的識別標(biāo)簽，這些坯料是使用內(nèi)部開發(fā)的熱成型單元進(jìn)行熱懸垂成型，并在加熱爐中固化，沒有超壓，只有真空。”Dekker說道。
作為裝配設(shè)計的一部分，所有的C型型材的末端都有獨特的角度。“這些是根據(jù)它們的標(biāo)識和參數(shù)化銑削文件進(jìn)行銑削的，我們只需要對銑床進(jìn)行一次編程，就可以完成數(shù)百個不同的C形型材。”Dekker 說道。
嚴(yán)格控制纖維的體積含量
如上所述，Airborne以高強(qiáng)度碳纖維與UHM瀝青碳纖維的精確比例以及每種纖維與環(huán)氧樹脂的精確比例設(shè)計了復(fù)合材料層壓板。因此，需要采取嚴(yán)格的措施來控制預(yù)浸料以及完工后層壓板中的纖維和樹脂的量。“我們的預(yù)浸料供應(yīng)商東麗先進(jìn)復(fù)合材料（英國Langley Mill）通過調(diào)整其機(jī)器以實現(xiàn)最嚴(yán)格的制造公差，以及實施更多的檢測和平衡來為我們提供支持。”Dekker說道。然后，Airborne 檢查來自不同批次的所有進(jìn)料預(yù)浸料和材料，以確保用于每個層壓板的預(yù)浸料滿足要求。
“我們還需要在最終的固化產(chǎn)品中保持精確的樹脂/纖維比。通常，在熱壓罐固化過程中，大量的樹脂會從層壓板中流出。我們與東麗合作，通過開發(fā)訂制的固化方法解決了這個問題。因此，我們能夠高效地鋪層和固化400多個單獨的C型型材，總長度1200米，同時在嚴(yán)格的邊界內(nèi)實現(xiàn)CTE，橫截面尺寸公差為±0.2毫米。”Dekker 說道。這種訂制的固化工藝也被用于所有其他的層壓板，同樣是為了在嚴(yán)格的邊界內(nèi)實現(xiàn) CTE。
組裝
下一步是將這些組件組裝成MSS部分，然后將其運到德國進(jìn)行最終裝配。“通過使用制造和裝配設(shè)計（DFM&A）方法，我們能夠在制造和裝配階段節(jié)省大量成本，同時仍確保滿足極端的性能要求。”Woldendorp 說道。
為了說明所涉及的復(fù)雜性，兩個MSS（M1和M2）中的每一個都需要組裝大約6600 個組件——包括大約2400個復(fù)合材料部件，其中大約有300個是采用8種截然不同的專用粘合劑獨特層壓的。“我們不得不將這兩個結(jié)構(gòu)組裝兩次，一個用于 FYST 望遠(yuǎn)鏡，一個用于SOLAT 望遠(yuǎn)鏡。”Woldendorp 說道，“在具有這種復(fù)雜性和規(guī)模的項目中，成本始終是一個主要問題。因此，我們需要一種簡單且低成本的組裝工藝，它還要使我們能夠獲得非常準(zhǔn)確的最終結(jié)果。”
桁架子組件
Airborne首先進(jìn)行了全面的公差研究，以研究不同裝配級別所需的尺寸公差。“這還導(dǎo)致了對標(biāo)稱粘接線厚度的定義，這為設(shè)計剛度、質(zhì)量分布以及進(jìn)行熱膨脹分析提供了重要的輸入。”Dekker表示。
子裝配過程中桁架復(fù)雜節(jié)點示例，顯示了帶銷釘?shù)墓ぞ撸▓D片來源：Airborne）
該分析的一個結(jié)果是，需要專門設(shè)計的工具才能實現(xiàn)高裝配精度，但這并不一定意味著工具必須成本高昂。“我們的DFM&A方法使我們能夠使用低成本的工具概念來創(chuàng)建桁架的子組件。”Dekker 解釋道，“該概念使用帶有銷釘?shù)?MDF（中密度纖維板）木板來準(zhǔn)確定位桁架的所有元件。MDF面板使用2.5軸銑削加工，從而可以在超過6米×1.7米的子組件上實現(xiàn)亞毫米級的裝配公差。這個概念使我們能夠顯著減少對桁架結(jié)構(gòu)的CNC 加工。”
低成本、高精度的桁架裝配工具
下一個挑戰(zhàn)是，高精度地實現(xiàn)桁架與桁架的組裝。“為了將平面桁架組裝在一起，我們用MDF面板創(chuàng)建了一個7米×7米的平面裝配地板（平面度<1.5 毫米），我們在其中加工了準(zhǔn)確的位置，用于放置由Multiplex制成的標(biāo)準(zhǔn)垂直柱。”Dekker說道。Multiplex是由膠合木單板制成的膠合板。“它們在三維空間中定義了一個精確的平面來定位每個不同的桁架。相同的裝配地板和柱子可以重復(fù)用于M1和M2。”他繼續(xù)說道。
因此，使用DFM&A方法，Airborne 能夠使用由低成本材料制成的簡單標(biāo)準(zhǔn)化元件。“依靠2.5D CNC的加工精度、簡單的工具組裝步驟和平坦的地板，我們能夠在7米×7米×1.7米的盒子中定位不同的桁架，精度約±1.0毫米。”Dekker 說道，“這使我們能夠在與望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)其余部分的界面點上實現(xiàn)嚴(yán)格的公差，并很好地控制粘接層的厚度。”
頂板組件
下一個挑戰(zhàn)是如何用大量的夾芯板（包括鋁蜂窩和CFRP表皮）組裝大型頂板，這些夾芯板的尺寸約為6.5米×1.8米，厚85毫米。“為了能夠與其他結(jié)構(gòu)元件連接，同時仍能滿足性能要求，這些面板配備了額外的內(nèi)部和圓周加固系統(tǒng)。”Dekker 說道，“同樣，通過使用DFM&A方法，我們能夠定義相對簡單的流程和裝配工具來創(chuàng)建這些復(fù)雜的子組件。”
在平坦的裝配地板上進(jìn)行桁架與桁架的組裝，展示了標(biāo)準(zhǔn)化的工具元件（圖片來源：Airborne）
將襯套組裝到頂板段上（圖片來源：Airborne）
為了將所有元件連接在一起，需要3種具有高溫固化功能的專用粘合劑系統(tǒng)。然而，組裝的頂板段的CTE 接近于零。“這使得在固化過程中無法使用標(biāo)準(zhǔn)的金屬工具來定位所有元件，因為金屬工具在冷卻過程中的收縮會壓碎沒有出現(xiàn)熱膨脹或收縮的頂板。”Dekker 解釋說，“為了解決這個問題，我們選用了一種粘合劑來將內(nèi)部和圓周加固系統(tǒng)粘接到在室溫下部分固化的蒙皮上，這使我們能夠在室溫下使用低成本的工具來準(zhǔn)確定位和固化元件。”
襯套組件
為了完成頂板子組件，Airborne必須將多達(dá)126個襯套組裝到每個帶芯的CFRP 面板段中。這些襯套（連接到兩個夾層板蒙皮的復(fù)合材料管）將容納安裝在頂板上的鏡段調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
組裝后，鏡子被設(shè)計為具有雙曲面，精度約3微米。“為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，所有襯套都需要以獨特的3D角度和突起長度組裝到頂板上，并且它們之間具有相當(dāng)高的定位精度。”Dekker說道，“我們能夠再次使用低成本的工具，但將襯套連接到每個頂板段的兩個蒙皮上是一項重大挑戰(zhàn)。”
運往德國前的MSS（圖片來源：Airborne）
“我們很早就知道這種連接不是極具剛性的，因為在熱負(fù)載期間 的CTE差異，復(fù)合材料的襯套會將鋁蜂窩芯撕裂。”他繼續(xù)說道，“因此，我們用碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料設(shè)計了復(fù)雜的3D彈簧元件，由Promolding（荷蘭海牙）注塑成型。通過調(diào)整這些組件的剛度，我們可以控制鋁蜂窩中的應(yīng)力水平，同時仍能提供足夠的剛度來有效調(diào)整鏡段。”
為運輸優(yōu)化裝配
由于MSS的尺寸大，因此在將M1和M2運往德國前不能完全組裝。Airborne 的解決方案是將結(jié)構(gòu)組裝成兩半，但這需要嚴(yán)格的對齊和定位，才能實現(xiàn)小于0.5 毫米的精度。“我們首先將頂板段分成兩組組裝，以創(chuàng)建半頂板。”Dekker說道，“挑戰(zhàn)是需要大量的粘合劑，同時還要滿足嚴(yán)格的位置公差要求以及完成后頂板的平整度要求，以便能夠?qū)⑵湔辰拥桨雮€桁架上。DFM&A 方法使我們能夠使用簡單的流程和低成本的工具和設(shè)備來實現(xiàn)這一目標(biāo)。”
總裝
每半個MSS的尺寸約為3.3米×6.5米×1.8米，用卡車運輸尺寸恰好。Airborne 在德國的一家工廠完成了MSS的最終組裝，該工廠靠近整個望遠(yuǎn)鏡總成的試驗地點。“由于粘接面積非常大，加上需要使用不同的粘合劑以及具有嚴(yán)格的公差要求，因此很難在一個組裝步驟中將這些大型結(jié)構(gòu)粘接在一起。”Dekker說道，“最好的解決方案是同時涂抹所有的粘合劑，然后在粘合劑固化前緩慢而準(zhǔn)確地將結(jié)構(gòu)移動到位。根據(jù)要求，我們一次性地完成了這項工作，并且精度達(dá)到亞毫米級。”
然后，CPI Vertex Antennentechnik 組裝反射鏡段并使其與Airborne 交付的 MSS對齊。雖然MSS未安裝到本次試驗的總成中，但所有其他的主要機(jī)械系統(tǒng)都經(jīng)過了試驗組裝和測試。FYST將被拆分成大型部件并運送到位于智利的最終地點，在那里進(jìn)行最終的組裝和調(diào)試，以便2025年投入使用。
完成最終裝配后其中的一個MSS的細(xì)節(jié)（圖片來源：Airborne）
“Airborne為ALC的開發(fā)投入了大量資金，這使我們能夠在第一時間正確地完成這個項目。”Woldendorp 說道，“由于大部分制造實現(xiàn)了自動化，因此我們現(xiàn)在已完全準(zhǔn)備好了為其他望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建更多的MSS。我們還開發(fā)了廣泛的技術(shù)、工藝和能力，這對其他大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也同樣具有價值。”
原文鏈接：
https://www.compositesworld.com/articles/design-for-manufacturing-assembly-and-automation-enables-complex-cfrp-telescope-supports-