Airborne的自動鋪層系統在空客、GKN和帝人的應用旨在實現最大化的靈活性和智能自動化。

Airborne的自動鋪層放置(APP)技術集機器人技術、智能軟件與工藝優化之大成。這一機器人操作、自動化且模塊化的預成型解決方案，在樹脂傳遞模塑(RTM)工藝前，為復合材料部件設計與材料選擇提供了最大自由度。

復合材料在車輛和飛機制造中的使用正在激增。這歸功于它們的諸多優勢，例如輕質、高強度、耐用性、耐腐蝕性和設計靈活性。隨著這些行業對復合材料部件的需求持續增長，對高速率、高精度、靈活、智能和模塊化Craft技術的需求也隨之增加。復合材料Craft系統公司Airborne(荷蘭海牙)通過提出一種名為自動鋪層放置(APP)的概念來解決這一問題。

APP是一種機器人操作、自動化且模塊化的預成型技術，可在樹脂傳遞模塑(RTM)加工前最大化復合材料部件的設計和材料自由度。它代表了機器人技術、智能軟件和工藝優化方面的進步巔峰。

“APP允許工程師設計以實現最佳性能，不受手工鋪層限制，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（Joe Summers）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制造中生產。”

“許多復合材料是以卷材形式提供的，”薩默斯繼續說道，“自動纖維鋪放（AFP）和自動鋪帶（ATL）技術只能將狹縫帶形式的少量復合材料轉化為基于預浸帶的層壓板。從通常為單向（UD）材料的預浸帶開始，限制了優化最終部件的可能性。”相反，APP可處理所有材料形式——不僅是干纖維、預浸料或熱塑性UD帶，還包括無紡布等紡織品，以及薄膜、金屬層壓板（如夾層板芯材）、預固化子層壓板或片狀均質材料。

流程分解

在流程的第一階段，APP采用傳統輸送帶切割機精確地將層板切割成所需形狀。隨后APP機器人拾取層板，通過基于攝像頭的視覺系統評估其精確度—檢測層板幾何形狀是否正確，驗證每塊切割層板的精度質量，并測量層板在機器人末端執行器上的定位情況。

標準輸送切割機在工藝第一階段精確切割層板。APP可操作多種材料形式，包括干纖維或熱塑性UD膠帶、非屈曲織物等紡織品，以及薄膜、金屬層壓板材料（如夾芯板用芯材）、預固化子層壓板或呈片狀的同質材料。

待加工的復合材料層片在焊接臺上定向定位—軟件實時調整機器人動作以確保精準放置。層片按制作二維定制層壓板的順序堆疊于焊接臺，通過超聲波或熱針焊接進行接合。該焊接工藝可激活干纖維材料中的粘合劑，亦適用于熱塑性復合材料。預浸料無需此步驟，但可集成去除離型膜或背襯紙的中間工序。

未做好加工準備的裁切鋪層存儲在緩沖系統中，支持“亂序”鋪疊。由于鋪層已為生產預先準備就緒，此舉減少了材料浪費，提升了運營成本效益和可持續性。已加工鋪層完成焊接后，機器人將層合材料精準定位在熱成型機上，為RTM工藝做準備。采用機器人修切單元對預制件外緣進行修整，確保其與模具緊密貼合。

在RTM部件制造過程中，制備好的凈形預制件被放入剛性模具的型腔中，類似于注塑成型所用的模具。剛性模具能夠施加>1巴的壓差，從而提高浸漬質量，進而提升層壓板質量。

合模后，將預制件壓縮至最終纖維體積含量。樹脂通過一個或多個注射口注入型腔，充分浸漬部件，隨后在所需溫度下固化并脫模。RTM（樹脂傳遞模塑）在復合材料部件批量生產中的關鍵優勢在于能夠實現流程自動化，從而提高生產率。

“對于RTM工藝而言，精確的預成型件尤為重要，它能確保樹脂充分浸潤并避免部件缺陷，”Airborne公司首席技術官馬庫斯·克雷默斯（Marcus Kremers）強調道，“作為RTM復合材料生產線的一部分，APP系統能以極高精度和重復性控制復合材料制造流程，無需休息或針對精細作業進行培訓，從而消除人為因素及其給復合材料制造過程帶來的變量。”

Airborne的制造即服務(MaaS- manufacturing as a service )商業模式使客戶能夠購買或租用其自動化系統。APP的可定制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Getafe A350生產線

空中客車公司（法國圖盧茲）在其西班牙赫塔菲生產基地采用Airborne公司的APP技術，用于A350XWB機身第19段碳纖維增強聚合物（CFRP）后機身梁和維護門框預成型件的自動化制造。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、兩根過梁和四個框段——總面積為3平方米。

第19段一體化框架采用單組分RTM6環氧樹脂和中間模量（IM）碳纖維增強材料，這些材料逐層定制，并與美國康涅狄格州斯坦福德市的Hexcel合作開發。優化采用了同步方法，同時開發原材料、結構設計、制造工藝和工業化制造解決方案。

二維預成型件采用UD、非屈曲和機織織物手工制成，然后通過熱壓成形為三維形狀，組裝成梁結構并注入RTM6樹脂。空客開發了定制化的RTM單元，將其描述為高精度RTM，并補充說這是制造這些高負荷主結構的高效方法。

空客（Airbus）在該項目中實現預成型體生產自動化的主要驅動力，是通過取代包含多道工序的手工操作來提升質量控制。此類定制化RTM生產單元的自動化技術已被空客及其一級供應商應用于多種部件，不僅提高了質量并減少浪費，更為了滿足日益增長的生產速率—例如該公司承諾到2026年實現每月生產75架A320飛機的目標。

Airborne在開發APP系統以滿足該項目需求時面臨多項挑戰。首先，零件尺寸相當大。為此，Airborne改造了空客單元以處理最大3.5米的預制件。該項目還涉及多種鋪層形狀與Multi材料。Airborne配套的Automated Programming軟件技術被用于應對這些挑戰。最終，這套系統實現干纖維預制件的自動化取放生產，這在空客尚屬首次。因此，空客正在對APP技術進行資格認證，并將提供支持以確保其符合生產標準。

汽車一級供應商

滿足汽車行業對高生產率和高質量的要求是制造業設備面臨的最嚴峻挑戰之一。隨著復合材料在汽車設計和制造中持續替代其他材料，生產板材并將其組裝成層壓板和部件已成為日益關鍵的問題。APP的首個汽車應用是由帝人汽車技術公司（美國密歇根州奧本山）法國Pouancé工廠開發的高度工程化干纖維RTM部件。

帝人汽車科技是一家汽車零部件一級供應商，提供采用多種技術制造的組件，包括片狀模塑料(SMC- sheet molding compound )、熱塑性復合材料、熱固性預浸料和RTM。采用APP的驅動因素是帝人客戶對一款高性能體育汽車完整復合材料車門的需求，該車門需具備全面道路適用性，包括符合碰撞安全法規。

帝人汽車科技的APP系統成功管理了一款采用干纖維RTM工藝生產的全復合材料車門

“主要挑戰在于設計和制造復合材料的碰撞結構，”帝人汽車技術公司法國普昂塞研發中心主任馬克-菲利普·托伊特甘斯(Marc-Philippe Toitgans)表示，“傳統復合材料車門采用金屬結構防撞，改用復合材料后，需對復合材料結構進行精確預測與可重復性研究，以確保結構安全合規。”

“在制造過程中，每一鋪層的精確定位至關重要，尤其是次表層纖維的角度，” 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通過視覺檢測每層鋪層并結合機器人精準定位則能做到。”

另一個優勢是APP能精準裁剪并鋪放30多層2至300克的材料，從而消除間隙與重疊問題——若采用AFP技術則需額外管控這些缺陷，” 托伊特甘斯補充道，“AFP的干纖維帶/絲束鋪放雖有許多優點，但精準度是挑戰，尤其因絲束本身在寬度上存在公差。”

如上所示的AU平行宇宙層疊結構用于實現部件厚度的變化，在需要增強強度的區域增加層數，在應力較低的區域減少厚度。

托伊特甘斯指出，即使能夠控制精度，仍會出現許多間隙或重疊，這會影響draping（間隙處可能出現皺紋）或infusion（滲透性不同）。他說：“APP消除了這一挑戰。”在完成車門的2D tailored blanks制作后，它們通過先進的定制RTM成型工藝塑造成3D部件。

對于帝人汽車技術公司而言，干纖維RTM是提升其復合材料技術速率與精度的重要戰略技術。該公司已采用APP制造方法及Equipment開展未來項目。

GKN航空航天英國全球技術中心

GKN Aerospace公司（英國雷迪奇）位于英國布里斯托爾的全球技術中心（GTC）將成為首個完整配置Airborne公司APP技術系統的機構，預計2023年第三季度完成。這個1萬平方米的研究中心擁有300名工程師，與多所大學、英國彈射創新網絡及GKN Aerospace英國供應鏈展開聯合研發，致力于航空航天脫碳技術的設計與開發。

它也是GKN Aerospace在空客“明日之翼”技術項目中技術合作的基地。GTC的主要成果將是為飛機結構的高速率生產提供新一代增材Craft（AM）、先進復合材料、裝配件和工業4.0工藝。其自動預成型單元（在GKN Aerospace內部稱為先進自動預成型技術（ADAPT）工作站）采用了Airborne英國公司開發的APP技術。

GKN Aerospace復合材料首席技術官凱文·巴洛（Kevin Barlow）解釋道："ADAPT單元將成為開發穩健、可重復且靈活的自動化沉積、成型、預成型、修整和干纖維復合材料件檢測的關鍵，用于制造高速率且可持續的RTM加工部件。正如CW在2023年2月報道的那樣，英國ATI資助的ASCEND計劃將率先利用該裝備，通過開發和展示兩個關鍵演示件——集成翼尖和TE假工作盒，達到TRL6成熟度。"

巴洛指出："重要的是，ADAPT單元將能在未來技術項目或客戶互動中快速演示其他關鍵目標產品，并展示ASCE GKN Aerospace的ADAPT單元構成一個自動化系統的一部分，該系統的子系統包括Airborne提供的APP、Assyst Bullmer（英國韋克菲爾德）的鋪層切割機、PAC Group（英國北愛爾蘭貝爾法斯特）的熱成型機以及Accudyne Systems（美國特拉華州紐瓦克）的預制件修整模塊。薩默斯補充道：“ASCEND計劃旨在推動當前復合材料技術的更廣泛應用、新技術的工業化以及加速航空航天生產速率，以滿足未來大批量市場需求。”此次合作將助力開發來自英國供應鏈的多種技術，以研制制造輕量化結構所需的先進材料與自動化Equipment，用于實現可持續空中交通及未來道路交通工具。

自動化編程，composites 4.0

APP系統的關鍵賦能4.0技術是Airborne的自動化編程軟件。傳統上，機器人由人類使用編程語言進行編程。這一過程可能耗時且容易出錯，需要并非所有制造商都具備的專業技能。

自動化編程意味著無需人類程序員教導機器人如何執行任務，從而實現完全自動化的制造流程。該軟件接收設計和操作輸入，并將其直接轉換為每層鋪疊（ply）對應的正確機器人代碼與工藝參數。此過程實時完成，且當操作員上傳新設計或提供新鋪疊形狀時，系統會自動調整，這使得在Shop中實施變得極為便捷。

這種軟件驅動的自動化方法使系統非常靈活，因為設計或材料的變更可以輕松適應，無需教導或重新編程機器人。除了消除人類編程的需求外，Automated Programming還能自動化需要更高靈活性的更復雜任務，并自動化更全面的制造流程，從而顯著提高生產效率。

該APP軟件由Airborne為自動化配套流程開發的技術演變而來，將排料、切割、貼標和配套等生產步驟集成到單個生產單元中。Airborne的軟件將這些制造步驟整合到單個程序中。

克雷默斯表示：“軟件開發對于實現復合材料拾取放置的工業化和應用至關重要。建立研發環境是一回事，但若想實現包含數千種不同鋪層形狀零件的全面量產，自動化必不可少。自動化程序基于能實時讀取制造工況并動態調整的先進算法，從而減少繁瑣的編程和機器設置工作。”

自適應拾取、放置精度

自動化編程算法會考量材料的柔韌性，并確定拾取單層材料的最佳方式以最大限度減少下垂。雖然軟件開發的復雜性不容小覷，但另一個挑戰是使用機器人進行材料處理。

“讓夾爪穩固地將材料從料巢的其余部分分離出來，尤其是對于粘性預浸料，這尤其具有挑戰性，”克雷默斯指出。“還可能存在未切斷的纖維，這會導致整個骨架從切割床被拉出。我們集成了可檢測未切斷纖維的傳感器，并使系統暫停運行，以便操作員進行干預。”

另一個問題是下垂。由于復合材料具有柔性，且鋪層由帶有夾持器陣列的末端執行器拾取，夾持器之間和外側可能出現下垂。Automated Programming算法會考慮這一點，并確定拾取鋪層的最佳方式以最大限度減少下垂。例如，機器人可能通過旋轉末端執行器來拾取矩形鋪層，從而將吸盤定位在鋪層角落。夾持力度取決于鋪層形狀，并會為每個夾持器單獨確定。

將鋪層放置到焊接臺或緩沖系統上時，放置精度同樣至關重要。APP采用基于視覺或閉環控制的實時校準技術：每片鋪層安裝到末端執行器時都會進行掃描，并將其位置與預期坐標進行對比。隨后調整機器人動作以確保精準定位。"由于系統會掃描鋪層，因此能進行質量控制——精確檢測切割邊緣或發現裁切機上可能被忽視的鋪層缺陷，"薩默斯解釋道。

緩沖區與重放

APP系統的自動配套能力包含用于分類和排序的緩沖解決方案。材料被切割成2D鋪層后，機器人可根據需要將其自動放入緩沖區內，按部件將鋪層分類配套，并按正確順序排列鋪層，以便后續輕松鋪設。緩沖區還可從工作單元外部進入，方便人工或其他機器人手動卸載配套件或預制件。

如果出現問題，系統運行、零件位置、時間、溫度和速度等的數字記錄可被稱作“replay”工具，這一點尤為重要，因為這些過程的代碼是實時生成的。這些數據還會輸入到物理資產的虛擬副本中，為未來的流程改進提供實時洞察和預測分析。

未來APP開發，應用

關于APP的未來潛力，克雷默斯表示：“軟件開發是我們持續進行的工作，旨在提升系統的速度和穩健性，特別是因為我們采集的數據具有巨大潛力，能為客戶提供更多能力和性能。例如，當前系統會在鋪放前檢查每一層材料?？梢灶A見直接從切割機拾取的鋪層精度相當不錯，系統只需進行極小修正甚至無需調整。”如果系統識別出這一趨勢，你就可以跳過檢驗或降低頻率，比如每十層中只檢驗一層，從而提高產量。

他接著說道：“另一個例子可能是對材料有特定的依賴。有些材料比其他材料更難切割，難以獲得干凈的邊緣，而系統可以識別這一點，并提供關于如何正確設置切割機、更頻繁地更換切割刀具或針對其他材料使用不同切割方法的見解。”此外，軟件中還有材料焊接的進展：如果粘合劑質量或數量發生變化，系統有可能從焊接數據中識別這一點。

層板由機器人放置在疊層臺上，準備進行焊接

優化為最小浪費、輸出或CO2

雖然APP系統是自動化的，但需要在最大輸出和最低浪費之間進行Trade。這在典型工廠中可能每日變化。Airborne正在開發一款軟件以"為X優化"，這樣操作員或數字化工廠管理系統可以根據需要選擇理想的優化場景，例如針對最低浪費、最大輸出或最小CO2足跡。這就是靈活自動化制造或Composites 4.0的基礎。

當選擇了一個模式（例如minimal CO2）時，自動化軟件會考慮潛在的生產力影響和end effector兼容性因素。它評估對制造流程的整體影響，以便動態調整機器指令，從而實現預期結果。

Airborne計劃利用該技術為不同客戶優化其自動化生產單元，使操作員能夠規定不同場景并做出明智決策。Airborne還在測試APP及其自動化編程與回收纖維和樹脂、生物材料以及熱固性塑料、熱塑性塑料和金屬的混合組合，以驗證該自動化軟件識別缺陷和補償的能力。

“如果開發成功，它將為回收和低CO2應用在多個行業打開大門，”克雷默斯解釋道。“為了使復合材料更具可持續性，重要的是減少能源使用、步驟數量和廢棄物。”

碳纖維的隱含能量相對較高，因此減少浪費并使用CO 足跡較低的替代纖維對可持續發展至關重要。此外，整合3D打印或機器人注塑包覆成型等技術可根據任何APP應用的獨特需求進行定制。

無需編程即可提升自動化水平

正如CW此前所報道的那樣，Airborne的Automated Programming、DLR(德國斯圖加特)輕量化生產技術中心的AI-equipped work cell以及SAM XL(荷蘭代爾夫特)的"zero programming" automation software都是旨在消除機器人人工編程需求的軟件驅動自動化解決方案。然而，這三種解決方案之間存在一些關鍵差異。

組件設計、鋪層形狀和材料數據為輸入項Airborne的軟件根據這些輸入實時生成所有必需的機器代碼和工藝參數，從而執行整個物料處理流程，無需外部編程。

Airborne的自動編程是一種專業解決方案，專注于高性能復合材料行業在制造前對高公差、高速率和可重復疊層生產的需求。該系統旨在自動化復合材料的鋪放過程，這一過程復雜且勞動密集型。例如，DLR配備AI的工作單元則更為通用，可自動化包括焊接、切割和噴涂在內的制造流程。工作單元利用AI來規劃和執行機器人任務，這使其靈活且能適應生產環境的變化。

附注：2023.8.24的微信文章《Airbone模塊化自動鋪 層工作站》重新整理后，今日仍用原標題再次發出。此文中有空客A350機身第19段結構，很有參考價值。

原文，《Modular, robotic cells enable high-rate RTM using any material format》 2023.8.23

楊超凡

原發文2023.8.24

現重新發文2025.11.16