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從復(fù)合材料的價(jià)值鏈來(lái)看，原材料的附加值為30%，而結(jié)構(gòu)件制造的附加值占55%，預(yù)浸料等中間產(chǎn)品占10%。項(xiàng)及第三項(xiàng)成本具有相對(duì)穩(wěn)定性，降低結(jié)構(gòu)件的制造成本是關(guān)鍵，而目前有效的方法是采用自動(dòng)化及大批量生產(chǎn)工藝。根據(jù)國(guó)外2005年的統(tǒng)計(jì)，在復(fù)合材料制造工藝中手工占20%，自動(dòng)纖維鋪放只占17%，因此采用一體化模壓成型以及鋪帶、絲束鋪放自動(dòng)化檢驗(yàn)尚有很大的發(fā)展空間。自動(dòng)鋪絲、自動(dòng)鋪帶以及自動(dòng)模壓成型等大批量生產(chǎn)工藝，是促進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品降低成本、進(jìn)入市場(chǎng)的必由之路。
自動(dòng)鋪層技術(shù)及設(shè)備
2007年大型民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中只有43% 是用自動(dòng)化技術(shù)制造的，預(yù)計(jì)10年內(nèi)將達(dá)到64%。自動(dòng)鋪帶及絲束鋪放的材料利用率能達(dá)到80%~97%，而手工鋪層的材料利用率僅為40%。復(fù)合材料制造自動(dòng)化包括鋪放、編織、縫紉、檢驗(yàn)等多個(gè)方面，其中自動(dòng)鋪放技術(shù)是軍民用飛機(jī)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)中發(fā)展為迅猛的部分。在自動(dòng)鋪帶領(lǐng)域，目前鋪帶寬度大可達(dá)到300mm，鋪帶速度達(dá)1.3～20.4kg/h，生產(chǎn)效率可達(dá)到手工鋪疊的數(shù)十倍；絲束鋪放技術(shù)適于大曲率機(jī)身和復(fù)雜曲面成型，目前鋪絲速度可達(dá)6.8～11.3kg/h，高可達(dá)23kg/h，新的Viper6000系統(tǒng)可以鋪放并控制32個(gè)纖維束，每束寬3.2mm，以前的機(jī)器為24個(gè)絲束，從而使鋪層帶寬從7.6cm增到10.2cm。鋪放速度達(dá)到30m/min，精度為±1.3mm。
從自動(dòng)鋪帶及纖維鋪放來(lái)看，目前有100多臺(tái)設(shè)備。辛辛那提公司近日又推出2種設(shè)備，一種是69Charger鋪帶機(jī)，一種是49纖維鋪放機(jī)，兩者均體現(xiàn)了鋪層機(jī)上革命性的變化。
1 辛辛那提公司的自動(dòng)鋪層技術(shù)及設(shè)備
自動(dòng)鋪帶機(jī)是在20世紀(jì)60年代初無(wú)緯布預(yù)浸帶出現(xiàn)后幾年、為加速鋪層的工藝過程而開發(fā)的。早期的鋪帶機(jī)都是由本國(guó)開發(fā)的，在美國(guó)，臺(tái)電子計(jì)算機(jī)控制的龍門式鋪帶機(jī)就是根據(jù)美空軍材料實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃由通用動(dòng)力公司與Conrac公司合作開發(fā)的。此后又大量開發(fā)了用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪帶機(jī)及纖維鋪放機(jī)。
代鋪帶機(jī)及其以后出現(xiàn)的纖維鋪放機(jī)是由一些傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床制造商開發(fā)的，它們自面世起就與飛機(jī)復(fù)合材料制造業(yè)密切合作。其中馬格?辛辛那提就是繼承了辛辛那提米拉克龍公司，其他類似的公司還有Ingersoll機(jī)床工具公司、Forest-Line以及MTorres公司。
在鋪帶機(jī)方面，馬格?辛辛那提提供了品牌Charger型機(jī)，可以鋪75mm、150mm或300mm無(wú)緯預(yù)浸帶。Charger型面鋪帶機(jī)可以鋪達(dá)25°銳角的特型鋪層，它應(yīng)用的是CNC十軸龍門型系統(tǒng)，可自動(dòng)下料、壓實(shí)預(yù)浸帶。該系統(tǒng)應(yīng)用了獨(dú)特的側(cè)面加載頭，可提供快速、簡(jiǎn)單更換300mm 寬、650mm直徑鋪放壓輥功能。空客及歐洲合作伙伴曾購(gòu)買10臺(tái)鋪帶機(jī)用于生產(chǎn)A320/330/340/380及A400M的機(jī)翼桁條、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、機(jī)身蒙皮及機(jī)腹整流罩等。
除了通用的鋪帶機(jī)外，馬格?辛辛那提還開發(fā)出形狀相同或相似的大批量生產(chǎn)的專用鋪帶機(jī)，如為沃特飛機(jī)公司開發(fā)了平面鋪帶機(jī)，用于制造長(zhǎng)而平面的構(gòu)件，該機(jī)有18.5m長(zhǎng)的平面鋼制真空臺(tái)以及用伺服系統(tǒng)從一端到另一端運(yùn)輸?shù)臋C(jī)構(gòu)，鋪帶速度達(dá)30.48 m/s、22.7~27.2kg/h， 精度±0.75mm，啟動(dòng)停車精度±0.75mm。
后續(xù)該公司還開發(fā)了小型平面鋪帶機(jī)（SFTL），用于生產(chǎn)長(zhǎng)、窄、平面構(gòu)件，多件鋪層和板、隔膜成型蒙皮等，典型用途有大梁、桁條、梁、剪切帶、框、襟翼及蒙皮。它還提供長(zhǎng)、窄的結(jié)構(gòu)件，特別適用于飛機(jī)用的復(fù)合材料桁條、大梁及梁。這種機(jī)器可用于寬300mm的預(yù)浸帶，其特點(diǎn)是鋪帶頭能力高、運(yùn)載結(jié)構(gòu)及支承結(jié)構(gòu)能量大，既可鋪無(wú)緯帶，也可鋪織物。
在纖維鋪放方面，馬格?辛辛那提提供了品牌Viper的49 Charger鋪放機(jī)，其中新的型號(hào)是Viper6000，能操作達(dá)86180kg的心軸，可對(duì)32條絲束或窄帶進(jìn)行供料、夾持、下料及鋪放。目前，沃特飛機(jī)公司用來(lái)生產(chǎn)波音787的機(jī)身段，空客訂購(gòu)6臺(tái)Viper6000用于A350XWB的機(jī)身制造，機(jī)身的92%將用Viper制造。
在目前100多臺(tái)復(fù)合材料部件生產(chǎn)的機(jī)器中將增加2種設(shè)備：一是69Charger鋪帶機(jī)和49纖維鋪放機(jī)（Viper）。二者體現(xiàn)了在機(jī)床上的一些革命。它們將飛機(jī)專業(yè)公司推向的領(lǐng)導(dǎo)地位。該公司已為代表航空未來(lái)的機(jī)床制造的創(chuàng)新途徑制定了“規(guī)范”。
隨著空客及波音等制造商鋁合金使用量的減少，生產(chǎn)復(fù)合材料零部件的機(jī)器便有機(jī)會(huì)走向前臺(tái)。在馬格公司Hebron廠的張貼畫上展示了用公司生產(chǎn)的機(jī)器制造的飛機(jī)型材。鋪帶機(jī)始于B-2轟炸機(jī)。Viper 鋪放機(jī)有4 種類型，生產(chǎn)更復(fù)雜的曲線及角形零件，如機(jī)身、短艙及尾椎。
鋪帶機(jī)及纖維鋪放機(jī)正用來(lái)制造18種飛機(jī)零件，被29家公司所采用，波音有24臺(tái)Charger，3臺(tái)Viper，空客有7臺(tái)Charger、10臺(tái)Viper。
Viper纖維鋪放系統(tǒng)是公司在復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)的珍寶。它用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制器完成鋪帶及纖維纏繞，可生產(chǎn)不同厚度、高度特型的結(jié)構(gòu)，廢料低到2%。
馬格? 辛辛那提公司的Viper產(chǎn)品是霍克比奇公司的相1號(hào)公務(wù)機(jī)。復(fù)合材料比鋁輕20%，但重要的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，相1號(hào)的前機(jī)身由3000個(gè)零件組成，現(xiàn)在則由兩部分組成。
幾十年前，關(guān)注的重點(diǎn)是用這種設(shè)備能否制出產(chǎn)品，后來(lái)轉(zhuǎn)為能否制出合格產(chǎn)品，目前則轉(zhuǎn)化為低成本的合格產(chǎn)品。
2 其他公司自動(dòng)鋪層技術(shù)及設(shè)備
除辛辛那提公司外，Ingersoll及MTorres公司等近年來(lái)在航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪層技術(shù)及設(shè)備開發(fā)上也成果倍出。
先，Ingersoll機(jī)器工具公司宣稱已完成了A350XWB龍骨制造設(shè)備的方案論證，龍骨結(jié)構(gòu)長(zhǎng)18m、大厚度0.12mm，大半徑5.2m，該機(jī)器為Mongoose V3立式纖維鋪放機(jī)，可鋪32條6.25mm的絲束。
其次，西班牙MTorres公司的自動(dòng)鋪帶機(jī)也有長(zhǎng)期的開發(fā)歷史，A350XWB將采用“TORRESLAYUP”十一軸的龍門式高速鋪帶機(jī)，可鋪300mm、150mm 和75mm的寬帶，鋪帶頭內(nèi)裝有預(yù)浸帶缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。該公司的自動(dòng)鋪帶設(shè)備在A400M機(jī)翼生產(chǎn)中也發(fā)揮了重要作用。自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用在加快效率的同時(shí)，降低了廢料率，A400M翼梁采用自動(dòng)鋪帶后，鋪放效率比手工快了40倍，A400M的翼梁采用自動(dòng)鋪帶后孔隙率降低到1%～1.5%（小于4%為合格），14m長(zhǎng)的翼梁精度保持在0.5mm內(nèi)，相應(yīng)的金屬件精度在300mm內(nèi)。但國(guó)外認(rèn)為，絲束鋪放是對(duì)自動(dòng)鋪帶技術(shù)的補(bǔ)充，后者雖在生產(chǎn)大型平坦件時(shí)的性能極佳，但在加工高度復(fù)雜構(gòu)件時(shí)易產(chǎn)生纖維屈曲；前者雖不如后者那樣能快速鋪出大面積，但能精確鋪出更極端的曲線及方向變化。GKN公司正在評(píng)估這種技術(shù)用于要求更高的翼梁、發(fā)動(dòng)機(jī)的混雜構(gòu)件以及消音襯里。為發(fā)展鋪絲技術(shù)，而為復(fù)合材料翼梁專門設(shè)計(jì)的 MTorres AFP機(jī)已在2010年交貨。
為提高效率，除了采用通用的自動(dòng)化鋪層設(shè)備外，一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是采用專用定制的鋪層設(shè)備，如桁條、梁結(jié)構(gòu)件等專用的鋪層設(shè)備。在該方面，美國(guó)CG技術(shù)公司介紹了自動(dòng)纖維鋪放機(jī)的編程及模擬軟件。現(xiàn)行的自動(dòng)鋪放機(jī)的脫機(jī)編程軟件都是由自動(dòng)鋪放機(jī)制造商提供的，飛機(jī)制造商被迫使用這種專用的軟件，這與20世紀(jì)50~60年代的金屬切削用CNC機(jī)床的情況一樣。CG技術(shù)公司的創(chuàng)新則是開發(fā)與機(jī)器無(wú)關(guān)的編程及模擬軟件，即VCP和VCS。該公司開發(fā)的Electroimpact多機(jī)AFP單元，有鋪放頭更換器，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可制造整體飛機(jī)機(jī)身筒體，目前正在用戶的工廠中裝配。