通過MFFD、CoMMaNds 2、FastFlexMont 2、Tempo和 UniFix項目，自動化或半自動化制造解決方案的新發展，以實現可持續、高效的復合材料零件生產。

移動式 cobot 進行CFRP 垂直尾翼的鉆孔。圖1.將復合材料垂直尾翼（VTP）手動進行的鉆孔工序轉移到移動式cobot鉆孔。

 

在德國斯塔德4500平方米的研究大廠房，弗勞恩霍夫制造技術和先進材料研究所（Fraunhofer IFAM）的研發服務專注于大型輕質復合材料結構的加工和組裝，并通過開發工業規模的自動化或半自動化制造解決方案來幫助其實現。

 

Fraunhofer IFAM最近在自動化裝配的背景下深入了解了當前以應用為導向的研發成果，包括可持續生產的機械加工和連接工藝。具體而言，本組織分別注意到了新的發展：

• 一種輕型機器人模塊化系統；
• 未來熱塑性清潔天空 2（Clean Sky 2）飛機機身的裝配技術；
• 碳纖維復合材料整體框的自動預裝配；
• 飛機垂直尾翼的自動舵鉸鏈組件；
• 提高效率的大型復合材料部件流水線制造。

 

圖2.清潔天空 2（Clean Sky 2）多功能機身演示器（MFFD）詳細介紹。目前，它正在斯塔德 Fraunhofer IFAM 與項目合作伙伴以 1:1 的比例進行裝配。

 

CoMMaNds 2項目

 

Fraunhofer IFAM與項目合作伙伴一起開發了移動、輕型機器人系統，用于高效和可持續地組裝飛機部件（圖1）。聯合項目“下薩克森州的Cobots，Humans and Machines”（CoMMaNds 2）的目的是創建一個模塊化、輕量級的機器人工具包，使其能夠在減少時間和財力的情況下配置和重新配置機器人系統。除了降低成本和交付時間外，這一開發還可以使現有系統更好地適應不斷變化的條件。

 

系統建模以及標準化接口基于開放數據交換標準 OPC UA，標準化序列控制由基于能力的軟件模塊組成；在生產實踐中實現了“即插即用”和快速簡單的控制代碼生成。

 

其他重要的項目組成部分包括使用AR技術開發的人機界面（HMI-human-machine interface），以及用于快速、可靠參考、機器人動員和一些航空航天相關流程開發的其他技術。

 

項目合作伙伴注意到該系統的成功，例如，在飛機機身外殼上壓接普通鉚釘，或鉆孔和擰緊環槽釘，這兩項都是使用飛機垂直尾翼（VTP）翼箱在 1:1 的比例上成功完成的。

 

項目由Niedersächisches Ministerium für Wirtschaft、Verkehr、Bauen 和 Digitalisierung資助。

圖3.Fraunhofer IFAM開發的定位和鉆孔末端執行器，用于在整體框上自動定位支柱。

 

清潔天空 2 的 MFFD 項目

 

清潔天空2（Clean Sky 2）的多功能機身演示器（MFFD）項目正在研究高度集成的熱塑性飛機機身結構的焊接組裝的技術和經濟可行性。這包括在斯塔德（Stade）建造一個具有各種接頭設計和焊接工藝的1:1比例演示器，Fraunhofer IFAM正在與國際項目合作伙伴一起開發該演示器。除了焊接工藝外，重點是結構的自動化操作和組裝，同時保持最高的公差要求。清潔天空2號，由歐盟共同資助。

 

Tempo 子項目

 

Fraunhofer IFAM 與其他項目合作伙伴的合作，“復合材料機身部件的高效組裝和生產”（Tempo）已在全尺寸原型上的近系列環境中得到驗證。

 

定位和鉆孔端部執行器是為門框系統新開發的，用于自動在復合材料機身整體框上預裝配加強元件（支柱）（圖 3），用于飛機機身。據報道，自動化解決方案能夠以穩定的質量和低成本提高生產率，實現高可靠性和高定位精度。此外，與以前的手工生產相比，這種新工藝只需較少的步驟即可實現所有功能。

 

定位和鉆孔端部執行器接收各種支柱，它們位于不同的整體框上，并同時對兩個部件進行雙重鉆孔。結構緊湊的末端執行器既可以由門式系統拾取，也可以由標準工業機器人拾取。它可以通過系統PLC進行控制，并從導入的零部件CAD數據中接收其全局位置數據。此外，通過使用激光跟蹤器的快速上游測量來適應新的組裝情況。集成在端部執行器中的測量技術記錄了所需的確切接觸壓力以及許多其他參數，用于監測支柱在整體框架上預裝配的最佳條件。Fraunhofer IFAM指出，這保證了在線質量保證。

 

通過調整安裝系統，末端執行器也可用于其他行業的部件組裝，如風力渦輪機、鐵路和商用車、汽車或造船。由聯邦經濟事務和氣候行動部資助。

圖4.自動按需墊片應用旨在補償部件公差；輕型機器人在分配系統下方引導舵鉸鏈，用于液體墊片應用。

 

FastFlexMont 2 聯合項目

 

通過使用CFRP箱形結構的敏捷生產技術， Fraunhofer IFAM 的研究人員優化了FastFlexMont 2項目中垂直尾翼（VTP）的生產流程。

 

該項目的主要目標是避免中斷方向舵鉸鏈與垂直尾翼翼箱的組裝。Fraunhofer IFAM專家和合作伙伴開發了墊片材料（間隙填充材料）的應用和固化（圖 4）作為一個平行過程。據說，自動化和數字網絡化的工藝可以實現體積精確的計量和應用，以及墊片的精確成型和邊緣平滑。只有在填隙之后，填充物已經固化，完全加墊片的舵鉸鏈被插入垂直尾翼中。

 

因此，除了敏捷制造之外，工作步驟的并行化還可以重用技術資源，從而提高生產力，同時降低成本。由聯邦經濟事務和氣候行動部資助。

 

UniFix 項目

 

關于敏捷生產技術的另一個里程碑是 Fraunhofer IFAM 和 UniFix 項目合作伙伴開發的一種新型移動夾具（“用于纖維復合材料結構加工的通用移動部件夾緊和固定裝置”）。該夾具能夠靈活地固定各種大型部 件，如不同類型的飛機尾翼或襟翼，長度可達 8 米，精確、可持續地對齊并運輸（圖 5）。

 

這個聯合研究項目也是關于減輕重量的大型復合材料，建造的 1:1 比例的結構。該夾具專注于生產流程中的加工過程，通過提前通過各種加工站，將最佳且精確對準的大型部件，可以并行和同時進行準備工作，從而減輕生產線耗時、無附加值的二次活動。

圖5.“UniFix”流水線的第一站：新開發的移動夾具由虛擬耦合AGV 系統操作，用于運輸牢固固定的復合材料垂直尾翼進入測量工位，在那里檢查產品的外形。

 

Fraunhofer IFAM表示，以流程為導向的生產可以減少生產時間，從而提高生產力、效率和成本效益，從而提高國際市場的競爭力。這種以流程為導向的制造的優勢主要在于減少了手動操作和非生產時間。此外，據說通過單個工廠的專業化、由于協調的循環時間而減少的生產時間，以及緩沖庫存的相關減少和對工藝偏差的更快反應，提高了效率。

 

注：原文見，《 Fraunhofer IFAM advances automation, robotics development for large composite structures 》5/4/2023

 

近期會議預告

2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會暨智能化成形裝備演示培訓會

主辦單位：中國復合材料信息網（復材網） / 天津市天鍛壓力機有限公司

協辦單位：廊坊市飛澤復合材料科技有限公司 / 湖南精正設備制造有限公司

會議主題：材料變革 工藝創新 裝備強國 智造未來

時間：2023年8月3-5日

地點：中國·天津