A350 長桁、框制造工藝
ATK 在美國猶他州克利爾菲爾德附近的一個大型工業園區內建造了這座建筑和其他幾座類似的建筑。然而，這些建筑外表不起眼的普通外觀與內部復雜的復合材料工程形成了鮮明對比。
表 1: ATK 的自動加勁肋成型（ASF）工藝使該公司能夠滿足多種桁條和框架屬性，包括各種長度、偏航、俯仰和半徑值。
表 2: ATK于1982年開發了世界上第一臺自動纖維鋪設機。如今，該公司經營著15個AFP部門，其中7個位于克利爾菲爾德。七座中有四座是內部建造的。兩座由Fives Cincinnati（美國俄亥俄州辛辛那提）建造，一座由 Electroimpact（美國華盛頓州穆基爾特奧）建造。
表 3：ASF 制造的演示器翼梁長3000mm，從 底部的571 mm寬逐漸變細到尖端的444 mm寬。它有三個部分，每個部分都有不同的凸緣角度、凸緣/腹板半徑、層壓板厚度和纖維方向。
ATK 的備料機（MPM）使預浸料坯通過一個專有的切割系統，該系統在 90°、0°、+45°和-45°（見 MPM1 和 MPM2）下產生預浸料的標志（作業指定長度），然后重新纏繞重新定向的材料。ATK的自動加強筋成型機（見下圖）然后將 MPM 的材 料向上澆注，并在一系列固定位置的壓頭下通過陽 模，使材料與模具表面一致。
ATK 公司內部開發的自動加勁肋成型機（見下一張照片）快速、高效、精確地為空客 A350-900 和A350-1000（如圖）生產出高度差異化的機身長桁，并為空客 A350 和波音 787生產出機身框。一架A350-900 長桁和框有 698 個組件號，總共 900 個零件。ATK 為 A350-900 制造所有長桁和 60%的框。
ATK 公司內部開發的自動加勁肋成型機如圖所示。
在由ASFM 放置桁條后，將疊層工具裝袋，然后將其轉移到滾球地板系統上的支架上， 放入高壓釜中進行固化。地板使 ATK 人員 能夠輕松移動和操作模具，避免了使用起重機所需的成本和時間。
ATK 的機身框架是在專有機器上成型的，但框架制造過程中使用的模具的預生產疊層涉及這種 16 絲束的 Electroimpact 纖維放置系統，該系統在切割臺上構建預浸框架“彩虹”，將彩虹切割成形，然后將其放置在框架成型系統中的模具上。
然后，通過ATK設計和建造的相控陣系統（插圖），通過無損檢測（NDI）對成品框架和桁條進行評估。
該Fives VIPER 自動預浸帶鋪設（ATL）系統是 ATK 為F-35 閃電II 戰斗機鋪設 BMI 層壓板蒙皮所使用的兩個系統之一。每個 ATL 都由一個線軸組（見下一張照片）提供，線軸組與機器控制平臺上 的放置頭一起“騎行”（圖像中的背景）。多功能心 軸在放置預浸帶后旋轉，以便可以對疊層進行間隙、 FOD 和尺寸的激光檢查。
ATK 的每臺ATL 機器都由一個線軸組供電，就像這個線軸組一樣，它與機器控制平臺上的放置頭一起 “騎行”。
ATK 內部構建的ATL系統龐大而復雜。每個都有一個平臺（照片中的左中心），當系統在模具上構建層壓板時，ATL頭、材料架和機器操作員都坐在平臺上（照片中右側）。
ATL之后，ATK 技術人員使用 Virtek 激光檢查系統評估BMI 上籃（底部照片）的尺寸一致性、間隙和異物損傷等參數。
編者按
在這次ATK之旅發表后，ATK被Orbital收購，成為Orbital ATK。Orbital ATK 隨后被諾斯羅普·格魯曼公司收購，后者是猶他州克利爾菲爾德設施的現任所有者和運營商。
ATK 航空航天結構公司確實是伴隨著復合材料行業成長起來的。20世紀50 年代，該公司成立的目的是為美國國防和太空計劃提供風力火箭發動機外殼。如今，很難找到該公司沒有或沒有參與的航空復合材料項目：目前的商用飛機項目包括波音787和空客A350 XWB，以及通用電氣GEnx 2B 和勞斯萊斯Trent XWB噴氣發動機。軍用飛機包括空中客車A400M和波音公司的C-17環球霸王運輸機、洛克希德·馬丁公司的F- 22 猛禽和 F-35 閃電 II 戰斗機以及阿古斯塔韋斯特蘭公司的 609 直升機。空間系統包括德爾塔四號和阿特拉斯五號運載火箭以及國際空間站。
ATK 航空航天結構公司分布在美國三個州，目前在俄亥俄州代頓擁有制造設施；Iuka，MS；克利爾菲爾德工廠位于鹽湖城以北約一小時車程的一個工業園區。它占據了二戰期間美國海軍內陸設施的所在地，被認為是日本飛機無法到達的地方，這些飛機可能會從加利福尼亞海岸外的太平洋與美國會合。在那里，一組長長的、但并不起眼的建筑現在是 ATK 的所在地，從外面看，它們幾乎沒有透露出內部的實質性活動?？死麪柗茽柕鹿S有三個主要活動：飛機商業（57000平方米，17%的潔凈室）、軍事結構（60000平方米，12%的潔凈室）和機箱制造（18000平方米）?？死麪柗茽柕鹿灿?800 名員工，航空航天結構部門共有 1000 名員工。
當《復合材料世界》有機會參觀該公司最大的工廠克利爾菲爾德的運營時，記錄該公司如何在其細絲纏繞傳統的基礎上發展成為航空復合材料行業的領先創新者之一，以及世界上最具創新性、紀律性和經驗的高性能復合材料制造商之一的大門敞開了。
《復合材料世界》在克利爾菲爾德工廠的導游是研發工程師、ATK 工作9年的員工 Barrett Milenski。盡管克利爾菲爾德仍然生產火箭發動機外殼，并制造了一長串其他結構—發動機外殼、短艙、機身部件、門彈簧、樞軸、機翼蒙皮、桁條，固定蒙皮和壓力容器—參觀的第一站將焦點放在了最近開發的兩種產品上，這兩種產品在數量上主導了生產，并表明了ATK對突破技術極限的持久承諾。
長桁和框
克利爾菲爾德為空客A350-900和A350-1000制造機身長桁和框，為波音787-9和787-10制造機身中部和后部框。Barrett Milenski 指出，這些復雜零件的制造是ATK面臨的最具挑戰性的企業之一。僅 A350-900的長桁和框就涉及698個不同的零件編號，每架飛機由 900 個零件組成。自A350-900 開始生產以來，ATK已經為該飛機交付了 30000多個長桁和框。盡管近年來自動化預浸帶放置技術已經顯著成熟，但將此類材料卷與現成技術相匹配是不可能的。相反，該公司采用了兩種內部開發的技術，將獨特的纖維制備與大批量工藝相結合，使 ATK 能夠實現 A350 的生產目標，并在這一領域為 ATK 帶來真正的競爭優勢。第一個是名稱恰當的備料機，這是一個連續的過程。該機器可接受由 Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德市）提供的長達600 米長、600毫米寬的單向（UD）HexPly 碳纖維預浸帶，將其展開，并使預浸帶通過專有的切割系統。刀具在90°、0°、+45°和-45°的偏置下產生預浸料坯的標記（工作指定長度的術語）。然后，系統將每個標志重新定向到預先編程的角度，使其與其他標志重新對齊，并重新纏繞重新定向的材料（見圖）。然后將材料切開并重新纏繞到工廠使用的幾種寬度之一。新的預浸料輥包括一系列 UD 標志，這些標志以各種角度定向，以滿足特定長桁和框的特定載荷要求（見表 1.）。
離開 MPM 后，每卷都被送到克利爾菲爾德工廠的一個名為飛機商業卓越中心的潔凈室，在那里它被裝載到五臺自動加強件成型機中的一臺上——ASFM-L0401、ASFM-L10402、ASFM-L 0501、ASFM-R0201和ASFM-R0202。標有“-L”的機器用于制造線性零件，如長桁。標有“-R”的機器是制造框的徑向機器。憑借這第二項內部技術，ATK 實現了長桁和框的全自動化制造。ASFM 操作原理相對簡單，但機器速度快：用于截面 C、Z、I 型梁或帽形截面的凸模在一系列固定位置的壓頭下通過，壓頭將 MPM 材料推到工具表面，使其符合長桁模具呈現的各種形狀、角度和尺寸。ASFM-L0401 和 ASFM-L10402各有四個壓頭，用于進行擦洗、側面、半徑和凸緣壓實操作（見圖）。
Milenski 說：“ASFM-L稱之為俯仰、滾轉和偏航。”他指的是 ASFM 必須適應的無數工具類型。
“每種工具都有自己的俯沖、扭曲或彎曲，ASFM 必 須能夠為每種工具放下材料。”ASFM 不僅可以精確 地放下預浸料坯，還可以制作 66 層厚的層壓板，而且速度是手動工藝的 10 倍。此外，Milenski 說，ASFM 處理不需要中間的壓實。平均而言，長度達 18m 的長桁可以在大約 2 小時內層壓、成型、裝袋并準備固化。
盡管長桁存在著令人生畏的變化，但Milenski表示，ASFM工藝最復雜的方面是模具制造和管理。A350-900上的698個長桁和框中的每一個都需要一個獨特的殷鋼模具。Milenski指出，每種工具都有一個碳纖維壓板，大多數模具都是歐米茄形狀的。每個模具都貼有射頻識別標簽，用于識別工具在工作站中的位置。
未來，RFID 標簽將集成到層壓過程中，以識別零件，并向 ASFM 發出預浸料應在何處以及如何應用的信號。
Milenski 指出：“這些模具對我們和我們的客戶來說都非常重要。”。數百個工具水平存放在ASFM制造室外的高貨架上。將長桁定位在機架上，移動長桁，將其加載到ASFM中，然后返回到其機架，這本身就是克利爾菲爾德的全職工作。“妥善管理和維護它們是我們工作的重要組成部分。”
每次鋪層后，都會自動從ASFM壓實頭下方推出一個模具。鋪層床的末端是Virtek Vision International股份有限公司（加拿大安大略省滑鐵盧市）激光投影系統，用于驗證鋪層的正確放置和檢查異物損壞。通過此測試的疊層被裝袋并準備進行熱壓罐固化。裝袋后，零件通過潔凈室墻上的切口到達固化暫存區。
到目前為止，模具操作主要是通過叉車和機器人完成的，但將模具放入熱壓罐是一個手動過程，然而 ATK 通過一點創造性思維簡化了操作。將袋裝模具裝載到工具轉移車上，該工具轉移車寬約 500mm，高約 900mm。這種推車上的金屬模具通常可以通過起重機、拖船或叉車移動，但在 ATK，它是在一個大地板上進行的，從 ASFM 潔凈室到熱壓罐，每隔一段時間就用小滾珠嵌入（見圖）。根據需要，由一兩名 ATK員工推動的轉移車可以輕松地在滾球上移動，以便快速運送到熱壓罐中。
ATK 有三臺熱壓罐，均由 ASC 工藝系統公司（美國加利福尼亞州巴倫西亞）提供。其中兩個長18.3米，第三個長26米。預計很快還會有三臺熱壓罐，用于A350-1000的長桁和框制造。米倫斯基說，每個熱壓罐可以容納40-45個長桁模具。
ATK的框制造原理與驅動長桁制造的原理相似，但框的彎曲 z 形引入了一些新的復雜性。ATK的ASF框制作機也在自己開發，名為 ASFM-R，圍繞著一個水平放置在車間地板上的圓環形鋼轉盤定向。桌子上方是一個藍色的大龍門架，上面有可互換的預浸帶鋪設頭和一個成型站。Kuka Robotics Corp.（美國密歇根州謝爾比鎮）的機器人在 ATK 龍門架上交換鋪放頭。一個帶有RFID標簽的框架模具固定在工作臺上，然后工作臺旋轉到預浸帶鋪設站，在那里由 ATK 龍門架放置赫氏（Hexcel）的碳纖維預浸膠帶。機器人從裝載到龍門架上的幾個進給頭中選擇預浸帶，根據工具類型應用不同寬度和方向的預浸帶。鋪設完成后，工作臺轉到成型站，在那里壓實預浸帶。
Milenski 說，對于一些框架，0°簾布層在切割臺上單獨預成型，然后在自動預浸帶放置開始之前手動放置在工具中。環形預浸碳纖維鋪層被ATK公司稱為“彩虹”，是使用 Electroimpact 股份有限公司（美國華盛頓州穆基爾特奧）自動纖維放置（AFP）機器形成的，該機器配備了一個頭部，可以同時放置多達16根6.4毫米寬的絲束。Milenski 說，AFP“放置彩虹，然后用超聲波刀在彩虹周圍切割邊界。”同樣由 Electroimpact 制造的真空臺采用分區真空系統，在鋪放時將彩虹固定到位。每個彩虹預制件只有一層厚；每個框架需要 12 到 36 個 0°層預制件。
所有長桁和框的無損檢測（NDI）是在 ATK 設計和建造的相控陣系統上進行的。該公司還使用專有的線性 NDI 系統。
高性能AFP
隨著參觀的進行，很明顯，MPM和ASFM只是ATK成功背后一系列令人印象深刻的技術改造中的最新一款。ATK在Clearfield 最活躍的制造流程專注于自動化纖維鋪設（AFP），僅次于長桁和框的制造工作。這也就不足為奇了：ATK在1982年開發了第一個AFP流程，此后一直在對其進行微調。
作為AFP的先驅，ATK維護著幾臺內部開發的AFP機器。在克利爾菲爾德，其七臺AFP機器中有四臺是 ATK 制造的，另外兩臺由 Fives Cincinnati制造，另外一臺由 Electroimpact 提供（見表 2）。后者，如前所述，用于制作機身框的拱形堆疊。在美國所有地區，ATK 運營著 15 臺 AFP 機器，其中五臺是內部制造的，一臺來自 Electroimpact，另外九臺來自Fives Cincinnati。
克利爾菲爾德制造的最大AFP零件是F-35閃電 II的碳纖維/BMI 機翼蒙皮。自動鋪絲機（FPM）2，也就是它的名字，用于這項工作，其特點是一個 27216公斤的多工位心軸和一個 32 牽引頭，有七個運動軸。“多”名稱說明了機翼蒙皮完全放置后會發生什么：芯軸自動在遠離機頭的水平軸上旋轉，由 Virtek 激光投影系統進行掃描，該系統驗證尺寸、纖維方向和簾布層邊界的準確性，并檢查間隙和FOD。
Milenski 說，由氰特（Cytec Aerospace Materials 美國亞利桑那州坦佩市）提供的 BMI 由于其低粘性而對纖維位置特別具有挑戰性：“在我看來，F-35 短艙是我所知道的纖維位置最難的部件之一。”盡管如此， ATK 在這方面已經做得很好了，指向正在接受激光檢查的蒙皮。“我無法重申這有多難。”
Milenski指出，造成這種困難的一個原因是原始設備制造商對蒙皮厚度的嚴格要求。Milenski說，這需要頻繁測量工具和層壓板，以及車間里有“經過培訓以驗證質量”的操作員。理想情況下，在厚度公差范圍內，從熱壓罐中取出一層表皮，但如果沒有，ATK 必須堆積或機加工掉材料。
在《復合材料世界》的參觀期間，ATK正在完成一臺名為FPM 5的新型Fives VIPER AFP機器的購買，該機器將與另一臺VIPER協同生產 F-35 機翼蒙皮。新的VIPER具有一個操作員平臺，該平臺配備了一個碳纖維筒子架組，為放置頭提供進給。整個平臺和操作員一起，在模具上工作時與放置頭一起“騎行”。Milenski 表示，該機器的鋪放速度為 35.6 米/分鐘，他將其描述為“對BMI來說是一件大事”。
Milenski說，ATK與Fives的關系是密切合作的關系。事實上，ATK 是第一個使用Fives的可停靠龍門系統的公司，該系統將 ATL 和 AFP 結合在一臺機器中?；邶堥T架的單元的 ATL 頭處理大型、非復雜的表面，然后在同一個模具上，機器的控制系統可以自動切換到 AFP 頭，用于狹窄、更復雜和/或高度輪廓的表面。頭到頭的轉換不到 2 分鐘。因此，期望該系統優化材料鋪放速率并增加制造靈活性。
回到未來
盡管ATK已經將其纖維鋪設、預浸帶鋪設和自動化專業知識提高到了速度和精度的新高，但ATK繼續在研發方面進行大量投資，不會讓過去決定未來。引人注目的是其自動翼梁成形技術，該技術將與當今用于制造翼梁的ATL、AFP和熱隔膜成形技術競爭。ASF將碳纖維預浸帶從位于工具上方的四個直列輥中的一個分配到內翼梁工具中。鋪設預浸帶時，一系列滾筒經過工具表面，進行壓實和除泥操作，處理水平和垂直工具表 面。該系統可以適應整個翼梁的厚度變化，并通過簾布層下降自動進行錐形折彎。ATK表示，其優點是降低了操作風險、良好的纖維排列、一致且緊密的半 徑、低空隙率、消除了中間減塵、增加了設計靈活性和降低了材料的購買比。ATK制造的翼梁演示器顯示了該系統滿足各種法蘭角度、半徑、厚度和纖維角度的能力（見表 3）。
ATK還通過其超聲波預浸帶層壓系統追求熱壓罐外（OOA）固化技術，該系統的特點是熱固性或熱塑性預浸膠帶的ATL放置（前者在預浸帶頭處通過超聲波原位固化）。ATK已經用來自多家美國供應商的預浸料演示了該工藝，包括來自Hexcel的Cytec的Cycom 977-2、HexPly 8552和HexPli M21E，以及來自一家未經確認的供應商的 PEEK。最近用Cycom 977-2環氧樹脂制成的低溫罐的樹脂體積為 36.8%（相對于熱壓罐的37.2%），纖維體積為 62.76%（相對于 62.8%），空隙體積為 0.425%（相對于0.006%）。
ATK也即將推出其下一代備料機 MPM2。ATK 與 MTorres（西班牙潘普洛納）合作開發了這臺新機器。MPM2 將提供兩種新的選擇：生產 1.5米寬的材料；以及錐形標志寬度，以優化材料使用，特別是在翼梁制造應用中（參見MPM1和 MPM2標志比較）。
ATK已經豐富的技術歷史和未來承諾，該公司將繼續處于復合材料發展的前沿。在尋求自動化和簡化制造工藝的新方法時，復合材料行業——尤其是其航空復合材料部門——將繼續尋找像ATK一樣尋求在工藝集成和生產率質量控制方面日益成熟的領導者，這是該行業所見過的。Milenski總結道：“ATK認為，繼續開發新的、大批量的自動化復合材料制造工藝是擴大復合材料在航空航天結構中的使用，同時保持美國高科技工作崗位的關鍵。”
注：原文見《Plant tour: ATK Aerospace Structures, Clearfield, Utah, U.S.》2015.1.6
