自動化鋪絲發展成為具有多種材料和工藝能力的更緊湊、靈活、模塊化和數字化的系統。

更緊湊系統中的新功能(左上角，順時針方向)。Add composites于2023年推出了4絲束AFP-X頭， Carbon Axis在其XCell AFP系統中增加了纖維纏繞功能，MTorres的新型緊湊型eVTOL AFP頭具有更新的在線檢測(OLI-online inspection)功能，M&A Dieterle為AFP的新加入者提供了一系列選擇，包括cobots頭。

隨著復合材料行業的成熟，多層和越來越復雜的層壓板的手工疊層繼續被自動鋪帶(ATL)和自動鋪絲(AFP)所取代，通常使用碳纖維預浸絲束（預浸無捻紗）或單向預浸料切割成精確寬度的膠帶，。也可以使用干纖維帶，用熱塑性粘合劑固定在一起。這篇文章不是一個完整的調查，而是對供應商的選擇，強調了一些趨勢，如更小的尺寸、為壓力容器和轉子套管增加繞組、增加數字化和過程控制。它還顯示了可用系統的演變范圍，從最簡單、最容易進入AFP到每年超過50萬個零件的自動化大規模生產。

MTorres 為 ATL 推出 eVTOL 磁頭、OLI

圖1. 高角度eVTOL頭。對于其最新的AFP頭， MTorres增加了較小、更復雜零件的鋪放間隙角，并繼續升級其在線檢查(OLI-online inspection)，以將最高7公斤/小時的鋪放總設備效率(OEE-overall equipment efficiency)提高到 75-85%，或比手動鋪放高5-6倍。

MTorres(Torres de Elorz，西班牙)成立于 1975年，旨在為工業流程提供自動化，在25年內交付了89個ATL系統，在16年內交付 70個AFP系統。從2011年起，該公司每兩年推出一款新的AFP頭,包括:激光基熱塑性復合材料、AFP頭上的線軸、24絲束頭、寬至2英寸的絲束，以及2017年推出的更緊湊、更高角度的頭。“但這還不是我們想要的頭，”MTorres 機器首席增長官馬努·莫蒂爾瓦說。“到 2022 年，我們有了我們所說的eVTOL頭，它有八根絲束，角度至少為40-45°，可以獲得更大的間隙，制造更小、更復雜的零件。它將我們的旋轉刀具保持在頭中——伺服驅動，而不是氣動——最小切割長度為100毫米，集成在線檢測（OLI），可用于龍門架或機器人。”

MTorres AFP機頭主要用于關鍵零件的高規格生產，但尺寸較大且幾何結構不太復雜（例如，空客A350機翼和機身、波音 787 機翼）。“對于A350，我們每小時鋪設100公斤，”Motilva指出，“但有了這個eVTOL頭，我們將每小時只鋪設5-8 公斤，但整體設備效率非常高，達到85%。”傳統上，AFP機器只鋪設了一半的使用時間：25%是手動檢查，12%是停機時間，7%是維護，7%是重新裝載預浸帶卷軸。莫蒂爾瓦說：“然后，我們將線軸集成到機頭中，這樣操作員就可以使用自動機頭更換裝置在機器外并行重新加載，使總設備效率(OEE)達到 68%。到2019 年，我們添加了在線檢測(OLI)，總設備效率(OEE)達到75-85%，這相當于新型高角度AFP機頭的7公斤/小時，比手動鋪放高5-6 倍。”

莫蒂爾瓦說：“這些是波音、空客和其他復材零件制造商非常關注的指標，而不僅是鋪設得更快。”

“我們已經以每分鐘2400-4000英寸的速度鋪設。通過這種方式，生產率不會提高兩倍，而是通過在總體運行時間內增加鋪設部分。所以現在，有了在線檢測(OLI)，我們的鋪設速度提高了1.5倍。到目前為止，我們從先進空中機動(AAM-advanced air mobility)制造商那里得到的關于這種新型eVTOL頭的反饋是，這正是他們所需要的。”

升級版在線檢測（OLI）

如上所述，MTorres 已經為AFP推出了在線檢測(OLI），莫蒂爾瓦表示：“但我們需要將其升級為 1-、 2-和 4-膠帶 ATL，這在高速生產中效果良好。”。“在線檢測(OLI)硬件是標準的：滾筒后面的激光線投射到復合材料鋪層上，相機測量激光的高度，帶鏡子的光學盒提供三角測量來計算膠帶高度。關鍵是我們內部開發的軟件，可以精確地顯示所有所需的數據。這就像我們 2017 年的方法，但我們的技術就像把 1000個輪廓儀放在滾筒后面，而不是一個輪廓儀。”

新的eVTOL 頭與MTorres 的在線檢查（OLI）設置（左）兼容，該設置具有 HMI 功能，可幫助用戶輕松查看缺陷和鋪層位置（如圖所示）

他繼續說道：“你可以在線查看所有缺陷，并檢測異物碎片(FOD-foreign object debris)。”。“我們測量每條膠帶的位置，并將其與CAD文件進行比較，當鋪層超出公差時，現場向操作員顯示，并存儲數據以證明竣工零件符合要求的規范。操作員可以在 HMI 中輕松地看到一個閾值或跳躍圖，而不是在鋪層中定位一個層，黑色對黑色，包括所有層的位置、間隙、重疊、FOD和缺陷測量。它以一種更容易理解的方式為操作員提供了更多關于實際鋪放的信息。例如，通過鋪層位 置，您可以清楚地看到一個高度圖，該圖顯示了 UD碳纖維膠帶的典型 0.2 毫米高度。我們在0.2毫米的高度內進行了五到六次測量，可以在 Z 軸測量到0.03毫米，在 Y 軸測量到0.07毫米，在 X 軸或機器移動軸測量到 0.4 毫米?，F在，您有數千個數據集，可以進行大數據分析，我們開始看到這給市場帶來的巨大好處。”

添加復合材料：纖維纏繞，3D 打印

Addcomposite（s 芬蘭埃斯波）的即插即用（plug-and-place）AFP-XS 頭成立于 2018 年，可集成到任何現有的機械臂中，發展迅速——除了熱固性預浸料和干纖維外，它還提供熱塑性膠帶、膠帶纏繞、集成過程控制、模擬、在線缺陷檢測和有限元分析軟件(FEA-Finite element analysissoftware)互操作性，用于其專門構建的Addpath軟件，以及用于1-、2-和4-絲束放置的選項。2022年，它展示了來自合作伙伴IND集團（加拿大舍布魯克）的AFP-XS頭戴式cobot，2023年，它推出了用于高速生產復雜零件的4絲束AFP-X系統。

Addcomposites 首席執行官普拉金·盧塔達（Pravin Luthada）表示：“我們在2023年發送了12個AFP系統，并將系統運往中國、沙特阿拉伯、澳大利亞、新加坡，希望很快還會運往印度。”

AFP與細絲繞組的融合

AFP-XS頭現在也可以是一個細絲系統。AFP擅長精確放置預浸膠帶。它能夠在任何位置切割和重新啟動，高度控制纖維方向，并施加熱量和壓力，以創建具有先進定制機械性能的復雜幾何形狀。同時，細絲纏繞提供了圓柱體和管道的高速生產，其中絲束被拉到旋轉芯軸上，該芯軸被引導通過纏繞眼來確定纏繞模式，而主動張力控制能夠實現高機械性能的壓 實。Addcomposites 的新系統將繞組的散裝材料放置與 AFP 的戰略性纖維放置相結合。

圖2. 自動切換：AFP、燈絲纏繞和3D打印。Addcomposites 的自動切換可以使用其AFP-XS頭（頂部）在AFP和細絲纏繞之間快速切換，并使用單個機器人和軟件平臺使用其新的SCF3D頭（底部）進行3D打印。

當從AFP切換到卷繞時，該系統將材料儲存轉變為張緊筒子架，壓實輥導向器用作卷繞眼。這是由一個專門的繞組模塊移動的，該模塊可以實現多種繞組可能性，包括切割和重新啟動。盧塔達說：“對于需要高張力的應用，你可以在AFP頭前安裝一個附件，將張力增加十倍。”。“同時，我們的 AddPath 軟件可以將AFP-XS磁頭保持在一定的偏移距離。”

“到目前為止，AFP 軟件還不能起到細絲纏繞軟件的作用，”他繼續說道。“但在AddPath中，你可以在兩者之間切換。這種融合為細絲纏繞帶來了放置精度和材料自由度，并為 AFP 帶來了速度優勢，同時也為結構中具有可變材料特性的復雜形狀帶來了新的多功能性。它還提供了更優化、更高效的生產，以降低成 本。這就是我所看到的系統的發展方向，因為對電機套筒、壓力容器和類似幾何形狀的纏繞有著巨大的需求。公司選擇這種系統而不是細絲纏繞機，因為同樣的價格，他們也可以獲得 AFP。”

添加3D打印。Addcomposites還推出了用于連續纖維3D打印(3-6公斤/小時)的SCF3D- structural continuous fiber/filament（結構連續纖維/細絲3D）打印頭，該打印頭使用基于擠出的熔融顆粒制造(FGF-fused granulate fabrication)，也可以打印具有短切纖維或不具有增強物的聚合物（9公斤/時間）。配備定向加熱和壓實壓路機，可實現連續纖維 40%的纖維體積分數。盧塔達說：“我們的目標不是航空航天結構件，而是以可持續的方式擴大各行業的自動化復合材料生 產。”

“我們已經提供了噴頭之間的自動切換，”他指出， “所以現在你可以在一個平臺上在用于 AFP 和細絲纏繞的 AFP-XS 噴頭和用于連續纖維3D打印的SCF3D噴頭之間切換。它們都是從一個單一的源軟件平臺上運行的。你可以3D打印儲罐內襯，細絲纏繞第一層，然后用熱塑性膠帶選擇性地加固，如果你想的話，甚至可以切換到熱固性膠帶。”

不斷增強能力

盧塔達說，購買Addcomposites第一套系統的公司現在正在升級為熱塑性復合材料。“他們繼續與我們合作，以提高他們的能力。我們致力于與他們一起進行工藝發展，我們也看到行業對此的需求要高得多。例如，每個航空航天制造商都在尋求自動化鋪放工作，而非航空航天公司正在探索在哪里可以使用AFP，各行各業的公司都在探索在哪里使用3D打印。”Addcomposites 的軟件對實現這種多流程、多材料生產以及數字化制造至關重要。“每個月，我們的客戶都會得到兩次更新，” 盧塔達說，“這擴展了他們的能力，不僅用于新流程，還實現了真正的數字雙胞胎、數據分析和與人工智能的兼容性。”

Carbon Axis：適用于所有行業的模塊化、易于使用的工作站

Carbon Axis由帕維爾·佩羅泰和基埃米·阿維拉·莫里于2018年創立，生產使用XPlace AFP頭制造1×0.5×0.5米以下零件的機器人 XCell。它還推出了更大的XCell-M，其部件約為2.5×1.5米，帶有新的XPlace2 AFP頭。阿維拉·莫里說，這些系統的模塊化設計使標準緊湊型機器具有多種選擇，包括熱固性、熱塑性和干纖維帶。“我們還可以集成細絲纏繞頭和軸，以及用于修剪預成型件的超聲波切割。”

圖 3. 緊湊型機器，多種選擇。XCell是一體式產品，只需一個軟件界面，就可以輕松地從熱固性塑料（紅外加熱器）切換到熱塑性塑料（熱風槍）。

集成的刀具更換器可實現切換過程。佩羅泰說：“你也可以有第二個 AFP 頭來放置多種材料。”。“一種可以有碳纖維，另一種可以是玻璃纖維，機器會自動在兩者之間切換，以完成編程的鋪放。carbon Axis 機器已經組裝好，可以支持所有這些不同的選項，因為需求不斷變化，所以可以隨時添加。”

阿維拉·莫里說：“標準XCell機器使用帶有紅外加熱器的熱固性預浸料。”。“要加工低熔點熱塑性塑料，如聚酰胺（PA）和聚丙烯（PP），只需換成熱空氣槍，熱空氣槍的溫度高達 300°C。我們可以包括一個加熱板（例如 120°C）來粘合第一層。我們目前不加工 PEEK 或 PEKK，因為激光加熱增加了成本和安全要求。我們希望保持系統簡單，將 XCell 作為一個整體運輸，只需插入即可。”

啟用軟件

XLay軟件

佩羅泰說：“XLay軟件是為任何人設計的，即使沒有機器人經驗。”。“你只需遵循它提供的步驟。在模擬中為簡單零件編程和構建鋪放也很容易。但當你進行困難的鋪放時，你也可以使用更先進的功能。半天后，用戶就可以開始編程了；還需要一天的時間來完成機器和軟件的培訓。我們的客戶應該能夠專注于制造零件，而不是花時間為機器編程。”

“你所做的任何更改都會實時自動更新，所以你不必等待或預先計算任何內容，”他繼續說道。“你可以在一個軟件中完成所有路徑層模擬和機器代碼導出。一切都在一個界面中，因為機器是用軟件設計的，反之亦然。”與Addcomposites類似，該軟件基于Rhino，與傳統的大型AFP機器軟件相比，年許可證價格低于5000歐元，這可能每年花費高達100000歐元。

佩羅泰指出，在線檢測也在集成中，使用了Edixia Automation的傳感器。“硬件是標準的，但困難的部分是讓軟件接受檢測 AFP 缺陷的培訓。通過與 Edxia Automation 合作，我們已經有了一個可以檢測重疊和間隙、外來物等的工作軟件。”

XCell-M和XPlace2。佩羅泰說：“XCell-M可以使用一個中等有效載荷（例如50公斤）的機器人和我們的AFP頭來實現更大的零件，AFP頭使用相同的控制器，因此您可以根據您制造的零件類型進行交換。”。“XPlace非常緊湊，可以實現非常復雜的功能，而多線軸XPlace2可以實現更高速度的簡單零件生產。”

XPlace2 AFP頭可根據需要交換不同配置的線軸系統。

然而，XPlace2 不僅可以將線軸移動到鋪放頭上，還 可以根據需要選擇不同的線軸系統。“我們想要一個標 準的骨架，您可以在其中決定包括哪些模塊和多少模塊。您可以使用緊湊的兩個線軸頭來處理更復雜的零件，也 可以使用四個線軸配置來放置較寬的位置。”

阿維拉·莫里補充道：“對于兩個頭部，我們都做了一切，所以你可以很快交換。”。“對稱的頭部還允許從左到右饋電，所以你可以在途中和返回途中放置。”她指出，XCell 系統符合與航空航天機器相同的質量規格，但輸出較少。佩羅泰補充道，目標是將 AFP 帶到航空航天之外，包括體育/娛樂、賽車運動、醫療和工業部門。“這就是為什么我們的目標是成本比傳統大型機器人 AFP 系統低 10 倍的多材料、多工藝機器。我們能夠用復雜的層壓材料研發和生產許多不同的零件，這些層壓材料在手動生產時會有很多廢料。我們的機器也消耗很少的電力，因為這變得非常重要。”截至 2023 年，Carbon Axis 已經銷售了 7 臺機器，但由于其新產品和市場需求的增加，已經出現了大幅增長。

科里奧利復合材料：機器人AFP，復雜結構的纏繞專業知識

1998 年，科氏復合材料公司（法國魁北克）為空客公司展示了其第一臺自動纖維鋪設（AFP）機器。到2010 年， 科里奧利 AFP 公司為賽峰公司制造航空發動機短艙，到 2014 年，他們為空中客車公司生產結構復合材料零件。科氏集團（法國洛里昂）在全球擁有 100 多個 AFP 系統， 并于 2018 年收購了細絲纏繞公司 MF Tech（法國阿根坦）。

2022 年，科里奧利復合材料公司推出了其C1.2機器，為先進復雜的零件提供了比其流行的C1機器更緊湊的機頭—它可以安裝在直徑為1米的凹形模具中，并解決45°斜坡的問題。C1.2還實現了更高的鋪放速度>1.5米/秒?？评飱W利復合材料公司首席商務官馬修·杜普瓦（Matthieu Dupuis）解釋道：“復雜零件的鋪放速度取決于纖維的進給和在準確的位置上快速切割。”。“否則，您在添加操作后會加速，而在切割時會減速。切割/添加速度已提高到 1 米/秒。我們使用剪切機來實現更清潔、更快的切割。”

C1.2 筒子架可容納高達15公斤的筒子，可容納三倍多的材料，還可使用比典型的 220/280 克/平方米（絲束預浸料高達800克/平方米）更厚的材料，以進一步提高生產率。提供三個紅外線燈作為高速熱固性預浸料鋪層的標準，而干纖維和熱塑性材料只需要一個激光器。對于后者，提高了壓實壓力，以減少原位固結過程中的孔隙率。

圖 4. C1.2 AFP、CPico和MF技術系統C1.2緊湊型AFP系統可實現復雜的高級鋪放（頂部），而CPico將單拖AFP頭與FFF和FGF 3D打印（中間）相結合。MF Tech的業務現在在科里奧利現場，為機器人纏繞和混合系統提供新的可能性（底部）。

C1.2 還具有改進的可維護性。“這是基于我們客戶的反饋，”杜普瓦說。“您不需要任何工具來清潔或維護機器。一切都是為操作員設計的，以快速解決制造過程中的任何問題，這一點很重要。”此外，在更換刀片之間的較長時間內，每個切割刀片最多可實現 100000 次切割，并且無需平臺即可進入筒子架。

CPico?？评飱W利復合材料公司也在開發CPico，它使用自動換刀器將 AFP 和 3D 打印結合在一個緊湊的機器人系統中。該公司今年將向工業和研究團體提供機器。

對于AFP，CPico將提供一個緊湊的單膠帶頭，用于處理從標準 6.35 毫米到 1 毫米的膠帶寬度，從而實現局部和高度定向的額外加固以及非常緊湊的轉向半徑。

對于3D打印，CPico將提供熔融絲制造（FFF- fused filament fabrication）和熱塑性顆粒的 FGF（- fused granulate fabrication）擠出。任何商業長絲都可以與 FFF 頭一起使用，而 FGF 的顆粒可以用短切纖維（高達 35%）增強。這兩個打印頭設計用于提供高溫聚合物的原位固結，例如具有小于 1%孔隙率和高結晶度的聚芳基酮（PAEK）系列材料，以獲得高級復合材料級機械性能。

機器人細絲纏繞。2023年，MFTech的業務轉移到科里奧利工廠。杜普瓦說：“現在對細絲繞組的需求很大，主要是在 H2 儲罐中，也有管道和管道中。”。“我們現在在一個地方擁有機器人 AFP 和細絲纏繞方面的所有專業知識，包括兩家公司的資源和支持團隊。如果客戶想要一臺帶有 AFP 和細絲繞組的機器，那么我們可以做到。我們有一個實驗室，里面有所有的機器，可以制作原型和演示。我們已經與我們的新組織一起制造并交付了三臺新的機器人纏繞機。”

杜普瓦說：“公司正在努力為接下來的事情做準備。”。“熱塑性復合材料，結合了纏繞和 AFP、增材制造以及這些和其他工藝的混合——我們正在將這些模塊組裝在一起，以在一個地方滿足所有這些要求。公司正在尋技術突破，靈活并能夠為其服務非常重要。”

開放式纖維系統，最簡單地進入AFP

機械結構專家 M&A Dieterle（德國Ottenbach）于 2015 年成立了其復合材料業務部門。其開放式纖維系統產品組合包括AFP頭、放置系統和模塊化膠帶生產線。M&A Dieterle開放纖維系統復合材料主管本杰明·格里辛表示：“我們的重點是保持技術盡可能簡單，這樣公司就可以很容易地啟動并向上發展。”。“他們可以從我們的CrossLayer機器開始，該機器可以使用我們的任何放置頭，這些放置頭可以在幾分鐘內更換。你也可以將我們的放置頭放在協作機器人(cobot-collaborative robot)或工業機器人上。一切都是模塊化和開放的，這樣你就可以根據需要對其進行修改。我們不會隱瞞信息，因為這會減緩技術進步所需的發展。”

圖 5. CrossLayer 2.5D AFP。設計簡單易用—編程是起點和終點的列表，訓練時間不到 4 小時—這個 2.7×1.9×1.9 米的基線系統具有一個連接到床區的預制棒鋪設框架，該框架在AFP頭下方移動，AFP頭可以旋轉 360°，并與運動活塞一起上下移動，以適應2.5D形狀。

CrossLayer 2.5D AFP

CrossLayer是與斯圖加特大學飛機設計研究所共同開發的一種基于龍門架的系統，其基線版本的尺寸為 2.65×1.87×1.85 米，其中預成型件鋪設框架通過磁鐵連接到床區。復合材料膠帶由一個可以旋轉 360°但在框架移動時靜止不動的頭施加到該框架上，就像在定制的纖維鋪設機中一樣。目前，放置頭包括干纖維、熱固性預浸料和滲透絲束預浸料，這是一種我們稍后將介紹的特殊產品。預浸料坯和干纖維頭相似，使用紅外（IR）熱源，最小疊層長度分別為 40 毫米和 120 毫米。格里辛承認：“你不能精確地填充一個矩形角落，但我們接受這個缺點，以保持系統簡單。”

“我可以向別人展示如何在半天內運行這臺機器，”他繼續說道。“你輸入一個起點和終點列表，按‘轉 換’，然后將鋪放程序加載到機器中。查看鋪放參數和如何加載膠帶可能需要一個多小時。”CrossLayer 主要為 2D 鋪放設計，但由運動活塞激活的頭部將適應2.5D 形狀。格里辛解釋道：“波浪形工具只會將頭部向上推。”。“頭部也將進行調整，以放置在另一個預成型件或夾芯上。”

M&A Dieterle 的滲透絲束預浸技術能夠使用不同的樹脂和纖維制造少量 AFP 膠帶。

滲透式預浸料

為滿足不同項目對少量AFP膠帶的需求，開發了滲透絲束預浸料的第三種放置頭。它使用由 IFB 開發的穿孔線軸和展開的牽引帶。對于真正的內部材料開發，膠帶可以使用M&A Dieterle 的 UDfixed Tow Line制成，該牽引線包括展開一卷纖維（如15-50K碳纖維、亞麻纖維等）、展開、施加粉末粘合劑、加熱粘合劑、冷卻膠帶并倒帶到 AFP 卷軸上的模塊。這種纏繞在穿孔卷軸上的膠帶被放置到成形容器中。然后將預先測量的注入樹脂倒入線軸中心，將容器關閉并置于真空下，樹脂滲入膠帶。格里辛說：“樹脂含量由 UDfixed Tow Line 中使用的膠帶和粉末粘合劑的量來控制。”。“每種材料都有一個自然的平衡。粉末粘合劑充當流動介質，在纏繞的膠帶之間保持間隙，幫助樹脂滲透。膠帶會吸收一定量的樹脂，從而產生45-50%的纖維體積。”

格里辛說：“你可以使用你想小批量生產的樹脂和纖維，這是大供應商不可能做到的，因為他們需要至少1-2噸或收取很高的價格。”。“浸潤器絲束頭主要是為我們的纏繞機開發的，將于今年晚些時候交付給客戶。”目前，他的公司還沒有使用熱塑性塑料，其放置技術使用第三方軟件。“我們的目標是實現模塊化、價格合理的功能，公司可以使用這些功能來制造用于輸液或熱壓罐 / 烤箱固化的預成型件，并使用各種材料和工藝。”

Conability多材料/工藝3D工作站

Conability(Herzogenrath，德國)成立于2015年，生產具有現場固結(ISC- in-situ consolidation)和模塊化、多材料3D膠帶鋪設和纏繞工作站的交鑰匙、激光安全的2D TPC膠帶鋪設工作站。后者的3D多材料噴頭自2018年開始上市，可以集成到現有的機器人 中，以高達 1 米/秒的速度鋪放。Conability 聯合創始人/管理合伙人邁克爾·埃蒙斯(Michael Emonts)指出：“我們已經交付了集成的機器人生產工作站，包括纏繞軸、加熱上置臺、經過認證的激光安全外殼和CAM軟件。”

圖 6. 多功能3D單元。Conability的生產系統是交鑰匙機器人工作站，可以通過專用CAM軟件和在線檢測在3D疊層和纏繞中在基于激光的TPC 和紅外加熱的熱固性材料之間切換。

多種材料，加工工作站

埃蒙斯說：“我們的大多數客戶都希望使用現場固結(ISC)處理 TPC膠帶，即激光輔助膠帶纏繞。”。“這對生產各種管道來說是有意義的，但我們的系統也可以纏繞熱固性絲束，這對生產例如電機薄壁轉子套很有吸引力。這種多功能性對研究小組來說很好，但也適用于批量生產。我們的客戶從熱固性纏繞開始，然后通過添加激光源、光纖和其他一些工藝部件。頭和控制系統中的所有接口都已集成，用于添加激光器。我們也有客戶使用TPC膠帶生產零件，然后希望添加熱固性繞組。使用我們的系統，他們可以將激光換成紅外加熱器，這需要4-5分鐘，而且非常直觀。我們的控制系統還自動檢測插入了什么熱源，并將人機界面(HMI-human machine interface)切換到不同的模式，以便用戶看到正在使用的功能。”

使用SWMS開發的CAM 軟件。

多流程數字化

Conability最近與SWMS（德國奧爾登堡）合作開發了專用 CAM 軟件。Conability聯合創始人/董事總經理凱·費希爾（Kai Fischer）解釋道：“我們通過一個纏繞路徑規劃模塊增強了2D和3D布局。”。“這使得能夠對復雜路徑進行離線編程。例如，氫氣壓力容器可以有30-60 層，每層都有不同的纏繞角度，而圍繞圓頂纏繞也非常復雜。該軟件接收帶有模具/心軸幾何形狀和層結構的 CAD 文件，然后自動創建機器人涂抹器系統的程序，同時考慮工藝參數和碰撞控制。”

該軟件還可以在線測量所有工藝參數，例如激光功率、熱輸入、固結力、膠帶張力和膠帶特性。埃蒙斯說：“我們可以定義質量界限，如果材料超過這些界限或出現問題，系統會發出警報。”。“該過程可以立即停止，以防止零件報廢。”這種高速過程監控與 TPC 系統激光加熱的閉環控制相結合。埃蒙斯解釋道：“用戶不定義激光功率，而是定義所需的溫度。”。“在鋪放或上卷過程中，工藝速度是否因幾何形狀而變化并不重要，即使在最大工藝速度下，系統也始終將所需溫度保持在±5°C 以內。”

Conability 還提供軟件模塊，以實現每個制造零件的數字孿生。費希爾指出：“我們最近與一家汽車制造商合作，制造了現場固結（ISC）熱塑性嵌件，以增強注塑零件。”。“與已經具有成本效益的短玻璃纖維增強組件相比，這降低了成本、二氧化碳足跡和重量。除了在主要負載路徑上只使用少量 TPC 外，我們的軟件還能夠在整個生產鏈上對所有質量相關的材料和工藝數據進行零件單獨映射，以提高材料效率、成本和可持續性。我們的生產系統通過 OPC-UA 連接到客戶制造執行系統（MES-Manufacturing Execution Systems），實現質量數據的提取和分析。”

費希爾說：“我們正在提供一個完整的解決方案，包括機械鋪設和纏繞系統，以及用于過程控制和數據分析的軟件，以便公司為生產做好準備。”

Conability 已在全球銷售了 8 套多材料、多工藝機器系統，預計 2024 年將交付 12 套以上的系統，用于包括氫罐在內的一系列項目。埃蒙斯說：“我們正在與大公司合作，使用我們為熱固性絲束預浸料發明的高速纏繞技術，設計一種新的氫氣壓力容器。”。“這種纏繞方式比目前生產高質量壓力容器的工藝快很多倍。我們希望在明年晚些時候推出。”

AFPT推進TPC繞組大規模生產

Advanced Fibre Placement Technology(AFPT，Dörth， Germany)成立于 2003年，由共同所有者兼董事總經理柯爾特角(Coert Kok)在荷蘭創立，旨在將激光輔助TPC纏繞在歐洲商業化。隨后，他與德國亞琛的Fraunhofer IPT合作開發閉環控制系統，并于2007年與合作伙伴在Dörth成立了AFPT GmbH。他說：“起初，我們完全專注于研發，讓人們知道如何使用原位固結的熱塑性復合材料。”。“但現在我們幾乎只為工業界工作。”

Alformet 的成立旨在生產熱塑性復合管、管道和壓力容器。

柯爾特角還創立了Alformet（德國Dörth）制造零件。“AFPT 是一個機器制造商，”他解釋道。“但客戶會要求我們在投資設備之前先生產小系列零件，所以 Alformet會處理這一問題。”

盧卡斯·西卡雷利是Alformet的董事總經理。他補充道：“我們的長期愿景是將熱塑性復合材料管材商品化。”。“但因為我們不斷生產零部件，我們可以改進 AFPT 設備。”

工業制造系統

柯爾特角說：“我們正在制造每年生產 50 萬臺或更多的機器。”。市場包括體育用品、電動工具、汽車泵和某些零部件、海上管道和自動化機器。西卡雷利說：“它非常廣泛和復雜，每個行業的要求都非常不同。”。一個市場是電動機中的轉子套，其需要具有低成本點的非常薄壁的結構，并且需要短的生產時間。“因此，我們沒有一臺機器可以用多種材料和附加組件做不同的事情，而是在盡可能快速高效地做一件事的系統中找到了立足點。”

圖 6. 多軸TPC繞組。AFPT的基于激光的ISC工作站現在是多主軸的，從機器人轉向CNC控制，實現24 小時、可靠的批量生產。

柯爾特角說：“所以，你必須以完全不同的方式制造你的機器，這會影響它的價格。我們的機器現在是多主軸（最多五個），設計為每天 24 小時運行。我們也不再使用機器人操縱放置頭，而是使用更多的CNC 控制。”“機器人變得不夠快或不夠準確，無法進行大規模生產。”這也影響了過程控制。西卡雷利指出：“我們承受不起過程的不穩定，比如溫度的波峰和波谷。”。“我們的控制系統負責處理這一問題，在保持恒定溫度的同時處理角落或復雜的幾何形狀。”

柯爾特角說：“我們采用這種閉環過程控制已經有很長一段時間了。”。“最大的區別是，我們現在正在解決這些工業機器的復雜生產問題，這些機器必須連續運行。” 西卡雷利對此表示贊同，并指出，“我們必須使這些系統可靠且易于使用，因為我們正在與從未與 AFP 合作過或繞組的公司一起開拓新市場。”

多個激光器

這是最近的發展，旨在解決在高速率生產中制造得 更復雜的TPC 零件的基于激光的現場固結（ISC）問題?？聽柼亟钦f：“很多人認為，如果你增加更多的激光功率，你可以走得更快。”。“但這并不總是正確的，因為一些 表面和材料吸收的能量比其他表面和材料少。我們正在 使用多個激光器來推進這一點，例如在我們的海上油管 無極纏繞機中。它必須與我們的過程控制相集成，這就 需要存儲更多的數據，并能夠處理這些數據，以盡可能 快地進行。”

但是多個激光器不貴嗎？柯爾特角說：“如果你進行大規模生產，它實際上是最便宜的能源之一。”。“能量的強度如此之高，比紅外、熱氣或其他熱源的速度要快得多。激光在工業中也更受歡迎，因此每千瓦的價格正在下降。如今，4千瓦的激光器的價格是10年前2.5千瓦激光器的四分之一。”

膠帶供應、氫氣和速度與濕法纏繞。柯爾特角表示， TPC 膠帶的供應在可用性和質量上都趨于穩定。“現在有膠帶供應商不僅專注于航空航天材料，還專注于更實惠的工業材料。TPC 膠帶的總體質量相當成熟，而且有必要的數量，但這可能會隨著電動汽車和氫壓力容器市場的不同而改變。”

柯爾特角說：“我們已經在氫方面做了很多工作，這是一個巨大的機會。”。在這里，他指的是 IV 型儲罐，其中熱塑性襯里用熱固性復合材料層壓板包裹。“我們稱我們的產品為 IV+型，因為我們實現了內襯和 TPC 層壓板之間的融合，這帶來了一些優勢，包括回收利用。”

但是，與使用濕樹脂的細絲纏繞相比，TPC膠帶纏繞的速度更低呢？“我們將在未來2-3年內變得有競爭力，”柯爾特角說。“我們還可以進行局部加固，從而實現完全不同的設計。”

持續競爭、增長

新的AFP供應商擴大了復合材料市場，這反過來又創造了更多的發展機會。MTorres 的莫蒂爾瓦表示：“我認為競爭非常激烈，因為它將技術提升到了一個更高的水平。”。Alformet的西卡雷利對此表示贊同，并指出：“我們在市場上相輔相成，從成本較低的小型機器到設計用于大規模生產的機器。”

“我不認為其他AFP供應商是競爭對手，” 柯爾特角說。“我們都在共同發揮復合材料的潛力，就我們而言，就是熱塑性復合材料。同樣重要的是，我們的客戶要看到有多個潛在的設備供應商。然后由他們來決定什么最適合他們的需求。但市場正在蓬勃發展，因為公司開始發現熱塑性合成材料的潛力。”AFP 在所有復合材料中提供的潛力。

注：原文見《 The next evolution in AFP 》 2024.1.26

楊超凡 2024.1.27

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