簡單分析汽車復(fù)合材料的交鑰匙自動化生產(chǎn)系統(tǒng)

為汽車復(fù)合材料部件的生產(chǎn)提供“交鑰匙”的集成生產(chǎn)系統(tǒng)已成為明顯的趨勢，一些集成的生產(chǎn)系統(tǒng)已得到了部署。

簡化的自動化HP-RTM





單一的穿梭系統(tǒng)：這臺迪芬巴赫的 PreformCenter預(yù)成型設(shè)備正在利用一個穿梭式輸送機(jī)，將碳纖維織物疊層放到模具上，成型出用于汽車行李箱蓋內(nèi)板的近凈形狀的預(yù)成型件。然后，該預(yù)成型件被放入RTM模具中，澆注樹脂，固化后成型出最終部件


自2009年以來，迪芬巴赫還與寶馬公司一起，開發(fā)了用于交替操作的“穿梭臺”，它為壓制CFRP結(jié)構(gòu)部件而提供了最經(jīng)濟(jì)的方法。

一個穿梭臺從壓機(jī)中出來，便于CFRP部件的脫模，以及將下一個預(yù)成型件放入下模中。與此同時，另一個穿梭臺進(jìn)入壓機(jī)，完成樹脂澆注和固化。切換時間只需15秒。

在開發(fā)自動化的HP-RTM系統(tǒng)的過程中，這種穿梭臺還啟用了多種未知的管理，包括：循環(huán)時間、如何清潔模具、放入預(yù)成型件所需要的時間以及是否需要在閉合模具前進(jìn)行在線檢測以確保定位精準(zhǔn)。

對應(yīng)每個上半模，這種穿梭臺需要兩個下半模。

對模具而言，只要保持加熱和電氣元件的連接，所有的功能都能運(yùn)行。

“自動化的HP-RTM系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)是一項得到驗證的技術(shù)。我們不必在每次循環(huán)后都要清潔模具，內(nèi)脫模系統(tǒng)已取得了進(jìn)步，偶爾清洗模具就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的循環(huán)生產(chǎn)。”迪芬巴赫技術(shù)和業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Matthias Graf介紹說，“將預(yù)成型件放入壓機(jī)中后，也沒有必要進(jìn)行質(zhì)量檢查，而且脫模不是一個大問題。”

迪芬巴赫還提供雙穿梭臺系統(tǒng)，但這要增加50%的工裝投資。

基于每天三班倒的生產(chǎn)，一臺單一的帶有自動換模系統(tǒng)的迪芬巴赫壓機(jī)（配一副擁有一個上模和一個下模的模具），一年可以生產(chǎn)出12萬個部件，根據(jù)部件尺寸的不同，可以實(shí)現(xiàn)2~3分鐘的循環(huán)時間。

“我們能夠用90秒鐘完成預(yù)成型。”Graf 說，“在此方面的進(jìn)步包括減少了材料浪費(fèi)。”

用于航空部件的自動化RTM系統(tǒng)

憑借位于德國奧格斯堡和德國斯塔德這兩個主要研究基地的輕量化生產(chǎn)技術(shù)中心，德國國家航空航天研究機(jī)構(gòu)DLR專注于自動化地生產(chǎn)用于航空、交通運(yùn)輸和能源領(lǐng)域的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）結(jié)構(gòu)件。

DLR開發(fā)了EVo自動化生產(chǎn)線，每年能生產(chǎn)10萬個復(fù)雜的復(fù)合材料部件。

作為開發(fā)工具，該生產(chǎn)線模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境來試用不同的材料、工藝參數(shù)和自動化概念。

EVo最初是為制造飛機(jī)框架和桁梁而設(shè)計的。它起始于2009年，當(dāng)時，寶馬正在大批量的生產(chǎn)中大量應(yīng)用CFRP。也就在那時，下一代的空客A320正在被設(shè)想成采用CFRP來制造，但障礙在于，如何通過手工鋪層預(yù)浸料來實(shí)現(xiàn)每年500架飛機(jī)的產(chǎn)量。

對于每架飛機(jī)200種機(jī)身框架以及每年500架飛機(jī)的產(chǎn)量而言，相當(dāng)于每年要生產(chǎn)10萬個框架，所以需要一條自動化的生產(chǎn)線。

開始，DLR想向一家供應(yīng)商購買一條集成的生產(chǎn)線，但最終將這條生產(chǎn)線分成了6個單獨(dú)的部分：

? 鋪層制備
? 預(yù)成型
? 精細(xì)修整
? RTM
? 加熱爐
? 軟件

DLR找到了一家供應(yīng)商，他能夠與其他供應(yīng)商合作，并能夠開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)所有單元的彼此“對話”。

DLR的凈形狀 RTM團(tuán)隊經(jīng)理 Sven Torstrick介紹說，“他們做了主命令模塊，它能創(chuàng)建加工方案、監(jiān)控工藝過程并控制‘開始’和‘停止’功能。”



DLR的 EVo全自動 RTM生產(chǎn)線采用了集成在一起的自動化的切割機(jī)和鋪層模塊

“鋪層制備”模塊操作織物料卷，并將它們送到自動裁切機(jī)上。在此，依據(jù)數(shù)字裁切文件，不同的材料和鋪層取向得到了制備。然后，將切下的疊層儲存到一個貨架系統(tǒng)中，機(jī)器人由此拾取疊層并將其放到一個與預(yù)成型區(qū)域交接的轉(zhuǎn)送臺上。

一個安裝在屋頂?shù)臄z像系統(tǒng)，能夠?qū)⑿畔⒎答伣o機(jī)器人，然后機(jī)器人拾起這個疊層并將其放到部件上。

下一個模塊是采用一臺真空隔膜壓機(jī)來對這些疊層進(jìn)行組合：在隔膜上施加氣壓，在從疊層下方抽出空氣的同時，采用紅外加熱來激活材料上的環(huán)氧粘結(jié)劑粉末，以使預(yù)成型件得到固結(jié)。

在機(jī)器人的操作下，“精細(xì)修整”模塊將穩(wěn)定的預(yù)成型件修整成凈形狀。這還使得EVo成為更加強(qiáng)大的生產(chǎn)設(shè)施，因為它防止了樹脂在預(yù)成型件的周圍流動，而這種流動會導(dǎo)致干點(diǎn)。

一副4部分的RTM模具，其外模擁有所有的加熱通道。一臺機(jī)器人將凈形狀的預(yù)成型件放入該模具的內(nèi)/芯模中。芯模閉合，整套模具被移入RTM壓機(jī)中，然后進(jìn)入烤箱進(jìn)行后固化。

EVo能夠即刻澆注并固化不同的部件。試制的第一個部件是一個2m長的飛機(jī)框架，擁有V形曲線輪廓，其厚度和曲率半徑沿長度而發(fā)生變化。



測試 EVo系統(tǒng)的局限性：此圖顯示的是 EVo 全自動 RTM 生產(chǎn)線中的 “精細(xì)修整 ” 模塊正在修整一個測試用的 “Frankenframe” 預(yù)成型件，該預(yù)成型件的構(gòu)思是，用于挑戰(zhàn)該系統(tǒng)的能力，以在成型前獲得凈形狀


“雖然還沒有這樣的實(shí)際部件，但我們收集了所有的潛在問題，并將它們集中到一個部件中，我們稱其為‘Frankenframe’。”Torstrick解釋說。

EVo生產(chǎn)線能夠加工2.5m×2m×40cm的部件，從一個部件到下一個部件的目標(biāo)時間是30~40min.，這能夠顯著減少快速固化樹脂的用量。

“我們還能夠生產(chǎn)汽車的車頂，并通過改變‘精細(xì)修整’區(qū)域，來納入泡沫研磨操作，從而制造三明治結(jié)構(gòu)的部件。”Torstrick說。

每分鐘一個熱塑性復(fù)合材料部件



采用 QSP工藝試制的部件包括懸架臂（左下）、包覆成型的支架，以及主要采用碳纖維或天然纖維增強(qiáng)的尼龍 6制成的車身板（右下）

法國Pinette Emidecau Industries公司（簡稱“PEI”）是歐洲第一家為空中客車公司嘗試使用熱塑性復(fù)合材料而提供設(shè)備的供應(yīng)商。

荷蘭Fokker公司利用一臺PEI的巨型Pinette壓機(jī)來制造A330/A340的J型鼻翼結(jié)構(gòu)。

目前，PEI正在將其專業(yè)知識轉(zhuǎn)移到汽車復(fù)合材料的應(yīng)用中：與一個聯(lián)盟一起，為實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)時間（即一分鐘一個部件）而開發(fā)Quilted Stratum Process （QSP）工藝。

該聯(lián)盟由法國機(jī)械工業(yè)技術(shù)中心Cetim、法國Loiretech公司和法國專業(yè)的模具公司Compose組成。

QSP工藝連同隨后開發(fā)的一臺沖壓成形機(jī)，是法國用于生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高速、高產(chǎn)量生產(chǎn)線的前兩個組成部分。

利用QSP工藝，可以自動生產(chǎn)出采用多種疊層、厚度和材料取向的預(yù)成型件，同時還實(shí)現(xiàn)了功能集成并減少了廢料。

安裝在Cetim的這條原型生產(chǎn)線，主要用于加工尼龍6和碳纖維增強(qiáng)材料，但實(shí)際上，它可以采用一系列的熱塑性材料生產(chǎn)出具有局部增強(qiáng)和訂制增強(qiáng)的多種材料的預(yù)成型件。結(jié)合PEI壓機(jī)的精度（足以確保實(shí)現(xiàn)模內(nèi)涂層），其目標(biāo)是A級表面。

采用QSP工藝試制的部件包括懸架臂、包覆成型的支架以及汽車車身板。

這條完全集成的生產(chǎn)線只用40~90s的循環(huán)時間，即生產(chǎn)出了8層、每層采用4個帶材的預(yù)成型件。

確保高速生產(chǎn)的因素主要有：采用了高速紅外加熱爐和自動換模技術(shù)，該自動換模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了60秒的即時換模（簡稱“SMED”）這一眾所周知的精益制造標(biāo)準(zhǔn)。

除汽車部件外，QSP工藝的目標(biāo)應(yīng)用還包括飛機(jī)夾板、框架、座椅和發(fā)動機(jī)部件，以及起重機(jī)和農(nóng)機(jī)的部件及連桿。

滿足汽車行業(yè)的大批量生產(chǎn)需求



Fives Cincinnati公司用于生產(chǎn)汽車復(fù)合材料的集成的生產(chǎn)系統(tǒng)包括兩套自動化的生產(chǎn)單元：第一套是集成了層切割機(jī)的鋪帶機(jī)，可提供近凈形狀的疊層套料（上）；在一個成型-固化單元（下）中，輸送帶接收并將疊層套料放入模壓成型設(shè)備中


美國Fives Cincinnati公司推出了一個含兩套自動化制造單元的集成系統(tǒng)，用于汽車復(fù)合材料的生產(chǎn)：
? 一臺帶有層裁切機(jī)的鋪帶設(shè)備，可提供近凈形狀的套料疊層；
? 在成型-固化單元中，傳送帶收取并將這些套料疊層放入一臺模壓設(shè)備中，該設(shè)備由技術(shù)開發(fā)合作伙伴大陸結(jié)構(gòu)塑料公司（美國密歇根州奧本山）提供。

與大陸結(jié)構(gòu)塑料公司共同開發(fā)的這一熱壓成型工藝，適用于采用連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件。

Fives Cincinnati公司正在將其航空技術(shù)轉(zhuǎn)移到汽車領(lǐng)域：第一步是采用其自動鋪帶技術(shù)或纖維鋪放機(jī)來制備待用的平面料，目標(biāo)是，在一步操作中，直接將二維的待用料變成三維的部件，但基于形狀的復(fù)雜性，要求先對一些部件預(yù)成型，然后將預(yù)成型件送到固化模具中。



Fives Cincinnati用于生產(chǎn)汽車復(fù)合材料的集成的生產(chǎn)系統(tǒng)還包括第二套自動化的生產(chǎn)單元，即此圖顯示的成型-固化單元

該系統(tǒng)的設(shè)計，可以支持采用熱塑性和熱固性的聚合物材料。

Fives Cincinnati公司已經(jīng)證實(shí)，生產(chǎn)一個二維的熱固性待用料，循環(huán)時間不到3分鐘。其目標(biāo)是，利用自動化的纖維鋪放工藝，實(shí)現(xiàn)90秒的循環(huán)時間。該纖維鋪放工藝可將廢料減少到低于5%。

該公司產(chǎn)品戰(zhàn)略及開發(fā)總監(jiān)Dan Allman介紹說，環(huán)氧樹脂的成型-固化循環(huán)時間需要4分鐘，而采用一分鐘固化的新的創(chuàng)新聚合物材料，成型-固化周期降低到90秒。“采用熱塑性材料，我們能夠用不到90秒的循環(huán)時間輕易地生產(chǎn)出汽車部件。”

這是一個非常靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，可以依據(jù)產(chǎn)量來訂制自動化技術(shù)。其生產(chǎn)演示主要采用了單向帶以及玻璃纖維和碳纖維的絲束，也采用了編織材料和無卷曲織物。