簡(jiǎn)單分析汽車(chē)復(fù)合材料的交鑰匙自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)

為汽車(chē)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(shì)，一些集成的生產(chǎn)系統(tǒng)已得到了部署。

簡(jiǎn)化的自動(dòng)化HP-RTM





單一的穿梭系統(tǒng)：這臺(tái)迪芬巴赫的 PreformCenter預(yù)成型設(shè)備正在利用一個(gè)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(chē)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(shù)脂，固化后成型出最終部件


自2009年以來(lái)，迪芬巴赫還與寶馬公司一起，開(kāi)發(fā)了用于交替操作的“穿梭臺(tái)”，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(gè)穿梭臺(tái)從壓機(jī)中出來(lái)，便于CFRP部件的脫模，以及將下一個(gè)預(yù)成型件放入下模中。與此同時(shí)，另一個(gè)穿梭臺(tái)進(jìn)入壓機(jī)，完成樹(shù)脂澆注和固化。切換時(shí)間只需15秒。

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

對(duì)應(yīng)每個(gè)上半模，這種穿梭臺(tái)需要兩個(gè)下半模。

對(duì)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(dòng)化的HP-RTM系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)是一項(xiàng)得到驗(yàn)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(kāi)發(fā)總監(jiān)Matthias Graf介紹說(shuō)，“將預(yù)成型件放入壓機(jī)中后，也沒(méi)有必要進(jìn)行質(zhì)量檢查，而且脫模不是一個(gè)大問(wèn)題。”

迪芬巴赫還提供雙穿梭臺(tái)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(tái)單一的帶有自動(dòng)換模系統(tǒng)的迪芬巴赫壓機(jī)（配一副擁有一個(gè)上模和一個(gè)下模的模具），一年可以生產(chǎn)出12萬(wàn)個(gè)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(shí)間。

“我們能夠用90秒鐘完成預(yù)成型。”Graf 說(shuō)，“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(dòng)化RTM系統(tǒng)

憑借位于德國(guó)奧格斯堡和德國(guó)斯塔德這兩個(gè)主要研究基地的輕量化生產(chǎn)技術(shù)中心，德國(guó)國(guó)家航空航天研究機(jī)構(gòu)DLR專(zhuān)注于自動(dòng)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(kāi)發(fā)了EVo自動(dòng)化生產(chǎn)線，每年能生產(chǎn)10萬(wàn)個(gè)復(fù)雜的復(fù)合材料部件。

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

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

對(duì)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(wàn)個(gè)框架，所以需要一條自動(dòng)化的生產(chǎn)線。

開(kāi)始，DLR想向一家供應(yīng)商購(gòu)買(mǎi)一條集成的生產(chǎn)線，但最終將這條生產(chǎn)線分成了6個(gè)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(kāi)發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)所有單元的彼此“對(duì)話”。

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



DLR的 EVo全自動(dòng) RTM生產(chǎn)線采用了集成在一起的自動(dòng)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(dòng)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(chǔ)存到一個(gè)貨架系統(tǒng)中，機(jī)器人由此拾取疊層并將其放到一個(gè)與預(yù)成型區(qū)域交接的轉(zhuǎn)送臺(tái)上。

一個(gè)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(gè)疊層并將其放到部件上。

下一個(gè)模塊是采用一臺(tái)真空隔膜壓機(jī)來(lái)對(duì)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(shí)，采用紅外加熱來(lái)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?yàn)樗乐沽藰?shù)脂在預(yù)成型件的周?chē)鲃?dòng)，而這種流動(dòng)會(huì)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(tái)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(gè)部件是一個(gè)2m長(zhǎng)的飛機(jī)框架，擁有V形曲線輪廓，其厚度和曲率半徑沿長(zhǎng)度而發(fā)生變化。



測(cè)試 EVo系統(tǒng)的局限性：此圖顯示的是 EVo 全自動(dòng) RTM 生產(chǎn)線中的 “精細(xì)修整 ” 模塊正在修整一個(gè)測(cè)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(méi)有這樣的實(shí)際部件，但我們收集了所有的潛在問(wèn)題，并將它們集中到一個(gè)部件中，我們稱(chēng)其為‘Frankenframe’。”Torstrick解釋說(shuō)。

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

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

每分鐘一個(gè)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(chē)身板（右下）

法國(guó)Pinette Emidecau Industries公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“PEI”）是歐洲第一家為空中客車(chē)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(tái)PEI的巨型Pinette壓機(jī)來(lái)制造A330/A340的J型鼻翼結(jié)構(gòu)。

目前，PEI正在將其專(zhuān)業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)移到汽車(chē)復(fù)合材料的應(yīng)用中：與一個(gè)聯(lián)盟一起，為實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)時(shí)間（即一分鐘一個(gè)部件）而開(kāi)發(fā)Quilted Stratum Process （QSP）工藝。

該聯(lián)盟由法國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)中心Cetim、法國(guó)Loiretech公司和法國(guó)專(zhuān)業(yè)的模具公司Compose組成。

QSP工藝連同隨后開(kāi)發(fā)的一臺(tái)沖壓成形機(jī)，是法國(guó)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(gè)組成部分。

利用QSP工藝，可以自動(dòng)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(shí)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(jí)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(chē)車(chē)身板。

這條完全集成的生產(chǎn)線只用40~90s的循環(huán)時(shí)間，即生產(chǎn)出了8層、每層采用4個(gè)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(dòng)換模技術(shù)，該自動(dòng)換模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了60秒的即時(shí)換模（簡(jiǎn)稱(chēng)“SMED”）這一眾所周知的精益制造標(biāo)準(zhǔn)。

除汽車(chē)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(dòng)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(chē)行業(yè)的大批量生產(chǎn)需求



Fives Cincinnati公司用于生產(chǎn)汽車(chē)復(fù)合材料的集成的生產(chǎn)系統(tǒng)包括兩套自動(dòng)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(gè)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(guó)Fives Cincinnati公司推出了一個(gè)含兩套自動(dòng)化制造單元的集成系統(tǒng)，用于汽車(chē)復(fù)合材料的生產(chǎn)：
? 一臺(tái)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(tái)模壓設(shè)備中，該設(shè)備由技術(shù)開(kāi)發(fā)合作伙伴大陸結(jié)構(gòu)塑料公司（美國(guó)密歇根州奧本山）提供。

與大陸結(jié)構(gòu)塑料公司共同開(kāi)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(chē)領(lǐng)域：第一步是采用其自動(dòng)鋪帶技術(shù)或纖維鋪放機(jī)來(lái)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(duì)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(chē)復(fù)合材料的集成的生產(chǎn)系統(tǒng)還包括第二套自動(dòng)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(jì)，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(gè)二維的熱固性待用料，循環(huán)時(shí)間不到3分鐘。其目標(biāo)是，利用自動(dòng)化的纖維鋪放工藝，實(shí)現(xiàn)90秒的循環(huán)時(shí)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(kāi)發(fā)總監(jiān)Dan Allman介紹說(shuō)，環(huán)氧樹(shù)脂的成型-固化循環(huán)時(shí)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(shí)間輕易地生產(chǎn)出汽車(chē)部件。”

這是一個(gè)非常靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，可以依據(jù)產(chǎn)量來(lái)訂制自動(dòng)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(wú)卷曲織物。