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【兆恒機械】航空復合材料自動化生產的未來:熱固性or熱塑性塑料?

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  • 添加日期:2022年08月11日

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預制件和夾具:制造真空袋裝干燥預制件的工藝步驟如下圖2所示。通過采用空客專利技術——真空輔助工藝(vacuum assisted process,VAP)向其中注入RTM6環氧樹脂,該工藝采用半透膜降低孔隙率。預制件疊層包括兩組16層,最長5米,使用5束緞紋碳纖維織物的整個寬度1.27米。在這兩個裝置之間嵌入了25個復雜形狀的加強件,尺寸達到1.5×2.5米,上面放了八根桁條。


圖2 PROTEC NSR的工藝步驟,用于制造干式預成型坯:(a)切割材料;(b)(d)將材料運輸到機器人小室;(c)增強層和(e)結構層的切片識別、拾取、覆蓋和應用;(f)更嚴格的整合;(g)工具側和(h)B側外部輔助材料的真空裝袋。

在該過程中開發能夠在鋪蓋和處理方面達到必要精度的工具和夾具是最大的挑戰之一。部分原因是由于復雜的層混合需要三種不同的懸垂機制:

其一、直接從輥子上施加必須適應模具形狀的全寬材料。

其二、大面積結構鋪層的懸垂,其中兩個機器人協作,每個織物邊緣一個,以拾取并創建模具的目標幾何形狀 以確保貼合前無皺紋。

其三、適用于1.5到2.5米的小型異形鋪層。

對于協作機器人,專家開發了末端執行器,其中包含六個通過球形接頭連接的模塊,這使得末端執行器可以類似于蛇的方式變形,從而符合模具的目標幾何形狀。集成的加熱裝置可在織物運輸和成形過程中激活粘合劑,一旦放置便保持其3D形狀和位置。

對于小形狀的層在高達1.5×2.5米的地方,開發了第二種抓取器,該抓取器使用了127個配有真空抽吸裝置的模塊進行拾取(圖3)。此夾具在2D狀態下拾取材料,然后將其彎曲到目標幾何形狀,但它必須決定要固定的127個模塊中的哪個,以及要滑動以將2D層轉換為3D形狀的模塊。因此,它與手的懸垂工作方式非常相似。

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末端執行器具有一個抓取器,該抓取器使用127個配備有真空抽吸功能的模塊來拾取切下的織物層,然后轉變為3D形狀,然后在放入模具之前對其進行加熱

在線檢查:模塊化夾持器中的光學傳感器監測懸垂過程。放置層板后,末端執行器將結合徠卡T-SCAN和基于PrimeBaseTM照相機的纖維角度測量系統檢查質量。測試過程中首先測量了纖維角度,并與CAD文件進行了比較,然后測量了每一塊的邊緣,并對照CAD文件檢查了其位置。

縱梁和真空袋:完成預制件后,將八個加強筋(縱梁)連接到頂部。為此,開發了多運動夾持器,并將其應用于真空袋輔助材料。該夾持器由三個獨立的6自由度小型機器人和一個剛性臂組成,全部安裝在工業6自由度機器人的中心法蘭上。真空包裝輔助材料——剝離層、穿孔離型膜和樹脂流動介質(工具側輔助材料)——預先切割和預連接,設計用于放置位置。它們不需要疊起來,只需要放置即可。預制的半透膜通過帶有“傘狀”機構的末端執行器以半自動方式應用,而粘性膠帶和外部真空袋的放置仍然是手動的,但也可以自動化。

周期時間和成本:最大的挑戰是構建基于人工智能(AI)的模塊化制造執行系統(manufacturing execution system,MES),以監控流程鏈。在整個過程中必須建立數據管理系統,將完全不同的流程整合在一起,然后利用MES通過一個數據交換端口進行指揮。PROTEC NSR技術于2019年1月通過制造全尺寸演示器得到驗證,并在2019年年中達到TRL 5-6的成熟度水平。與PAG目前最先進的工藝相比,這種自動化工藝鏈將軋制布料應用的周期時間縮短了58%,切割層的選擇和放置減少了50%這些業務的制造成本分別降低了11.5%和31%

熱塑性RPB

該項目于2018年,由PAG和Institut für Verbundwerkstoffe研究所合作,以展示熱塑性復合材料在大型零件和主要結構中的可能性,RPB并不是真正的主要部件,因為它的機械要求沒有機翼或機身那么高,但它顯示了對于大型、扁平、略微彎曲的結構是可能的。在短短四個月內,便開發了一款A320 RPB演示機,并將其作為如何將現有鋁結構轉換為熱塑性復合材料的示例。

該演示使用Cetex碳纖維織物/聚苯硫醚(PPS)有機板(Toray Advanced Composites)和電阻焊。焊接的兩個表面之間的電阻元件產生熱量并留在焊接結構中。GKN Fokker幾十年來一直使用這種技術來生產飛機起落架門和固定前緣。對于這架A320 RPB,ZLP團隊使用了CF電阻元件,而不是傳統的不銹鋼網。

 由于熱塑性復合材料RPB的價格相同或更便宜,但材料要貴得多。因此,通過自動化而降低生產成本是關鍵,使用八個相同的花瓣部分也是關鍵。熱成型作為一個單獨的部分將需要一個非常大的壓力,這會太昂貴。熱塑性塑料壓制成型的自動化程度高于熱固性復合材料。主要使用匹配的金屬模具,但恒定的溫度是主要問題,但這也使自動沖壓周期非常快。

整合質量檢查:使用一個標準試驗臺制作多個焊接樣品,測量電流、電壓和溫度,然后用超聲波檢測(UT)對它們進行了檢查,并得出了工藝參數和良好固結度之間的相關性。還建立了一個過程模擬,將焊接過程中獲得的數據與建立的初始基線進行比較。

自動化和循環時間整個過程非常快,達到了汽車零部件的規模。在2019年的評估中實現了TRL3,并且已經成熟到TRL4。將在2021年底實現TRL6。在疫情大流行之前,PAG曾表示將在2021年前將熱塑性RPB投入生產。雖然未來還不太明朗,但熱塑性RPB仍然被視為“未來的機身”,重量從41公斤減少到35公斤,加工和裝配時間減少75%,整體零件成本降低10%以上






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