Автоматизированное производство авиакомпозитов: жидкая формовка против сварных термопластиков — стратегический обзор

Пока OEM и поставщики исследуют материалы и процессы, которые обеспечат следующее поколение самолетов, демонстрируются два разных подхода. Первый — жидкая формовка сухих волокнистых преформ, видимая, например, в высокопроизводительной линии смольной трансферной формовки (RTM) Spirit AeroSystems (Прествик, Шотландия) для спойлеров Airbus A320 и также в программе Airbus-led Wing of Tomorrow (WOT), использующей автоматическое размещение некримповых тканей (NCF) и жидкую смольную инфузию, за которой следует out-of-autoclave (OOA) отверждение в печи.

Второй — термопластиковые композиты (TPC), представленные, например, в Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD), где сбиваемые обшивки создаются автоматической укладкой волокна — in-situ консолидированные для верхней половины и автоклавно-консолидированные для нижней — с последующей сборкой через сварку. Эти программы используют автоматизацию для увеличения темпа производства и качества при снижении затрат. Но как они сравниваются?

Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна эксплуатирует Центр технологий легкого производства (ZLP) в Аугсбурге. Среди множества проектов по производству композитов, PROTEC NSR и Fast Lane RPB представляют уникальную возможность сравнить соответственно жидкостно-формованный термореактивный задний давленный 격벽 (RPB) для двухпроходного Airbus A350 с термопластиковым RPB для однопроходного Airbus A320. Оба проекта работали с Tier 1 поставщиком этих структур, Premium Aerotec Group (PAG, Аугсбург, Германия), и демонстрировали автоматизацию при оценке времени цикла и стоимости.

Жидкостно-формованный термореактивный 격벽

«Мы начали много лет назад с PAG в проекте AZIMUT для анализа ручных процессов производства композитов», — говорит д-р Ларс Ларсен, руководитель технологий сборки и соединений в ZLP Аугсбург. «Наше первое решение автоматизации было для укладки, а затем мы работали над автоматизацией большего числа операций». Главная цель PROTEC NSR — взять эти специализированные решения для производства RPB и привести их в единый автоматизированный процесс, объясняет д-р Марчин Малеча, менеджер проекта PROTEC NSR в DLR.

Преформ и грипперы. Этапы процесса создания вакуум-упакованного сухого преформа показаны на Рис. 1 ниже. Это инфузировалось смолой RTM6 эпоксидной с использованием запатентованного Airbus вакуумно-ассистированного процесса (VAP), использующего полупроницаемую мембрану для снижения пористости. Укладка преформа состояла из двух наборов по 16 слоев до 5 метров длины с использованием полной ширины 1,27 метра 5-гарнитурного сатинного углеродноволокнистого ткани. Между этими двумя наборами встраивались 25 сложно-формовых усиливающих деталей размером до 1,5 на 2,5 метра. Восемь стрингеров размещались сверху.

«Разработка инструментов и грипперов, способных достичь необходимой точности в драпировке и обращении, была одной из крупнейших проблем», — отмечает Ларсен. Это частично из-за сложной смеси слоев, требовавших три разных механизма драпировки:

1. Применение полноширинного материала прямо с рулона, который должен адаптироваться к форме формы.
2. Драпировка крупных вырезанных структурных слоев, где два робота сотрудничают, по одному на край ткани, чтобы подобрать и создать целевую геометрию формы для обеспечения соответствия без морщин перед размещением.
3. Размещение для малых формованных слоев до 1,5 на 2,5 метра.

«Для сотрудничающих роботов мы разработали энд-эффекторы, содержащие шесть модулей, соединенных сферическими шарнирами», — объясняет Ларсен. «Это позволяет энд-эффектору деформироваться, образом похожим на змею, подстраиваясь к целевой геометрии формы. Интегрированные нагревательные устройства активируют связующее в ткани во время транспортировки и формовки, сохраняя её 3D форму и позицию после размещения».

Автоматизированная драпировка и размещение

Энд-эффектор обладает гриппером, использующим 127 модулей с вакуумным присоской для подбора вырезанных слоев ткани, трансформации их в 3D форму и затем нагрева перед размещением в форме. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Здесь виден и 127-модульный гриппер (слева), и сотрудничающие роботы (на фоне). Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Для сотрудничающих роботов разработаны энд-эффекторы, содержащие шесть модулей, соединенных сферическими шарнирами. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Каждый робот подбирает край большого слоя ткани. Затем они работают вместе, пока транспортируют слой для создания требуемой целевой геометрии перед размещением ткани в форму. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Крупный план сотрудничающих робототехнических энд-эффекторов. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Эта система, которую DLR изначально разработала для заднего давленного 격벽 A320, теперь также демонстрируется для фюзеляжной панели и спроектирована быть гибкой для множества крупных авиаструктур, основанных на их цифровых дизайн-файлах, без переобучения роботов. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Для малых формованных слоев до 1,5 на 2,5 метра разработан второй тип гриппера, использующий 127 модулей с вакуумной присоской для подбора. «Этот гриппер подбирает материал в 2D состоянии и затем гнет его к целевой геометрии», — объясняет Малеча. «Он должен решить, какие из 127 модулей удерживать твердо, а какие отпускать для трансформации 2D слоя в 3D форму. Так что это очень похоже на то, как руки драпируют. Мы сделали много экспериментов и получили опыт где держать и где отпускать. Сила может регулироваться интенсивностью хвата модулями на материале».

Инлайн инспекция. Оптические сенсоры в модульных грипперах мониторили процесс драпировки. После размещения слоя энд-эффектор, комбинирующий Leica T-Scan (Hexagon Manufacturing, Кобхэм, Великобритания) и камерную систему измерения угла волокна от Profactor (Штеyr, Австрия) инспектируют на качество. «Мы сначала измеряли углы волокна и сравнивали с CAD файлом», — говорит Малеча, «а затем измеряли края каждой детали и проверяли её позицию против CAD файла».

Стрингеры и вакуум-упаковка. После завершения преформа, восемь жесткостей (стрингеров) крепились сверху. Для этой задачи разработали Multi Kinematic Gripper, который также использовался для нанесения вспомогательных материалов вакуум-упаковки. Этот гриппер состоит из трех малых и независимых 6-степеней-свободы (DOF) роботов и жесткого рычага, все смонтированных на центральном фланге промышленного 6-DOF робота. Вспомогательные материалы вакуум-упаковки — пил-плой, перфорированная релизная пленка и среда течения смолы (инструментальные вспомогательные материалы) — были предварительно вырезаны и предварительно соединены, спроектированные для места размещения. «Их не нужно драпировать, просто размещать», — отмечает Малеча. Предварительно изготовленная полупроницаемая мембрана наносилась в полуавтоматизированном виде через энд-эффектор с «зонтикообразным» механизмом, в то время как размещение липкой ленты и внешнего вакуум-мешка оставалось ручным, но также могло быть автоматизировано.

Время цикла и стоимость. Для Малечи крупнейшим вызовом было построение модульной, ИИ-базированной системы исполнения производства (MES) для мониторинга и контроля процессной цепи. «Мы должны были построить системы управления данными, которые могли бы собрать довольно разные процессы и затем командовать ими через MES через один порт обмена данными», — объясняет он. «Мы можем использовать их по мере необходимости на лету, обеспечивая большую гибкость и шире использование против следования строгому производственному порядку».

Технология PROTEC NSR была валидирована производством полноразмерного демонстратора в январе 2019 года и достижением уровня зрелости TRL 5-6 к середине 2019 года. По сравнению с текущим state-of-the-art в PAG, этот автоматизированный процессный цепочка сокращает время цикла накатки рулонного материала на 58% и подбор-размещение вырезанных слоев на 50%. Производственные затраты для этих операций снизились на 11,5% и 31% соответственно.

Термопластиковый RPB

«Этот проект начался в 2018 году с PAG и Институтом композитных материалов (IVW, Кайзерслаутерн, Германия) чтобы показать, что возможно с термопластиковыми композитами в крупных деталях и первичных структурах», — объясняет д-р Стефан Ярка, менеджер проекта Fast Lane RPB и эксперт по сварке технологиям в ZLP Аугсбург. «RPB не совсем первичная, потому что механические требования не так высоки как у крыла или фюзеляжа, но показывает, что возможно для крупных плоских слегка изогнутых структур. За всего четыре месяца мы разработали демонстратор RPB A320 как пример конвертации существующей алюминиевой структуры в термопластиковые композиты».

Этот демонстратор использовал Cetex углеродноволокнистую ткань/полифениленсульфид (PPS) органолист (Toray Advanced Composites, Нейвердал, Нидерланды) и сопротивление сваркой. Резистивный элемент между двумя свариваемыми поверхностями генерирует тепло и остается в сварной структуре. GKN Fokker (Хухевен, Нидерланды) использует эту технику десятилетиями для производства дверей шасси и фиксированных передних кромок. Для этого RPB A320 команда ZLP использовала углеродноволокнистый резистивный элемент вместо обычной нержавеющей стальной сетки.

«Термопластиковый композитный RPB должен был быть той же цены или дешевле, но материал намного дороже», — отмечает Ларсен. Таким образом, низкая производственная стоимость благодаря автоматизации была ключевой, как и использование восьми идентичных лепестковых секций. «Эти секции нужны для формирования двойной кривой формы детали», — объясняет Ярка. «Термоформовка как единой детали потребовала бы очень большой пресс, который был бы слишком дорог. Таким образом, восемь меньших секций прессовались IVW с использованием парных металлических инструментов, и мы собирали их с использованием автоматизированной сварки. Уровень автоматизации для термопластиковой прессовки выше, чем для термореактивных композитов. В основном используются парные металлические инструменты, с высокой но постоянной температурой как главной проблемой, но это также делает автоматизированный пресс-цикл очень быстрым».

Общие этапы процесса для демонстратора RPB показаны на Рис. 2. «Сварочный процесс, который мы использовали, не был новым», — говорит Ярка, «но должен был быть дополнительно разработан для соединения 1,5-метровых [и 40-миллиметровых] швов для 3-метрового диаметра детали и интеграции системы контроля качества. Компоненты сначала фиксировались в правильную позицию с помощью позиционирующей джига, затем электрическая энергия подавалась для генерации пластического плавления в зоне сварки».

Рис. 2. Этапы процесса термопластикового RPB
Этапы процесса, использованные для производства восьми секций (снизу) штамп-формованного CF/PPS органолиста, затем соединенных сопротивлением сваркой для формирования демонстратора A320 격벽. Фото: Немецкий аэрокосмический центр (DLR) Институт структур и дизайна

Интеграция QA. «Мы пробовали термографию, как вспышечную ламповую, так и ультразвуковую активированную, но не так просто измерить зону сварки этим», — объясняет Ярка. «Термография очень быстра, но не легко говорит, есть ли хорошая консолидация». Вместо этого они использовали стандартный тестовый риг для изготовления множественных сваренных образцов, измеряя ток, напряжение и температуру. «Затем инспектировали их ультразвуковым тестированием (UT) и делали корреляции между процессными параметрами и хорошей консолидацией», — говорит Ларсен. «Если у нас хорошие параметры, то у нас хорошая деталь. Мы также построили процессную симуляцию для сравнения данных, полученных при сварке, с исходной базовой линией, которую мы установили».

Автоматизация и время цикла. «Весь процесс был очень быстрым, в масштабе автомобильных деталей», — говорит Ярка. «Мы достигли TRL 3 в нашем 2019 обзоре и с тех пор созрели до TRL 4. Достигнем TRL 6 к концу 2021 года». До пандемии PAG указывал, что введет термопластиковый RPB в производство к 2021 году. Хотя будущее теперь менее ясно, термопластиковый RPB все еще виден как эйблер «фюзеляжа завтрашнего дня», снижающий вес с 41 до 35 кг, процессное и сборочное время на 75% и общую стоимость детали более чем на 10%.

Сравнение термореактивных и термопластиковых композитов

«Термопластиковые процессы настолько быстры, что можно быть дешевле алюминия и даже встречать темп производства 100 самолетов в месяц», — говорит Ярка. «RPB — хорошее применение для термопластиковой сварки, но и для автоматизации», — говорит Малеча. «Сухой волокнистый, жидкостно-формованный RPB дороже автоматизировать».

«Но эта автоматизация интересна, потому что можно достичь реальных выгод, автоматизируя только некоторые подпроцессы», — говорит Ларсен. «Например, с автоматизацией вспомогательных материалов мы могли завершить вакуум-упаковку примерно за час, примерно в 10 раз быстрее ручного процесса». Однако он признает, что стоимость — главное препятствие для внедрения такого улучшения. «Стоимость цифровых инструментов, роботов и разработки слишком велика для одной детали, такой как RPB. Но если мы могли бы разработать модульный подход, где можно использовать эту систему для многих деталей, то эта стоимость могла бы быть распределена шире, делая её доступной при расчете с сокращенным временем и трудом». ZLP действительно достигло этого, как объяснено в июльской 2020 фиче CW: «Composites 4.0: Digital transformation, adaptive production, new paradigms».

«Еще не много сравнений между термореактивными и термопластиковыми композитными структурами», — говорит Малеча. «Но мы начинаем сравнивать термореактивные и термопластиковые процессы». Он отмечает, что следующая цель — показать, что термопластиковые сварочные швы имеют свойства, требуемые для самолетных крыльев и фюзеляжей. И эта производительность должна быть показана для крупных интегрированных жидкостно-формованных крыльев. Именно это выставили целями программы MFFD и WOT. И мы ждем их результаты, как и результаты многих других проектов Clean Sky 2 и ЕК, чтобы показать следующие шаги вперед.