自動(dòng)化鋪絲技術(shù)正發(fā)展為更緊湊、靈活、模塊化且數(shù)字化的系統(tǒng)，同時(shí)具備多種材料和工藝處理能力。

AFP技術(shù)的最新發(fā)展

(左上角，順時(shí)針?lè)较? Addcomposites 于2023年推出了其4束AFP-X頭部；Carbon Axis為其XCell AFP系統(tǒng)增加了纖維纏繞功能；MTorres推出了新型緊湊型eVTOL AFP頭部，具備更新的在線檢測(cè)（OLI）功能；M&A Dieterle為AFP新進(jìn)入者提供了一系列選項(xiàng)，包括用于協(xié)作機(jī)器人的頭部。

（來(lái)源：Addcomposites、Carbon Axis、MTorres 和 M&A Dieterle）

隨著復(fù)合材料行業(yè)的不斷成熟，手工疊層的多層和復(fù)雜層壓板逐漸被自動(dòng)鋪帶（ATL）和自動(dòng)鋪絲（AFP）技術(shù)取代。這些技術(shù)通常使用碳纖維預(yù)浸絲束（預(yù)浸無(wú)捻紗）或切割成精確寬度的單向預(yù)浸帶，有時(shí)也會(huì)使用干纖維帶并通過(guò)熱塑性粘合劑將其固定在一起。近年來(lái)，各大企業(yè)競(jìng)相推出創(chuàng)新的AFP系統(tǒng)，不斷提升工藝的精度、效率和多功能性。這些技術(shù)進(jìn)步不僅加快了復(fù)雜部件的生產(chǎn)速度，還引入了如細(xì)絲纏繞和3D打印等集成功能，滿足了市場(chǎng)對(duì)輕量化、高性能材料日益增長(zhǎng)的需求，促使復(fù)合材料制造進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

高角度 eVTOL 頭

MTorres在其最新的AFP頭部設(shè)計(jì)中，增加了針對(duì)更小、更復(fù)雜部件的鋪層間隙角度，并持續(xù)升級(jí)其在線檢測(cè)（OLI）系統(tǒng)，將整體設(shè)備效率（OEE）提升至75-85%。該系統(tǒng)的鋪層速度可達(dá)7公斤/小時(shí)，比傳統(tǒng)的手工鋪層效率提高了5至6倍。

（來(lái)源：MTorres）

MTorres（Torres de Elorz，西班牙）成立于 1975 年，專注于為工業(yè)流程提供自動(dòng)化解決方案。在過(guò)去的 25 年中，MTorres 已交付 89 個(gè) ATL 系統(tǒng)，并在 16 年內(nèi)交付了 70 個(gè) AFP 系統(tǒng)。自 2011 年以來(lái)，該公司每?jī)赡晖瞥鲆豢钚碌?AFP 機(jī)頭，包括用于熱塑性復(fù)合材料（TPC-thermoplastic composites）的激光加熱 AFP 機(jī)頭、機(jī)頭上的線軸、24 絲束機(jī)頭、寬至 2 英寸的絲束，以及 2017 年推出的更加緊湊和高角度的機(jī)頭。

盡管如此，2017 年推出的機(jī)頭并未完全滿足預(yù)期。到 2022 年，公司推出了 eVTOL 機(jī)頭，具備八根絲束，角度至少為 40-45°，能夠在更大的間隙下制造更小、更復(fù)雜的零件。該機(jī)頭配備了伺服驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)刀具，最小切割長(zhǎng)度為 100 毫米，并集成了在線檢測(cè)（OLI），可用于龍門架或機(jī)器人。這些特點(diǎn)使得 eVTOL 機(jī)頭能夠在更加復(fù)雜的幾何形狀上高效運(yùn)行。

MTorres 的 AFP 機(jī)頭主要用于生產(chǎn)關(guān)鍵的高規(guī)格零件，特別是尺寸較大且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零件，如空客 A350 的機(jī)翼和機(jī)身、波音 787 的機(jī)翼。對(duì)于 A350，每小時(shí)的鋪設(shè)量可達(dá)到 100 公斤。然而，eVTOL 機(jī)頭每小時(shí)的鋪設(shè)量雖僅為 5-8 公斤，但設(shè)備整體效率卻非常高，達(dá)到了 85%。

傳統(tǒng)的 AFP 設(shè)備由于需要手動(dòng)檢查、停機(jī)、維護(hù)以及重新裝載預(yù)浸帶卷軸，通常只有一半的時(shí)間用于實(shí)際鋪設(shè)。MTorres 通過(guò)將線軸集成到機(jī)頭中，使得操作員可以在機(jī)器外并行重新加載，借助自動(dòng)機(jī)頭更換裝置，將總設(shè)備效率（OEE）提高至 68%。到 2019 年，隨著在線檢測(cè)（OLI）的添加，總設(shè)備效率進(jìn)一步提升至 75-85%，相當(dāng)于新型高角度 AFP 機(jī)頭的鋪設(shè)速度達(dá)到了 7 公斤/小時(shí)，效率是手動(dòng)鋪放的 5-6 倍。

這些效率指標(biāo)對(duì)于波音、空客以及其他復(fù)合材料零件制造商而言尤為關(guān)鍵，不僅僅是為了加快鋪設(shè)速度。MTorres 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每分鐘 2400-4000 英寸的鋪設(shè)速度，但生產(chǎn)率的提升并非僅僅依賴于鋪設(shè)速度的加倍，而是通過(guò)增加總體運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的實(shí)際鋪設(shè)部分而實(shí)現(xiàn)的。有了在線檢測(cè)（OLI），鋪設(shè)速度進(jìn)一步提高了 1.5 倍。到目前為止，從先進(jìn)空中機(jī)動(dòng)（AAM）制造商處獲得的關(guān)于 eVTOL 機(jī)頭的反饋表明，這種新型機(jī)頭正好滿足了他們的需求。

MTorres 已為 AFP 系統(tǒng)引入了在線檢測(cè)（OLI）功能，且計(jì)劃將此技術(shù)擴(kuò)展至 1、2 和 4 條膠帶的 ATL 系統(tǒng)，以提升高速生產(chǎn)的效果。OLI 系統(tǒng)的硬件配置經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化，包括位于滾筒后方的激光線投射裝置，該裝置將激光投射到復(fù)合材料鋪層上，隨后通過(guò)相機(jī)測(cè)量激光的高度，并利用帶有反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行三角測(cè)量，從而計(jì)算膠帶的高度。關(guān)鍵技術(shù)在于內(nèi)部開(kāi)發(fā)的軟件，能夠精確呈現(xiàn)所需的所有數(shù)據(jù)。該方法類似于 2017 年的方法，但在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了顯著進(jìn)步，如同在滾筒后方布置了大量輪廓儀，而非僅僅一個(gè)。

MTorres的新型eVTOL頭部與其在線檢查（OLI）系統(tǒng)兼容，該系統(tǒng)具備人機(jī)界面（HMI）功能，用戶可以通過(guò)這一界面輕松查看缺陷和鋪層位置（如圖所示）。這一集成設(shè)計(jì)顯著提升了操作的直觀性和效率。

此外，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并檢測(cè)鋪層中的缺陷和異物碎片（FOD）。每條膠帶的位置都會(huì)被測(cè)量，并與 CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)鋪層超出公差范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)即時(shí)警示操作員，并記錄數(shù)據(jù)以確保零件符合規(guī)格要求。操作員通過(guò)人機(jī)界面（HMI）能夠輕松查看閾值圖或跳躍圖，而無(wú)需費(fèi)力尋找黑色鋪層中的每一層。此類圖表能夠展示層的位置、間隙、重疊、FOD和缺陷測(cè)量結(jié)果，以更為直觀的方式為操作人員提供詳細(xì)的鋪放信息。

此外，通過(guò)鋪層位置數(shù)據(jù)，可以獲得高度圖，顯示UD碳纖維膠帶的典型0.2毫米高度。系統(tǒng)在此高度范圍內(nèi)進(jìn)行了多次測(cè)量，在Z軸上實(shí)現(xiàn)了0.03毫米的測(cè)量精度，在Y軸上達(dá)到了0.07毫米，而在X軸或機(jī)器移動(dòng)軸上則達(dá)到了0.4毫米的精度。憑借這些海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析成為可能，目前已開(kāi)始看到這一技術(shù)對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生的顯著積極影響。

Addcomposite（位于芬蘭埃斯波）于2018年推出了其即插即用的AFP-XS頭模塊，該模塊可無(wú)縫集成到任何現(xiàn)有機(jī)械臂中，并且在發(fā)展過(guò)程中取得了顯著的進(jìn)展。除了傳統(tǒng)的熱固性預(yù)浸料和干纖維應(yīng)用外，該系統(tǒng)還支持熱塑性膠帶、膠帶纏繞，以及集成過(guò)程控制、仿真、在線缺陷檢測(cè)和有限元分析（FEA）軟件的互操作性，所有這些都能夠在專門開(kāi)發(fā)的Addpath軟件中運(yùn)行。此外，該系統(tǒng)還提供了1束、2束和4束纖維的放置選項(xiàng)。2022年，Addcomposites展示了來(lái)自合作伙伴IND集團(tuán)（位于加拿大舍布魯克）的AFP-XS頭戴式協(xié)作機(jī)器人，2023年，該公司推出了用于復(fù)雜零部件高速生產(chǎn)的4束AFP-X系統(tǒng)。Addcomposites的首席執(zhí)行官普拉金·盧塔達(dá)（Pravin Luthada）透露，2023年公司共發(fā)出了12個(gè)AFP系統(tǒng)，并將其銷往中國(guó)、沙特阿拉伯、澳大利亞、新加坡，預(yù)計(jì)很快還會(huì)向印度市場(chǎng)交付。

Addcomposite的AFP-XS頭部現(xiàn)已升級(jí)為支持細(xì)絲系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了其應(yīng)用范圍。AFP技術(shù)以其在精確放置預(yù)浸膠帶方面的卓越性能而聞名，能夠在任意位置進(jìn)行切割和重新啟動(dòng)，并具備高度精確的纖維方向控制能力，同時(shí)在加工過(guò)程中能夠施加熱量和壓力，從而制造出具有先進(jìn)機(jī)械性能的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，細(xì)絲纏繞技術(shù)則擅長(zhǎng)高速生產(chǎn)圓柱體和管道，該過(guò)程中絲束被拉伸至旋轉(zhuǎn)芯軸上，芯軸通過(guò)纏繞眼引導(dǎo)來(lái)確定纏繞模式，主動(dòng)張力控制則確保了高機(jī)械性能的壓實(shí)效果。Addcomposites的新系統(tǒng)結(jié)合了AFP的戰(zhàn)略性纖維放置和纏繞的批量材料放置，為復(fù)合材料的制造提供了更高效的解決方案。

自動(dòng)切換：AFP、細(xì)絲纏繞和3D打印。Addcomposites的自動(dòng)切換功能能夠通過(guò)其AFP-XS頭（頂部）在AFP和細(xì)絲纏繞之間進(jìn)行快速切換，同時(shí)還可以通過(guò)同一個(gè)機(jī)器人和軟件平臺(tái)，利用其新的SCF3D頭（底部）進(jìn)行3D打印。這種集成設(shè)計(jì)使得多種制造工藝可以在單一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

此外，Addcomposites還推出了用于連續(xù)纖維3D打印的SCF3D打印頭（結(jié)構(gòu)連續(xù)纖維/細(xì)絲3D），其打印速度可達(dá)3-6公斤/小時(shí)。這一打印頭采用基于擠出的熔融顆粒制造（FGF）技術(shù)，還能夠打印含有短切纖維或無(wú)增強(qiáng)材料的聚合物（9公斤/小時(shí)）。該系統(tǒng)配備了定向加熱和壓實(shí)壓路機(jī)，使連續(xù)纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%。盧塔達(dá)表示，公司并非專注于航空航天結(jié)構(gòu)件，而是旨在以可持續(xù)的方式擴(kuò)大各行業(yè)的自動(dòng)化復(fù)合材料生產(chǎn)。他指出，公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了噴頭之間的自動(dòng)切換功能，因此現(xiàn)在用戶可以在同一平臺(tái)上切換用于AFP和細(xì)絲纏繞的AFP-XS噴頭，以及用于連續(xù)纖維3D打印的SCF3D噴頭。這個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)使得用戶可以3D打印儲(chǔ)罐內(nèi)襯，細(xì)絲纏繞第一層，然后選擇性地用熱塑性膠帶進(jìn)行加固，甚至可以在需要時(shí)切換到熱固性膠帶。

Carbon Axis（位于法國(guó)拉羅謝爾）由帕維爾·佩羅泰（Pavel Perrotey）和基埃米·阿維拉·莫里（Chiemi Avila Mori）于2018年創(chuàng)立，專注于生產(chǎn)用于制造尺寸小于1×0.5×0.5米零件的機(jī)器人工作站XCell。該公司還推出了更大尺寸的XCell-M，約為2.5×1.5米，并配備了升級(jí)版的XPlace2 AFP頭部。阿維拉·莫里指出，這些系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)使得標(biāo)準(zhǔn)緊湊型機(jī)器具備了多樣化的選項(xiàng)，能夠處理熱固性、熱塑性和干纖維帶。此外，該系統(tǒng)還能夠集成細(xì)絲纏繞頭部和軸，以及用于修剪預(yù)成型件的超聲波切割裝置。

XCell是一款緊湊型一體式設(shè)備，具有多種選項(xiàng)，只需通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的軟件界面操作，用戶便可輕松從熱固性塑料加工（使用紅外加熱器）切換到熱塑性塑料加工（使用熱風(fēng)槍）。這種設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了操作流程，提高了系統(tǒng)的靈活性和適用性。

集成刀具更換器使得不同工藝之間的切換更加高效。此外，系統(tǒng)還可以配置第二個(gè)AFP頭，以便放置多種材料。例如，一個(gè)頭部可以用于碳纖維，另一個(gè)則用于玻璃纖維，機(jī)器將自動(dòng)在兩者之間切換，以完成編程的鋪放操作。Carbon Axis的機(jī)器設(shè)計(jì)已充分考慮到這些選項(xiàng)的支持，因此可以根據(jù)需求的變化隨時(shí)進(jìn)行功能擴(kuò)展。根據(jù)阿維拉·莫里的描述，標(biāo)準(zhǔn)的XCell機(jī)器使用帶有紅外加熱器的熱固性預(yù)浸料來(lái)進(jìn)行加工。如果需要加工低熔點(diǎn)的熱塑性材料，如聚酰胺（PA）和聚丙烯（PP），只需將加熱源更換為熱空氣槍，溫度可高達(dá)300°C。此外，該機(jī)器還可以包含一個(gè)溫度可達(dá)120°C的加熱板，以便粘合第一層。但目前不加工PEEK或PEKK材料，因?yàn)榧す饧訜釙?huì)顯著增加成本和安全要求。公司希望保持操作的簡(jiǎn)單性，使XCell作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸，用戶只需完成簡(jiǎn)單安裝即可開(kāi)始操作。

1998年，科氏復(fù)合材料公司（位于法國(guó)魁北克）為空客公司展示了其首臺(tái)自動(dòng)纖維鋪設(shè)（AFP）機(jī)器。到2010年，科里奧利AFP公司為賽峰公司制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，并在2014年開(kāi)始為空中客車公司生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件。科氏集團(tuán)（法國(guó)洛里昂）在全球范圍內(nèi)已部署了超過(guò)100臺(tái)AFP系統(tǒng)，并于2018年收購(gòu)了細(xì)絲纏繞公司MF Tech（法國(guó)阿根坦）。2022年，科里奧利復(fù)合材料公司推出了其C1.2機(jī)器，該設(shè)備相比于廣受歡迎的C1型號(hào)，具備更緊湊的機(jī)頭，適用于直徑為1米的凹形模具，并能夠應(yīng)對(duì)45°斜坡的問(wèn)題。C1.2的鋪放工作大于1.5米/秒，達(dá)到了更高的速度。

C1.2的筒子架可容納最多15公斤的材料筒子，較傳統(tǒng)系統(tǒng)增加了三倍的容量，還可使用重量高達(dá)800克/平方米的絲束預(yù)浸料，比典型的220/280克/平方米材料更厚，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)率。該系統(tǒng)標(biāo)配三個(gè)紅外線燈用于高速熱固性預(yù)浸料鋪層，而干纖維和熱塑性材料則僅需一個(gè)激光器。此外，系統(tǒng)還提高了壓實(shí)壓力，以減少原位固結(jié)過(guò)程中的孔隙率。

C1.2 AFP、CPico和MF Tech系統(tǒng)：C1.2緊湊型AFP系統(tǒng)能夠進(jìn)行復(fù)雜的高級(jí)鋪放操作（頂圖），而CPico則將單束AFP頭與FFF（熔絲制造）和FGF（熔融顆粒制造）3D打印相結(jié)合（中間圖）。目前，MF Tech的業(yè)務(wù)已整合到科里奧利的運(yùn)營(yíng)中，為機(jī)器人纏繞和混合系統(tǒng)提供了新的應(yīng)用可能性（底部圖）。

對(duì)于3D打印，CPico系統(tǒng)支持熔融絲制造（FFF）和熱塑性顆粒的熔融顆粒制造（FGF）擠出。該系統(tǒng)可兼容所有市售的長(zhǎng)絲用于FFF打印頭，同時(shí)FGF打印頭可使用增強(qiáng)了短切纖維（含量可達(dá)35%）的顆粒。兩個(gè)打印頭均設(shè)計(jì)用于高溫聚合物的原位固結(jié)，例如聚芳基酮（PAEK）系列材料，其結(jié)晶度高且孔隙率小于1%，從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)合材料級(jí)的機(jī)械性能。

在機(jī)器人細(xì)絲纏繞方面，2023年，MF Tech的業(yè)務(wù)已并入科里奧利工廠。科里奧利復(fù)合材料公司首席商務(wù)官馬修·杜普瓦（Matthieu Dupuis）表示：“目前市場(chǎng)對(duì)細(xì)絲纏繞的需求非常大，主要應(yīng)用于氫氣儲(chǔ)罐，也包括在管道和導(dǎo)管領(lǐng)域。我們現(xiàn)在在同一個(gè)地方集成了機(jī)器人AFP和細(xì)絲纏繞的所有專業(yè)技術(shù)，并結(jié)合了兩家公司的資源和支持團(tuán)隊(duì)。如果客戶需要一臺(tái)同時(shí)具備AFP和細(xì)絲纏繞功能的機(jī)器，我們可以實(shí)現(xiàn)。我們的實(shí)驗(yàn)室配備了所有相關(guān)設(shè)備，用于原型開(kāi)發(fā)和演示。我們已經(jīng)與新團(tuán)隊(duì)合作，成功制造并交付了三臺(tái)新的機(jī)器人纏繞機(jī)。”

杜普瓦進(jìn)一步指出：“公司正積極準(zhǔn)備未來(lái)的發(fā)展，特別是在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域，結(jié)合了纏繞、AFP、增材制造以及這些和其他工藝的混合技術(shù)。我們正在將這些模塊集成在一起，以滿足各種需求。公司正在尋求技術(shù)突破，靈活性和服務(wù)能力是關(guān)鍵。”

新的AFP供應(yīng)商的加入正在擴(kuò)大復(fù)合材料市場(chǎng)，從而創(chuàng)造了更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。Addcomposites、Carbon Axis和MTorres等公司紛紛出新，結(jié)合了細(xì)絲纏繞和3D打印等多種功能，顯著提高了生產(chǎn)效率和材料利用率。MTorres的新型eVTOL頭部和升級(jí)的在線檢測(cè)系統(tǒng)（OLI）大幅提升了整體設(shè)備效率，而科里奧利復(fù)合材料公司通過(guò)C1.2系統(tǒng)和與MF Tech的整合，為機(jī)器人纏繞和混合系統(tǒng)提供了新的可能性。市場(chǎng)上的AFP供應(yīng)商正在相互補(bǔ)充，從小型低成本設(shè)備到大規(guī)模生產(chǎn)解決方案，滿足了不同客戶的需求。雖然競(jìng)爭(zhēng)激烈，但各公司共同推動(dòng)了復(fù)合材料尤其是熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用潛力，使得市場(chǎng)蓬勃發(fā)展。多樣化的技術(shù)選擇和模塊化設(shè)計(jì)不僅降低了生產(chǎn)成本，還賦予了制造商更大的靈活性和發(fā)展空間。

參考資料：Gardiner, G. (2024). The next evolution in AFP. CompositesWorld.