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数字线索正在不断推动复合材料自动铺放技术发展

发布日期:2019-05-23  来源:航空工业信息网我要投稿我要评论

数字线索正在不断推动复合材料自动铺放技术发展

据compositesworld网站2019年5月1日刊文,“很多时候,设计与制造都隔着一堵墙。”Autodesk公司制造和生产行业战略与业务发展总监Robert Yancey巧妙地总结了一个共同但不受欢迎的现实。该公司正在投入大量资源进行“设计与制造的融合”,这些工作是构建数字线索的关键因素,将为整个产品寿命周期连接各个部门提供沟通框架。

当今制造业出现了各种所谓的“智能制造”,“工业物联网(IIoT)”或“工业4.0”,数字化正在许多行业如火如荼开展。在某些情况下,如全自动化的西门子安贝格Simatic可编程逻辑控制器(PLC)工厂,或空客公司斯塔德复合材料技术中心,全面的数字化已经从白纸一张得到实现。但更常见的是,制造商必须从现有运营逐步过渡到全数字化的未来。

对于自动丝束铺放(AFP)和自动铺带(ATL)系统来说,复合材料制造的数字化落后于其他制造行业好几步,并且理由充分。CGTech公司复合材料产品经理Andre Colvin表示:“复合材料制造完全不同,并不像金属切割那样成熟。机床制造商和用户都心照不宣,希望在竞争中保持一切可能的优势。”

然而,AFP / ATL数字化正在两个方面取得明显进展。首先,独立于机床的软件不断成熟,使复合材料制造商能够在不同的AFP / ATL机床品牌上使用相同的软件包。这种成熟还意味着在软件包中对新AFP / ATL或类似技术的开发支持。其次,软件开发人员正在努力实现数字线索,以便设计和制造中的不同职能团队能够更直接、更高效地进行沟通和交流。

·数字化的AFP / ATL自动化模块

为了优化AFP / ATL或类似系统的效率,制造商努力实现双重目标:(1)尽可能经常以最大进给速度运行机床,同时(2)通过在多次切割和添加材料的叠层区域或高轮廓区域降低生产速度来减少生产误差。2017年CGTech白皮书《自动化复合材料路线图》中描述了这些目标,它们促使机床本身不断发展,从铺放材料的末端执行器到机器人技术和新型高速连续纤维预成型方法。然而,同样重要的是,软件的持续开发使机床能够按照设计生产组件,或者提醒设计者需要改变可制造性。

AFP / ATL制造软件由多个模块组成。机床控制软件——数控代码(NC),最常见的是“G代码”,它指导机床的运动和操作设置。机床编程软件或路径规划软件通过后处理,为每个要构建的组件向控制器提供操作数据。该软件决定材料的铺放方向和位置。它旨在优化刀具路径、进给速度和其他操作参数。仿真软件与机床编程协同工作,让生产运行的工程活动离线进行,使制造商能够让生产在屏幕上可视化。这通过处理后处理器生成的G代码来实现。数字化仿真取代了实际生产设备的运行,节省了大量的时间和成本。Yancey表示:“这些都是高价值的机床,而且铺放的材料价格昂贵。因此,在不生产产品的机床上进行任何活动都是昂贵的。”

十年前,媒体报道了AFP / ATL的控制、编程和仿真软件,即便在那时,这些产品也都采用了熟悉的工业软件解决方案开发方式。首先,新生产技术的发明者采用内部软件开发团队(或密切相关的软件开发合作伙伴)为正在开发的特定生产系统定制创建机床控制程序。当其他公司创建类似的竞争性技术时,他们也会生成专门为每个系统设计的专属软件。随着编程和控制软件的创建,机床制造商希望减少客户在机床上执行测试运行的需要,因此创建了仿真软件以实现机床程序的离线测试和确认。

·机床的独立性

AFP / ATL软件的基本目标是从CAD系统读取复合材料零件设计数据,然后为自动铺放机床创建和模拟NC程序。从CAD到成功的NC程序是一个迭代的、多个步骤的过程。当然,即便在CAD文件首次发送到制造软件之前,设计中也通常会出现多个步骤,包括层压板和铺层设计、分析和仿真。接下来,使用CAD数据设计工装表面,生成与输入铺放机床的零件信息一样重要的工装信息。机床编程导入零件和工装信息并创建NC路径。此时会发生一些迭代:满足材料和AFP / ATL工艺要求的路径被反馈到CAD程序,以确保可以生成设计。工艺考虑了诸如材料转向限制、工装曲率、重叠和间隙以及最小丝束长度等因素。

一旦机床编程和设计修改达到了令人满意的结果,后处理器就会生成专用于正在使用的AFP / ATL机床的代码。Colvin表示:“创建这些零件程序的每一步都有可能引入错误。如果缺少丝束或材料铺放在预期的位置以外的地方,则必须废弃这个非常昂贵的组件。”因此,NC代码接下来用于通过制造仿真程序以仿真铺设过程。这是另一个迭代点,可以确认工艺、可以发现问题并且可以再次调整和仿真机床编程,直到NC程序的最终版本具有高置信度,最终发送到机器。

随着提供类似生产技术的公司数量增加,OEM和其他大型制造商不希望他们的工程团队必须一个机床一个机床地学习和维护多个软件包,因此独立于机床的软件需求不断增长。这就是CGTech首次参与AFP / ATL软件开发的过程。2004年,波音公司正在为787主要组件实施AFP技术,很明显波音内部团队及其各级供应商将采用多种AFP / ATL机床类型。因此,CGTech以其软件能够与任何AFP / ATL系统配合使用的方式开发了它。

2005年发布的VERICUT AFP/ATL软件符合波音公司的要求,因为它成功编程并仿真了Electroimpact公司的AFP机床,但可以定制以与其他系统配合使用。不久之后,该公司发布了VERICUT复合材料应用,包括两个模块:VERICUT复合材料编程(VCP)和VERICUT复合材料仿真(VCS)。 VCP读取CAD的表面和铺层边界信息,并根据用户指定的制造标准和要求创建纤维铺放路径以填充铺层。铺放路径链接在一起以形成特定的铺放顺序,并作为AFP机床的NC程序输出。

VCS读取铺放工装和夹具的CAD模型,并直接从NC程序文件仿真铺放顺序。在VERICUT的虚拟CNC仿真环境中,通过NC程序指令将丝束材料应用于铺层外形。软件可以测量和检测应用于外形的仿真材料,以确保NC程序遵循制造标准和要求。软件还可以自动创建显示仿真结果和统计信息的报告。

与VERICUT复合材料软件家族将用于任何AFP / ATL机床一样,VCS也可以直接从VCP或其他复合材料铺层路径生成离线编程软件进行仿真。

在开发复合材料制造软件之前,CGTech通过其VERICUT金属加工软件建立了自己的声誉,自1989年以来波音一直是其客户。另一家公司,海克斯康制造智能部门旗下的NCSIMUL软件开发商,也在数控加工软件的基础上开发了复合材料制造包。NCSIMUL复合材料成立于2014年,专注于AFP / ATL(以及纤维缠绕)编程中的仿真功能,包括NC程序分析、材料铺层仿真和结果分析。

在客户要求模拟缠绕的能力之后,NCSIMUL增加了复合材料制造仿真功能。公司抓住机会将软件程序从CNC加工部分转移到了增材工艺部门,并扩展到了包括复合材料丝束铺放。海克斯康生产软件业务总经理SilvèreProisy解释说:“这两种技术是相似的,只不过纤维必须被视为矩形(即拥有宽度)。挑战在于了解如何沉积材料,而不是将材料去除。我们需要了解铺放头使用的技术。”

然而,并非所有复合材料制造软件都以金属加工开始。 TruComposites软件工具套件不是从CNC软件基础开始工作,而是从最初的刀具嵌套和激光投影软件部门转移到复合材料自动化制造。该套件由Magestic系统公司创建,现在由Autodesk拥有,包括AFP / ATL相关模块:TruPLAN分析和优化软件,包括AFP / ATL软件的纤维路径生成;TruFIBER,它优化AFP / ATL操作参数并生成用于制造的NC代码。

在2009年报道发布时,Makidea公司正在测试其MikroPlace软件包,它是为姊妹公司Mikrosam的新AFP机床编写的。 MikroPlace从一开始就采用模块化构建,因此可以兼容其他AFP和ATL。由Mikrosam提供的MikroPlace 4.0版本支持纤维缠绕和3D打印以及AFP / ATL,并且还支持在同一项目的不同环节工作的多台机床或机器人。

这些生产软件开发人员强调了独立于机床的软件的优势,并指出金属切削行业经历了从机床制造商创建的软件到单独开发的软件的类似转变。Yancey回忆:“Magestic意识到的是,需要在一台以上的机床上使用更复杂的路径规划。我们的系统考虑了影响速度和质量的不同沉积策略。需要进行权衡,我们可以查看设计并确定最适合这项工作的机床。“

Colvin同意制造商可以自由选择最适合特定零件、零件家族或制造工艺的机床,而无需为每个品牌的机床在工程过程中引入不同的软件。他补充说:“当软件与机床分离并应用于各种软件时,该软件可提高整个制造工艺的效率和敏捷性。”

当然,一些AFP / ATL制造商保留了他们的专有软件。自动动力公司是几家选择在内部进行软件开发的AFP / ATL制造商之一。该公司的FPM(丝束铺放管理器)支持AFP构建的复合结构的规划、开发和仿真,FPS(丝束铺放软件)自动化机床控制是基于Windows的软件程序,为专有套件提供易用性。机床制造商开发专有软件的一个优点是所有故障排除都是一个供应商的责任。有趣的是,金属加工领域存在着同样的情况:Okuma选择为其机床加工中心构建和维护自己的控制器和机床编程软件。

无论是专有的还是独立于机床的,AFP / ATL软件都可以与其他软件系统更完整地集成,致力于建立一个完整的数字线索。

·功能数据集成

在AFP / ATL操作中构建数字线索不仅需要集成制造软件模块,还需要整合产品全寿命周期,从设计到制造和每个组件的检测,最终到最终产品寿命中的装配和MRO(维护、修理和大修)操作。这种集成的主要挑战是智能制造团队所称的“传统上孤立的”职能。也就是说,设计职能已经与制造职能分开发展和演进,使得从一个部门到另一个部门移动信息决不是自动的。功能齐全的数线索将消除部门之间的沟通障碍,使软件开发成为一个更简化的过程。

然而,有两个因素使得复合材料部件的制造比金属、塑料和其他材料更难以相互连通。首先,AFP / ATL仍然是一项相对年轻的技术。对于独立于机床的AFP / ATL软件来说,15年的时间可能听起来像是很长时间,但与用于金属加工操作的CNC软件相比并不算那么长,后者在20世纪70年代推出,随后几十年一直伴随着计算机技术而提升。此外,AFP / ATL硬件仍在不断发展,需要进行大量定制,Colvin指出:“为了获得成功,公司通常需要在机床上进行定制以适应他们的零件和工艺——每台机床都有定制的东西。每家公司的工艺都是不同的:不同的辊轮、独立的压实器等等。”AFP / ATL软件设计人员必须继续专注于支持核心、通用功能以及适应不断发展的机床定制化,这或许比与其他系统集成更为重要。

其次,由于复合材料的各向异性和非均质性,复合材料设计和制造中相对大量的变量导致了其比用金属和其他各向同性、均质材料制造会出现更多职能上的孤立问题。Colvin表示:“通过金属切割,只要零件与最终设计相匹配,怎么加工都可以。但复合材料编程中的不同工序将导致产出完全不同的零件。”

显然需要在设计-制造环节的职能之间进行沟通。Yancey表示:“如果我做出变更以支持制造,那么它对设计会有什么影响?”他强调必须在两个方向都便携的数据类型。”

软件供应商正在努力实现这一目标。Yancey继续说道:“我们正在更好地表达可以制造什么,并回过头来确保它符合设计规范。这使我们能够减少过度设计,以解决圈数和间隙问题,例如制造更轻的复合材料结构。”

Yancey专门提到Autodesk推出的Fusion 360,这是一个连接设计和制造工作流的基于云的通用数据环境。最初,Fusion 360支持制造中的CNC加工,“但是接下来要处理增材制造。”这包括AFP / ATL编程以及3D打印软件。目前正在开发的是Fusion生产软件,这是一个额外的产品,可以使制造商规划、监测和优化生产绩效。Fusion生产软件创建了制造工艺的数字化视图,从进度安排和调度工作到跟踪和分析生产和IIoT数据。

同样,CGTech与西门子PLM 软件公司合作,将VERICUT与Teamcenter数字化寿命周期管理软件集成在一起。 据这些公司称,这种集成使CGTech用户能够与旨在加强产品开发决策和生产更好产品的技术进行无缝交互。遵循Fusion 360所具有的历史趋势,VERICUT金属切削软件目前正在与Teamcenter集成;CGTech报告称VERICUT复合材料软件尚未与Teamcenter集成。

最终,智能制造的目标是完全闭合设计-制造循环。Yancey表示:“现在有很多传感器数据,主要用于识别问题,以便您可以在工艺的早期就对其进行纠正。数据就在这里,我认为我们可以做更多的事情以便改进,而不是最初就引入缺陷。”

Yancey不仅希望在设计和制造之间实现融合,还希望在制造方法上实现融合。“如果我们用机器人切割材料,我们可以从中学到什么并应用于铺放材料的机器人?”他预见到用来研究不同制造方法的权衡的混合工作流以及更大的能力。所有独立于机床的软件开发人员都报告了对新制造方法的关注——特别是机器人技术,以及混合制造方法的机遇,这为每种制造方法带来最佳的效能属性。

 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/201905/23/56679.html
标签:  复合材料
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