复合材料制造智能化发展趋势

韦丽

摘要：由于复合材料制造的特殊性，相比其他专业，复合材料数字化工厂建设中存在其独有的不同点和难点，主要表现在产品质量稳定性差、产品研制周期长、离散型制造、制造过程大多是特种工艺等，这在数字化工厂建设过程中，尤其是实现连续生产过程中是不可回避的问题。

关键词：复合材料；制造；智能化

前言

复合材料专业在数字化、智能化制造转型中有很大的困难及挑战，但是作为先进航空制造的重要一环，转型是大势所趋，如何精准分析复合材料制造体系专业、要素、流程及应用技术，是实现数字化工厂建设成果关键。

一、复合材料概述及发展现状

装备研制，材料先行。随着当代技术的不断突破与发展，单一的材料性能已经不能满足使用需求，复合化成为材料基础研究的突破口。复合材料是指由金属、高分子、无机非等几类材料以不同方式复合而得的新型材料，各组分之间相互补充又关联协同，具有单一材料无可比拟的优势。在航空航天领域中，恶劣的工作环境意味着需要性能更具优势的先进复合材料，将先进复合材料应用于航空航天领域，可以实现：(1)装备大幅度减重。可增加有效载荷、降低能耗；(2)优异的力学性能；(3)具备在高低温环境下以及腐蚀性介质中的尺寸稳定性；(4)材料结构可设计，实现结构功能一体化；(5)可满足不同的性能需求，如电磁屏蔽、热烧蚀防护等。航空飞行器长期的发展目标是：轻量化、高可靠性、长寿命、高效能。先进复合材料可满足航空领域对材料的需求，它的用量也逐渐成为飞机先进性的重要标志。航天领域中，以高性能碳纤维复合材料为代表的先进复合材料作为结构、功能或结构／功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星等飞行器上发挥着不可替代的作用，其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号导弹研制的成败。先进复合材料的发展推动了航天整体技术的发展，主要应用于导弹弹头、弹体箭身和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上。

二、复合材料制造智能化措施

2.1厂房和设备

2.1.1厂房规划与建设

复合材料数字化工厂的规划应结合生产线的布局，综合评估净化间、固化区、加工区、装配区的位置和布局，以物流最便捷、行程最短为原则确定。厂房内各区应布置必要的网口、监测环境点以及AGV（自动导引车）物流通道。预浸料存储冷库与净化间的接转要实现自动化存、取、送。固化区充分考虑工装流转、产品流转、起模面积及网点。净化间通道门应实现物流车的感应开合。各功能区的高度要对设备行程和厂房造价进行双向评估。此外，工厂内部建立一套完整的工业网络，覆盖整个厂房，为所有设备及传感器终端的互联互通打下基础。

2.1.2设备规划与建设

建立复合材料数字化工厂，应尽可能实现每个工序的自动化制造，以统一应用基于VPM数据源，通过自动化设备接收、传递、提取、记录数字信息。自动化设备是数字化工厂建设的基石。航空复合材料制造主要的工序包括预浸料坯料的预成型（下料和铺放）、预浸料固化、复合材料加工、复合材料内部和外部质量检测以及复合材料部件装配。工艺方法不同，选择和匹配生产线上的自动化设备也不同。（1）预成型。主要自动化设备有下料机、激光投影仪、自动铺放设备、缝合机等。根据零件的形状、尺寸、纤维方向进行自动排版、自动切割、自动铺放。（2）固化。主要自动化设备有热压罐、固化炉、RTM（液态成形）注射机+固化炉、热压床等。根据计算机自动控制及预设固化曲线，完成产品的固化。（3）机加。主要自动化设备有五坐标加工中心、蜂窝超声铣、水切割等。根据不同材质选择不同加工手段，减少应力损伤。在加工产品前先进行仿真，避免加工程序的编制错误，并达到加工时长的最优化。（4）检测。主要自动化设备有激光跟踪仪、激光雷达、三坐标检测系统、大型C扫描、热成像等。通过装夹零件及预制数模，设备自动对零件的内部和外部质量进行检测。（5）装配。主要自动化设备为自动钻铆机，对复合材料进行自动制孔、吸尘、涂胶、制钉。针对各主工序，自动化设备均以设计数模和材料参数为依据，先仿真后操作，避免工艺偏差。经过仿真后确定的参数能够保证固化制度可靠、加工机制稳定，减少人为偏差。自动化设备在加工后会留存下当下加工零件的过程数据，用于后继质量追溯和大数据分析。

2.2信息系统平台建设

对复合材料产品从原材料到成品整个制造过程进行信息数据管控。以制造执行系统（MES）为主线驱动工序流转，制造工序流转过程中可以通过集成的工艺系统（CAPP）完成工艺要求的导入，通过数据管理系统（PDM）集成实现设计要素的导入，完成制造过程的源头数据要求与制造过程集成，同时试验测试数据管理系统（TDM）、制造资源、质量管理系统（IQS）也通过与MES系统集成，实现过程质量数据连通、流转、运行闭环，从而提高制造效率和过程管理。但是相比其他行业，复合材料数字化工厂在工艺设计、设备管控、物料管控方面具有独特的建设需求。

2.2.1工艺设计与分析

复合材料工艺设计周期长，特种工艺多，从设计输入端到零件制造端的流程有工艺设计规划、制造方案规划、任务计划排程、质量分析和反馈，因其制造过程受各要素关联性大、制造缺陷分析难、工程经验需求大等特点，所以在数字工厂建设过程中，需要重点解决。技术解决路线主要有3条：（1）制造过程要素的资源整合和自动调配，包括设备适用性、工装结构、工艺规范（技术参数）等；（2）以相同结构相同技术指标为基础的类比模拟查找；（3）以库存的大量历史数据（含缺陷发生的结构、部位、频次等），以类同法模糊查找缺陷原因，历史数据来源于真实的制造缺陷。以3条主线建立智能工艺设计与分析软件平台架构，并将CAPP、IQS、MES等信息资源导入。

2.2.2排产管理

工厂接收订单后，对内部的各类资源（人、机、料、外来件、场地）进行快速准备和调配，形成可执行任务清单，排出月计划、周计划、日计划及设备排班表。排产软件的开发是十分必要的，排产软件开发的主要内容应包括对各类产品的工艺流程、生产节拍、所需资源的信息储备，并以复合材料制造所必须遵守的一些限制条件作为约束条件纳入算法。在建立数学模型、确定约束条件时要重点考虑以下两个环节：（1）生产准备。生产准备工序具有物料多、组合零件多、储存环境特殊等特点，如预浸料要存在冷库中，取出后有晾置周期的要求。大多数组合件由多个复合材料小零件胶接而成，各小零件存在不同材质和工艺的差异，导致制造周期不等。所以底层物料和零件的生产信息获取、准确交付、同步交付控制较难，需要通过合理排产，并参考历史加工周期进行确定，在排产算法中考虑的要素应全覆盖。（2）固化工序。由于热压罐等设备容积大、能耗大，从成本和尺寸方面考虑，大多数情况下要多个零件同时同一个设备一起固化，这需要同时固化的多个零件前序时间安排要协同，在软件开发时要充分调用零件工序流程、工序历史加工时长数据、原材料用量、零件原材料固化参数、设备定检周期、工装面积与数量、计划交付顺序、设备容积等，一并纳入算法中作为约束条件。

结束语

复合材料制造作为航空产品制造重要的组成部分，具有智能转型升级、提质增效的强烈需求。本文立足于国情提出面向智能制造的复合材料数字化工厂的建设，是实现智能转型的基础。

参考文献：

[1]杜宝瑞,王勃,赵璐,等.航空智能工厂的基本特征与框架体系[J].航空制造技术,2015,58(8):26–31.

[2]于成龙,侯俊杰,陆菁,等.多品种变批量产品智能工厂功能框架[J].航空制造技术,2020,63(14):93–101.