DLR Flappybot：2019 年展会颠覆复合材料制造

DLR 诱人命名的 Flappybot（柔性自主生产、铺放与装配机器人）原型机，彻底背离大型航空航天部件制造常见的大型昂贵静态设备。这款紧凑型自主 AFP 单元设计为直接"行驶"于模具上方。来源 | DLR
 

若复合材料产业欲持续增长并提升竞争力，必须抓住数字化与自动化带来的机遇。德国两场聚焦航空航天的会议展望复合材料制造未来。

探访施塔德未来工厂

"复合材料未来工厂"为德国施塔德 Composites Convention 2019 年主题（6 月 12-13 日）。由 CFK Valley e.V.（施塔德）与 Carbon Composites e.V.（奥格斯堡）联合主办，吸引近 450 人创纪录参会。得益于犹他先进材料制造倡议（UAMMI，犹他凯斯维尔）作为合作伙伴网络及美国作为合作伙伴国，美方出席阵容强劲。

开幕主题演讲《数字化：从计算机辅助制造向人工辅助自动化过渡》中，德国航空航天中心（DLR，施塔德）轻量化生产技术中心主任 Dr. Jan Stüve 勾勒会议蓝图。DLR 研发中未来工厂技术含：协同多机器人缩短生产周期、机器数字孪生优化工艺、移动自主机器人适配柔性生产场景。含原型机 FlappyBot——紧凑型铺放单元可在模具上移动。Stüve 警示过度自动化风险，探讨数字化应如何让人重返制造流程。

Audi A8 CFRP 后壁为乘员舱最大部件，由 Voith Composites 高度自动化流程生产，年产 6.5 万件。来源 | CFK Valley

第二主题演讲《快速制造与热塑性复合材料——趋势与技术》中，NASA 兰利研究中心（弗吉尼亚汉普顿）资深材料工程师 Dr. Robert G. Bryant 带代表跳出地球工厂走向太空建造。长期太空驻留首需庇护与平台。发射日益复杂结构的超大火箭开发不具经济可持续性。解决方案需近场或在 situ 制造。无工装先进铺带（ATP）工艺实现热塑性复合件原位固化或成答案。新技术中两 ATP 机器人相对工作，一铺放热塑性预浸带，一作工装。无工装制造可降航天制造成本，改善太空探索经济性并惠及其他领域（详见《General Atomics Aeronautical 开发无工装热塑性复合工艺》）。

可持续性

制造进步须伴随环境影响降低。顺此，Jörg Spitzner（Spitzner Engineers GmbH，汉堡芬肯韦德创始人）主张达成气候目标需负排放技术。其公司声称专利 Blancair 风机概念兼提升风机效率与从大气分离 CO₂。空气经机舱滤模块吸入，CO₂ 分离存储再循环产合成燃料等用途，洁净空气经叶尖开口释放。概念视频见 Blancair 官网。

会议组织者亦展示：复合生产智能生态效益评估（DLR）、非热压罐常温增韧预浸料具防火烟毒（FST）能力（TCR Composites，犹他奥格登）。

仿真赋能

首日余下聚焦仿真。

Voith Composites（加兴）CTO Dr. Lars Herbeck 论述 Voith Roving Applicator AFP 机如何简化工艺链，实现高效自动预成型缩短周期。阐述为 Audi A8 CFRP 后壁自动化产线（年产 6.5 万件）做的结构与工艺仿真。

MET Motoren- und Energietechnik GmbH（罗斯托克）Mark Bludszuweit 解释仿真如何洞察零件进热压罐最佳装载方式，优化固化提升产能。DLR 施塔德最大热压罐数字孪生可并行实时运行或加速预测零件行为。

虚拟工艺开发议题含 SMC 工艺建模（ESI Group，法国 Chartres-de-Bretagne）、热压罐中夹层板工艺仿真理解芯材压溃与预浸料起皱（Airbus Helicopters，马里尼亚讷）。

虚拟安全建模方面，Reichenbacher Hamuel GmbH（Dörfles-Esbach，Scherdel 集团）Jochen Rühl 论述基于仿真的 CFRP 加工粉尘颗粒物管理法如何为 Airbus、Premium Aerotec（奥格斯堡）等客户创值。加工仿真与颗粒分布可视化助企业符合收紧的安环法规，改善加工结果，减停机维护，终降单件成本。

仿真专场亦展示：波音资助复合制造虚拟成本建模项目，计入设计/生产/财务复杂交互识别成本驱动因素（MIT，马萨诸塞剑桥）；基于仿真建模的最优复合价值链数字化工厂规划概念（Fraunhofer IGCV，奥格斯堡）。

MBFast18 移动加工概念由自动导引车、机器人、便携 CNC 组成，提升大型 CFRP 航空部件制造产能。来源 | Fraunhofer IFAM

获奖项目

本届 CFK Valley 创新奖及 7500 欧元奖金由两项目共享。

一等奖（4500 欧元）授 MBFast18 移动机器人系统项目，开发基于自动导引车（AGV）的移动 CNC 加工系统用于大型 CFRP 航空部件。

来源 | Fraunhofer IFAM

相比当今大型飞机结构昂贵静态加工系统，小型移动机器人系统实现柔性制造与更高产能。

MBFast18 系统采用 FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG（富尔达）造 4.6 米自主平台，SICK AG（瓦尔德基尔希）供导航安全传感器，SAUER/DMG MORI（苏尔/比勒费尔德）供 5 轴 CNC。Fraunhofer IFAM（施塔德）研发移动激光跟踪器精准定位机器人。真空吸盘夹持钻孔单元（工作空间 0.5 m²），钻孔位经 BCT GmbH（多特蒙德）软件计算传输至机床。概念亦适用搬运装配及风能、轨道等行业。

观看 MBFast18 项目视频：

二等奖予初创 Hyconnect GmbH（汉堡）的 FAUSST 金属-复合连接技术。初切入造船，因金属-复合连接是复合材料广泛采用重大障碍。FAUSST 方案用经纬编玻璃/金属混纤混织物实现金属与复合材料牢固机械连接。金属纤维侧连接可焊接钢型材，另一侧层压至复合部件。专利技术称显著加速设计粘接流程。原型应用测试中。

观看 FAUSST 连接工艺介绍：

自动化赋能

次日深入探讨获奖 MBFast18 项目，Fraunhofer IFAM 项目经理 Christoph Brillinger 与 FFT Dr. Gregor Graßl 讨论多机器人作业智能工艺与厂控系统开发挑战。Northrop Grumman Innovation Systems（犹他克利尔菲尔德）员工工程师 Jerome Berg 述自研 AFP 工艺在犹他厂自动化制造 Airbus 飞机弦条。Evonik Resource Efficiency GmbH（达姆施塔特）Uwe Lang 介绍"三明治技术 4.0"，用其 ROHACELL 泡沫芯材实现高产率自动化制造技术。DLR 与 Airbus 技术中心 CTC GmbH（施塔德）合作演示飞机前起落机舱门高自动化预成型工艺。

观看预成型工艺视频： 

虚拟现实之旅中，ABSOLUTE Reality GmbH（汉堡）业务发展负责人 Felix Hünecke 展示如何创建/编辑/补充 3D 建筑模型为可全球访问的虚拟环境。公司为 DLR 施塔德生产厅制作 3D 漫游。

漫游 DLR 生产厅： 

ARK Group（亚琛）CEO Felix Schreiber 论述自动化树脂传递模塑（RTM）产线结构化机器数据的工艺成本效益。CTC GmbH Sascha Backhaus 探讨复合制造模块化自动化与 Hybr-iT 项目，开发人机协同软件辅助系统团队。

未来工厂话题绕不开人工智能（AI），Plataine（马萨诸塞沃尔瑟姆）CMO Amir Ben-Assa 探讨 AI 在复合制造落地机遇与挑战。展示 AI 实用应用：从预警（如生产延误、质量问题）到推荐（如优化选材）。Google Glass AI 数字助手或成可能，提供产线"免双手"AI 交互与实时音视频预警呈现。

奥格斯堡 ZLP 多功能机器人单元旨在工业规模开发生产大型复合部件集成工艺。来源 | DLR

其他议题含：

• 大型复合结构光纤传感智能工艺监测（MT Aerospace AG，奥格斯堡）；
• 自动化复合制造智能控制系统（国家复合材料中心，英国布里斯托）；
• 小部件热成型基于模型的质控系统（Faserinstitut Bremen e.V.，FIBRE，不来梅）；
• 面向航空应用的不连续纤维增强热塑性压缩模塑工艺，基于柔性自动化可扩展大尺寸（ACT Aerospace，犹他冈尼森）；
• 高产量 CFRP 件等温 RTM 工艺缩短周期（Airbus Helicopters）
• 用近净形带料预成型与注塑成型生产复杂碳纤维高性能热塑性型材（撑杆、管材、传动轴），herone GmbH（德累斯顿）。详见《注塑成型助力高性能一体化热塑性结构》。

奥格斯堡十年进展

另一场 DLR 第五届生产技术论坛于 5 月 15 日在其奥格斯堡轻量化生产技术中心（ZLP）举行，近 200 嘉宾聚首。庆祝 ZLP 奥格斯堡十周年，现约 60 人聚焦复合生产自动化与数字化。

奥格斯堡 ZLP 集成制造全尺寸结构件自动化工艺链关键的自动铺层机器人夹具。来源 | DLR

日程以不列颠哥伦比亚大学（UBC，加拿大温哥华）两场报告启动，UBC 2016 年起与 DLR 合作。UBC 数字学习工厂倡议联合主任 Prof. Dr. Anoush Poursartip 引入受医学教学医院启发的复合材料学习工厂概念。复合材料学习工厂将建于 UBC 奥卡纳根校区，设计融合研究、教育与产业活动。UBC 温哥华托管数字孪生将结合物理工厂数据与仿真优化航空复合生产工艺。继而 UBC Prof. Dr. Homayoun Najjaran 与 DLR Marian Körber 讨论虚拟环境优化复杂制造工艺，及 UBC 机器学习与 AI 专长如何减少 DLR 机器人系统开发时效成本。深度学习法训练 ZLP 自动铺层机器人夹具，为奥格斯堡设施制造大型 CFRP 件自动化工艺链关键环节。夹具含 127 可变吸力吸嘴模组，识别拾取切料；模组假设铺层所需几何姿态。  

Premium Aerotec 后压力隔舱设计热塑性复合部件用 ZLP 开发的电阻焊技术连接。来源 | Premium Aerotec

热塑性技术是 ZLP 奥格斯堡另一焦点。Premium Aerotec GmbH Ralph Männich 与 Alexander Sänger 概述单通道飞机全球首个热塑性后压力隔舱（RPB）开发项目。公司联合 ZLP 奥格斯堡、Toray Advanced Composites 与复合材料研究所（IVW）研发 8 片带集成弦条 CFRP 段经 ZLP 开发电阻焊技术连接的设计。短周期自动化流程赋能高产量。技术成熟度（TRL 6）计划 2020 年达成，实施目标 2021/2022。6 月巴黎航展 Premium Aerotec 展出 Airbus A320 系列 1:1 演示件。对比现款 A320 铆接铝合金隔舱，热塑性件称同等力学性能下减重 10-15%、生产周期缩 50%。随即 DLR Dr. Stefan Jarka 与 Manuel Endraß 深入 ZLP 奥格斯堡连接与无损检测能力及其在 RPB 项目角色。  

ZLP 奥格斯堡研究闪光灯原位 AFP 热塑性复合材料，脉冲能量方案免除激光 AFP 所需安全防护罩。来源 | DLR

热塑性复合材料在航天亦有机遇。MT Aerospace AG Ralf Hartmond 与 DLR 航天应用项目经理 Lars Brandt 概述下一代 Ariane 火箭碳纤维增强热塑性上级开发。Brandt 详述 DLR 液氢罐（LH₂）材料筛选——碳纤维 PEEK 与低熔（LM）PAEK 有望——及原位热塑性复合 AFP 工艺开发赋能精益增材制造路径。ZLP 对比新闪光灯辅助原位 AFP 与传统激光辅助 AFP。

连接技术将是热塑性复合材料未来航空航天应用成功关键。奥格斯堡 ZLP 开发机器人基础连续超声焊系统，含装载于 KUKA QUANTEC KR210 机器人 7 米线性轨道上的末端执行器。已在撑筋机身面板、后压力隔舱等部件验证。来源 | DLR

日程以 ZLP 奥格斯堡主任 Prof. Dr. Michael Kupke 发人深省主题演讲《数字化与柔性生产》收官。他询问数字平台经济兴起对复合制造商是机遇还是风险，指出 IT 正成核心竞争力，应视为增值竞争优势而非成本中心。亦称范式正从详尽规划转向自组织（精益生产）与自动化数字化融合。AI 使自主柔性生产成为可能。但 Kupke 总结：必须重视并整合人类技能，其对决策与工艺改进至关重要。