革新自动铺丝技术 赋能下一代飞机制造

若自动铺丝（AFP）与自动铺带（ATL）是让波音787和空客A350大规模应用复合材料的关键制造工艺，那么下一代商用飞机（现处于图纸阶段）也将由AFP/ATL引领。区别在于：速率。

波音预测，至2037年全球将需逾31,000架新单通道飞机满足客运需求。空客预测同期需求超28,000架。两家均在考虑替代其单通道支柱机型——波音737和空客A320。新机型预计将大量采用复合材料。供应链被要求预期月产60-100架，重点冲刺100架。单通道机型约占两家总需求的三分之二，意味其制造环境将成为未来可预见时期航空复合材料的默认制造环境。

自动化技术必须当下开发，以跟上下一代飞机的质量与产率要求。Electroimpact（EI，美国华盛顿州穆基尔提奥）高级工程师Todd Rudberg对此深有体会。Rudberg与EI于2004年进军复合材料领域，为Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托）制造的787第41机身前机身段开发AFP技术。随后EI为787其他结构、A350结构、发动机结构、及近期波音777X机翼梁提供AFP/ATL系统。如今Rudberg展望下一代飞机制造，看到AFP大幅提升的机遇。

Rudberg称，数据揭示了显而易见的机遇。EI开发了多项指标评估设备优劣。纵观2019年AFP格局，Rudberg看到诸多威胁：ATL、手工铺层、织物平铺料、当然还有铝合金。

EI的AFP指标源于全生产演示（FPD）项目，含四次预生产构建。2019年2月一次采用“标准”EI AFP技术的构建数据揭示了严峻的设备利用率挑战，机器耗时分布在七大类：

• 激光投影：30%
• 铺放运行：27%
• 检测：22%
• 休息/待机：10%
• 操作员诱导停机：6%
• 故障恢复：3%
• 成像：2%

换个角度看，现有技术下AFP仅有一项增值操作（铺放运行），其余皆为非增值操作。增值与非增值比为1:3。“行业真正想要3:1，我也是，”Rudberg说，“且希望退休前实现。”目标简单：压缩非增值操作耗时。

还有一项核心指标需解释：平均故障前铺放条带数（MSBF）。即两次铺放故障间平均铺放纤维束数。数值越大，机器与工艺越可靠。2月FPD构建的MSBF为5,365。

改进目标

深入分析AFP运行，Rudberg称EI仅直接控制三项操作：铺放运行、故障恢复、检测——这是重点攻坚领域。但他指出主机厂也有责任，特别是减少质检、待机与操作员诱导停机。“铺放速度极快导致运行占比极低，”他说，“任何非增值环节都会巨大影响利用率。这是团队运动，不只是OEM（我方）要进步，主机厂也有责任。”

针对下一代飞机制造，Rudberg目标：MSBF提升至>20,000，铺放运行占比达77%，彻底消除激光投影、操作员诱导停机、成像。如何做到？他确定三大技术领域：伺服驱动纱架、100%在线检测、数据管理（EI 4.0）。

三大技术均在后续FPD项目构建中验证。Rudberg称所用AFP系统（名为MuSCLE）实现：峰值功率1,500马力，0.5G加减速，4,000英寸/分钟铺放速率，铺放头转向1秒，机翼梁转角速度120°/秒，生产中实现6,000 MSBF。

从伺服气动纱架转向伺服电机纱架，旨在提升铺放速度、精度、张力控制及整体可靠性。EI耗时两年开发可安装于模块化铺放头的紧凑型伺服驱动器。测试显示：15,000 MSBF，加速提升87%，切割提速36%，末端铺放精度更优。且证明伺服纱架系统可铺放干碳纤维。

检测关键在于“在线”。EI已有与Aligned Vision（马萨诸塞州切姆斯福德）联合开发、部署于777X机翼生产线的检测技术，利用激光视觉检测重叠、间隙、皱褶、末端铺放误差及异物（FOD）。但该系统独立于AFP，需清晰视野——即须移动AFP头。Rudberg与EI开发了新系统RIPIT，集成于AFP头，铺放即时检测。

随波音空客考虑非热压罐复合材料工艺，AFP高效铺放干碳纤维能力至关重要。此演示机翼梁由Electroimpact系统铺放干纤维。来源 | Electroimpact

EI不透露RIPIT技术细节，仅称非基于激光或视觉。测试显示其实时检测能力：纱条滑移±0.030英寸，加铺/切铺定位±0.050英寸。Rudberg称：“我们大量对比RIPIT数据与波音认证视觉系统（777X用Aligned Vision系统），结果相关性良好。”

数据管理价值在于帮助制造商清晰掌握AFP工艺运行状况。EI开发数据可视化软件EI 4.0，不仅展示某次构建的MSBF机器表现，还能细化至单根纱条与序列表现。操作员可精准定位AFP头故障点。“我们用EI 4.0指引操作员去AFP头哪里调整，”Rudberg说。

软件可图形化显示各机器功能的MSBF，识别问题纱条与高难度序列，测量报告其他侵蚀利用率的机器活动。借此工具，EI将OPS构建时间从50分钟以上优化至40分钟以内。其他工具含班组绩效对比、铺层角度对比等。

“我相信75%利用率是现实目标，”Rudberg断言，“但需要团队协作、主机厂组织推动与落实、我们的技术改进、更好的预防性与预测性维护、更好的单元与机器性能分析工具。”