《英国国家复合材料中心公布新增数字化制造技术》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-03-09
  • 英国国家复合材料中心(NCC)为新项目举办庆祝活动,并对外公布了项目新增的9948平米研究场所和10套最先进的数字化制造设备。

    该项目是名为iCAP的数字化能力提升项目的一部分。iCAP项目以推动复合材料制造技术的加速发展为目标,围绕NCC所需的10项技术开展技术研发,总投资3670万英镑(约3.28亿人民币),由英国航空航天技术研究所(ATI)、项目参与企业和英国高价值制造促进中心共同资助。

    NCC工程制造主任Rich Hooper表示:“我们的使命就是将复合材料领域的科研成果进行产业化转化。”

    为此,在过去两年中,由NCC工程师、研究者、软件工程师和纺织学专家组成的研发团队围绕如何采用数字技术令复合材料部件的设计更简便、制造更快速、成本更低廉的课题不断探索。

    航空航天领域无疑是推动高效复合材料制造技术不断发展的重要动力来源。据NCC称,采用现有的劳动密集型技术,制造商每月只能生产6对机翼,而未来单通道客机的月生产率则要求机翼交付量达到100对。NCC是空客公司“明日之翼”项目的参与单位,该项目的目标是开发出自动化程度更高、零部件更少、集成度更高、工艺周期更短、无损检测更快、组装更高效的商用客机机翼结构制造工艺。

    新增的设备包括一条将用于“明日之翼”项目开发的新中试线。其中,高速生产系统包括两个能够进行机翼自动化生产的巨大工业机器人。它们分别重45吨和24吨,能够测量、切割、托举并铺放碳纤维织物,精度可达毫米级。5米宽、20米长的复合材料带材可以经一步操作实现精确铺放,同时机翼零部件数量由10万件显著降至150件左右,机翼的生产周期也由一周缩短至一天。机翼制造时,首先将织物铺放至指定位置,随后,机翼由真空袋包裹并转移至20米长、装配有大规模树脂灌注设备的加热炉中。机翼将在180º C的热炉中经8小时固化成型。这项新技术将不仅帮助技术人员重新思考该如何生产机翼,还将在建筑、石油天然气等众多领域的学术研究和产业化之间架起沟通的桥梁。

    由荷兰Eurocarbon公司开发的环形编织机,在欧洲同类设备中是最大的,能够同时将288股独立的高强度碳纤维自动编织成三维结构,用来生产管道、飞机螺旋桨等部件。

    由Engel公司开发的新型复合模塑(overmolding)工艺单元拥有一台1700吨的卧式压机,注射温度和压力分别可以达到420°C和2000 bar,一次注射容量可达6400立方米,适合复合材料部件的大规模生产。“复合模塑工艺特别适合热塑性复合材料部件的高速净成型,”NCC首席技术官Enrique Garcia说。“它将层压板的热成型与聚合物注射成型集成于一个自动化工艺,所生产的部件既具有理想的高强度,又拥有复杂的设计结构,同时还缩短了工艺周期。”

    在无损检测(NDI)部分,NCC采用两台3米高的机器人同时对部件进行高压水射超声检测。系统通过测量声波穿过部件所需的时间,提醒操作员有无异常。

    NCC的其它数字技术还包括自动预成型单元、Coriolis公司的C5型自动铺丝(AFP)龙门机器人和Electoimpact公司的自动铺丝/铺带机(AFP/ATL)。

    NCC首席执行官Richard Oldfield表示:“此次对十大复合材料国际前沿技术的研究将为未来航空业开发机翼、发动机,以及未来能源的产出与储存提供有效路径,同时为未来基础设施的建造指明方向。”

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  • 《英国最大的5G制造项目落户国家复合材料中心》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-03-30
    • 据drivesncontrols网站2020年3月10日刊文,英国政府宣布了迄今为止使用5G进行制造的最大投资——一项900万英镑(合1170万美元)的5G-Encode项目,在布里斯托尔的国家复合材料中心(NCC)安装一个专用5G网络。这个多方合作项目将探索工业环境中专用5G网络的新业务模型,并在实际的工作环境中测试新的5G技术,例如网络剪接和切片。它还将研究5G无线技术在改善复合材料设计和生产过程中的实际应用。 项目组有11名成员,由总部位于布里斯托尔的网络专业公司Zeetta牵头。其他参与者包括NCC,西门子,东芝,Telefonica,索尔维,贝克休斯,Plataine,Mativision,布里斯托大学和英格兰西部联合管理局(WECA)。国家复合材料中心将作为迄今为止英国制造业最大程度地实施5G技术的试验平台。 项目将研究三个工业5G用例,以提高复合材料设计和制造的生产率和效率。每一种都有可能为英国制造商节省数亿英镑的费用。他们是: • 使用交互式增强现实(AR)和虚拟现实(VR)来改善复合材料制造中的设计、培训和维护; • 使用网络拼接来实时跟踪跨越室内外多个工厂以及可能跨越国界的关键资产,网络拼接将成为支持此用例的关键促成技术; • 使用5G超可靠低延迟通信来监视和管理工业系统,5G支撑的工业系统将比当前网络技术所允许的响应速度更快,从而可避免制造过程中的浪费。 项目将研究在工业环境中交付5G的最具成本效益的方法。它还将研究制造业专用移动网络的新业务模型。例如,中立托管,移动运营商共享建筑物内基础设施,以提供建筑物内的全覆盖以及频谱统筹和共享,可以在专用和公用网络运营商之间共享许可和非许可频谱。 该项目于2月启动,旨在在今年9月之前产生“真实的影响”。它将一直持续到2022年3月,届时预计将在英国的各个制造工厂进行商用5G部署。该项目是文化、媒体和体育部(DCMS)正在运行的工业5G测试平台和试验计划的一部分。 DCMS大臣表示:“ 5G不仅仅是消费者获得更快、更可靠的速度。我们决心利用这项革命性技术来提高英国工业的生产率和增长。我们希望英国成为5G的世界领导者,自2017年以来,政府已在全国范围内投资了数百万美元用于开创性的试验台和试验,以实现这一目标。” NCC首席技术官补充说,5G测试平台“将展示安全性,可靠性和连通性的逐步变化,为各种规模的公司提供一个无风险的环境来评估和利用5G提供的能力”。 除其他事项外,该项目将测试Zeetta开发的用于5G网络拼接和切片的技术。网络切片定义和提供优先级、分区化和受保护的子网的能力,从而使业务和时间紧迫的系统可以在共享基础架构上运行而不会互相干扰。网络拼接允许将切片按顺序连接以扩展通信范围,提供连续不断的服务。 预计这些技术将在制造应用中发挥重要作用,尤其是在必须跨越多个地点、地理位置以及室内外环境跟踪资产的情况下。该项目将研究这些功能,以推动5G在工业领域的广泛采用。 Zeetta首席执行官解释说:“根据用户和应用程序的需求动态切分网络资源的能力是5G与以前的移动技术之间的根本区别,并且有望在提高工业生产率方面发挥变革性作用。” 。 Zeetta在软件定义网络(SDN)方面具有专业知识,它将与NetOS Rapide专用网路和多域协调器(MDO)一起使用,以动态管理5G网络,并允许在同一网络上交付各种工业应用程序和服务。 5G-Encode项目还将测试基于AI(人工智能)的工业物联网技术,该技术支持物料和资产跟踪、预测性警报和优化的建议。该技术由以色列公司Plataine开发,将使用与传感器网络集成的基于AI的数字助理,以提供物料保质期跟踪、管理和优化能力。它会自动跟踪对时间敏感的原材料,预测剩余的吧暴露时间,并为每项工作选择最合适的材料,从而最大程度地减少浪费并确保按时完成生产,同时保持产品数字线索的完全可追溯性。 此外,自动实时工具跟踪将确保生产进度不会因丢失工具而中断。基于AI的数字助理将为员工提供预测性质量警报、可执行的洞察力和实时的维护建议。 公司总裁兼首席执行官说:“自动化和优化的制造绝对是Plataine产品的核心,我们很高兴能够从事这一开创性的项目。” 国家复合材料中心是构成英国高价值制造业弹射器的七个中心之一。布里斯托尔工厂共有350多名复合材料专家,他们致力于加速采用高价值、可持续的复合材料技术,以刺激增长并增强英国该行业的能力。它为从实验室到大规模生产的新型复合材料产品的设计和开发提供数字制造技术。
  • 《3D打印技术在航天复合材料制造中的应用》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-03-20
    • 复合材料的需求将以更快的速度增长,而其高成本成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈。低成本复合材料制造技术是目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高复合材料的性能价格比,除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外,更重要的是降低复合材料制造成本。 3D打印 近年来,3D打印技术的出现为制造业开辟了一个全新的思路,不同于传统制造业的减材制造和等材制造,它通过添加材料的方式可以快速地成型复杂形状产品并且实现极大限度的利用原材料。 航天器的发射成本高,有效载荷的质量对发射成本影响巨大,因此有效载荷在结构设计和材料选用时特别注重结构效率。碳纤维复合材料具有比强度高、比模量大、热稳定性好、可设计性强等特点,优异的综合性能正是追求高性能、结构质量效率优化的航天产品所需。 目前,应用在航天光学遥感器的碳纤维复合材料产品涵盖遥感器的各个部位,如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。所用树脂以环氧树脂和氰酸酯树脂为主,增强材料以连续碳纤维为主。根据具体产品特点和工艺特点,按照产品的性能要求和厚度要求将预浸料以一定的铺层顺序和铺层层数在模具上叠放形成坯体,再将坯体放入热压罐或热压机在高温环境下进行数小时的高温高压固化。 航天遥感器复合材料及制造工艺主要有以下特点: 1)为保证产品的力学性能,增强体采用连续纤维; 2)树脂基体环氧树脂和氰酸酯树脂均为热固性树脂,需要在特定的固化温度和压力下进行数小时固化(发生化学交联反应)以形成稳定的网状交联聚合物; 3)预浸料叠层坯体内部松散,为排出坯体中的空气和其他小分子,需对坯体在加热的同时施加高压,以提高制品的致密性,保证制品的力学性能; 4)对于复杂结构产品,为保证其力学性能,预浸料铺层设计往往需要多个平面或多个部位进行连续铺层,如薄壁加筋镜筒需保证法兰环和镜筒筒体的连续、加强筋与镜筒筒体的连续等,多向接头中要保证各端头周向连续、各端头之间的根部连续等。 3D打印技术 3D打印也叫增材制造,区别于传统的减材或等材加工制造方法,它是采用材料逐层累加的方法制造实体零件。该技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、信息技术、精密伺服驱动技术以及新材料与物理化学技术的基础上集成发展起来的。 其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片,利用精密喷头或激光热源,根据层片信息,在数字化控制驱动下,将熔覆的成型材料通过连续的物理层叠加固化,逐层增加材料来生成三维实体产品。 在各种3D打印技术中,能够进行复合材料3D制造的主要有选区激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、分层实体制造(LOM)以及立体光刻技术(SL)。 SLS制造复合材料的主要方法是混合粉末法,即基体粉末与增强体粉末混合,激光按设计图纸的截面形状对特定区域的粉末进行加热,使熔点相对较低的基体粉末融化,从而把基体和增强体粘接起来实现组分的复合。该方法存在的问题是混合粉末中两种材料的密度不同,易出现沉降使得制品成分不均匀。通过合成单一复合材料粉末进行技术改进,制得的复合材料粉末将能克服混合粉末的易沉降、不均匀等问题从而能够制得品质更高的制品。 FDM工艺制造复合材料是预先将纤维和树脂制成预浸丝束,再将预浸丝束送入喷嘴,丝束在喷嘴处受热融化并按设计轨迹堆放在平台上形成一层层材料,层与层之间通过树脂部分或完全融化形成连接。FDM技术所用的复合材料预浸丝束必须满足组分、强度以及低粘度等要求,一般需要在复合材料中添加塑性剂增加流动性。 LOM技术与FDM类似,需预先制备单向纤维/树脂预浸丝束并排制成无纬布即预浸条带,预浸条带经传送带送至工作台,在计算机的控制下,激光沿三维模型每个截面的轮廓线切割预浸条带,逐层叠加在一起,形成三维产品。 利用SL制造复合材料,首先需将光敏聚合物与增强颗粒或纤维混合成混合溶液,利用紫外激光快速扫描存于液槽中的混合液,使光敏聚合物迅速发生光聚合反应,从而由液态变为固态,然后工作台下降一层薄片的高度,进行第二层激光扫描固化,如此反复,形成*终产品。SL制造复合材料存在增强颗粒发生沉淀导致颗粒分布不均匀、溶液中泡沫导致固化后孔洞的产生、颗粒的反射使得激光吸收能量变低因而需要更长的照射时间等问题。 复合材料3D打印技术进展 热塑性树脂具有加热变软、冷却固化的工艺特性,易于实现增材制造,在3D打印市场以热塑性塑料为主,同样,在复合材料3D打印技术中,以热塑性树脂为基体的复合材料相对也是主要的研究对象,增强材料有短切纤维和连续纤维。 德国、美国等3D打印公司及我国华曙高科等分别研制了可用于SLS技术的短切纤维/热塑性树脂复合材料粉末并实现商业化。 美国MarkForged公司2014年初研发了连续碳纤维增强热塑性复合材料3D打印设备MarkOne,打印出了碳纤维增强尼龙复合材料。打印机具有两个喷头,一个喷头输送热塑性树脂(尼龙或聚乳酸),一个喷头输送连续的预浸碳纤维丝或预浸玻璃纤维丝,预浸纤维丝涂有特别为打印机开发的热塑性树脂,两个喷头轮流工作,用基于FDM的工艺沿X/Y平面铺放树脂和预浸丝束,实现纤维和树脂的复合,纤维可以按需要取向或仅在需要的地方铺放。目前,该设备仅能实现X/Y方向纤维取向,尚不能实现Z向取向。MarkOne可打印尺寸为0.6m×0.4m×0.3m。 美国Stratasys公司和美国能源部(DOE)橡树岭国家试验室合作开发量产碳纤维复合材料FDM制造技术。合作分为3个阶段,第一阶段研究在FDM过程中如何放入碎纤维以及如何调整材料的各种机械性能,第二至第三阶段研究集中于在中心线上开工制造连续碳纤维复合材料以及进一步的处理。 哈佛大学研制了适用于3D打印的环氧树脂,实现了热固性树脂的3D打印。为改善树脂粘度,研究人员添加了纳米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶须和短切碳纤维,以咪唑基离子做固化剂,极大地拓展了树脂的打印窗口,使树脂在长达数周的打印窗口期内粘度不会显著增加。通过控制纤维长径比和喷嘴直径,使填料在剪切力和挤出流的作用下发生取向,实现了填料取向的控制,获得了取向的纤维。打印好的部件先在较低的温度下预固化,然后从基板上移出再进行进一步高温固化。 航天用树脂基复合材料3D打印技术分析 目前复合材料3D打印技术以短纤维/热塑性复合材料为主,材料和设备实现了商业化,而热固性基复合材料仅在试验室实现了短切纤维增强复合材料的3D打印。结合航天遥感器复合材料的产品特点,连续纤维增强热固性复合材料3D打印技术在打印材料、多维连续打印、预固化功能等方面亟待突破。 亟待突破的方面 1)开发适应性的打印材料。复合材料3D打印过程要求打印材料具有适当的粘度、流动性、长的操作时间、短的成型时间,因此需对现有航天复合材料材料体系进行适应性开发,对材料体系进行改进,以提供满足3D打印技术和航天应用要求的材料。 2)突破纤维多维连续打印。复合材料3D打印设备亟需突破在多维方向的连续堆积,如设置五轴/六轴联动打印平台通过转动平台实现多维连续打印,以满足航天复杂结构产品多个平面、多个部位的连续铺层要求。 3)实现预压实功能。热固性树脂基复合材料需在高温高压下实现树脂基体的固化和制件的致密化,可在打印一定层数后在设备内对坯体进行预压实和加热,提高打印中间过程的致密性,打印完成后再将坯体移至固化设备进行最终固化。 采用低成本技术是降低复合材料产品成本的有效途径之一,3D打印技术通过增加材料实现产品的制造,能够极大限度的发挥材料的利用率,降低复合材料生产成本。 此外,对于复杂结构复合材料产品,3D打印技术还可以减小对工装的依赖,缩短加工时间,同时还可以实现整体成型、减少装配时间,研究3D打印技术在航天复合材料的应用具有重大工程意义。对于航天遥感器所用的连续纤维增强热固性树脂复合材料,3D打印需解决打印材料、纤维多维连续打印、预固化功能等问题。