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创造波音历史四个第一:777X机翼靠3D打印模具

2019-2-11 10:09:32 点击:

图:波音777X,来源:波音

    2019年年初,备受关注的波音777X宽体客机将实现飞行试验机的下线和首飞,并计划于明年完成试飞和首架交付。作为波音最新款的飞机产品,777X的生产集成了当今最先进的复合材料制造技术、金属加工技术和机器人装配技术,体现了数字化和自动化技术的全球最高水平。777X机翼的制造,更是因为波音及其供应商的创新,创造了若干世界之最,以及波音历史上的数个第一。

一、细数波音777X机翼制造的世界之最和史上首次

     波音777X机翼创造了四项世界之最——最大尺寸的复合材料机翼,最大尺寸的热压罐,最大尺寸的3D打印模具,最大的机体部件生产建筑。同时,777X机翼也创造了波音历史上的四个第一——首次采用可折叠翼梢,首次采用整体翼梁,首次采用自动丝束铺放技术制造机翼蒙皮、翼梁和桁条部件,首次采用近乎全自动化的工艺完成机翼部件铺放成形。

1、四项世界之最

     机翼尺寸。波音777X复合材料机翼的翼展达到了创纪录的71.8米,比A350WXB的翼展长7米,是世界上最大的复合材料机翼,也是世界上最大的双发客机机翼,翼展甚至超过了777-8型机身69.8米的长度。波音777X翼根宽度达6米,机翼面积467平方米,展弦比超过11,机翼拥有明显的翘曲,这对其蒙皮制造造成了一定的挑战。

      热压罐。对于追求整体成形的复合材料部件来说,机翼尺寸直接影响其制造体系的尺度。为了固化尺寸创纪录的777X复合材料机翼部件,波音供应商ASC公司为其打造了世界上最大的热压罐。热压罐长36.5米,宽6.5米,重达544吨。为了检验其密封性和焊接强度,波音还要对其进行压力测试,注水2578立方米,这将使其总重超过3175吨!

图:热压罐在波音进行内部设备安装 图片来源:波音

      3D打印模具。2016年8月29日,由波音和美国能源部橡树岭国家实验室联合开发的3D打印模具,获得了吉尼斯世界纪录。这个3D打印模具用于波音777X机翼部件修边和钻孔,长5.33米,宽1.68米,高0.46米,重784公斤,是世界最大的实心3D打印物体。模具使用混合20%碳纤维的ABS塑料制成,依托辛辛那提公司的大幅面增材制造(BAAM)设备,制造时间仅用了30小时,而制造传统上的金属模具则需要至少3个月。

图:吉尼斯认证人员测量3D打印模具 图片来源:橡树岭国家实验室

      生产建筑。2013年,华盛顿州以16年减税87亿美元,以及让机械师签署不涨养老金的长期劳动合同为价码,赢得了波音的青睐,将777X复合材料机翼中心(CWC)设在波音双通道客机总装大本营埃弗雷特。CWC建设耗资10亿美元,让埃弗雷特同时拥有了世界第一大和第四大建筑,CWC建筑可用空间370万立方米,仅次于波音埃弗雷特总装厂、沙特麦加大清真寺以及空客图卢兹A380总装厂,也是世界最大的机体部件生产建筑。

2、四个史上首次

      翼梢小翼。国际民航组织将翼展65米以下的飞机定为代码E,对于超过这一长度即代码F的飞机,机场将会额外收取航空公司费用。为了便于机场运营和降低航空公司费用,波音777X采用了长3.5米的可折叠翼梢,飞机在跑道上减速滑行时翼梢将向上折叠。采用折叠机翼在舰载机上已经屡见不鲜,波音自己制造的F/A-18就是折叠机翼,但这在客机历史上还是第一次,第一代波音777研制时,波音就考虑过这个方案从而设计更长的机翼,但是由于航空公司拒绝而放弃。在解决了技术问题,以及与美国联邦航空管理局(FAA)和欧洲航空安全管理局(EASA)展开多年后,FAA于今年5月批准了可折叠翼梢的商用,从而实现了这一历史性的突破。

       整体翼梁。波音787和空客A350的复合材料翼梁都是分三段制造,然后装配成完整翼梁的。而波音777X则破天荒地采用了整体翼梁的设计,翼梁长达破纪录的32米,每架777X上的4根翼梁需要几乎640公里长的碳纤维丝束。这离不开技术的进步,也是缩短运输物流的考虑,同时,这种设计也可以极大减少紧固件数量和装配工作量,达到减重、缩短生产周期、降低寿命周期成本的效果。

图:装配中的整体翼梁 图片来源:波音

      丝束铺放。波音选择与美国Electroimpact公司合作,引入其创新的龙门式高速AFP设备,制造蒙皮和翼梁;同时,西门牙MTorres公司也在埃弗雷特设立先进制造创新中心,向波音提供桁条AFP设备,该公司还同时向波音提供777X机翼翼梁装配单元和机翼桁条连接装配单元。值得注意的是,这次是Electroimpact公司击败MTorres公司,为其AFP设备赢得的首个机翼制造订单,设备最高单价可能高达2500万美元,而且波音预计最多会订购12台。

图:价值2500万美元的自动丝束铺放设备 图片来源:波音

     全自动化。当前,全自动化铺放还未完全实现,瓶颈就在于人工检测环节。以往的人工检查必须在每一铺层铺放之后停机,检查人员根据投射在模具表面的激光轮廓通过肉眼与铺层进行对比,确认丝束末端精度,之后使用手持放大镜扫描缺陷,这个过程费时费力且存在一定的漏检率和错误率。波音通过研究发现检测和返工时间占到了生产周期的63%,是铺放本身的2.5倍,而且,这些时间的分布还是在波音实施了多年工艺改进、检测时间和总周期已经下降了不少的情况下得到的。波音777X机翼庞大的尺寸决定了在铺放过程中不可能采用人工检查,因此Electroimpact公司通过三年多时间开发了自动化原位检测系统,目前这是唯一被复合材料部件生产商完全认证的系统,让波音777X机翼制造向着全自动化和工业4.0迈进了一大步。

二、创新的波音777X机翼部件近全自动化铺放工艺

1、高速化让丝束铺放攻克机翼制造

       波音777X机翼制造的创新离不开Electroimpact公司的支持,公司总部距离艾弗里特仅3公里,专为航空产品提供自动钻铆和电磁铆接系统,这从其公司名称也可以看出来。近年来,公司成功开辟了复合材料铺放业务,研发多头丝束铺放系统,并且凭借这种高速自动丝束铺放(AFP)技术获得了波音787机身制造的订单,成为其前辈MTorres、法孚(包括Frost-Line和辛辛那提)以及英格索公司的有力竞争对手。2014年,公司击败MTorres获得了波音777X机翼制造的订单。2015年,NASA兰利研究中心和马绍尔飞行中心相继启用了两套机器人版的高速AFP系统,进一步认可了公司的技术实力。

      Electroimpact公司高速AFP系统将所有纤维束料都集成在模块化铺丝头上,取消了传统AFP设备上专设的纤维轴架辅助装置。所有纤维束铺放操作都集中在该铺丝头上实现,包括纤维束供料卷轴、牵丝辅助装置、切割刀具、张力控制和粘结加热等装置。同时,铺丝头和控制它进行铺放运动的平台是分离的,类似数控加工中心的自动刀具交换功能一样,铺放成形需要的铺丝头能够实现快速被交换到“运动平台”上。这样一来,一台基础机床(运动平台)外加多个铺丝头就可适应不同复杂度的结构件铺放加工,即在满足高铺放生产率前提下适应不同应用对象的铺放成形。

图:装有16个丝轴的高度集成的铺丝头  图片来源:波音

公司为波音777X机翼制造提供了两种定制化的自动化工作单元,机翼AFP系统和机身AFP系统。机翼AFP系统中,12.8米长的主龙门梁上安装有重达1.7吨、装有20个盘型卷轴(类似电影胶片盘)的AFP铺丝头,龙门可以沿着机翼壁板模具移动超过30米,铺丝头可以跨越龙门移动7.5米,以覆盖最宽处达9米的模具,铺丝头的Z向移动约2米。上下两块机翼壁板在置于工作单元龙门工作区域内的低曲度阳模中制造,铺丝头在其上往复运动,从20个卷轴同时输送38毫米宽的预浸带,每次铺放760毫米宽的一条铺层。当铺丝头接触到正在制造的位置时,其尖端的加热元件会使树脂机体发粘,从而使下一层很容易被粘结。整个过程十分安静,唯一的声响是气动致动器发出的,即铺丝头改变角度放另一层预浸带或一条铺层铺放结束后切割预浸带时。

图:铺丝头在机翼蒙皮铺放的同时加热树脂  图片来源:波音

      翼梁AFP系统中,0.5吨、装有16个丝轴的铺丝头,将12.7毫米的预浸带铺放在一个具有两个90度角的U形模具(类似订书钉)上,当铺丝头运行到翼梁边缘时,预浸带可以按需移位。该系统可以在10分钟内沿着超过30米的翼梁完成一层铺放,而变换角度横着铺放可以在25分钟左右完成。为了提高效率,AFP系统旁边放置了一个更换铺丝头的工作台,一旦某个丝轴不能完整输送出预浸带时,2分钟内就可以换上另外一个。这样创新的一个系统,机床结构设计的首席工程师今年才35岁,铺丝头首席工程师只有31岁,而首席工艺工程师年仅30岁,说公司不仅吸引着聪明人,还吸引着热爱新挑战的人。

2、自动化让实时原位检测成为现实

     除了自动化铺放系统,自动化检测系统也是Electroimpact公司的一大创新。高速AFP系统中还有一条可与主龙门独立操作的第二条龙门梁,自动化原位检测系统就安装在其上。系统包括一个安装在铺丝头上的激光轮廓曲线仪,以及在龙门梁上安装成一排的3个准直视觉公司LASERVISION投影盒装置,每个装置除了一个激光投影仪外,还配备有一个高分辨率摄像头,三者通过计算机软件算法给用户界面输送数据。这种构型使激光器和部件之间的距离尽量小,减少了入射角。

图:第二条龙门梁上的投影盒装置 图片来源:波音

      投影盒装置有两个关键功能:激光从一个孔径中投影,通过两个可转向镜组合定位;从第二个孔径中,一个镜头焦距300毫米的高分辨率数字摄像头也由两个镜面转向,以捕获铺放过程中材料沉积的图像。摄像头和激光器在同一个坐标系统内工作,在空间中可“转换”或注册到模具和铺丝头位置,因此高分辨率图像可在三维空间中精确定位。每个摄像头像素的3D位置由用户界面识别,图像集连接起来即可为每个铺层在整个部件上创建一个完整图像。由于图像分辨率足够高,铺层边界位置可以从图像上自动测量到,在移动式(比如龙门安装)安装中位置精度在±1.5毫米以内。

      投影盒装置工作的同时,激光轮廓曲线仪在材料铺放时于部件表面投射一条线,其内置的探测器阵列沿着激光线测量超过1000个离散位置的高度,这样就检测了表面的2D外形。由于轮廓曲线仪在材料沉积时沿着铺放头抬升,它实际上创建了一个3D的表面外形。轮廓曲线仪的激光线跨过丝束间的接缝,在铺放进行中测量任何重叠或空隙的宽度。轮廓曲线仪的数据将与来自摄像头和设计程序的数据以及操作人员的输入在检测用户界面内进行综合,界面随着生产的进行构建一个叠层的3D部件模型。识别软件从海量的摄像头图像数据和轮廓曲线仪生成的原始数据阵列中测量特征的位置,以发现丝束末端(或铺层边界)、丝束重叠和空隙,并识别诸如褶皱和桥接的缺陷,这些都会显示在3D模型上。

图:铺层3D模型上显示的重叠或空隙错误  图片来源:波音

      当前,Electroimpact公司的自动化铺层边界检测系统每秒可以测量15个丝束末端,机翼壁板部件有2000个检测的丝束末端,要花费3-5分钟让摄像头拍照并让软件组合铺层图像,但也比人工检查速度极大加快。系统可以正确识别并测量一个标准铺层上92%的丝束末端,平均错误小于±1.25毫米,标准差是±0.5毫米。系统当前无法识别的那8%丝束末端正在用肉眼半自动定位,如果统计显示那92%的已识别丝束末端精确表达了整个零件,那么就不再需要识别这8%。随着系统改进,未来几乎可彻底终结人工检查,效率还有提升的空间。

三、结束语

     如果说波音787是大飞机制造史上的一个里程碑,标志着大型客机复合材料时代的开始;那么波音777X又再次为大飞机制造掀起了一个高潮。777X带来的,不仅是机翼主承力构件高速自动丝束铺放技术、自动化实时原位检测技术,还有更多的创新,如机翼轨道机器人装配技术、机身机器人垂直装配技术、人机协作装配技术、GE9X发动机热端部件陶瓷基复合材料(CMC)自动化制造技术等等。随着更多创新技术得到开发与应用,我们有理由相信,波音777X项目将引领大飞机制造迈向工业4.0时代。


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