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民机制造技术2019年发展热点_航空

时间:2020-04-05 17:30 作者:木木 来源:

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波音777X生产场景

中国航空报讯:2019年,复合材料领域继续占据航空制造热点。首先,涌现了新型的热固性复合材料铺放工艺和固化技术,美欧结构制造商和机床制造商纷纷展示了创新的成果;其次,对热固性非热压罐工艺和热塑性复合材料的研究也达到了新高度,欧盟迈向主承力构件制造的步伐更加坚实;而且,复合材料结构以及模具的3D打印技术发展屡创纪录,特别是连续纤维3D打印技术可能颠覆现有小型复合材料结构制造体系。此外,新款窄体客机A321LR和宽体客机777X在机身自动化装配方面的不同境遇,也给自动化和智能化技术的应用带来反思。

数字工程将助力民机产品与工艺设计

1.利用数字线索助力数据驱动的复合材料制造自动化

复合材料制造的数字化落后于其他制造行业,特别是自动丝束铺放(AFP)和自动铺带(ATL)系统。CGTech公司软件开发人员正在实现AFP/ATL的数字线索,比如,将VERICUT复合材料软件像其金属切削软件一样实现与西门子Teamcenter的集成,以便设计和制造中的不同职能团队能够更直接、更高效地进行沟通和交流,这一点是智能制造的基础。在AFP/ATL操作中构建数字线索不仅需要集成制造软件模块,还需要整合产品全寿命周期——从设计到制造和每个组件的检测,到最终产品寿命中的装配和MRO(维护、修理和大修)操作。这种集成的主要挑战是,许多企业的设计职能已经与制造职能分开发展和演进,使得从一个部门到另一个部门移动信息不是自动化的。功能齐全的数字线索将消除部门之间的沟通障碍,实现复合材料智能制造。

2.利用激光测量和3D打印助力飞机机翼除冰

美国航空航天局(NASA)的航空研究人员正在使用3D打印生成新数据来处理飞机机翼结冰问题。大型机翼上产生的冰形状的高保真数据通过激光3D扫描仪被记录下来,并在计算机中构建3D模型,然后将这些复杂的冰模型3D打印,从而更好地了解冰的形成及其对飞机的影响。这是一项为期5年的合作研究项目,除了NASA,还有联邦航空管理局(FAA)、法国航空航天实验室(ONERA)等参与,公共数据库计划于2020年年中公开发布。

3.利用高逼真度数字孪生助力结构设计仿真

西门子收购了有限元分析软件商MultiMechanics,并将把其MultiMech软件集成到Simcenter软件的Xcelerator功能中,从而提升西门子仿真预测先进材料结构缺陷的速度和准确性。将结构计算机辅助工程(CAE)与TRUE Multiscale技术的材料详细建模相结合,扩展了创建最全面数字孪生的能力,可适用于复合材料、聚合物、陶瓷和金属在内的多种材料,以便通过优化获得最佳性能。

热固性复材与非热压罐工艺创新不断

1.新工艺、新结构不断亮相

势必锐航空系统公司在2019年的巴黎航展中展示了一种专为下一代单通道客机机身设计的“先进结构技术和革命性结构”(ASTRA),最大特点是采用了新工艺“薄板桁条技术”制造的集成桁条整体蒙皮壁板,与现有常用方法相比可节省30%的成本。

莱奥纳多公司在“清洁天空”计划“支线飞机创新飞机验证平台”(IADP)项目下建造了全尺寸机身集成验证件,项目关注低成本和低重量的复合材料、先进制造和装配工艺以及结构监测。

2.干纤维液体成形工艺频现重要突破

空客“明日之翼”项目旨在开发一种高生产率的飞机机翼主承力结构非热压罐(OOA)制造工艺,目前正在评估使用树脂传递模塑(RTM)制造机翼蒙皮、翼梁、翼肋以及中央翼盒的效果。GKN生产了翼梁验证件以及验证工装,4米长的工装拥有自动化的低压RTM系统,基于它的自动化制造解决方案可以月产60架,大幅增加复合材料制造工艺的生产率。

热塑性复合材料继续向承力结构迈进

1.大型机体结构再上台阶

“清洁天空”计划中“下一代多功能机身验证”项目在之前的众多项目基础上继续推进,以最大限度地减少结构紧固件,增加机身、系统、货舱、座舱的整体性。GKN旗下福克航宇为湾流航空制造的热塑性复合材料机身壁板,采用超声AFP设备制造的壁板拥有互相连接的焊接网络结构,突破了直网格、对接接头以及焊接技术,展现了项目中设想的多功能性,以及向单通道飞机迈进的技术成熟度。此外,凯旋集团与巴航工业也开发出了热塑性升降舵,焊接的热塑性结构消除了孔和紧固件,与传统的热固性复合材料相比,有望将承力结构的成本降低20%,重量降低10%,同时具有更好的抗冲击性和韧性。

2.革命性的无工装铺放工艺出现

通用原子航空系统公司开发了一种不需要传统的模具或工装的热塑性复合结构制造新工艺,使用两个6轴机器人协同工作,将热塑性纤维带铺放在金属或类似框架内的开放空间中,框架为正在制造的结构提供边界,纤维带可以由机器人操纵以改变方向,从而构建弯曲的和复杂的形状。

3.先进热塑性预浸料和工艺控制得到关注

赫氏公司和法国阿科玛公司在法国“投资未来行动方案”支持的“用于展现自适应结构的高度自动化集成复合材料”项目下,共同研发主要用于飞机结构的高性能碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)单向预浸带、高效的单向预浸带贴装技术,以及能够提供焊接和在线质量控制能力来装配最终零部件的新系统。此外,法国工程和先进制造业研究与技术组织Cetim开发了一种用于热塑性材料的质量保证系统,提高了成品件的质量控制。

3D打印颠覆复材工装和结构生产模式

1.复合材料工装即将成为主流

德事隆旗下贝尔和热木公司开发了封闭腔直升机热压罐工装,可能是“有史以来最大的3D打印热压罐可用模具”。工装采用了大尺度增材制造系统打印,系统采用的新型60毫米熔体核心技术的最大测量产出为每小时218~258千克。

沙特基础工业公司和代顿研究院大学合作使用大幅面增材制造技术生产了航空零件热压罐工装,这将有助于减少更快速地制造小批量、复杂工装的支出和时间。

2.连续纤维3D打印将颠覆小型复材制造模式

与传统工艺相比,对于典型的碳纤维/PEEK零件,连续纤维3D打印技术可将研发周期缩短30倍,生产速度提高100倍。连续复材公司的连续纤维3D打印技术,可使纤维体积含量达到50%~60%。轨道复合材料公司开发了由并联机器人、模块化同轴挤出末端执行器组成的高度定制化的3D打印设备;南卡罗来纳大学麦克奈尔航空航天创新与研究中心开发了一种熔融长丝制造工艺,使用配备有连续纤维沉积末端执行器的7自由度工业机器人平台。

高精度灵巧自动化装配仍是薄弱领域

1.空客A320系列飞机制造进一步自动化

空客在第四条A320系列总装线中使用了12个类似的机器人来连接机身各段,借助激光测量,机身段自动定位的精度为0.2毫米。对于壳体之间的纵向连接,8个柔性轨道机器人沿着安装在机身上的导轨移动,一台机器人承担4~6名员工的工作,即使在圆周连接中重复进行了3000次钻孔操作,机器人也会产生完全相同且垂直的孔。

2.波音777飞机放弃使用双机器人装配系统

波音取消了研发使用6年之久的777“机身自动直立建造”机器人全自动化装配系统,未来中机身前后段装配将恢复使用柔性轨道机器人钻孔以及人工安装紧固件。这是波音在全自动化道路上的一次不太成功的尝试,但是将使波音更好地设计自动化的流程、方法和工具,权衡自动化中的机器人和更灵巧设备的使用。

3.航空装配需要高精度的自动化

在航空中使用柔性的自动化涉及许多挑战。钻孔会产生反作用力和振动,这可能需要更具刚性的机床,修整要求的精度要高于当前机器人所能达到的精度。与其他行业相比,航空装配复杂且批量小,涉及大量独特的操作,但只生产相对较少的最终产品,这意味着必须生成大量的机器人程序。另一个困难是,由于最终结构又大又复杂,因此有必要同时执行多个操作,这意味着人类可能需要在机器人附近工作,可增强安全性。

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