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劉亞威 | 創新讓777X機翼制造創造歷史

2019-01-29 09:02:43 admin 44

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2019年年初,備受關注的波音777X寬體客機將實現飛行試驗機的下線和首飛,并計劃于明年完成試飛和首架交付。作為波音最新款的飛機產品,777X的生產集成了當今最先進的復合材料制造技術、金屬加工技術和機器人裝配技術,體現了數字化和自動化技術的全球最高水平。777X機翼的制造,更是因為波音及其供應商的創新,創造了若干世界之最,以及波音歷史上的數個第一。

一、細數波音777X機翼制造的世界之最和史上首次

波音777X機翼創造了四項世界之最——最大尺寸的復合材料機翼,最大尺寸的熱壓罐,最大尺寸的3D打印模具,最大的機體部件生產建筑。同時,777X機翼也創造的波音歷史上的四個第一——首次采用可折疊翼梢,首次采用整體翼梁,首次采用自動絲束鋪放技術制造機翼蒙皮、翼梁和桁條部件,首次采用近乎全自動化的工藝完成機翼部件鋪放成形。

1、四項世界之最

機翼尺寸。波音777X復合材料機翼的翼展達到了創紀錄的71.8米,比A350WXB的翼展長7米,是世界上最大的復合材料機翼,也是世界上最大的雙發客機機翼,翼展甚至超過了777-8型機身69.8米的長度。波音777X翼根寬度達6米,機翼面積467平方米,展弦比超過11,機翼擁有明顯的翹曲,這對其蒙皮制造造成了一定的挑戰。

熱壓罐。對于追求整體成形的復合材料部件來說,機翼尺寸直接影響其制造體系的尺度。為了固化尺寸創紀錄的777X復合材料機翼部件,波音供應商ASC公司為其打造了世界上最大的熱壓罐。熱壓罐長36.5米,寬6.5米,重達544噸,僅比世界最大客機空客A380的最大起飛重量輕了30多噸,僅罐門就有55噸重。為了檢驗其密封性和焊接強度,波音還要對其進行壓力測試,注水2578立方米,這將使其總重超過3175噸!          

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熱壓罐在波音進行內部設備安裝(波音公司)

3D打印模具。2016年8月29日,由波音和美國能源部橡樹嶺國家實驗室聯合開發的3D打印模具,獲得了吉尼斯世界紀錄。這個3D打印模具用于波音777X機翼部件修邊和鉆孔,長5.33米,寬1.68米,高0.46米,重784公斤,是世界最大的實心3D打印物體。模具使用混合20%碳纖維的ABS塑料制成,依托辛辛那提公司的大幅面增材制造(BAAM)設備,制造時間僅用了30小時,而制造傳統上的金屬模具則需要至少3個月。        

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吉尼斯認證人員測量3D打印模具(橡樹嶺國家實驗室)

生產建筑。2013年,華盛頓州以16年減稅87億美元,以及讓機械師簽署不漲養老金的長期勞動合同為價碼,贏得了波音的青睞,將777X復合材料機翼中心(CWC)設在波音雙通道客機總裝大本營埃弗雷特。CWC建設耗資10億美元,讓埃弗雷特同時擁有了世界第一大和第四大建筑,CWC建筑可用空間370萬立方米,僅次于波音埃弗雷特總裝廠、沙特麥加大清真寺以及空客圖盧茲A380總裝廠,也是世界最大的機體部件生產建筑。

2、四個史上首次

翼梢小翼。國際民航組織將翼展65米以下的飛機定為代碼E,對于超過這一長度即代碼F的飛機,機場將會額外收取航空公司費用。為了便于機場運營和降低航空公司費用,波音777X采用了長3.5米的可折疊翼梢,飛機在跑道上減速滑行時翼梢將向上折疊。采用折疊機翼在艦載機上已經屢見不鮮,波音自己制造的F/A-18就是折疊機翼,但這在客機歷史上還是第一次,第一代波音777研制時,波音就考慮過這個方案從而設計更長的機翼,但是由于航空公司拒絕而放棄。在解決了技術問題,以及與美國聯邦航空管理局(FAA)和歐洲航空安全管理局(EASA)展開多年后,FAA于今年5月批準了可折疊翼梢的商用,從而實現了這一歷史性的突破。

整體翼梁。波音787和空客A350的復合材料翼梁都是分三段制造,然后裝配成完整翼梁的。而波音777X則破天荒地采用了整體翼梁的設計,翼梁長達破紀錄的32米,每架777X上的4根翼梁需要幾乎640公里長的碳纖維絲束。這離不開技術的進步,也是縮短運輸物流的考慮,同時,這種設計也可以極大減少緊固件數量和裝配工作量,達到減重、縮短生產周期、降低壽命周期成本的效果。              

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裝配中的整體翼梁(波音公司)

絲束鋪放。在復合材料機翼制造上,空客A350比波音787更加激進,機翼上下蒙皮、前后翼梁、桁條都是采用MTorres公司的自動絲束鋪放(AFP)技術制造的,而不是傳統上用于低曲率/平面結構的自動鋪帶技術。輪到777X,波音終于也突破了這一點,選擇與美國Electroimpact公司合作,引入其創新的龍門式高速AFP設備,制造蒙皮和翼梁;同時,西門牙MTorres公司也在埃弗雷特設立先進制造創新中心,向波音提供桁條AFP設備,該公司還同時向波音提供777X機翼翼梁裝配單元和機翼桁條連接裝配單元。值得注意的是,這次是Electroimpact公司擊敗MTorres公司,為其AFP設備贏得的首個機翼制造訂單,設備最高單價可能高達2500萬美元,而且波音預計最多會訂購12臺。     

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價值2500萬美元的自動絲束鋪放設備(波音公司)

全自動化。當前,全自動化鋪放還未完全實現,瓶頸就在于人工檢測環節。以往的人工檢查必須在每一鋪層鋪放之后停機,檢查人員根據投射在模具表面的激光輪廓通過肉眼與鋪層進行對比,確認絲束末端精度,之后使用手持放大鏡掃描缺陷,這個過程費時費力且存在一定的漏檢率和錯誤率。波音通過研究發現檢測和返工時間占到了生產周期的63%,是鋪放本身的2.5倍,而且,這些時間的分布還是在波音實施了多年工藝改進、檢測時間和總周期已經下降了不少的情況下得到的。波音777X機翼龐大的尺寸決定了在鋪放過程中不可能采用人工檢查,因此Electroimpact公司通過三年多時間開發了自動化原位檢測系統,目前這是唯一被復合材料部件生產商完全認證的系統,讓波音777X機翼制造向著全自動化和工業4.0邁進了一大步。

二、創新的波音777X機翼部件近全自動化鋪放工藝

1、高速化讓絲束鋪放攻克機翼制造

波音777X機翼制造的創新離不開Electroimpact公司的支持,公司總部距離艾弗里特僅3公里,專為航空產品提供自動鉆鉚和電磁鉚接系統,這從其公司名稱也可以看出來。近年來,公司成功開辟了復合材料鋪放業務,研發多頭絲束鋪放系統,并且憑借這種高速自動絲束鋪放(AFP)技術獲得了波音787機身制造的訂單,成為其前輩MTorres、法孚(包括Frost-Line和辛辛那提)以及英格索公司的有力競爭對手。2014年,公司擊敗MTorres獲得了波音777X機翼制造的訂單。2015年,NASA蘭利研究中心和馬紹爾飛行中心相繼啟用了兩套機器人版的高速AFP系統,進一步認可了公司的技術實力。

Electroimpact公司高速AFP系統將所有纖維束料都集成在模塊化鋪絲頭上,取消了傳統AFP設備上專設的纖維軸架輔助裝置。所有纖維束鋪放操作都集中在該鋪絲頭上實現,包括纖維束供料卷軸、牽絲輔助裝置、切割刀具、張力控制和粘結加熱等裝置。同時,鋪絲頭和控制它進行鋪放運動的平臺是分離的,類似數控加工中心的自動刀具交換功能一樣,鋪放成形需要的鋪絲頭能夠實現快速被交換到“運動平臺”上。這樣一來,一臺基礎機床(運動平臺)外加多個鋪絲頭就可適應不同復雜度的結構件鋪放加工,即在滿足高鋪放生產率前提下適應不同應用對象的鋪放成形。

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裝有16個絲軸的高度集成的鋪絲頭(波音公司)

公司為波音777X機翼制造提供了兩種定制化的自動化工作單元,機翼AFP系統和機身AFP系統。機翼AFP系統中,12.8米長的主龍門梁上安裝有重達1.7噸、裝有20個盤型卷軸(類似電影膠片盤)的AFP鋪絲頭,龍門可以沿著機翼壁板模具移動超過30米,鋪絲頭可以跨越龍門移動7.5米,以覆蓋最寬處達9米的模具,鋪絲頭的Z向移動約2米。上下兩塊機翼壁板在置于工作單元龍門工作區域內的低曲度陽模中制造,鋪絲頭在其上往復運動,從20個卷軸同時輸送38毫米寬的預浸帶,每次鋪放760毫米寬的一條鋪層。當鋪絲頭接觸到正在制造的位置時,其尖端的加熱元件會使樹脂機體發粘,從而使下一層很容易被粘結。整個過程十分安靜,唯一的聲響是氣動致動器發出的,即鋪絲頭改變角度放另一層預浸帶或一條鋪層鋪放結束后切割預浸帶時。             

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鋪絲頭在機翼蒙皮鋪放的同時加熱樹脂(波音公司)

翼梁AFP系統中,0.5噸、裝有16個絲軸的鋪絲頭,將12.7毫米的預浸帶鋪放在一個具有兩個90度角的U形模具(類似訂書釘)上,當鋪絲頭運行到翼梁邊緣時,預浸帶可以按需移位。該系統可以在10分鐘內沿著超過30米的翼梁完成一層鋪放,而變換角度橫著鋪放可以在25分鐘左右完成。為了提高效率,AFP系統旁邊放置了一個更換鋪絲頭的工作臺,一旦某個絲軸不能完整輸送出預浸帶時,2分鐘內就可以換上另外一個。這樣創新的一個系統,機床結構設計的首席工程師今年才35歲,鋪絲頭首席工程師只有31歲,而首席工藝工程師年僅30歲,說公司不僅吸引著聰明人,還吸引著熱愛新挑戰的人。

2、自動化讓實時原位檢測成為現實

除了自動化鋪放系統,自動化檢測系統也是Electroimpact公司的一大創新。高速AFP系統中還有一條可與主龍門獨立操作的第二條龍門梁,自動化原位檢測系統就安裝在其上。系統包括一個安裝在鋪絲頭上的激光輪廓曲線儀,以及在龍門梁上安裝成一排的3個準直視覺公司LASERVISION投影盒裝置,每個裝置除了一個激光投影儀外,還配備有一個高分辨率攝像頭,三者通過計算機軟件算法給用戶界面輸送數據。這種構型使激光器和部件之間的距離盡量小,減少了入射角。    

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第二條龍門梁上的投影盒裝置(波音公司)

投影盒裝置有兩個關鍵功能:激光從一個孔徑中投影,通過兩個可轉向鏡組合定位;從第二個孔徑中,一個鏡頭焦距300毫米的高分辨率數字攝像頭也由兩個鏡面轉向,以捕獲鋪放過程中材料沉積的圖像。攝像頭和激光器在同一個坐標系統內工作,在空間中可“轉換”或注冊到模具和鋪絲頭位置,因此高分辨率圖像可在三維空間中精確定位。每個攝像頭像素的3D位置由用戶界面識別,圖像集連接起來即可為每個鋪層在整個部件上創建一個完整圖像。由于圖像分辨率足夠高,鋪層邊界位置可以從圖像上自動測量到,在移動式(比如龍門安裝)安裝中位置精度在±1.5毫米以內。

投影盒裝置工作的同時,激光輪廓曲線儀在材料鋪放時于部件表面投射一條線,其內置的探測器陣列沿著激光線測量超過1000個離散位置的高度,這樣就檢測了表面的2D外形。由于輪廓曲線儀在材料沉積時沿著鋪放頭抬升,它實際上創建了一個3D的表面外形。輪廓曲線儀的激光線跨過絲束間的接縫,在鋪放進行中測量任何重疊或空隙的寬度。輪廓曲線儀的數據將與來自攝像頭和設計程序的數據以及操作人員的輸入在檢測用戶界面內進行綜合,界面隨著生產的進行構建一個疊層的3D部件模型。識別軟件從海量的攝像頭圖像數據和輪廓曲線儀生成的原始數據陣列中測量特征的位置,以發現絲束末端(或鋪層邊界)、絲束重疊和空隙,并識別諸如褶皺和橋接的缺陷,這些都會顯示在3D模型上。

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鋪層3D模型上顯示的重疊或空隙錯誤(波音公司)

當前,Electroimpact公司的自動化鋪層邊界檢測系統每秒可以測量15個絲束末端,機翼壁板部件有2000個檢測的絲束末端,要花費3-5分鐘讓攝像頭拍照并讓軟件組合鋪層圖像,但也比人工檢查速度極大加快。系統可以正確識別并測量一個標準鋪層上92%的絲束末端,平均錯誤小于±1.25毫米,標準差是±0.5毫米。系統當前無法識別的那8%絲束末端正在用肉眼半自動定位,如果統計顯示那92%的已識別絲束末端精確表達了整個零件,那么就不再需要識別這8%。隨著系統改進,未來幾乎可徹底終結人工檢查,效率還有提升的空間。


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