В последние годы экологические соображения и необходимость снижения расхода топлива привели к тому, что авиационная промышленность стала использовать в самолетах все больше компонентов из композитных материалов. Композитные материалы обладают меньшим весом при той же механической прочности по сравнению с металлическими материалами.

Airbus A350 является типичным и новаторским примером, основная конструкция которого более чем наполовину состоит из композитных материалов. В результате возникла потребность в эффективном и воспроизводимом процессе изготовления крупных композитных деталей сложной геометрии. В меньшей степени эта потребность возникла и в других отраслях, таких как производство лопастей ветряных турбин.

Одним из процессов, отвечающих этой потребности, является автоматическая укладка волокна (AFP). Имея это в виду, Cailabs разработала сверхкомпактную головку для укладки лазерного волокна в соответствии со спецификацией Coriolis Composites, которая была интегрирована в машины AFP. Он позволяет изготавливать композитные детали сложной геометрии, обеспечивая при этом их хорошее качество.

AFP — это подсемейство аддитивного производства, включающее последовательное размещение волокнистых лент на пресс-форме для создания композитной детали. Затем ленты подаются с катушки с помощью манипулятора робота и накладываются на полость пресс-формы или на уже уложенные слои с усилием, достаточным для обеспечения сцепления между укладками. Часто необходимо нагревать ленту и, соответственно, подложку во время нанесения. Некоторые машины могут одновременно раскладывать несколько лент, которые можно разрезать независимо друг от друга в различных положениях.

Также существуют разные виды молдов: мужские и женские. Этот процесс совместим с различными типами материалов — препрегами из термореактивных или термопластичных смол, а также с сухими волокнами. Кроме того, в отличие от более традиционных методов, этот метод не требует автоклава; препреговые волокна отверждаются непосредственно в форме, а сухие волокна могут быть пропитаны или залиты смолой с использованием переноса низкого давления.1, 2


Этот метод имеет определенные преимущества по сравнению с традиционными методами. Обладая малым радиусом кривизны, манипулятор может укладывать ленты на пресс-формы сложной геометрической формы в пределах производственного объема машины. Автоматизация процесса делает его воспроизводимым и помогает снизить материальные потери, например, за счет оптимизации длины откладываемых слоев.

При использовании термореактивных смол с температурой полимеризации 200°С возможен нагрев композитной ленты с помощью инфракрасных ламп. Однако они недостаточно эффективны для термопластичных смол, требующих более высоких температур обработки (от 300° до 400°C). Использование термопластичных смол растет, поскольку они предлагают некоторые преимущества: они пригодны для повторного использования и могут быть переработаны в процессе за счет более высокой температуры стеклования. Таким образом, лазер является подходящим решением для нагрева лент. Он может обеспечивать высокую мощность на ограниченной поверхности и направленным образом. Это обеспечивает все необходимые удельные мощности для обработки термопластичных смол при подходящей скорости нанесения.

Форма лазерного луча, нагревающего волокно, позволяет ему адаптироваться к геометрии нагреваемой области и улучшить качество связи между укладками. Действительно, Мазумдар и Хоа показали преобладающее влияние мощности лазера (79%) на качество соединения.

Компания Cilabs разработала решение для формирования лазерного луча для Coriolis Composites, разработанное специально для машины C-Solo AFP (см. рис.). Coriolis Composites — французская компания, специализирующаяся на автоматизированных производственных процессах для композитных материалов, в частности, путем разработки и производства машин AFP. Лазерная головка, основанная на технологии многоплоскостного преобразования света (MPLC) Cailabs, была разработана для генерации прямоугольного луча конфиденциальных размеров, необходимых для Coriolis Composites. Луч имеет форму, обеспечивающую однородный энергетический профиль, подобный цилиндрическому профилю в обоих измерениях (длина и ширина).

В дополнение к этой необходимости придания формы лазерная головка должна была удовлетворять жестким требованиям по размеру и массе. Компактность модуля позволяет уменьшить размер манипулятора робота и, следовательно, укладку более изогнутых деталей. Ограничение по массе важно еще и потому, что модуль монтируется на подвижных частях машины. Меньшая масса обеспечивает более точное и быстрое позиционирование за счет уменьшения инерции манипулятора робота. Таким образом, лазерная головка является ультракомпактной с габаритными размерами 127 × 94 × 70 мм3 и весом 1 кг, из которых примерно половина приходится на стандартный разъем Precitec. Это делает головку совместимой с охватывающими формами с малым радиусом кривизны, которые часто предпочитают охватываемым формам для некоторых авиационных применений.

Спецификация малой мощности позволяет измерять жесткость балки по двум измерениям прямоугольника. Эта мера определяется как отношение переходной зоны от 10% до 90% максимальной интенсивности по ширине лотка при 90% максимальной интенсивности. Таким образом, модуль сгенерировал форму с жесткостью, равной 0,14. Измерения также показали высокую однородность цилиндрического лотка в обоих измерениях, среднеквадратичное отклонение 3,6% в малом измерении и 2,7% среднеквадратичное значение в большом измерении.


Также была подтверждена стабильность при больших мощностях: система охлаждения доводила оптику до приемлемой стационарной температуры за 3 минуты (см. рис. 3). Оптический модуль также обеспечивает большую глубину резкости, более ±15 мм. Форма остается прямоугольной с цилиндрическим профилем во всем этом диапазоне и даже за его пределами с увеличением размеров формы всего на ±3%. Также были проведены испытания большой мощности на различных рабочих расстояниях (до 295 мм по сравнению с 240 мм при номинальных условиях).

Таким образом, решение, предоставленное Cilabs, соответствует спецификациям, представленным Coriolis Composites для интеграции на машине C-Solo. Формирующий модуль подключался через разъем LLK-D к диодному лазеру Laserline LDM 6000-100 (900–1080 нм) с непрерывной мощностью 6 кВт и интегрировался в механический интерфейс станка и его систему охлаждения (см. рис.). Чтобы удовлетворить ограничения по площади, на выходе модуля была добавлена ​​толстая оптическая призма, отклоняющая пучок на угол 17,5°. Это привело к тому, что выходной луч был наклонен по отношению к системе, что сделало сборку станка/формирующей системы еще более компактной.

Это позволило укладывать препреговые ленты из термопластичной смолы шириной 1,5 дюйма со скоростью укладки до 1,2 м/с при температуре 380°C на двумерных поверхностях, прокладывая путь к вогнутым или выпуклым панелям с двойной кривизной. Этот модуль позволяет обеспечить стабильный, надежный, гибкий и точный процесс нагрева при сохранении небольшой занимаемой площади. Однородность профиля интенсивности также сохраняет качество деталей, обеспечивая лучшую адгезию и сцепление между слоями. Кроме того, высокое качество формовки предотвратило образование потеков смолы.