В останні роки екологічні міркування та необхідність зниження витрати палива призвели до того, що авіаційна промисловість стала використовувати в літаках дедалі більше компонентів із композитних матеріалів. Композитні матеріали мають меншу вагу при тій же механічній міцності в порівнянні з металевими матеріалами.

Airbus A350 є типовим та новаторським прикладом, основна конструкція якого більш ніж наполовину складається із композитних матеріалів. В результаті виникла потреба в ефективному та відтворюваному процесі виготовлення великих композитних деталей складної геометрії. Найменшою мірою ця потреба виникла і в інших галузях, таких як виробництво лопатей вітряних турбін.

Одним із процесів, що відповідають цій потребі, є автоматичне укладання волокна (AFP). Маючи це на увазі, Cailabs розробила надкомпактну головку для укладання лазерного волокна відповідно до специфікації Coriolis Composites, яка була інтегрована в машини AFP. Він дозволяє виготовляти композитні деталі складної геометрії, забезпечуючи їх хорошу якість.

AFP це підродина адитивного виробництва, що включає послідовне розміщення волокнистих стрічок на прес-формі для створення композитної деталі. Потім стрічки подаються з котушки за допомогою маніпулятора робота і накладаються на порожнину прес-форми або на покладені шари з зусиллям, достатнім для забезпечення зчеплення між укладаннями. Часто необхідно нагрівати стрічку та, відповідно, підкладку під час нанесення. Деякі машини можуть одночасно розкладати кілька стрічок, які можна розрізати незалежно один від одного у різних положеннях.

Також існують різні види молдів: чоловічі та жіночі. Цей процес сумісний з різними типами матеріалів - препрегами з термореактивних або термопластичних смол, а також сухими волокнами. Крім того, на відміну від традиційніших методів, цей метод не вимагає автоклава; препрегові волокна затверджуються безпосередньо у формі, а сухі волокна можуть бути просочені або залиті смолою з використанням перенесення низького тиску.


Цей метод має певні переваги проти традиційними методами. Маючи малий радіус кривизни, маніпулятор може укладати стрічки на прес-форми складної геометричної форми в межах виробничого об'єму машини. Автоматизація процесу робить його відтворюваним і допомагає знизити матеріальні втрати, наприклад, за рахунок оптимізації довжини шарів, що відкладаються.

При використанні термореактивних смол з температурою полімеризації 200°З можливе нагрівання композитної стрічки за допомогою інфрачервоних ламп. Однак вони недостатньо ефективні для термопластичних смол, що вимагають більш високих температур обробки (від 300 до 400°C). Використання термопластичних смол зростає, оскільки пропонують деякі переваги: ​​вони придатні для повторного використання і можуть бути перероблені в процесі за рахунок більш високої температури склування. Таким чином, лазер є відповідним рішенням для нагрівання стрічок. Він може забезпечувати високу потужність на обмеженій поверхні та спрямованим чином. Це забезпечує всі необхідні питомі потужності для обробки термопластичних смол при потрібній швидкості нанесення.

Форма лазерного променя, що нагріває волокно, дозволяє йому адаптуватися до геометрії області, що нагрівається і поліпшити якість зв'язку між укладаннями. Дійсно, Мазумдар та Хоа показали переважний вплив потужності лазера (79%) на якість з'єднання.

Компанія Cilabs розробила рішення для формування лазерного променя Coriolis Composites, розроблене спеціально для машини C-Solo AFP (див. рис.). Coriolis Composites - французька компанія, що спеціалізується на автоматизованих виробничих процесах для композитних матеріалів, зокрема шляхом розробки та виробництва машин AFP. Лазерна головка, заснована на технології багатоплощинного перетворення світла (MPLC) Cailabs, була розроблена для створення прямокутного променя конфіденційних розмірів, необхідних для Coriolis Composites. Промінь має форму, що забезпечує однорідний енергетичний профіль, подібний до циліндричного профілю в обох вимірах (довжина і ширина).

На додаток до цієї необхідності надання форми лазерна головка повинна була задовольняти жорстким вимогам за розміром та масою. Компактність модуля дозволяє зменшити розмір маніпулятора робота і, отже, укладання більш вигнутих деталей. Обмеження масою важливо ще й тому, що модуль монтується на рухомих частинах машини. Найменша маса забезпечує більш точне та швидке позиціонування за рахунок зменшення інерції маніпулятора робота. Таким чином, лазерна головка є ультракомпактною з габаритними розмірами 127×94×70 мм3 та вагою 1 кг, з яких приблизно половина припадає на стандартний роз'єм Precitec. Це робить головку сумісною з формами, що охоплюють, з малим радіусом кривизни, які часто віддають перевагу охоплюваним формам для деяких авіаційних застосувань.

Специфікація малої потужності дозволяє вимірювати жорсткість балки за двома вимірами прямокутника. Цей захід визначається як відношення перехідної зони від 10% до 90% максимальної інтенсивності по ширині лотка при 90% максимальної інтенсивності. Таким чином, модуль згенерував форму з жорсткістю, що дорівнює 0,14. Вимірювання також показали високу однорідність циліндричного лотка в обох вимірах, середньоквадратичне відхилення 3,6% у малому вимірі та 2,7% середньоквадратичне значення у великому вимірі.


Також було підтверджено стабільність при великих потужностях: система охолодження доводила оптику до прийнятної стаціонарної температури за 3 хвилини (див. рис. 3). Оптичний модуль також забезпечує більшу глибину різкості понад ±15 мм. Форма залишається прямокутною з циліндричним профілем у всьому цьому діапазоні і навіть за його межами зі збільшенням розмірів форми лише на ±3%. Також було проведено випробування великої потужності на різних робочих відстанях (до 295 мм порівняно з 240 мм за номінальних умов).

Таким чином, рішення, надане Cilabs, відповідає специфікаціям, наданим Coriolis Composites для інтеграції на машині C-Solo. Формуючий модуль підключався через роз'єм LLK-D до діодного лазера Laserline LDM 6000-100 (900-1080 нм) з безперервною потужністю 6 кВт і інтегрувався в механічний інтерфейс верстата та його охолоджувальну систему (див. рис.). Щоб задовольнити обмеження площі, на виході модуля була додана товста оптична призма, що відхиляє пучок на кут 17,5°. Це призвело до того, що вихідний промінь був нахилений по відношенню до системи, що зробило складання верстата/формуючої системи ще компактнішою.

Це дозволило укладати препрегові стрічки з термопластичної смоли шириною 1,5 дюйма зі швидкістю укладання до 1,2 м/с при температурі 380°C на двовимірних поверхнях, прокладаючи шлях до увігнутих або опуклих панелей з подвійною кривизною. Цей модуль дозволяє забезпечити стабільний, надійний, гнучкий і точний процес нагрівання при збереженні невеликої площі. Однорідність профілю інтенсивності також зберігає якість деталей, забезпечуючи кращу адгезію та зчеплення між шарами. Крім того, висока якість формування запобігла утворенню потік смоли.