以实惠的价格自动生产预制件

自动铺带（ATL）技术，是一种使用计算机引导机器人将预浸带放置在平面或弯曲工具上的过程，起源于1960年代的军事航空航天工业。其使用已经扩展到商业飞机部门，如今已广泛用于制造高品质的碳纤维复合材料部件，如机翼和机身。自动化过程使得能够一次性制造大型结构，并具有更高的精度、重复性和质量，且缩短了成型时间。然而，这种重量级的数控设备的投资成本高，令许多复合材料制造商望而却步。NTPT公司的ATL设备是通过不同的途径——航海行业开发而来的——是种轻量级的开发，不太复杂，成本较低，中小型复合材料公司在各种市场上都能方便操作（图1）。

图1. Multiplast 是美洲杯帆船赛法国Groupama 队的建造者。采用了NTPT 的ATL 技术，优化船尾翼板上的铺设和纤维方向，大大消除了游艇机翼上的重量。

从制造船帆到复合材料

作为NTG的姊妹公司，NTPT公司集合了强大的海洋文化遗产，公司与North Sails展开了合作。North Sails所制作的帆是绝大多数美洲杯、大奖赛、大洋比赛船及超级游艇的主要选择。为了追求更强的轻质碳纤维帆，NTPT开始研究15年前的碳纤维丝束展开技术。其所开发的技术能够生产预先浸渍有热固性粘合剂的极薄、轻质的带材。然而，制造船帆需要数以万计的这些单个的、难以处理的预浸带材（在某些情况下超过30,000！）。很明显，为了实现经济的制帆过程，将这些带材沉积在模具上的过程必须是自动化的。因此，与其展开技术研究的同步，NTPT开始开发其第一台ATL设备。经过三年的研发计划，该技术被转移到North Sails公司，在那里它被扩大到一个工业过程，现在被称为3Di™。这种专利的帆制造技术生产出世界上最快、最耐用的帆。

图2. NTPT 是轻量级预浸料材料的领先制造商。

受此成功的启发，NTPT考虑利用其扩展丝束技术创建使用环氧树脂复合预浸料的可能性。由于所生产的极轻、薄的预浸料带同样难以手工处理，第二代ATL技术因此被开发出来。随着技术的进一步迭代，NTPT继续开发其薄层预浸料系列，并推出Thin PlyTechnology®预浸料（图2）。在这个开发阶段，NTPT决定使其ATL机器简单、重量轻、成本低，这意味着专注于创建平面（2D）预制件而不是3D预制件，以降低设备的价格和复杂性。所得到的ATL机器铺设单向（UD）预浸带的层，以创建设计成组装在3D模具上的2D多轴预浸料预成型件。每个预成型件最多可以铺设8层，具有任何取向角（0-360°，以1°为增量）。NTPT在内部利用ATL技术和自己的薄层预浸料坯料来制造预制件，而且还为客户设计和制造机械包装。该设备可用于NTPT预浸料或市场上可用的任何其他预浸带（薄层或常规）。

灵活且适应性强的设备

虽然NTPT与客户合作，设计出最符合其要求的定制ATL解决方案，但机器实际上是由一组可定制的标准组件构成（图3）。

图3. NTPT 的ATL 机器的标准组件，也称为“预浸料机”。

设备包括：

1. ATL龙门架和头部。计算机控制的ATL头部将每个条带应用在指定的轴上并将其切割到指定的长度。建立条带层是为了产生一个多轴堆叠层，从而提供在最终部分中所需的性能。

2. 切割和绘图龙门架。它配备了一把拖刀和一个旋转刀具和嵌套软件，将模具切割成模具所需的形状。切割精度为±1mm，切割速度约为1m/s，具体取决于材料类型、预成型件面积重量和切割尺寸和半径。切割的最大预制件面积重量为1200g/m2。

3. 台子。这是一个标准的切割台。在位于工作台的下方，配有最多三个容积泵。当放置预浸带时，产生吸力以将预浸纸（或脱模）保持在桌子上。该工作台由铝型材和真空板组成，分为三个区域，可根据需要打开或关闭吸力。

NTPT可提供三种规格的ATL设备，（设定为表面上的预浸带可以放在任意方向和任意角度切割面积）从9平方米到63平方米。20米长的台子是标准配置，但更长的长度可根据要求提供。

ATL设备提供完整的设计、定位和悬垂软件，包括：

•TPT Designer，用于在给定几何图形上定义多个预制件的用户界面；

•TPTNester，一个在ATL台上组织执行并为ATL生成CNC文件的程序；

•TPTTracker，实时控制并归档ATL完成的工作；

•TPTStockMaster，一种基于数据的程序，用于控制、可视化、组织和编辑复合组件的库存，如预浸料卷。记录每个物品的剩余保质期。

典型的设备规格见表1。

表1. ATL 设备规格说明。

为确保客户生产设施内的最佳集成，公司为每个ATL安装项目分配一个专用的 NTPT 项目经理。在安装后，NTPT 还将对客户员工就如何使用设备和软件进行培训。ATL技术包正在不断开发中，获取ATL技术包的客户将与NTPT保持着紧密的合作关系。

降低成本，提高质量

使用NTPT的ATL设备生产多层、近净形状的预制件（图 4）比手动铺叠UD带有许多优点：

•每次准确复制预制件，保证质量；

•集成软件提供了每个预制件的证据和跟踪数据，轻松满足最严格的质量管理体系的要求；

•零件设计可以如设计师所要求的一样复杂，不再受手动铺设精度的限制；

•模具中预制件的悬垂时间短于多条UD带的悬垂时间，因而减少和整个成型周期，提高模具利用率；

•可以显著且持续的降低劳动力成本，特别是在劳动力成本较高的国家；

•设备的多功能性和易用性，可以节省小型项目以及大量生产的运行成本；

•与较重、更昂贵的基于数控的ATL技术相比，降低投资成本和交货时间。

由于NTPT的ATL通过“角度切割”，可以制成近净形状的预制件，从而减少材料浪费。此外，多个形状可以嵌套在一个较大的预成型件中，最大限度地提高材料产量。

NTPT估计，单个ATL可以处理8到10个覆膜机的工作，具有完全的可追溯性，也不会在层压板内留下预浸料支架。可以实现300 lm/小时的生产率。ATL每天可以生产的零件数量取决于零件尺寸、零件复杂性、生产管理和预浸材料的类型。

图4. ATL 机器铺设UD 预浸带，以创建2D 多轴预浸料坯料。

NTPT的ATL技术是定制平均到高品质中小型系列零件的理想选择。效率是通过在大台子上嵌入大量小零件来驱动的。例如，如果台子是4米宽15米长，预制件是1平方米，则可以同时制造数十个这样的预制件。如果零件由4个预成型件组成，则经过2-3小时的绘制和切割预制件可能已经生产了30个零件。切割成正确的尺寸和导向标记的预成型件，很容易地放入模具中。对于具有一定曲率的零件，相当于帆制造中常见的冷接缝技术，但是使用嵌接联接而不是接缝，用于在3D模具中悬垂2D预制件。

尽管长度为20米的工作台被认为是实用的，但理论上对零件尺寸没有限制，因为通过将预成型件连接在一起可以制成任何尺寸。

这种灵活性及适应性强的ATL技术可以有效地用于定制零件以及大型系列的生产运行，例如下文的应用案例。

造船厂的质量保证

加工碳纤维预浸料的船厂通常不会使用大型系列的制造生产线。然而，使用ATL机器的一个主要的理由是其通用性和编程的便利性，它允许以较少的劳动力来制造大量的组件，甚至是复杂的一个部件。适用于ATL生产的组件包括船首斜桅、舱壁及船体。

为了简化生产过程和释放层压资源，预制的舱壁套件能够制造为单个预制件，方便地应用于夹心芯。典型的基底层压板，例如八层的300g/平米UD预浸料的叠层，通常具有大的切口和围绕穿孔和插入物的附加加固件。这些设计功能可以很容易地纳入ATL设备，减少劳动力，最小化材料的使用，并提供一贯的高品质。

高性能预浸料游艇通常使用大量UD预浸料卷以及多轴和编织材料铺设，也可以作为一组ATL预成型件生产，能够快速放置在模具中。也可以生产船体层压板部分，包括所有附加的修补、增强预浸料带和准备好与邻近部分对接的高精度嵌接联接。

Multiplast是一家高性能游艇和结构的市场领先制造商，与沃尔沃环球帆船赛、VendéeGlobe和美国杯赛的参赛选手们合作。公司在法国Vannes的工厂安装了一台NTPT ATL机，并正在考虑投资于另一台。该技术用于生产重量轻和纤维取向优化的碳预浸料层压板。例如，在机翼和AC50的一些加固件（图1）的情况下，公司正在寻求增加的机械性能和层序列优化。对于其他项目，目标是获得准确的预制件切割成品，以便精确控制夹层皮肤厚度。Multiplast公司也感谢此薄层预浸料可以通过覆盖创建厚的整体件，这节省了宝贵的时间。

ATL设备是Multiplast高技术项目的重要工具，在生产大型复合材料部件方面具有竞争优势。设备保证了产品的质量，这对于满足公司最严格质量控制要求和最先进的跟踪能力的苛刻客户至关重要。

同样欣赏ATL所提供的质量保证的另一家公司是Southern Spars。Southern Spars是碳纤维桅杆和索具组件设计和建造专家。该公司有着悠久的历史，为美国杯制造船桅装置，其产品已经安装在多艘获年度奖的超级游艇上。

Southern Spars在25年内完成了精细的质量控制体系，并采用精益生产以确保组织、可追踪性和一致性。NTPL的ATL设备是公司质量方法的关键组成部分，因为它可以根据结构设计精确地放置每个层，并生成文档向客户展示。材料的有效使用和劳动力的节省是额外的价值益处。

汽车用快速预制件的生产

车辆制造商正在寻求碳纤维复合材料作为其轻量化策略的一部分，但他们需要能够以可接受的成本实现批量生产。NTPT的ATL设备为中等批量生产运行的制造商提供了新的机会，如下例所示。

表2. 汽车部件示例。

表2中所列出的2平方米的发动机罩，在12米×4米台子上的NTPT ATL机器可以一次放置一组18个部件的预浸带。完整生产周期时间——包括初始设置、预浸料放置、轧辊更换、切割、标签和成品预制件的拣选——可短至3小时。

包括整体设备效能（OEE）的调整可以获得13分钟以内的时间，材料收益率为88%。每年生产10,000个预制品可以通过单班（工作250天/年，8.3小时/天）实现，而ATL设备保证了铺设的质量。

通过一台价值约80万欧元的ATL设备，该项目可实现快速、品质一致和可追溯的碳纤维预制件的生产。

竞争优势

这些例子说明了通过NTPT的新一代ATL设备，使得生产自动化预成型成为一种更加方便的选择。最初的设备投资可以通过节省材料和人工成本、提高生产率、改进质量和可追溯性而得到回报。设备的多功能性和易用性，使小项目和大批量生产得以经济进行。而劳动力成本大幅降低，为那些劳动力成本较高国家的公司提供了与低成本地区竞争的新机会。借助这种效益的结合，NTPT的自动化解决方案在海洋、汽车和其他市场中越来越多地应用并不为奇。