創(chuàng)造波音歷史四個第一：777X機翼靠靠3D打印模具

來源：民航資源網(wǎng)


2019年年初,，備受關(guān)注的波音777X寬體客機將實現(xiàn)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(chǎn)品,，777X的生產(chǎn)集成了當(dāng)今最先進的復(fù)合材料制造技術(shù),、金屬加工技術(shù)和機器人(13.690, 0.22, 1.63%)裝配技術(shù)，體現(xiàn)了數(shù)字化和自動化技術(shù)的全球最高水平,。777X機翼的制造,，更是因為波音及其供應(yīng)商的創(chuàng)新，創(chuàng)造了若干世界之最,，以及波音歷史上的數(shù)個第一,。

　　圖：波音777X，來源：波音

一,、細數(shù)波音777X機翼制造的世界之最和史上首次
波音777X機翼創(chuàng)造了四項世界之最——最大尺寸的復(fù)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(chǎn)建筑,。同時，777X機翼也創(chuàng)造了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(shù)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(fù)合材料機翼的翼展達到了創(chuàng)紀(jì)錄的71.8米,，比A350WXB的翼展長7米，是世界上最大的復(fù)合材料機翼,，也是世界上最大的雙發(fā)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(zhàn),。

熱壓罐。對于追求整體成形的復(fù)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(chuàng)紀(jì)錄的777X復(fù)合材料機翼部件，波音供應(yīng)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。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,！

圖：熱壓罐在波音進行內(nèi)部設(shè)備安裝 圖片來源：波音

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(lián)合開發(fā)的3D打印模具,，獲得了吉尼斯世界紀(jì)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(shè)備,，制造時間僅用了30小時，而制造傳統(tǒng)上的金屬模具則需要至少3個月,。

圖：吉尼斯認(rèn)證人員測量3D打印模具 圖片來源：橡樹嶺國家實驗室

生產(chǎn)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(yǎng)老金的長期勞動合同為價碼,，贏得了波音的青睞，將777X復(fù)合材料機翼中心（CWC）設(shè)在波音雙通道客機總裝大本營埃弗雷特,。CWC建設(shè)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(chǎn)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(jīng)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(shè)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(shù)問題，以及與美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全管理局（EASA）展開多年后,，F(xiàn)AA于今年5月批準(zhǔn)了可折疊翼梢的商用,，從而實現(xiàn)了這一歷史性的突破。

整體翼梁,。波音787和空客A350的復(fù)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(shè)計,，翼梁長達破紀(jì)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(shù)的進步,，也是縮短運輸物流的考慮,，同時，這種設(shè)計也可以極大減少緊固件數(shù)量和裝配工作量,，達到減重,、縮短生產(chǎn)周期、降低壽命周期成本的效果,。

圖：裝配中的整體翼梁 圖片來源：波音

絲束鋪放,。波音選擇與美國Electroimpact公司合作，引入其創(chuàng)新的龍門式高速AFP設(shè)備,，制造蒙皮和翼梁,；同時，西門牙MTorres公司也在埃弗雷特設(shè)立先進制造創(chuàng)新中心,，向波音提供桁條AFP設(shè)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(shè)備贏得的首個機翼制造訂單，設(shè)備最高單價可能高達2500萬美元,，而且波音預(yù)計最多會訂購12臺,。

圖：價值2500萬美元的自動絲束鋪放設(shè)備 圖片來源：波音

全自動化。當(dāng)前,，全自動化鋪放還未完全實現(xiàn),，瓶頸就在于人工檢測環(huán)節(jié),。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(jù)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(rèn)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(fā)現(xiàn)檢測和返工時間占到了生產(chǎn)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(jīng)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(fā)了自動化原位檢測系統(tǒng)，目前這是唯一被復(fù)合材料部件生產(chǎn)商完全認(rèn)證的系統(tǒng),，讓波音777X機翼制造向著全自動化和工業(yè)4.0邁進了一大步,。

二、創(chuàng)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(chuàng)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(chǎn)品提供自動鉆鉚和電磁鉚接系統(tǒng),，這從其公司名稱也可以看出來,。近年來，公司成功開辟了復(fù)合材料鋪放業(yè)務(wù),，研發(fā)多頭絲束鋪放系統(tǒng),，并且憑借這種高速自動絲束鋪放（AFP）技術(shù)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(tǒng)，進一步認(rèn)可了公司的技術(shù)實力,。

Electroimpact公司高速AFP系統(tǒng)將所有纖維束料都集成在模塊化鋪絲頭上,，取消了傳統(tǒng)AFP設(shè)備上專設(shè)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(xiàn),，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(jié)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(shù)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?qū)崿F(xiàn)快速被交換到“運動平臺”上,。這樣一來，一臺基礎(chǔ)機床（運動平臺）外加多個鋪絲頭就可適應(yīng)不同復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)件鋪放加工,，即在滿足高鋪放生產(chǎn)率前提下適應(yīng)不同應(yīng)用對象的鋪放成形,。

圖：裝有16個絲軸的高度集成的鋪絲頭  圖片來源：波音

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(tǒng)和機身AFP系統(tǒng),。機翼AFP系統(tǒng)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(qū)域內(nèi)的低曲度陽模中制造，鋪絲頭在其上往復(fù)運動,，從20個卷軸同時輸送38毫米寬的預(yù)浸帶,，每次鋪放760毫米寬的一條鋪層。當(dāng)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(fā)粘,，從而使下一層很容易被粘結(jié)。整個過程十分安靜,，唯一的聲響是氣動致動器發(fā)出的,，即鋪絲頭改變角度放另一層預(yù)浸帶或一條鋪層鋪放結(jié)束后切割預(yù)浸帶時。

圖：鋪絲頭在機翼蒙皮鋪放的同時加熱樹脂  圖片來源：波音

翼梁AFP系統(tǒng)中,，0.5噸,、裝有16個絲軸的鋪絲頭，將12.7毫米的預(yù)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(dāng)鋪絲頭運行到翼梁邊緣時,，預(yù)浸帶可以按需移位。該系統(tǒng)可以在10分鐘內(nèi)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(tǒng)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(yù)浸帶時,，2分鐘內(nèi)就可以換上另外一個。這樣創(chuàng)新的一個系統(tǒng),，機床結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhàn)的人,。

2、自動化讓實時原位檢測成為現(xiàn)實

除了自動化鋪放系統(tǒng),，自動化檢測系統(tǒng)也是Electroimpact公司的一大創(chuàng)新,。高速AFP系統(tǒng)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(tǒng)就安裝在其上,。系統(tǒng)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(zhǔn)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(shù)據(jù)。這種構(gòu)型使激光器和部件之間的距離盡量小,，減少了入射角,。

圖：第二條龍門梁上的投影盒裝置 圖片來源：波音

投影盒裝置有兩個關(guān)鍵功能：激光從一個孔徑中投影，通過兩個可轉(zhuǎn)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(shù)字?jǐn)z像頭也由兩個鏡面轉(zhuǎn)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(biāo)系統(tǒng)內(nèi)工作，在空間中可“轉(zhuǎn)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(chuàng)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(nèi),。

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(nèi)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(chuàng)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(shù)據(jù)將與來自攝像頭和設(shè)計程序的數(shù)據(jù)以及操作人員的輸入在檢測用戶界面內(nèi)進行綜合,，界面隨著生產(chǎn)的進行構(gòu)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(shù)據(jù)和輪廓曲線儀生成的原始數(shù)據(jù)陣列中測量特征的位置,，以發(fā)現(xiàn)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。

圖：鋪層3D模型上顯示的重疊或空隙錯誤  圖片來源：波音

當(dāng)前,，Electroimpact公司的自動化鋪層邊界檢測系統(tǒng)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(tǒng)可以正確識別并測量一個標(biāo)準(zhǔn)鋪層上92%的絲束末端，平均錯誤小于±1.25毫米,，標(biāo)準(zhǔn)差是±0.5毫米,。系統(tǒng)當(dāng)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(tǒng)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(tǒng)改進，未來幾乎可徹底終結(jié)人工檢查,，效率還有提升的空間,。

三、結(jié)束語
如果說波音787是大飛機制造史上的一個里程碑,，標(biāo)志著大型客機復(fù)合材料時代的開始,；那么波音777X又再次為大飛機制造掀起了一個高潮。777X帶來的,，不僅是機翼主承力構(gòu)件高速自動絲束鋪放技術(shù),、自動化實時原位檢測技術(shù)，還有更多的創(chuàng)新,，如機翼軌道機器人裝配技術(shù),、機身機器人垂直裝配技術(shù)、人機協(xié)作裝配技術(shù),、GE9X發(fā)動機熱端部件陶瓷基復(fù)合材料（CMC）自動化制造技術(shù)等等,。隨著更多創(chuàng)新技術(shù)得到開發(fā)與應(yīng)用，我們有理由相信,，波音777X項目將引領(lǐng)大飛機制造邁向工業(yè)4.0時代,。


來源：民航資源網(wǎng)