創(chuàng)造波音歷史四個第一：777X機(jī)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(jī)將實現(xiàn)飛行試驗機(jī)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(jī)產(chǎn)品，777X的生產(chǎn)集成了當(dāng)今最先進(jìn)的復(fù)合材料制造技術(shù)、金屬加工技術(shù)和機(jī)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(jī)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(xì)數(shù)波音777X機(jī)翼制造的世界之最和史上首次
波音777X機(jī)翼創(chuàng)造了四項世界之最——最大尺寸的復(fù)合材料機(jī)翼，最大尺寸的熱壓罐，最大尺寸的3D打印模具，最大的機(jī)體部件生產(chǎn)建筑。同時，777X機(jī)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(jī)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(jī)翼部件鋪放成形。

1、四項世界之最
機(jī)翼尺寸。波音777X復(fù)合材料機(jī)翼的翼展達(dá)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(jī)翼，也是世界上最大的雙發(fā)客機(jī)機(jī)翼，翼展甚至超過了777-8型機(jī)身69.8米的長度。波音777X翼根寬度達(dá)6米，機(jī)翼面積467平方米，展弦比超過11，機(jī)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(jī)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(jī)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(dá)544噸。為了檢驗其密封性和焊接強(qiáng)度，波音還要對其進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)翼中心（CWC）設(shè)在波音雙通道客機(jī)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(jī)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(jī)定為代碼E，對于超過這一長度即代碼F的飛機(jī)，機(jī)場將會額外收取航空公司費(fèi)用。為了便于機(jī)場運(yùn)營和降低航空公司費(fèi)用，波音777X采用了長3.5米的可折疊翼梢，飛機(jī)在跑道上減速滑行時翼梢將向上折疊。采用折疊機(jī)翼在艦載機(jī)上已經(jīng)屢見不鮮，波音自己制造的F/A-18就是折疊機(jī)翼，但這在客機(jī)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(jī)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(dá)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(jìn)步，也是縮短運(yùn)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(dá)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(jìn)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(jī)翼翼梁裝配單元和機(jī)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(jī)翼制造訂單，設(shè)備最高單價可能高達(dá)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(jī)，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(jìn)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(fèi)時費(fèi)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(jìn)、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(jī)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(jī)翼制造向著全自動化和工業(yè)4.0邁進(jìn)了一大步。

二、創(chuàng)新的波音777X機(jī)翼部件近全自動化鋪放工藝
1、高速化讓絲束鋪放攻克機(jī)翼制造
波音777X機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人版的高速AFP系統(tǒng)，進(jìn)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(jìn)行鋪放運(yùn)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(yùn)動平臺”上。這樣一來，一臺基礎(chǔ)機(jī)床（運(yùn)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(jī)翼制造提供了兩種定制化的自動化工作單元，機(jī)翼AFP系統(tǒng)和機(jī)身AFP系統(tǒng)。機(jī)翼AFP系統(tǒng)中，12.8米長的主龍門梁上安裝有重達(dá)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(jī)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(dá)9米的模具，鋪絲頭的Z向移動約2米。上下兩塊機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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(dú)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(jī)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(jìn)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(jìn)行綜合，界面隨著生產(chǎn)的進(jìn)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(jī)翼壁板部件有2000個檢測的絲束末端，要花費(fèi)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(dá)了整個零件，那么就不再需要識別這8%。隨著系統(tǒng)改進(jìn)，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(jī)制造史上的一個里程碑，標(biāo)志著大型客機(jī)復(fù)合材料時代的開始；那么波音777X又再次為大飛機(jī)制造掀起了一個高潮。777X帶來的，不僅是機(jī)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(jī)翼軌道機(jī)器人裝配技術(shù)、機(jī)身機(jī)器人垂直裝配技術(shù)、人機(jī)協(xié)作裝配技術(shù)、GE9X發(fā)動機(jī)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(jī)制造邁向工業(yè)4.0時代。


來源：民航資源網(wǎng)