據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月1日刊文，“很多時候，設(shè)計與制造都隔著一堵墻。”Autodesk公司制造和生產(chǎn)行業(yè)戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Robert Yancey巧妙地總結(jié)了一個共同但不受歡迎的現(xiàn)實。該公司正在投入大量資源進行“設(shè)計與制造的融合”，這些工作是構(gòu)建數(shù)字線索的關(guān)鍵因素，將為整個產(chǎn)品壽命周期連接各個部門提供溝通框架。
當(dāng)今制造業(yè)出現(xiàn)了各種所謂的“智能制造”，“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)”或“工業(yè)4.0”，數(shù)字化正在許多行業(yè)如火如荼開展。在某些情況下，如全自動化的西門子安貝格Simatic可編程邏輯控制器(PLC)工廠，或空客公司斯塔德復(fù)合材料技術(shù)中心，全面的數(shù)字化已經(jīng)從白紙一張得到實現(xiàn)。但更常見的是，制造商必須從現(xiàn)有運營逐步過渡到全數(shù)字化的未來。
對于自動絲束鋪放(AFP)和自動鋪帶(ATL)系統(tǒng)來說，復(fù)合材料制造的數(shù)字化落后于其他制造行業(yè)好幾步，并且理由充分。CGTech公司復(fù)合材料產(chǎn)品經(jīng)理Andre Colvin表示：“復(fù)合材料制造完全不同，并不像金屬切割那樣成熟。機床制造商和用戶都心照不宣，希望在競爭中保持一切可能的優(yōu)勢。”
然而，AFP / ATL數(shù)字化正在兩個方面取得明顯進展。首先，獨立于機床的軟件不斷成熟，使復(fù)合材料制造商能夠在不同的AFP / ATL機床品牌上使用相同的軟件包。這種成熟還意味著在軟件包中對新AFP / ATL或類似技術(shù)的開發(fā)支持。其次，軟件開發(fā)人員正在努力實現(xiàn)數(shù)字線索，以便設(shè)計和制造中的不同職能團隊能夠更直接、更高效地進行溝通和交流。
·數(shù)字化的AFP / ATL自動化模塊
為了優(yōu)化AFP / ATL或類似系統(tǒng)的效率，制造商努力實現(xiàn)雙重目標(biāo)：(1)盡可能經(jīng)常以最大進給速度運行機床，同時(2)通過在多次切割和添加材料的疊層區(qū)域或高輪廓區(qū)域降低生產(chǎn)速度來減少生產(chǎn)誤差。2017年CGTech白皮書《自動化復(fù)合材料路線圖》中描述了這些目標(biāo)，它們促使機床本身不斷發(fā)展，從鋪放材料的末端執(zhí)行器到機器人技術(shù)和新型高速連續(xù)纖維預(yù)成型方法。然而，同樣重要的是，軟件的持續(xù)開發(fā)使機床能夠按照設(shè)計生產(chǎn)組件，或者提醒設(shè)計者需要改變可制造性。
AFP / ATL制造軟件由多個模塊組成。機床控制軟件——數(shù)控代碼(NC)，最常見的是“G代碼”，它指導(dǎo)機床的運動和操作設(shè)置。機床編程軟件或路徑規(guī)劃軟件通過后處理，為每個要構(gòu)建的組件向控制器提供操作數(shù)據(jù)。該軟件決定材料的鋪放方向和位置。它旨在優(yōu)化刀具路徑、進給速度和其他操作參數(shù)。仿真軟件與機床編程協(xié)同工作，讓生產(chǎn)運行的工程活動離線進行，使制造商能夠讓生產(chǎn)在屏幕上可視化。這通過處理后處理器生成的G代碼來實現(xiàn)。數(shù)字化仿真取代了實際生產(chǎn)設(shè)備的運行，節(jié)省了大量的時間和成本。Yancey表示：“這些都是高價值的機床，而且鋪放的材料價格昂貴。因此，在不生產(chǎn)產(chǎn)品的機床上進行任何活動都是昂貴的。”
十年前，媒體報道了AFP / ATL的控制、編程和仿真軟件，即便在那時，這些產(chǎn)品也都采用了熟悉的工業(yè)軟件解決方案開發(fā)方式。首先，新生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)明者采用內(nèi)部軟件開發(fā)團隊(或密切相關(guān)的軟件開發(fā)合作伙伴)為正在開發(fā)的特定生產(chǎn)系統(tǒng)定制創(chuàng)建機床控制程序。當(dāng)其他公司創(chuàng)建類似的競爭性技術(shù)時，他們也會生成專門為每個系統(tǒng)設(shè)計的專屬軟件。隨著編程和控制軟件的創(chuàng)建，機床制造商希望減少客戶在機床上執(zhí)行測試運行的需要，因此創(chuàng)建了仿真軟件以實現(xiàn)機床程序的離線測試和確認。
·機床的獨立性
AFP / ATL軟件的基本目標(biāo)是從CAD系統(tǒng)讀取復(fù)合材料零件設(shè)計數(shù)據(jù)，然后為自動鋪放機床創(chuàng)建和模擬NC程序。從CAD到成功的NC程序是一個迭代的、多個步驟的過程。當(dāng)然，即便在CAD文件首次發(fā)送到制造軟件之前，設(shè)計中也通常會出現(xiàn)多個步驟，包括層壓板和鋪層設(shè)計、分析和仿真。接下來，使用CAD數(shù)據(jù)設(shè)計工裝表面，生成與輸入鋪放機床的零件信息一樣重要的工裝信息。機床編程導(dǎo)入零件和工裝信息并創(chuàng)建NC路徑。此時會發(fā)生一些迭代：滿足材料和AFP / ATL工藝要求的路徑被反饋到CAD程序，以確保可以生成設(shè)計。工藝考慮了諸如材料轉(zhuǎn)向限制、工裝曲率、重疊和間隙以及最小絲束長度等因素。
一旦機床編程和設(shè)計修改達到了令人滿意的結(jié)果，后處理器就會生成專用于正在使用的AFP / ATL機床的代碼。Colvin表示：“創(chuàng)建這些零件程序的每一步都有可能引入錯誤。如果缺少絲束或材料鋪放在預(yù)期的位置以外的地方，則必須廢棄這個非常昂貴的組件。”因此，NC代碼接下來用于通過制造仿真程序以仿真鋪設(shè)過程。這是另一個迭代點，可以確認工藝、可以發(fā)現(xiàn)問題并且可以再次調(diào)整和仿真機床編程，直到NC程序的最終版本具有高置信度，最終發(fā)送到機器。
隨著提供類似生產(chǎn)技術(shù)的公司數(shù)量增加，OEM和其他大型制造商不希望他們的工程團隊必須一個機床一個機床地學(xué)習(xí)和維護多個軟件包，因此獨立于機床的軟件需求不斷增長。這就是CGTech首次參與AFP / ATL軟件開發(fā)的過程。2004年，波音公司正在為787主要組件實施AFP技術(shù)，很明顯波音內(nèi)部團隊及其各級供應(yīng)商將采用多種AFP / ATL機床類型。因此，CGTech以其軟件能夠與任何AFP / ATL系統(tǒng)配合使用的方式開發(fā)了它。
2005年發(fā)布的VERICUT AFP/ATL軟件符合波音公司的要求，因為它成功編程并仿真了Electroimpact公司的AFP機床，但可以定制以與其他系統(tǒng)配合使用。不久之后，該公司發(fā)布了VERICUT復(fù)合材料應(yīng)用，包括兩個模塊：VERICUT復(fù)合材料編程(VCP)和VERICUT復(fù)合材料仿真(VCS)。 VCP讀取CAD的表面和鋪層邊界信息，并根據(jù)用戶指定的制造標(biāo)準(zhǔn)和要求創(chuàng)建纖維鋪放路徑以填充鋪層。鋪放路徑鏈接在一起以形成特定的鋪放順序，并作為AFP機床的NC程序輸出。
VCS讀取鋪放工裝和夾具的CAD模型，并直接從NC程序文件仿真鋪放順序。在VERICUT的虛擬CNC仿真環(huán)境中，通過NC程序指令將絲束材料應(yīng)用于鋪層外形。軟件可以測量和檢測應(yīng)用于外形的仿真材料，以確保NC程序遵循制造標(biāo)準(zhǔn)和要求。軟件還可以自動創(chuàng)建顯示仿真結(jié)果和統(tǒng)計信息的報告。
與VERICUT復(fù)合材料軟件家族將用于任何AFP / ATL機床一樣，VCS也可以直接從VCP或其他復(fù)合材料鋪層路徑生成離線編程軟件進行仿真。
在開發(fā)復(fù)合材料制造軟件之前，CGTech通過其VERICUT金屬加工軟件建立了自己的聲譽，自1989年以來波音一直是其客戶。另一家公司，?？怂箍抵圃熘悄懿块T旗下的NCSIMUL軟件開發(fā)商，也在數(shù)控加工軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)了復(fù)合材料制造包。NCSIMUL復(fù)合材料成立于2014年，專注于AFP / ATL(以及纖維纏繞)編程中的仿真功能，包括NC程序分析、材料鋪層仿真和結(jié)果分析。
在客戶要求模擬纏繞的能力之后，NCSIMUL增加了復(fù)合材料制造仿真功能。公司抓住機會將軟件程序從CNC加工部分轉(zhuǎn)移到了增材工藝部門，并擴展到了包括復(fù)合材料絲束鋪放。?？怂箍瞪a(chǎn)軟件業(yè)務(wù)總經(jīng)理SilvèreProisy解釋說：“這兩種技術(shù)是相似的，只不過纖維必須被視為矩形(即擁有寬度)。挑戰(zhàn)在于了解如何沉積材料，而不是將材料去除。我們需要了解鋪放頭使用的技術(shù)。”
然而，并非所有復(fù)合材料制造軟件都以金屬加工開始。 TruComposites軟件工具套件不是從CNC軟件基礎(chǔ)開始工作，而是從最初的刀具嵌套和激光投影軟件部門轉(zhuǎn)移到復(fù)合材料自動化制造。該套件由Magestic系統(tǒng)公司創(chuàng)建，現(xiàn)在由Autodesk擁有，包括AFP / ATL相關(guān)模塊：TruPLAN分析和優(yōu)化軟件，包括AFP / ATL軟件的纖維路徑生成；TruFIBER，它優(yōu)化AFP / ATL操作參數(shù)并生成用于制造的NC代碼。
在2009年報道發(fā)布時，Makidea公司正在測試其MikroPlace軟件包，它是為姊妹公司Mikrosam的新AFP機床編寫的。 MikroPlace從一開始就采用模塊化構(gòu)建，因此可以兼容其他AFP和ATL。由Mikrosam提供的MikroPlace 4.0版本支持纖維纏繞和3D打印以及AFP / ATL，并且還支持在同一項目的不同環(huán)節(jié)工作的多臺機床或機器人。
這些生產(chǎn)軟件開發(fā)人員強調(diào)了獨立于機床的軟件的優(yōu)勢，并指出金屬切削行業(yè)經(jīng)歷了從機床制造商創(chuàng)建的軟件到單獨開發(fā)的軟件的類似轉(zhuǎn)變。Yancey回憶：“Magestic意識到的是，需要在一臺以上的機床上使用更復(fù)雜的路徑規(guī)劃。我們的系統(tǒng)考慮了影響速度和質(zhì)量的不同沉積策略。需要進行權(quán)衡，我們可以查看設(shè)計并確定最適合這項工作的機床。“
Colvin同意制造商可以自由選擇最適合特定零件、零件家族或制造工藝的機床，而無需為每個品牌的機床在工程過程中引入不同的軟件。他補充說：“當(dāng)軟件與機床分離并應(yīng)用于各種軟件時，該軟件可提高整個制造工藝的效率和敏捷性。”
當(dāng)然，一些AFP / ATL制造商保留了他們的專有軟件。自動動力公司是幾家選擇在內(nèi)部進行軟件開發(fā)的AFP / ATL制造商之一。該公司的FPM(絲束鋪放管理器)支持AFP構(gòu)建的復(fù)合結(jié)構(gòu)的規(guī)劃、開發(fā)和仿真，F(xiàn)PS(絲束鋪放軟件)自動化機床控制是基于Windows的軟件程序，為專有套件提供易用性。機床制造商開發(fā)專有軟件的一個優(yōu)點是所有故障排除都是一個供應(yīng)商的責(zé)任。有趣的是，金屬加工領(lǐng)域存在著同樣的情況：Okuma選擇為其機床加工中心構(gòu)建和維護自己的控制器和機床編程軟件。
無論是專有的還是獨立于機床的，AFP / ATL軟件都可以與其他軟件系統(tǒng)更完整地集成，致力于建立一個完整的數(shù)字線索。
·功能數(shù)據(jù)集成
在AFP / ATL操作中構(gòu)建數(shù)字線索不僅需要集成制造軟件模塊，還需要整合產(chǎn)品全壽命周期，從設(shè)計到制造和每個組件的檢測，最終到最終產(chǎn)品壽命中的裝配和MRO(維護、修理和大修)操作。這種集成的主要挑戰(zhàn)是智能制造團隊所稱的“傳統(tǒng)上孤立的”職能。也就是說，設(shè)計職能已經(jīng)與制造職能分開發(fā)展和演進，使得從一個部門到另一個部門移動信息決不是自動的。功能齊全的數(shù)線索將消除部門之間的溝通障礙，使軟件開發(fā)成為一個更簡化的過程。
然而，有兩個因素使得復(fù)合材料部件的制造比金屬、塑料和其他材料更難以相互連通。首先，AFP / ATL仍然是一項相對年輕的技術(shù)。對于獨立于機床的AFP / ATL軟件來說，15年的時間可能聽起來像是很長時間，但與用于金屬加工操作的CNC軟件相比并不算那么長，后者在20世紀70年代推出，隨后幾十年一直伴隨著計算機技術(shù)而提升。此外，AFP / ATL硬件仍在不斷發(fā)展，需要進行大量定制，Colvin指出：“為了獲得成功，公司通常需要在機床上進行定制以適應(yīng)他們的零件和工藝——每臺機床都有定制的東西。每家公司的工藝都是不同的：不同的輥輪、獨立的壓實器等等。”AFP / ATL軟件設(shè)計人員必須繼續(xù)專注于支持核心、通用功能以及適應(yīng)不斷發(fā)展的機床定制化，這或許比與其他系統(tǒng)集成更為重要。
其次，由于復(fù)合材料的各向異性和非均質(zhì)性，復(fù)合材料設(shè)計和制造中相對大量的變量導(dǎo)致了其比用金屬和其他各向同性、均質(zhì)材料制造會出現(xiàn)更多職能上的孤立問題。Colvin表示：“通過金屬切割，只要零件與最終設(shè)計相匹配，怎么加工都可以。但復(fù)合材料編程中的不同工序?qū)?dǎo)致產(chǎn)出完全不同的零件。”
顯然需要在設(shè)計-制造環(huán)節(jié)的職能之間進行溝通。Yancey表示：“如果我做出變更以支持制造，那么它對設(shè)計會有什么影響？”他強調(diào)必須在兩個方向都便攜的數(shù)據(jù)類型。”
軟件供應(yīng)商正在努力實現(xiàn)這一目標(biāo)。Yancey繼續(xù)說道：“我們正在更好地表達可以制造什么，并回過頭來確保它符合設(shè)計規(guī)范。這使我們能夠減少過度設(shè)計，以解決圈數(shù)和間隙問題，例如制造更輕的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。”
Yancey專門提到Autodesk推出的Fusion 360，這是一個連接設(shè)計和制造工作流的基于云的通用數(shù)據(jù)環(huán)境。最初，F(xiàn)usion 360支持制造中的CNC加工，“但是接下來要處理增材制造。”這包括AFP / ATL編程以及3D打印軟件。目前正在開發(fā)的是Fusion生產(chǎn)軟件，這是一個額外的產(chǎn)品，可以使制造商規(guī)劃、監(jiān)測和優(yōu)化生產(chǎn)績效。Fusion生產(chǎn)軟件創(chuàng)建了制造工藝的數(shù)字化視圖，從進度安排和調(diào)度工作到跟蹤和分析生產(chǎn)和IIoT數(shù)據(jù)。
同樣，CGTech與西門子PLM 軟件公司合作，將VERICUT與Teamcenter數(shù)字化壽命周期管理軟件集成在一起。 據(jù)這些公司稱，這種集成使CGTech用戶能夠與旨在加強產(chǎn)品開發(fā)決策和生產(chǎn)更好產(chǎn)品的技術(shù)進行無縫交互。遵循Fusion 360所具有的歷史趨勢，VERICUT金屬切削軟件目前正在與Teamcenter集成；CGTech報告稱VERICUT復(fù)合材料軟件尚未與Teamcenter集成。
最終，智能制造的目標(biāo)是完全閉合設(shè)計-制造循環(huán)。Yancey表示：“現(xiàn)在有很多傳感器數(shù)據(jù)，主要用于識別問題，以便您可以在工藝的早期就對其進行糾正。數(shù)據(jù)就在這里，我認為我們可以做更多的事情以便改進，而不是最初就引入缺陷。”
Yancey不僅希望在設(shè)計和制造之間實現(xiàn)融合，還希望在制造方法上實現(xiàn)融合。“如果我們用機器人切割材料，我們可以從中學(xué)到什么并應(yīng)用于鋪放材料的機器人？”他預(yù)見到用來研究不同制造方法的權(quán)衡的混合工作流以及更大的能力。所有獨立于機床的軟件開發(fā)人員都報告了對新制造方法的關(guān)注——特別是機器人技術(shù)，以及混合制造方法的機遇，這為每種制造方法帶來最佳的效能屬性。
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