據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月1日刊文，“很多時(shí)候，設(shè)計(jì)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(gè)共同但不受歡迎的現(xiàn)實(shí)。該公司正在投入大量資源進(jìn)行“設(shè)計(jì)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(gè)產(chǎn)品壽命周期連接各個(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。但更常見的是，制造商必須從現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)逐步過(guò)渡到全數(shù)字化的未來(lái)。
對(duì)于自動(dòng)絲束鋪放(AFP)和自動(dòng)鋪帶(ATL)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jī)床制造商和用戶都心照不宣，希望在競(jìng)爭(zhēng)中保持一切可能的優(yōu)勢(shì)。”
然而，AFP / ATL數(shù)字化正在兩個(gè)方面取得明顯進(jìn)展。首先，獨(dú)立于機(jī)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(jī)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(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字線索，以便設(shè)計(jì)和制造中的不同職能團(tuán)隊(duì)能夠更直接、更高效地進(jìn)行溝通和交流。
·數(shù)字化的AFP / ATL自動(dòng)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(shí)現(xiàn)雙重目標(biāo)：(1)盡可能經(jīng)常以最大進(jìn)給速度運(yùn)行機(jī)床，同時(shí)(2)通過(guò)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(lái)減少生產(chǎn)誤差。2017年CGTech白皮書《自動(dòng)化復(fù)合材料路線圖》中描述了這些目標(biāo)，它們促使機(jī)床本身不斷發(fā)展，從鋪放材料的末端執(zhí)行器到機(jī)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(jī)床能夠按照設(shè)計(jì)生產(chǎn)組件，或者提醒設(shè)計(jì)者需要改變可制造性。
AFP / ATL制造軟件由多個(gè)模塊組成。機(jī)床控制軟件——數(shù)控代碼(NC)，最常見的是“G代碼”，它指導(dǎo)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和操作設(shè)置。機(jī)床編程軟件或路徑規(guī)劃軟件通過(guò)后處理，為每個(gè)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(jìn)給速度和其他操作參數(shù)。仿真軟件與機(jī)床編程協(xié)同工作，讓生產(chǎn)運(yùn)行的工程活動(dòng)離線進(jìn)行，使制造商能夠讓生產(chǎn)在屏幕上可視化。這通過(guò)處理后處理器生成的G代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化仿真取代了實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行，節(jié)省了大量的時(shí)間和成本。Yancey表示：“這些都是高價(jià)值的機(jī)床，而且鋪放的材料價(jià)格昂貴。因此，在不生產(chǎn)產(chǎn)品的機(jī)床上進(jìn)行任何活動(dòng)都是昂貴的。”
十年前，媒體報(bào)道了AFP / ATL的控制、編程和仿真軟件，即便在那時(shí)，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(tuán)隊(duì)(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(jī)床控制程序。當(dāng)其他公司創(chuàng)建類似的競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)時(shí)，他們也會(huì)生成專門為每個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專屬軟件。隨著編程和控制軟件的創(chuàng)建，機(jī)床制造商希望減少客戶在機(jī)床上執(zhí)行測(cè)試運(yùn)行的需要，因此創(chuàng)建了仿真軟件以實(shí)現(xiàn)機(jī)床程序的離線測(cè)試和確認(rèn)。
·機(jī)床的獨(dú)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(jì)數(shù)據(jù)，然后為自動(dòng)鋪放機(jī)床創(chuàng)建和模擬NC程序。從CAD到成功的NC程序是一個(gè)迭代的、多個(gè)步驟的過(guò)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(jì)中也通常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)步驟，包括層壓板和鋪層設(shè)計(jì)、分析和仿真。接下來(lái)，使用CAD數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)工裝表面，生成與輸入鋪放機(jī)床的零件信息一樣重要的工裝信息。機(jī)床編程導(dǎo)入零件和工裝信息并創(chuàng)建NC路徑。此時(shí)會(huì)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?？梢陨稍O(shè)計(jì)。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(zhǎng)度等因素。
一旦機(jī)床編程和設(shè)計(jì)修改達(dá)到了令人滿意的結(jié)果，后處理器就會(huì)生成專用于正在使用的AFP / ATL機(jī)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(cuò)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(gè)非常昂貴的組件。”因此，NC代碼接下來(lái)用于通過(guò)制造仿真程序以仿真鋪設(shè)過(guò)程。這是另一個(gè)迭代點(diǎn)，可以確認(rèn)工藝、可以發(fā)現(xiàn)問題并且可以再次調(diào)整和仿真機(jī)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(jī)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(tuán)隊(duì)必須一個(gè)機(jī)床一個(gè)機(jī)床地學(xué)習(xí)和維護(hù)多個(gè)軟件包，因此獨(dú)立于機(jī)床的軟件需求不斷增長(zhǎng)。這就是CGTech首次參與AFP / ATL軟件開發(fā)的過(guò)程。2004年，波音公司正在為787主要組件實(shí)施AFP技術(shù)，很明顯波音內(nèi)部團(tuán)隊(duì)及其各級(jí)供應(yīng)商將采用多種AFP / ATL機(jī)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?yàn)樗晒幊滩⒎抡媪薊lectroimpact公司的AFP機(jī)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(gè)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(jī)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(guò)NC程序指令將絲束材料應(yīng)用于鋪層外形。軟件可以測(cè)量和檢測(cè)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(dòng)創(chuàng)建顯示仿真結(jié)果和統(tǒng)計(jì)信息的報(bào)告。
與VERICUT復(fù)合材料軟件家族將用于任何AFP / ATL機(jī)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(jìn)行仿真。
在開發(fā)復(fù)合材料制造軟件之前，CGTech通過(guò)其VERICUT金屬加工軟件建立了自己的聲譽(yù)，自1989年以來(lái)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(jī)會(huì)將軟件程序從CNC加工部分轉(zhuǎn)移到了增材工藝部門，并擴(kuò)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(shuō)：“這兩種技術(shù)是相似的，只不過(guò)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(dòng)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(bào)道發(fā)布時(shí)，Makidea公司正在測(cè)試其MikroPlace軟件包，它是為姊妹公司Mikrosam的新AFP機(jī)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(xiàng)目的不同環(huán)節(jié)工作的多臺(tái)機(jī)床或機(jī)器人。
這些生產(chǎn)軟件開發(fā)人員強(qiáng)調(diào)了獨(dú)立于機(jī)床的軟件的優(yōu)勢(shì)，并指出金屬切削行業(yè)經(jīng)歷了從機(jī)床制造商創(chuàng)建的軟件到單獨(dú)開發(fā)的軟件的類似轉(zhuǎn)變。Yancey回憶：“Magestic意識(shí)到的是，需要在一臺(tái)以上的機(jī)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(jìn)行權(quán)衡，我們可以查看設(shè)計(jì)并確定最適合這項(xiàng)工作的機(jī)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(jī)床，而無(wú)需為每個(gè)品牌的機(jī)床在工程過(guò)程中引入不同的軟件。他補(bǔ)充說(shuō)：“當(dāng)軟件與機(jī)床分離并應(yīng)用于各種軟件時(shí)，該軟件可提高整個(gè)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(dòng)動(dòng)力公司是幾家選擇在內(nèi)部進(jìn)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(dòng)化機(jī)床控制是基于Windows的軟件程序，為專有套件提供易用性。機(jī)床制造商開發(fā)專有軟件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所有故障排除都是一個(gè)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(jī)床加工中心構(gòu)建和維護(hù)自己的控制器和機(jī)床編程軟件。
無(wú)論是專有的還是獨(dú)立于機(jī)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(gè)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(jì)到制造和每個(gè)組件的檢測(cè)，最終到最終產(chǎn)品壽命中的裝配和MRO(維護(hù)、修理和大修)操作。這種集成的主要挑戰(zhàn)是智能制造團(tuán)隊(duì)所稱的“傳統(tǒng)上孤立的”職能。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)職能已經(jīng)與制造職能分開發(fā)展和演進(jìn)，使得從一個(gè)部門到另一個(gè)部門移動(dòng)信息決不是自動(dòng)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(gè)更簡(jiǎn)化的過(guò)程。
然而，有兩個(gè)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(xiàng)相對(duì)年輕的技術(shù)。對(duì)于獨(dú)立于機(jī)床的AFP / ATL軟件來(lái)說(shuō)，15年的時(shí)間可能聽起來(lái)像是很長(zhǎng)時(shí)間，但與用于金屬加工操作的CNC軟件相比并不算那么長(zhǎng)，后者在20世紀(jì)70年代推出，隨后幾十年一直伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而提升。此外，AFP / ATL硬件仍在不斷發(fā)展，需要進(jìn)行大量定制，Colvin指出：“為了獲得成功，公司通常需要在機(jī)床上進(jìn)行定制以適應(yīng)他們的零件和工藝——每臺(tái)機(jī)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(dú)立的壓實(shí)器等等。”AFP / ATL軟件設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)和制造中相對(duì)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(huì)出現(xiàn)更多職能上的孤立問題。Colvin表示：“通過(guò)金屬切割，只要零件與最終設(shè)計(jì)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(jì)-制造環(huán)節(jié)的職能之間進(jìn)行溝通。Yancey表示：“如果我做出變更以支持制造，那么它對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)有什么影響？”他強(qiáng)調(diào)必須在兩個(gè)方向都便攜的數(shù)據(jù)類型。”
軟件供應(yīng)商正在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。Yancey繼續(xù)說(shuō)道：“我們正在更好地表達(dá)可以制造什么，并回過(guò)頭來(lái)確保它符合設(shè)計(jì)規(guī)范。這使我們能夠減少過(guò)度設(shè)計(jì)，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(gè)連接設(shè)計(jì)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(lái)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(gè)額外的產(chǎn)品，可以使制造商規(guī)劃、監(jiān)測(cè)和優(yōu)化生產(chǎn)績(jī)效。Fusion生產(chǎn)軟件創(chuàng)建了制造工藝的數(shù)字化視圖，從進(jìn)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(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)決策和生產(chǎn)更好產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫交互。遵循Fusion 360所具有的歷史趨勢(shì)，VERICUT金屬切削軟件目前正在與Teamcenter集成；CGTech報(bào)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(jì)-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(shí)別問題，以便您可以在工藝的早期就對(duì)其進(jìn)行糾正。數(shù)據(jù)就在這里，我認(rèn)為我們可以做更多的事情以便改進(jìn)，而不是最初就引入缺陷。”
Yancey不僅希望在設(shè)計(jì)和制造之間實(shí)現(xiàn)融合，還希望在制造方法上實(shí)現(xiàn)融合。“如果我們用機(jī)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(jī)器人？”他預(yù)見到用來(lái)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(dú)立于機(jī)床的軟件開發(fā)人員都報(bào)告了對(duì)新制造方法的關(guān)注——特別是機(jī)器人技術(shù)，以及混合制造方法的機(jī)遇，這為每種制造方法帶來(lái)最佳的效能屬性。
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