碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其卓越的强度重量比、热稳定性和耐久性，已成为航空航天领域的首选高级工程材料。随着对高燃油效率、轻质化以及低排放航空器的需求日益增长，复合材料在该领域的应用呈现出显著的增长趋势。此外，材料科学与制造工艺的持续进步，使得生产更为复杂结构的能力得到了显著提升。快速固化树脂系统、短周期热塑性塑料、自动化材料放置技术和成型系统的快速发展使得无需使用紧固件或粘合剂即可实现复杂几何结构的一体化制造。同时，复合材料4.0系统已经成熟，可在数字化、高速生产过程中促进数据交换，进一步推动了复合材料在航空航天领域的应用和发展。

确保航空航天应用复合材料结构的完整性需要精心的设计、制造和检查，以检测在极端操作条件下可能传播的任何缺陷。因此，无损检测（NDT）包括各种可用于评估材料、部件或组件的性能，同时不影响其可用性分析技术，是一种必不可少的检测技术。

图1 印度Kineco Kaman复合材料公司使用定制的Fill Accubot超声波检测系统，利用机器人技术、智能软件和工艺优化的最新发展，为复合材料结构提供高度的测量自由度

借AS9100、Nadcap、ISO14001和 45001等认证，以及与全球航空航天原始设备制造商Hindustan Aeronautics Ltd.（HAL，印度班加罗尔）和印度空间研究组织（ISRO，班加罗尔）的合作伙伴关系，飞机结构制造商Kineco Kaman Composites India（KKCI，印度果阿）已经建立了其在行业中的信誉，并正在其果阿工厂集成工业4.0技术。该计划的一个重要部分是KKCI与机械工程公司Fill Gesellschaft（奥地利Gurten）合作开发用于自动化无损检测的定制系统。

图2 位于印度果阿的KKCI拥有AS9100、Nadcap、ISO14001和45001认证，并与全球主要航空航天原始设备制造商HAL和ISRO合作，其果阿工厂正在全面集成工业4.0技术

复合材料无损检测的挑战

在无损检测领域，与传统金属相比，使用复合材料制成的零件面临着一系列独特的挑战，这主要是由于它们的各向异性。例如，多重层压板中的多种纤维取向、层层堆积和脱落、夹层结构中的各种芯材等。KKCI在其航空航天应用中使用先进的复合材料，范围从2D层压板到多面3D结构，通常使用CFRP预浸料制成，并使用带有铝蜂窝的整体或三明治铺层方法设计，有时还使用 Nomex 芯。

该公司为印度区域导航卫星计划（IRNSS）生产了10个双螺旋天线，为LVM3-M2/oneWeb India生产了设备舱护罩组件，ITSC闭合板，ITSC、LOX和LH2用于Chandrayaan-3任务LVM3-M4运载火箭的钢丝隧道和底板组件以及FSA外壳复合元件。最近，它为地球同步卫星运载火箭（GSLV）Mk-III生产了轨道模块适配器（OMA）组件，这是ISRO载人航天任务Gaganyaan的关键部件。

图3 KKCI负责为Chandrayaan-3任务LVM3-M4运载火箭制造几个关键部件;包括设备舱护罩组件、ITSC 闭合板、ITSC、LOX 和 LH2线径和底板组件

这里提到的结构在发射和再重返大气层期间暴露在恶劣的条件下，例如机械应变、大气化学腐蚀、高水平辐射以及高海拔和外层大气中的极端温度。这些复合材料的制造过程要求从最初的生产阶段到最终交付的每一步都具有精确度和准确性，以确保最佳的质量和性能。这些要求需要对传统的无损检测方法（如超声波检测、热成像和射线照相）进行专门调整，以检测异物碎片（FOD）、分层、纤维错位和基体开裂以及其他典型的复合材料缺陷。

使用透射（TTU）或脉冲回波（PE）技术的超声波检测（UT）是用于检测航空航天复合材料的最广泛的无损检测方法。它们采用高频超声波穿过组件，通常喷水作为声波的耦合介质。TTU采用两个传感器，分别放置在被测材料的相对两侧。其中一个换能器产生脉冲，另一个接收脉冲。脉冲中断表明两个传感器之间的路径存在缺陷。PE使用一个或多个换能器来发射、脉冲和监测反射波或回波。与TTU一样，数据被捕获、记录和分析，以识别、定位和测量缺陷。

对4.0技术的需求

“KKCI看到了对复合材料航空航天结构的需求不断增长，以及对高精度制造和一致性的需求”KKCI董事长兼董事总经理Shekhar Sardessai说。“我们的战略重点是工业4.0原则，如自动化和智能集成，这与我们为未来做好准备的长期立场是一致的。为了在航空航天、国防和太空领域开展我们感兴趣的项目，KKCI认识到提高无损检测能力并实现自动化的重要性。”

图4 IRNSS导航卫星上的KKCI复合组件

KKCI的运营经理Swapnil Mane强调，拥有强大的无损检测能力至关重要，可以准确检测所有表面和内部差异。“各种因素，如异物夹杂物、分层或孔隙率，都可能导致内部缺陷的发展，”他说。“这些缺陷可能会在极端条件下传播，可能会损害航空航天复合材料所需的规格。为了避免这种情况，KKCI需要改进其无损检测分析技术，以更准确地评估其复合材料组件和系统的特性。

为了满足这些要求，KKCI与Fill合作，Fill是一家先进的自动化系统工程公司，为包括复合材料在内的各种行业设计和实施自动化系统。其结果是DRS Accubot系统的定制版本，用于自动无损检测。“该行业的自动化无损检测技术需要精确和刚性的机器人控制运动学，以沿着零件复杂的弯曲边缘和表面引导相应的臂端工具，”在Fill航空航天制造系统项目工程和销售部门工作的Thomas Gramberger解释道。“标准的工业机器人并不是为了满足这些要求而设计的，所以我们决定开发我们自己的产品，称为Accubot。”

KKCI 特别选择了水射流TTU Accubot系统。“水射流TTU是Fill检测系统的基础”Gramberger说，“这表明它在航空航天应用中的有效性。Fill已经为GKN Aerospace（英国雷迪奇）位于德国慕尼黑的工厂开发了这样的系统，从而显著提高了其无损检测的生产率和可靠性。

Accubot设计

KKCI的Accubot系统配备了两个在直线轴上工作的铰接式机器人。它长7米，宽2.5米，高4米，提供16个轴组合，包括两个独立的电夹俳伺服电机，用于驱动直线导轨。双机器人可以独立工作，也可以协同工作，提供广泛的操作。该检测系统专为水射流A-Scan和C-Scan检测而设计，由于其脉冲重复频率为4千赫兹，因此可以以2,000毫米/秒的速度运行。

图5 KKCI的Accubot系统可用于检测大型航空航天结构

“Accubot利用机器人技术、智能软件和工艺优化方面的最新发展，为复合材料结构提供高度的测量自由度，”Gramberger说。该系统采用双六轴史陶比尔（瑞士Pfäffikon）TX200L机器人运动学系统，与西门子（德国慕尼黑）Sinumerik CNC控制器集成在一起。此外，Fill还在机器人的旋转轴上安装了辅助旋转编码器，以确保始终如一的高精度——Accubot拥有<0.3 mm的绝对定位精度。

Gramberger解释说，它通过使用辅助编码器和基于高阶运动学建模的复杂补偿技术的组合来计算控制器的实时插值周期。此设置可实现实时位置补偿功能，并由使用激光跟踪仪的附加校准系统锚定。

每个机械臂的末端都安装了一个额外的伺服电机驱动的附件，完全集成到机器人的运动链中。这种“主动工具”可以有效地充当更小、更灵活的手指，旨在促进在标准机器人难以到达的狭小空间内对小空腔、复杂几何形状零件和轮廓狭窄角度进行全面扫描，从而显着增加系统的操作范围。此外，Accubot系统还可以针对2D或 3D检测技术进行配置。

图6 “主动工具”的功能更小、更灵活，可在标准机器人会发生碰撞的狭小空间内对具有复杂几何形状、窄角度和小腔体的复杂零件进行彻底扫描

双频与数字孪生

Accubot的控制电子设备由Force Technology（丹麦布伦德比）提供。该设备集成了基于该公司的Force-P-Scan PSP-5软件的八个超声波通道。它使Accubot具备执行双频检测的能力，使其能够在单次扫描期间同时以1 MHz的分辨率运行，分辨率高达120分贝，以5 MHz的分辨率运行，同时运行高达115分贝的分辨率。这使得它在处理不同密度的材料方面具有高度的通用性。

Fill Studio软件环境使用专门的路径规划算法管理自动扫描。它可以与基于工业4.0广泛使用的MQTT、OPC和UA标准的各种工厂级系统进行通信。该软件包括整个系统的数字孪生，支持机器运行期间机器人的离线编程，并提供增强现实界面。数字孪生通过在检测运行时执行周期时间分析和防撞来确保机器利用率最大。

工艺流程需要训练Accubot系统以识别工作单元内的零件。接下来是使用零件CAD文件的离线编程（OLP）。接下来，将OLP程序加载到Fill Studio中，并在P-Scan中配置必要的UT参数设置，以生成零件检测的最终配方。此外，每个机器人都可以执行单独的独立任务，然后集成以执行后续的TTU检查。Fill Studio自动协调每个机器人之间的资源，使一个机器人能够在另一个机器人完成任务后立即开始其自动化协作工作。

图7 KKCI选择将Accubot系统用于水射流TTU，这是一种用于检测航空航天复合材料的无损检测技术

TTU检测完成后，数据将进入评估阶段，Fill的技术合作伙伴Testia（法国图卢兹）使用其NDTkit UT软件进行评估和报告。NDTkit UT完全符合空中客车公司的要求，并提供孔隙率评估和SNR（信噪比）计算和阈值确定，符合波音标准BAC 5980的定义。

提高KKCI的无损检测效率和生产力

自2023年初安装以来，KKCI的Fill Accubot 系统提高了公司的检测能力，并显着缩短了整体组件生产周期时间。KKCI报告说，与以前的生产和评估方法相比，有助于将生产效率提高20%

KKCI为太空任务计划委员会进行了Accubot NDT系统的试验。该测试是在与ISRO合作的Vikram Sarabhai航天中心（VSSC）Gaganyaan项目的GSLV Mk-III的OMA组件上进行的。该系统用于验证直径为4米的锥形CFRP夹层结构，该结构与机加工的金属环集成在一起，具有严格的公差。OMA组件在Mk-III中起着至关重要的作用，充当机组人员逃生模块和设备舱护罩之间的适配器。

图8 Mk-III航天器由几个部件组成，包括这里显示的OMA，它是连接机组逃生舱和设备舱护罩的最关键部件之一

Sardessai说：“在实施Accubot之前，类似于我们使用VSSC进行的检查需要40多个小时，而使用Accubot，检查时间减少到大约 7 小时。“这种效率的提高证明了该系统在简化航空航天复合材料检测方面的有效性。该系统不仅提高了时间效率和准确性，而且以最少的人为干预做到了这一点。

安装在KKCI的Accubot系统采用模块化设计，使KKCI能够在未来整合其他检测模式，例如激光激励声学检测和热成像，而无需进行大量修改。根据Sardessai的说法，KKCI有一些重要的项目正在筹备中，这些项目确实需要这种能力，进一步加强了对该系统的投资价值。Accubot系统的效率提升符合KKCI的计划，即在不久的将来促进更多的Tier 1和OEM复合材料结构制造并实施 ISO 45001。

Gramberger总结道：“在复合材料航空航天结构的生产过程中集成Accubot C扫描和A扫描数据是提高零件质量、可追溯性、效率和数据驱动决策的有效措施。由于Accubot系统非常精确，并且可以适应各种检测类型，因此它现在是KKCI无损检测未来不可或缺的一部分。这意味着他们的程序具有更高的准确性和适应性，同时确保其复合材料组件的安全性和完整性。

原文链接：

www.compositesworld.com/articles/measuring-energy-use-to-enable-sustainable-composites-production