PolePosition系统：使碳纤维叠层更加高效

纤维增强材料的局部适应性和材料性能的可调性是它经常被提到的优点。额外的自由度，例如纤维角度和纤维体积分数，不仅使设计人员能够准确地在需要的地方增加零件的强度和刚度，而且还能节省其他地方的材料或重量。这些设计原则可以通过沿着载荷路径弯曲纤维或在特定载荷区域放置加固补丁来加以利用。

利用这些优势已经变得越来越重要，以证明其优于更传统的工程材料，特别是碳纤维等高性能材料。

实现经济实惠的自动化多功能工具

最初开发时考虑到了这些类型的应用程序，将该系统命名为PolePosition，但现在由于它的灵活性，成为了Schmidt & Heinzmann自动化项目工具箱中更通用的部分。

在高性能复合材料行业中，一个单一的系统可以提供总体质量、位置、方向和纤维角度数据，大大降低了自动化项目的开发成本、时间和风险。由 Schmidt & Heinzmann 内部开发，可以深度集成到生产单元中，并进一步提高系统的适应性。

现在，一个装备了PolePosition系统的机器人就可以获得足够精确的信息，从而取代铺设站的操作员，但这也使得激光投影系统变得多余。

此外，该系统还可以记录下每一层定位前后的详细图像，包括位置和方向的定量信息。通过纤维角度的评估或缺陷检测，系统甚至可以接管之前的工艺步骤的质量控制。它不仅支持以前的手动过程的自动化，而且在这样做的同时还提供了重要的附加价值，并访问了在遗留过程中根本不可用的信息。

控制碳纤维位置和方向的方法既复杂又昂贵

就工业化而言，试图最大限度地控制这些设计原则的发展是激光制导手动铺层或自动纤维放置等发展的例证。当根据激光投影定位单个层时，操作员根据设计文档保证其正确的位置和方向。即使纤维层在铺层中完全定位，纤维层内的方向正确性仍然不确定。正确的纤维角度取决于织物或预浸料切割过程的精度。在这里，机器的精度和操作人员的勤奋都会影响结果。

在自动放置纤维时，由自动化系统引导、操纵和定位纤维。因此，材料的位置和方向隐含地包含在机器编程中。这两个例子都表明，纤维的位置和方向本身就是难以直接接触和控制的过程变量。大多数时候，唯一可行的方法是通过广泛的验证和鉴定过程来证明特定工艺产生的纤维角度将导致所需的材料性能，而不是直接监控或更不用说将其定义为制造过程中的控制参数。然而，这些密集和昂贵的验证和鉴定过程对碳纤维增强材料的更广泛采用构成了重大障碍。

细节视图摄像系统  

图片来源：Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG

在制造过程中定位的挑战

即使不考虑纤维角度，仅定位本身也会在制造过程中带来重大的工程挑战。由扁平半成品（如预浸料或技术纺织品）制成的大型或非常复杂的结构有时必须拆分为多个子组件或子预制件，以管理尺寸和复杂性。各个子预成型件之间的过渡区通常分布在更大的区域上，以最大限度减少对组件性能的影响。材料的各个层依次依次终止或脱落，从而形成阶梯状连接区域。

虽然这种方法在完整组件的性能和子组件复杂性的降低之间取得了很好的折衷，但阶梯区域的制造以及多个子预制件的精确连接仍然对工业化提出了重大挑战。为避免连接区域出现任何意外的重叠或间隙，每个步骤都必须精确调整尺寸，同时还要确保各个子预制件的正确相对位置。由技术纺织品制成的轮廓切割的模糊边缘进一步复杂化了这一点。虽然大多数由传统工程材料制成的部件都有明确的边缘，但寻找甚至定义由技术纺织品制成的层的边缘可能是一个挑战。

显然，如果应用程序证明成本合理，则可以通过结合手动流程和广泛的质量控制来克服这些挑战。或者自动化可以帮助显著降低加工成本，提高再现性，从而简化质量控制措施。

切割和堆叠单元上的摄像系统

图片来源：Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG

根据 Schmidt & Heinzmann 的经验，这些高性能组件的自动化制造需要开发专用测量设备，以实现足够的工艺可靠性和所需的质量水平。到目前为止，这些测量解决方案必须针对每种应用量身定制。虽然该公司成功地证明了这些挑战都可以被一一克服，但它们仍然是许多项目获得积极商业案例的障碍。

使传感器和碳纤维和谐相处

对于碳纤维来说尤其如此，因为在现代传感器技术中，它的光学性能并不理想。现代激光测距传感器的激光点被非卷曲织物的深黑色结构吞噬，或者激光穿过松散编织的碳纤维织物，这些只是试图将现代自动化设备与这些材料结合使用时遇到的诸多问题中的一部分。

碳纤维组件自动化生产的挑战通常不在于制造设备，而在于收集足够的信息并将其提供给系统。配备超声刀的机器人在修剪碳纤维预制件边缘的速度比人类用剪刀要快十倍。