據compositesworld網站2019年5月1日刊文，“很多時候，設計與制造都隔著一堵墻。”Autodesk公司制造和生產行業(yè)戰(zhàn)略與業(yè)務發(fā)展總監(jiān)Robert Yancey巧妙地總結了一個共同但不受歡迎的現實。該公司正在投入大量資源進行“設計與制造的融合”，這些工作是構建數字線索的關鍵因素，將為整個產品壽命周期連接各個部門提供溝通框架。

當今制造業(yè)出現了各種所謂的“智能制造”，“工業(yè)物聯網(IIoT)”或“工業(yè)4.0”，數字化正在許多行業(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合材料技術中心，全面的數字化已經從白紙一張得到實現。但更常見的是，制造商必須從現有運營逐步過渡到全數字化的未來。

對于自動絲束鋪放(AFP)和自動鋪帶(ATL)系統(tǒng)來說，復合材料制造的數字化落后于其他制造行業(yè)好幾步，并且理由充分。CGTech公司復合材料產品經理Andre Colvin表示：“復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或類似技術的開發(fā)支持。其次，軟件開發(fā)人員正在努力實現數字線索，以便設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，制造商努力實現雙重目標：(1)盡可能經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)域降低生產速度來減少生產誤差。2017年CGTech白皮書《自動化復合材料路線圖》中描述了這些目標，它們促使機床本身不斷發(fā)展，從鋪放材料的末端執(zhí)行器到機器人技術和新型高速連續(xù)纖維預成型方法。然而，同樣重要的是，軟件的持續(xù)開發(fā)使機床能夠按照設計生產組件，或者提醒設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——數控代碼(NC)，最常見的是“G代碼”，它指導機床的運動和操作設置。機床編程軟件或路徑規(guī)劃軟件通過后處理，為每個要構建的組件向控制器提供操作數據。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。仿真軟件與機床編程協(xié)同工作，讓生產運行的工程活動離線進行，使制造商能夠讓生產在屏幕上可視化。這通過處理后處理器生成的G代碼來實現。數字化仿真取代了實際生產設備的運行，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，在不生產產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，新生產技術的發(fā)明者采用內部軟件開發(fā)團隊(或密切相關的軟件開發(fā)合作伙伴)為正在開發(fā)的特定生產系統(tǒng)定制創(chuàng)建機床控制程序。當其他公司創(chuàng)建類似的競爭性技術時，他們也會生成專門為每個系統(tǒng)設計的專屬軟件。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軟件的基本目標是從CAD系統(tǒng)讀取復合材料零件設計數據，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。當然，即便在CAD文件首次發(fā)送到制造軟件之前，設計中也通常會出現多個步驟，包括層壓板和鋪層設計、分析和仿真。接下來，使用CAD數據設計工裝表面，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，以確保可以生成設計。工藝考慮了諸如材料轉向限制、工裝曲率、重疊和間隙以及最小絲束長度等因素。

一旦機床編程和設計修改達到了令人滿意的結果，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過程。這是另一個迭代點，可以確認工藝、可以發(fā)現問題并且可以再次調整和仿真機床編程，直到NC程序的最終版本具有高置信度，最終發(fā)送到機器。

隨著提供類似生產技術的公司數量增加，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習和維護多個軟件包，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，很明顯波音內部團隊及其各級供應商將采用多種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復合材料應用，包括兩個模塊：VERICUT復合材料編程(VCP)和VERICUT復合材料仿真(VCS)。 VCP讀取CAD的表面和鋪層邊界信息，并根據用戶指定的制造標準和要求創(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用于鋪層外形。軟件可以測量和檢測應用于外形的仿真材料，以確保NC程序遵循制造標準和要求。軟件還可以自動創(chuàng)建顯示仿真結果和統(tǒng)計信息的報告。

與VERICUT復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或其他復合材料鋪層路徑生成離線編程軟件進行仿真。

在開發(fā)復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，海克斯康制造智能部門旗下的NCSIMUL軟件開發(fā)商，也在數控加工軟件的基礎上開發(fā)了復合材料制造包。NCSIMUL復合材料成立于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、材料鋪層仿真和結果分析。

在客戶要求模擬纏繞的能力之后，NCSIMUL增加了復合材料制造仿真功能。公司抓住機會將軟件程序從CNC加工部分轉移到了增材工藝部門，并擴展到了包括復合材料絲束鋪放。海克斯康生產軟件業(yè)務總經理SilvèreProisy解釋說：“這兩種技術是相似的，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。”

然而，并非所有復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軟件基礎開始工作，而是從最初的刀具嵌套和激光投影軟件部門轉移到復合材料自動化制造。該套件由Magestic系統(tǒng)公司創(chuàng)建，現在由Autodesk擁有，包括AFP / ATL相關模塊：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。

這些生產軟件開發(fā)人員強調了獨立于機床的軟件的優(yōu)勢，并指出金屬切削行業(yè)經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雜的路徑規(guī)劃。我們的系統(tǒng)考慮了影響速度和質量的不同沉積策略。需要進行權衡，我們可以查看設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：“當軟件與機床分離并應用于各種軟件時，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構建的復合結構的規(guī)劃、開發(fā)和仿真，FPS(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商的責任。有趣的是，金屬加工領域存在著同樣的情況：Okuma選擇為其機床加工中心構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字線索。

·功能數據集成

在AFP / ATL操作中構建數字線索不僅需要集成制造軟件模塊，還需要整合產品全壽命周期，從設計到制造和每個組件的檢測，最終到最終產品壽命中的裝配和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，設計職能已經與制造職能分開發(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。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軟件設計人員必須繼續(xù)專注于支持核心、通用功能以及適應不斷發(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，由于復合材料的各向異性和非均質性，復合材料設計和制造中相對大量的變量導致了其比用金屬和其他各向同性、均質材料制造會出現更多職能上的孤立問題。Colvin表示：“通過金屬切割，只要零件與最終設計相匹配，怎么加工都可以。但復合材料編程中的不同工序將導致產出完全不同的零件。”

顯然需要在設計-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，那么它對設計會有什么影響？”他強調必須在兩個方向都便攜的數據類型。”

軟件供應商正在努力實現這一目標。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計規(guī)范。這使我們能夠減少過度設計，以解決圈數和間隙問題，例如制造更輕的復合材料結構。”

Yancey專門提到Autodesk推出的Fusion 360，這是一個連接設計和制造工作流的基于云的通用數據環(huán)境。最初，Fusion 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生產軟件，這是一個額外的產品，可以使制造商規(guī)劃、監(jiān)測和優(yōu)化生產績效。Fusion生產軟件創(chuàng)建了制造工藝的數字化視圖，從進度安排和調度工作到跟蹤和分析生產和IIoT數據。

同樣，CGTech與西門子PLM 軟件公司合作，將VERICUT與Teamcenter數字化壽命周期管理軟件集成在一起。 據這些公司稱，這種集成使CGTech用戶能夠與旨在加強產品開發(fā)決策和生產更好產品的技術進行無縫交互。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復合材料軟件尚未與Teamcenter集成。

最終，智能制造的目標是完全閉合設計-制造循環(huán)。Yancey表示：“現在有很多傳感器數據，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。數據就在這里，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不僅希望在設計和制造之間實現融合，還希望在制造方法上實現融合。“如果我們用機器人切割材料，我們可以從中學到什么并應用于鋪放材料的機器人？”他預見到用來研究不同制造方法的權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注——特別是機器人技術，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。