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机械资讯 776期
碳纤复材加工辅助系统技术

文/1陈俊廷、1陈佩吟、2廖建智
1工研院智慧机械中心 智慧制造技术组 智能化机器技术部 工程师
2工研院智慧机械中心 智慧制造技术组 智能化机器技术部 副经理

前言

近年来轻量化逐渐变成趋势，因此复合材料逐渐广泛应用于航太产业、汽车产业及绿能产业，其相关制程加工技术也是制造商未来相当重要的关注重点之一。以加工复合材料时使用之夹具举例来说，国内在加工复合材料薄板时常使用固定式模具夹持系统，模具成本相当高，因此业者开始诉求更弹性、更节省成本的方式。以集尘设备来说，各产业在产品制造阶段，多采用加工机设备，并搭载外挂式真空吸引装置，或密闭式腔体负压集尘设备，用以防范复合材料于传统加工作业下所产生的粉尘造成健康的危害及机器的损坏。因此，本技术主要目标为研发国产化全自动复材加工辅助支撑系统和智慧集尘系统技术，除了因应未来弹性换线的生产需求，也藉由提供完整解决方案协助国产工具机切入航太复材加工领域，并且在保障操作人员与厂域环境安全的考量下，进行复合材料加工达到最佳安全防护建置。

产业发展趋势

国外航太生产业者如波音、空中巴士采用非固定式模具的复材加工辅助支撑系统来加工大型复材薄型板件的作法已久，其使用的复材加工辅助支撑系统大致分成被动式与主动式两种形式，被动式像是SCHMALZ公司所开发之产品，虽可取代传统固定式模具，但定位时仍需人工进行校正，作业耗时；主动式像是义大利CMS公司开发之系统，自动根据工件外形进行定位，大幅缩短作业时间，缺点是造价高昂。国内航太业者目前尚未转型，仍使用固定模具的方式进行工件夹持。本技术希望可以透过复材加工辅助支撑系统取代传统型模具，在未来不仅可帮助航太业者提升产线的换线速度与生产效率，还能节省巨大的模具库存与生产成本。另一方面，国内大型龙门加工设备业者也能藉此朝向提供完整解决方案(Total Solution)发展，加强在国际市场的接单竞争力。
航太产业的复材加工制程上属于干式切削，因此加工过程中必定伴随着大量的切削粉尘污染的问题需要被有效地解决，以往加工机集尘系统设计仍依靠传统经验及打样原型机进行验证及测试的开发方法，但其消耗的时间成本与费用过于庞大，因此以透过分析的导入以减少错误的设计发生，针对集尘模组找出最佳化的集尘因子以提升集尘效率及符合劳工作业环境空气中粉尘容许浓度标准。
市面上可见之集尘系统主要分为头部集尘与地板集尘，头部集尘之吸尘重点为越靠近切削位置越能集中吸尘效果，但是太过接近切削位置可能会影响切削效率，因此集尘设计就是一大难题，头部集尘系统有分为外挂式集尘系统与刀具集尘系统，目前业界应用主要外挂式集尘系统为主，进行粉尘搜集作业，将加工制造粉尘进行搜集达到95%集尘率，而剩下的5%粉尘则以地板集尘进行搜集，以期达到加工完成后除尘需求，避免工作人员进行物料卸除之际造成粉尘扩散进而有安全疑虑。

改变传统工法应对多样化的市场

目前国内复材加工业者仍然采用固定式的模具来固定不规则形状的复材薄型板件，其实当中隐含了许多问题，像是一件工件需要准备许多套模具，导致模具需要更大的储放空间，且搬运耗时，无法达到快速换线。而复合材料成品逐渐走向少量多样、大量客制化模式发展，为了响应更快的换线速度与弹性生产系统，就必须改变，逐渐淘汰固定式的模具。
复材加工辅助支撑系统其架构是以多个支撑杆以阵列方式排列所构成，在支撑杆之前端设计万向支撑结构，就能够根据不规则板件的外型调整支撑杆之伸长长度及角度来固定工件。即使国外已经拥有这项技术，国内业者引进这项技术仍存在很大的困难，主因在于国外系统庞大且造价昂贵，光是一套系统就超过新台币1亿元，而这单单只是系统成本，更别说还要整合到大型工具机设备中。
本技术主要目标即是研发一国产复材加工辅助支撑系统，来取代国外高单价的设备。该系统透过整合国产控制器大幅提升国产技术的占有比例，同时也针对国外系统较无法满足的部分进行优化。在硬体开发部分，本系统每支支撑杆皆利用齿轮传动与滚珠螺杆花键达到双马达驱动三轴向的自由度，在轴数不变的目标下，透过减少马达的数量来缩小体积。在软体部分，支撑系统能够根据不规则曲面板件外型主动计算并调整吸盘角度以及水平与垂直的位移，这与国外被动支撑系统有很大的不同，光是支撑定位的所耗费的时间成本，就能凸显出两者差异性。
至于支撑系统如何根据不规则曲面板件外型主动调整吸盘角度以及水平与垂直的位移，关键就在于最佳支撑点分析技术。该技术会先假设复合材料的特性，并对其进行支撑变形分析，并依此产生最佳化支撑模型以降低复材工件在支撑过程中的变形量。
本技术针对复材加工辅助支撑系统开发一专家模组，该模组功能主要在于根据分析的最佳支撑点，推算出支撑系统所需要的座标，使用者仅需要将座标程式汇到控制器当中，便可支撑各式各样的不规则板件。专家模组具有可视画面，这个功能对终端业者在使用这套系统上是相当方便的。

节能是趋势 集尘系统最佳性能规划

集尘系统将以分析进行集尘系统性能分析与比较进而达到最佳性能匹配，让集尘功率最小化集尘率最大化，集尘系统技术进行流体分析，规划加工整体空间流场，以分析预测加工空间的切削集尘流速与集尘率，分析流程如图10(头部集尘模组为例)。
集尘系统设计与分析流程会将集尘系统模组进行设计得到一组初版集尘系统模组设计图，将集尘系统几何进行处理进行加工环境空间建模，并且划分出流体空间与实体空间，此集尘系统分析以流体空间为主要分析标的，后续进行集尘系统环境设定，其中包含自然对流区域、集尘区域、切削转动区域，粉尘扩散区域，其中自然对流区乃为加工机版金间隙，并且会影响流场因素之一。
以上述分析流程建立集尘系统的多重物理耦合分析技术，未来可提供厂商设备所需的集尘规格及最佳集尘设计方式，以提升国内工具机集尘系统的分析及设计能力，多点侦测技术，藉由加工中粉尘的位置感测及模拟分析所提供的最佳条件，找出关键位置点的集尘，以减少能源的损耗，提升产品的价值。流场分析可进行切屑流动状况模拟，模拟粒子不同大小与流径。
集尘系统以头部集尘系统为标的，头部集尘系统长度为可调变参数，可进行最佳化分析粉尘集尘效率影响，整合加工机的加工验证区域，并进行流体区域划分，保留自然进气区域，以提供集尘时避免产生负压的状况发生。
分析技术中，将应用流体分析技术进行头部集尘模组粉尘集尘率分析，以多种集尘情形进行分析评估，以其制作出最能符合产业效益之头部集尘模组提供产业界进行应用。

集尘系统最佳化分析

模拟将会以实际加工空间进行分析，并且以实际方式感测器位置进行流速侦测，透过实验先行修正集尘压力，进行比对修正，以最佳化方式进行修正，设计准则如下：
依照使用需求将集尘率提高为目的进行集尘系统设计分析，将原始集尘口修改为两个集尘口，进行相同集尘压力分析，得到集尘率为94%，从结果判断双集尘口系统可以让粉尘收集明显提高，因为建议头部集尘系统可修改为双集尘口系统，但是最后考量到生产、制造、组装等因素因此放弃双集尘口系统，进而修改为将集尘口范围加大，期望可以达到与双集尘口系统同样的高集尘率结果。因此将集尘口加大到最大可以生产范围进行分析，得到集尘率为96.8%，此设计优于双集尘口系统，因此订此加大范围集尘口系统为新型设计模型。
探讨头部集尘系统关键参数相对影响因素进行流体分析，以最佳化分析进行，其流程如图15最佳化流程图：
以前述作业完成的流场分析得到影响因素有：
1.集尘压力
2.头部集尘行程距离
3.切削转速
进行流体分析结合最佳化分析，完成实验设计法分析，得到以上因素的组合搭配结果，并定义最大集尘率与搭配切削转速，则求解出多目标参数最佳化结果，并由结果可知，当定义行程距离为主要影响因素，行程最大值与最小值会导致集尘率有87%→95.6%的变化，但是行程距离在实际切削之际为非固定参数，会随得加工而变化。因集尘孔靠近切削端，故切削转速与集尘压力搭配就相对重要，因此进行敏感度分析得到，得到切削转速对于集尘率的影响大于集尘压力与行程距离，故得到一结论，但实际切削时，转速与集尘压力应有绝对搭配方可创造最大的集尘率，达到最佳集尘效果。
从最佳化分析结果进行不同变数对于集尘率影响比较，以集尘压力为基准点，进行行程变化与转速变化下的集尘率分析。
从图17可以得知，当集尘压力高时，转速越高/行程距离差异呈现非线性变化、集尘压力低时，转速越高，行程越短其集尘率越差，因此集尘压力与转速及行程距离需有特定搭配，方能得到最佳集尘率参数。

复材加工设备的系统整合

目前复材加工辅助支撑系统正在和国内大型龙设备商协商整合，对于整合而言，本技术也投入相当时间进行研究，使得设备整合更加容易，设备整合除了硬体的整合外，亦要考虑到软体的整合。加工设备在规划曲面工件的加工路径时，都是用CAM软体进行规划，一般不会考虑到支撑系统的空间，因此刀具便有可能在加工过程中与支撑杆件产生干涉碰撞，为了避免上述情形，本技术开发一支撑系统的刀具路径闪避模组，该模组能够判断加工路径程式与支撑系统干涉处，并于干涉处插入支撑系统下降的命令，对原始加工程式进行编修。于是，加工设备在执行编修的加工程式时，当执行到编修过的命令时，藉由I/O介面与支撑系统进行沟通，使得支撑系统进行刀具的闪避。如此一来，便无需在规画加工路径时考虑到支撑系统的空间，增加支撑系统与加工设备的整合便利性。
复材加工过程中伴随着大量的切削粉尘污染的问题透过整合集尘系统，可以有效地被解决，透过分析的导入以减少错误的设计发生，针对集尘模组找出最佳化的集尘因子以提升集尘效率及符合劳工作业环境空气中粉尘容许浓度标准。

结语

传统工件支撑方法隐含一些问题，例如造价昂贵，存放成本的开销费用，搬运费时，换线效率差，对于面临弹性生产的制造趋势来说是相当大的问题。复材加工辅助支撑系统的出现能够克服上述大部分的问题，虽然自动化支撑系统仍有一定成本考量，但面对未来制造需求，仍需从长远的角度思考。
智慧集尘系统技术搭载外挂式真空吸引装置，或密闭式腔体负压集尘设备，用以防范复合材料于传统加工作业下所产生的粉尘造成健康的为害及机器的损坏，与劳工职业伤害的防护，在进行复合材料加工达到最佳安全防护建置。
最后，本技术也希望透过这套系统的研发，未来可以提供完整制造方案提升国产设备价值。过去的工具机设备业者是单机输出，但未来在航太加工市场，将越来越讲究系统整合，终端业者通常都希望设备业者能根据客户需求整合所需的服务，进而提供一站式购足的完整解决方案。而这在许多先进制造国家，如日本、德国等设备商都已经行之有年，台湾工具机势必也会面临这个问。
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