将下一代的切割和铺放系统集成到生产线中，使得复合材料的生产效率和质量控制水平达到了新的高度。

将基于CAD的图案设计与先进的嵌套软件结合起来，用于复合材料的数字化（计算机控制的）切割系统，不仅能使制造商减少材料浪费和成本（即使是生产复杂形状的部件），还可以将切割时间从人工操作所需的几天缩短到几分钟，从而缩短了循环时间，提高了重复性和再现性。当然，鉴于复合材料切割设备的成熟程度，要想有重大创新也并不常见。

虽然切割台为提高效率带来了实质性的好处，但要将它集成到全自动化的生产单元中却是一大挑战，重要的是，这个过程并不是以切出单个的层而结束：在将每个片层转移到下一个工艺步骤之前，必须先对它们进行收集、分类、称重，再铺放到叠层里，然后进行预成型、模压成型、灌注或热压罐固化。因此，看似简单的任务，如切割台的自动卸料，当考虑到整个生产过程时，可能很快就变得复杂起来。比如，如果嵌套效率不能与铺层顺序保持平衡，铺层所需的第一片层可能被放到切割台的尽头以及切割结束时自动化的操作设备不易接触到的地方，当涉及到高效率的生产工艺时，就需要额外的时间来解决这些低效率的问题，这可能会有悖于为缩短循环时间以及为从生产运行中获取更大的效率而作出的尝试。

为了有效地将数字化的切割系统集成到自动化的部件生产单元中，所有相关设备，包括切割和铺放（C&S）系统、机器人和压机等，都必须快速准确地交换数据，以管理时间并控制质量。

为了努力解决好这些问题，德国复合材料设备的OEM厂商Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG（简称S&H）的工程师们对人机界面（HMIs）和设备的基本工作原理采取了不同的方法，于2015年开发出S&H的AutoCut复合材料C&S系统，它拥有单一的切割和铺放台。2019年，这项技术得到了扩展，允许客户整合多个切割台，以便能同时处理多种类型的材料，因而变得更加模块化，并由此提高了自动化单元的加工灵活性。

不同的方法

因为是作为自动化生产线的一个组成部分而不是作为一个孤立的单元来运行，因此S&H的AutoCut C&S 系统是依据准时制造（JIT）原则而设计的，它与工业机器人协同工作。机器的编程算法会考虑最终产品的特征，而不只是所要切割的单个片层的总和。因此，操作员可按铺层顺序、每层所用的材料类型、针对整个叠层的准确目标位置以及每层与其他层的相对位置来指定最终产品或叠层，这样，优先关注的是何时需要一个层，而非嵌套效率。基于铺层输入，软件收集所有同类材料的层，并将这些信息输入到一个高级嵌套算法中，将所有这些结合起来，计算出最高效的切割工作——同时将定义好的铺层顺序和机器人相对于层的“可达性”作为边界条件。

新系列的复合材料切割和铺放单元是作为复合材料部件自动化生产线的一个组成部分而非孤立的单元进行运行的，从而将加工商的生产效率、质量控制和人机工程学提高到了新的水平。该系统适用于广泛的复合材料，包括模压成型的SMC、湿法模压的碳纤维、RTM的干织物预成型以及用于热压罐和非热压罐工艺的预浸料等（图片来自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

实际上，一旦用户输入所有必要的数据，包括铺层、材料及顺序，该系统的可编程逻辑控制器（PLC）就将切割工作分配给生产单元内的AutoCut机器。一旦铺层序列开始，所需的第一层被切下，切割即停顿，以便机器人获取这一层。机器人本身已经知道将这一层铺放到铺层台上的位置和方向，它还能自动生成一个自定义的移动路径，该路径考虑到了单元内的障碍物和几何约束以及铺层中的目标位置。据说，该系统可以实现的叠层精度＜±1mm。一旦机器人取回这一层，即可清理切割机，系统就会恢复切割。这样，每隔15秒就能切割一层,速度快到足以为一台搭载双型腔模具的压机供料，成型周期2min，就像片状模塑成型（SMC）一样，从而可以确保在切割过程中获得的效率不会因卸料和铺层效率低下而即刻丧失掉。

面重补偿

由于生产单元中产生的所有信息都是共享的,所以系统内置的一个功能对许多复合材料都是有用的，但对SMC而言，关键是面重补偿。如有必要，切割每层后立即称重，并利用该信息来调整下一层的切割尺寸，以便在放入压机之前，最大程度地减少最终的上料在总重量上出现差异。

“切割SMC时，能够在运行过程中根据面重的不同进行调整，这非常重要，因为SMC的配制过程会引起同一批次的材料的自然面重出现3%～8%的变化。”S&H的技术中心负责人Lukas Lipowsky说道，“如果你采用固定的图案、从具有固有面重差异的材料上切割层并用其来制造部件，这些差异就会叠加起来，导致不可接受的部件差异，这就是为什么通常是使用精确的重量而不是固定模式的切割将SMC套料装入压机，这样才能保证成品部件拥有一致的性能。”作为该系统面重补偿的一部分，可以为铺放台选配一个天平，以便在铺层过程中对每一层进行称重并进行分析，从而为PLC系统提供必要的输入数据来调整切割模式，以实现固定的套料重量，尽管SMC的自然面重有所差异。

为了实现SMC的切割和铺放自动化，S&H将其构建SMC配混生产线的经验与高级预测算法结合起来，应用于从每个SMC C&S单元中实时收集数据。

其他特征包括连续的材料跟踪、恒定的材料位置传感器（用以自动修正切割台上的材料边缘位置，减少浪费）、快速连接的可互换刀具、主动刀片磨损监测以及带有针式真空模块的灵活的夹持系统。这有助于材料间的快速切换，实现对各种材料的切割、移动和铺放。每个切割单元都被设计为用来切割一种材料，这确保了稳定、持续的生产及设备的高使用率。

为该切割单元设计了许多功能，包括连续的材料跟踪、放卷滑差补偿、可互换的切割头、材料流动计数、材料位置感应、主动刀片磨损测量、自动工作台校准、自适应嵌套算法和主动皮带导向控制（图片来自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

该系统配有可互换的切割头——从超声波硬质合金刀片（每秒振动30000次，无需清洁，几乎无噪声）到非动力的轮式刀片和动力驱动的旋转多边形刀片（用于切割干织物），因而可以切割多种材料。每个刀片都能实现快速连接。其他有助于定位材料、切割机和机器人的特征是机器人和工作台校准销。该单元还具有主动刀片磨损测量功能，可确保每次都有干净利落的切口（图片来自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

此外，不管有多少S&H C&S 单元在特定的设施中运行，中央控制单元都具有上级控制，它充当所有生成数据的中央储存库，同时直接管理每台切割机，并为该切割机排料，以确保高效率。控制系统不仅可以远程收集所有单元的关键生产数据，包括循环时间、材料批次以及每一层的尺寸和重量，还可以追踪错误信息。同样重要的是，标准的AutoCut系统包括一个切割单元、铺放台、带有夹持器的机器人和软件。

实际应用

AutoCut的模块化设计使其适用于各种生产工艺，从SMC的模压成型到用于湿法模压和树脂传递模塑成型的预成型，以及预浸料成型，因而节省了大量的开发和工程成本，提高了生产单元的可持续性，使其易于适应未来的项目。

“我们对系统软件的整体方法意味着操作员不需要具有专业知识即可使用设备。”S&H的工艺工程总监David Bücheler解释道，“自动生成的机器人路径和位置以及嵌套算法使材料利用率最大化，同时保证了计算出的解决方案能够真正生成。更重要的是，在给定的时间内, 相比压机的人工上、下料，该自动化系统能多生产出20%的部件。”目前运行之中的30套 AutoCut单元每年能够生产出750万个复合材料部件，生产的产品包括家居用品以及汽车和飞机部件。

为了准确地拾取、移送和铺放不同类型的铺层材料，该机器人配备了由针式真空夹具组成的灵活系统并具备材料探测能力。在线尺寸调整功能可以作为一个选配，允许一个单一的夹持器动态适应更多的层尺寸以及处理更多数量的层（图片来自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

帝人汽车技术公司是对AutoCut 系统进行大手笔投资的一个加工商，是北美汽车和商用车市场中提供热固性和热塑性复合材料部件的一级供应商，2021年，该公司在其位于美国的3个工厂中安装了10 套AutoCut系统：在俄亥俄州Carey的工厂安装了4套，在俄亥俄州North Baltimore和印第安纳州亨廷顿的工厂各安装了3套，另有6套是2022年的订单。

“我们共有8套AutoCut单元，都被用于切割和铺放我们自己配混的SMC材料。”帝人汽车技术公司Carey工厂的工程经理Adam Maes解释道，“这种SMC被用于成型A级表面的汽车内、外饰面板，设备所能提供的最大SMC套料约重16kg，成品部件尺寸大约是0.9m×1.5m。无论何时，都会有2～3层套料在被送往压机的过程中。”

当被问及帝人汽车技术公司为什么要作出如此大的投资以及获得了哪些益处时，Maes说：“人工成型过程对我们的员工来说是很高的要求，所以为我们的操作团队提供一个安全、符合人体工程学的系统是添加这项技术的主要驱动力，这也是我们推进自动化战略计划的一部分。由于送入模具的材料在重量和定位上拥有更好的一致性，我们已经从中额外获得了质量优势，进而提高了压机的产出率并降低了废品率。我们尤其喜欢直观的HMI显示、超声波切割头、考虑到材料差异性的灵活的重量补偿算法以及用于定位切割路径的边缘检测传感器。”

关键词： 模块化的切割和铺放系统增强了灵活性 实现复材部件的全自