從創新產業發展談航太產業先進製造之趨勢 2016/4-02... · 從創新產業發展談航太產業先進製造之趨勢提報單位：漢翔航空工業股份有限公司

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從創新產業發展談

航太產業先進製造之趨勢

提報單位：漢翔航空工業股份有限公司提

報

人：林

南

助

副總經理

日期：105年10月24日

漢翔航空工業股份有限公司漢翔航空工業股份有限公司

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2

目錄

一、前言

二、航太產業創新先進製造技術

三、航太產業先進複材製造

四、結論

五、Q & A

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一、前言

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創新產業發展一切技術的突破其核心目的在於創造價值。全球航太產業市場持續擴張與各國不斷投入新機研發等因素下，航太業者以創新先進製造技術正面迎向競爭激烈的航太市場，以高效率製造高精度零件，大幅簡化組裝作業，降低生產成本。

同時結合IT與生產設備業者，異業結盟、相輔相成，發展出各類智慧機械，以total solution創新思維將製造技術再往前推進。

航太產業近年來為減少能源耗用，飛機零組件使用之材料趨勢是使用大量先進複合材料以達減重之目的，伴隨而來之先進製造技術亦不斷推陳出新。在工業4.0浪潮下，機具聯網、生產流程透明

化，設備狀態監控、軟硬體整合自動化實現智慧製造及CPS(Cyber Physical System)虛實整合更是先進製造之未來趨勢。

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二、航太產業創新先進製造技術-精密製造

飛機製造業者以創新先進製造技術生產更高精度零件以降低成本，正面迎向競爭激烈的航太市場。

MRJ

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1)

使用1500噸的拉伸機具直接拉伸T料不必再熱處理，精簡製程且避免熱處理變形。

2)

拉伸模回彈設計－先測試材料雙向拉伸的包辛格效應(Bauschinger effect)當作材料參數，結合塑性分析軟體，模擬材料拉伸時的變形回彈行為，並修正回饋至模具的模面，反覆試製。

0-0.2 -0.1 0.20.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

σ1 =σ2σ2=0

σ1

σ2

(Bauschinger effect)塑性力學效應試驗

εminor

εmajor

(5爪，1500噸拉伸機)

創新先進製造技術－蒙皮拉伸(Skin stretch forming)

二、航太產業創新先進製造技術-精密製造(續)

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3)

採用雷射掃瞄儀器(Laser Scanner , FARO or NIKON)，快速量測零件模面與模具曲面數據，並比對CAD理論模面，反覆修模，得最佳經驗公式。如此因為蒙皮模面正確，Part‐to‐part, Hole‐to‐hole才會定位準確，大幅減少定位塊的設計製作與組裝定位工時。

Part-to-part, Hole-to-hole：零件製造至淨尺寸及實徑孔，組裝時採定位孔定位而非定位塊，可大幅降低整體成本。

創新先進製造技術－蒙皮拉伸(Skin stretch forming)

生產更高精度零件以降低成本


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零件製造技術進化讓裝配流程更為簡化，

Part-to-part, Hole-to-hole裝配現

場大量使用油壓系統支撐，並以雷射投影定位輔助，除了幾個簡易的組合型架外其餘的工作都是在油壓系統的支撐與雷射定位下完成，現場工作流線相當流暢。

創新先進製造技術－簡化組裝流程


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參考廠商：

◆

POGO◆

FIVE

◆

KOSTYRKA◆

ARIES

產品：

◆POGO System◆伸縮調整定位系統

應用：

◆萬向銑切夾持模具(大曲面零件夾持)◆萬向白鐵拉伸模

創新先進製造技術－數位彈性模具(Flexible Tooling)


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白鐵/複材銑切鑽孔萬向夾持模具(Flexible Tooling)

Mtorres Spar/ Skin Trimming and drillingUniversal Holding Fixture

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創新先進製造技術－數位彈性模具(Flexible Tooling)


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.

CCD光學讀取鑽孔位置

.

CCD光學讀取EOP

.

程式自動控制量測

. 取代 LASER TRACKER及

FARO ARM量測

加工後直接進行機上量測

五軸加工機整合光學量測系統

光學檢測用樣件光學檢測校正塊主軸頭配線10

全面解決方案(total solution)-五軸加工機附加光學量測系統


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參考廠商：

◆

API◆

NIKON

Metrology

應用技術：

◆機械手臂+Laser Tracker定位◆即時影像掃瞄比對◆動態感測與控制系統

應用：

◆零件加工製造◆裝配鑽孔鉚接◆

線上即時檢驗

全面解決方案(total solution)-機械手臂整合影像定位加工系統


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智慧機器人智慧機器人

Loading/Unloading Exchanging milling cutters

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AIRBUS 導入外骨骼輔具，強化作業

員的身體性能，輔助高負重作業。

導入智慧機器人執行高重複性/負重性/疲勞性等作業，可以減少人員做重複性動作造成的疲勞及失

誤，提高產線產能效率與品質。

整合機械手臂與NC加工機台以提高稼動率

航太業工業4.0包含-智慧機器人/物聯網/大數據/CPS

二、航太產業創新先進製造技術-工業4.0

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AIRBUS 導入雙臂人形機器人與工作人員協同作業，執行高階飛機組裝工作。 13

智慧機器人智慧機器人透過動態感測與控制系統、雷射定位等智慧機器人

技術執行鑽孔、鉚接，減少型架組裝定位需求，簡化組裝工作。

二、航太產業創新先進製造技術-工業4.0 (續)

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Inspect 14

智慧機器人智慧機器人高階飛機組裝流程，利用智慧機器人雷射對位檢測技

術，檢測鉚接、High Lite品質，避免品質逃脫。


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製程/刀具狀態智能監控:刀具壽命即時監控與預測(斷刀)、刀具補償值防錯…

生產效率管理: 提升設備稼動率、試製/量測/量產時間縮短、製程優化

機台故障預防保修: 機台健康監控/預測保養/故障預防保修、即時通知預警...生產品質監控: 機台/製程/加工異常即時監控，切削異常優化、降低失效成本

Level 2自動化/智慧化整合

Level 1設備/機台/感測器

生產機台智慧化整合與監控

生產機台智慧化整合與監控

Level 3作業與管理層面

各項機台/設備整合ID辨識感測器

環境監控 PLC/DLC檢測設備檢測設備

系統資料擷取系統資料擷取//指令分派指令分派 ((SCADASCADA))

與後端系統之整合及視覺化

數值控制/數據擷取設備介面整合系統


生產機台智慧整合與監控IOTIOT

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生產效能精進:零件上下機即時資訊: 以利生管制時程/發工/備料等加工/閒置工時自動統計/分析、機台稼動率即時分析加工履歷及機台異常訊息系統化自動記錄

TACC_CMS五軸機台

岡山網路沙鹿網路

SNK五軸加工機台 DMG五軸加工機台台中網路

生產機台智慧整合與監控－以漢翔公司為例


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1.加工狀態及

主軸溫度監控、即時處理或精度補償…2.稼動率分析及

提昇、

NC程式效率監控及

優化…

生產機台智慧化即時監控－以漢翔公司為例


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藉由收集和分析數據，對未來做出自動且正確的反應。

BIG DATABIG DATA

Predictive Maintenance

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1.智慧化即時監控/預測品質、

預警/

預防故障或

失效..2.掌握熱壓爐特性、

縮短首件開發時程、

提升妥善率/

產能

複材成化大數據分析

大數據的價值…公司寶貴的資產

複材成化大數據分析－以漢翔公司為例


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https://www.ge.com/digital/stories/apm-unlocks-competitive-advantage

GE Aviation －在引擎安裝200多組感測器，隨時收集轉速、溫度、震動、油壓等各種運轉數據，透過衛星回傳確認引擎狀況。

每天可傳送5千億位元的資料回GE，進行大數據分析、調控、改善。

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CPSCPS 配合虛擬空間中的模擬，來預測和改變現實中操作的模式。

隨著銑切量大小改變進給速率，提升加工效率

刀具路徑模擬及最佳化(以漢翔公司為例)


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加值

From: 虛擬量測成大教授鄭芳田

產品生產完成執行實體量測

減少生產過程的量

測點/量測次

數

零瑕疵產品(Zero Defect)

即時線上品質預測，節省實體量測次數/時間，異常即時預警，降低失

效成本，朝向交貨產品Zero Defeat目標

自動虛擬量測系統－以漢翔公司為例


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虛擬實境技術－裝配員進入虛擬空間進行人因工程實境模擬，預先了解潛藏問題以建立正確的組裝方法。

A350 XWB組裝線

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• 利用攝影機捕捉真實畫面，配合檢查員手上的電腦與系統連結，進行影像與3D圖形比對。

• A380機身內6萬~8萬隻支架檢查工作，L/T由3個禮拜減少至3天。

MiRA-Mixed Reality Application

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• 建置虛擬工廠模擬生產或組裝過程• 藉由模擬，分析動線安排是否合理• 模擬未來工廠的排程及負荷分析，調整資源配置

虛擬實境軟體Delmia的應用

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Wood and Fabric1903‐1933

Metals

1933‐

Composites

1970‐

航太發展，除外型演變外，亦與材料息息相關!!

複材應用及製程簡報

三、航太產業先進複材製造

http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCI6L5ezE6MYCFaXZpgodTc8A4Q&url=http://www.cnn.com/2013/05/20/travel/dreamliner-returns/&ei=MUysVc6uCqWzmwXNnoOIDg&psig=AFQjCNFlZ84Bo1ROwslSpYRoA8GxZMiJYQ&ust=1437441422282128

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複材件重量比及複材自動化有驚人的成長!!

Automated lay‐up

Manual lay‐up

Chart Source: Composite Market Reports, March 2008

We are here

Automated

Lay‐up

Development

‧直昇機比例由20%提昇至90%‧近年戰鬥機與客機比例提昇至50%以上

三、航太產業先進複材製造(續)

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三、航太產業先進複材製造(續)-複材製程與設備

熱固性基材溼式積層(Wet lay-up)噴佈成形(Spray-up)預浸料疊貼(Prepreg Lay-up)真空熱壓成形(Autoclave)纏繞成形(Filament winding)(真空)樹脂轉注成形(VaRTM)熱壓模成形(Compression molding)拉擠成形(Pultrusion)

纏繞成形

手工疊貼

自動疊貼

溼式積層

噴佈成形

熱壓模成形

拉擠成形真空熱壓成形

熱塑性基材隔膜成形(Diaphragm forming)纏繞成形(Filament winding)沖壓成形(Stamping)熱壓模成形(Compression molding)拉擠成形(Pultrusion)

航太產業

複合材料成型方式複合材料成型方式

http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi0tfeS5ZfMAhUMnpQKHdoKBBIQjRwIBw&url=http://www.sinoeaglegroup.com/manufacturing/wet-layup&psig=AFQjCNGyKMCMdI4n2wCdL9ENXwRzs66aFg&ust=1461055220286864http://www.google.com.tw/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwj2kdbZ5ZfMAhWEQpQKHYr_DA8QjRwIBw&url=http://www.kinecogroup.com/capability_disp.php?id=3&psig=AFQjCNE-AExbBcpVW5xClbAnygODmgWHVw&ust=1461055400561443

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自動超音波檢測機Automated Ultrasonic Inspection System

紙蜂巢切割機Honeycomb Core Milling

Machine預浸布切割機Prepreg Cutting Machine

機械手臂噴漆系統Robotic

Painting System

軌道及手動式噴漆系統Rail & Manual Painting System

熱壓爐Autoclave

CNC五軸複材加工機CNC 5‐Axis Composite Milling Machine

自動疊貼機Automatic Lay up

環境控制室Contamination Control Area

熱壓成型機Hot Drape Forming

Noodle Former

預浸布&熱壓預浸布&熱壓

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於環境控制區內以人工方式，將完成裁切的預浸布逐層逐向舖疊貼於欲成

型零件的模具上，再以真空封袋方式將疊貼完成的預浸布密封(如封袋圖) ，抽真空移除袋內空氣後，將密封完成的模具置入熱壓爐，以要求的

壓力、溫度及持溫時間讓預浸布內的基材(樹脂)固化，使固(成)化後的零件符合品質的要求(空孔率低、缺陷/缺膠範圍小、少皺折)。

手工疊貼(Hand Lay-up)

封袋圖示



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自動疊貼(Automatic Lay-up)

‧適用的零件特性，用於單纖布，部分

製程需與熱壓成型搭配

• 應用自動化機具將單纖布逐層逐向舖疊貼於欲成型零件的模具上俾進行後續零件成化程序。

單纖布捲



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B787使用複材自動疊貼製程區段

Section 11 stringer number: 27 Section 41, 43, 46, 47 floor beam number: 73

Automated lay‐upManual lay‐up

PAX Floor I-Beams – Section 41 43 46 47

PAX Floor I-Beams Cargo Floor J-Beams –

WP #15

Floor I-Beams – Section 11 (center wing)

Vertical Fin- Spar, Stringer and Skin


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纏繞成型(Filament Winding)• 應用自動化機具將已浸潤樹脂的連續纖維

(continuous reinforcing fibers)受張力情況下透過旋轉方式纏繞於模具上成型為複

材結構體，俾進行後續零件成化程序。

‧適用的零件特性，用於單纖布，且為筒狀零件



http://fugahumana.files.wordpress.com/2012/07/boeing-fuselage.jpg

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真空輔助樹脂轉注成型通常是單面模具，將纖維預成形物放置於模具上，覆蓋導氣布及真空封

袋後，一端管線接到真空泵將封袋內抽真空，另一端管線接到裝液態樹脂

的容器，藉由封袋內的負壓力(亦即真空度)，將液態樹脂自入膠口吸入封

袋內，樹脂充分浸潤纖維編織物後，再進烘箱將樹脂固化成型的製造方

法。

B787壓力隔框

快艇

汽車產業

風能葉片

不須熱壓爐，節能!

Hand lay up Vacuuming & injection

Bagging

樹脂轉注&非熱壓樹脂轉注&非熱壓


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樹脂轉注成型• 通常是雙面模具，將纖維預成形物放置於模具內，上/下模具合模後，出

口端接到真空泵，將模穴內抽真空，入口端施以壓力將液體樹脂注入模穴內，以模具加溫將樹脂固化成形的製造方法。

應用於形狀複雜的結構體，如接頭或要求雙面外觀平整的成品，如葉片。

‧雙面模具，尺寸精度高!‧不須熱壓爐，節能!

樹脂轉注&非熱壓樹脂轉注&非熱壓


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三、航太產業先進複材製造(續)-認證需求

品質系統 AS9100

製程認證 NADCAP AC7118

廠房及設備認證

零件首件認證(FPQ)

先期認證繁瑣冗長

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.軟體分析零件成化過程之最

快與最慢升溫點

.軟體分析模具減重熱傳效益

1.複材膠合模具(BOF)熱傳與輕量最佳化

BOF模具熱傳分析

零件+模具最快點與最慢升溫點分析

熱壓爐內模具熱傳分析

三、航太產業先進複材製造(續)-複材加工自動化瓶頸

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2.新製程技術開發

研究ATL與HDF製程及模具對品質之影響。

航太A-Team合作開發


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. 鑽孔/繞切/銑沉頭刀具

. 標準刀刃及鑽石塗層

. 超音波刀再研磨延壽

3.複材切削刀具精進開發

超音波刀具再研磨測試

超音波刀具銑切蜂巢

人形刀13000 RPM

F2700

鳳梨刀5000 RPM

F2400

CVD 鑽石鍍層刀

鑽孔試片(CFRP母材+ GFRP表層)共16層`,厚度3.7mm

人形刀13000 RPM

F2700


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4.複材銑切鑽孔共用夾具(Flexible Tooling System)開發

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四、結論

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綜觀世界各國，航太先進製造技術發展模式，均由政府補助航太業者、IT與生產設備業者，採異業結盟、分工合作、共同開發。我國政府應有獎勵措施，鼓勵相關業界投入航太先進製造技術之開發。

在世界各國發展工業4.0的浪潮中，智慧製造亦為航太產業發展的必然趨勢，國內工具機業界亦應掌握此契

機，發展智慧機械成功打入國際航太市場。

根據各大飛機製造廠家之分析，使用複合材料其重量可比金屬材料減少約百分之二十五，未來飛機使用複合材料之比重將越來越高，而其製造加工所需之機具設備、生產技術發展十分迅速，若不能掌握此趨勢，對國內航太產業未來發展將更為不利。

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Q & A

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從創新產業發展談�航太產業先進製造之趨勢目錄一、前言投影片編號 4投影片編號 5投影片編號 6投影片編號 7投影片編號 8投影片編號 9投影片編號 10投影片編號 11投影片編號 12投影片編號 13投影片編號 14投影片編號 15投影片編號 16投影片編號 17投影片編號 18投影片編號 19投影片編號 20投影片編號 21投影片編號 22投影片編號 23投影片編號 24投影片編號 25投影片編號 26三、航太產業先進複材製造(續)三、航太產業先進複材製造(續)-複材製程與設備三、航太產業先進複材製造(續)-複材製程與設備投影片編號 30投影片編號 31投影片編號 32投影片編號 33投影片編號 34投影片編號 35三、航太產業先進複材製造(續)-認證需求三、航太產業先進複材製造(續)-複材加工自動化瓶頸三、航太產業先進複材製造(續)-複材加工自動化瓶頸三、航太產業先進複材製造(續)-複材加工自動化瓶頸投影片編號 40四、結論Q & A

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從創新產業發展談航太產業先進製造之趨勢 2016/4-02... · 從創新產業發展談航太產業先進製造之趨勢提報單位：漢翔航空工業股份有限公司