其材料特性的局部适应性和可调谐性是纤维增强材料的一个经常被引用的优点。纤维角度和纤维体积分数等额外的自由度不仅使设计者能够在需要的地方增加部件的强度和刚度，还能在其他地方节省材料或重量。这些设计原则可以通过沿载荷路径弯曲纤维或在特定载荷区域放置加固补片来加以利用。

开发这些优势变得越来越重要，以证明其优于更传统的工程材料，尤其是碳纤维等高性能材料。

PolePosition一款多功能工具，可实现经济实惠的自动化

最初开发这个系统时考虑到了这些类型的应用，它被命名为PolePosition，但现在它是Schmidt & Heinzmann自动化项目工具箱中更通用的一部分，主要是因为它的灵活性。

单一系统提供对一般质量、位置、方向和纤维角度数据的访问，显著降低了高性能复合材料行业自动化项目的开发成本、时间和风险。由Schmidt & Heinzmann内部开发，允许深度集成到生产单元中，并进一步提高系统的适应性。

现在，一个配备了极位系统的机器人可以获得足够准确的信息，以取代铺放站的人类操作员，但这也使激光投影系统变得多余。

此外，该系统可以记录每个板层定位前后的非常详细的照片，包括关于其位置和方向的定量信息。通过评估纤维角度或缺陷检测，该系统甚至可以接管之前工艺步骤的质量控制。它不仅实现了以前手动流程的自动化，而且在实现自动化的同时提供了显著的附加价值，并提供了在传统流程中根本无法获得的信息访问。

控制碳纤维位置和方向的方法复杂且昂贵

就工业化而言，试图最大限度地控制这些设计原则的例子是发展，如激光引导的手动铺层或自动纤维铺放。当根据激光投影定位一个单独的层时，操作员根据设计文件保证其正确的位置和方向。即使铺层完全定位在铺层中，铺层内的纤维取向是否正确仍然是不确定的。正确的纤维角度取决于切割该层的织物或预浸料坯的切割过程的精度。这里，机器的精度和操作员的勤奋都会影响结果。

在自动纤维铺放中，纤维由自动系统引导、操纵和定位。因此，材料的位置和方向隐含在机器编程中。这两个例子都表明，纤维的位置和方向是固有的难以直接获得和控制的过程变量。大多数情况下，唯一可行的方法是通过广泛的验证和鉴定过程，证明特定过程产生的纤维角度将导致所需的材料特性，而不是直接监控，更不用说将其定义为制造过程中的控制参数。然而，这些密集且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。

 

详细视图摄像系统施密特-海因茨曼两合公司

制造过程中定位的挑战

即使不考虑纤维角度，仅定位就可能在制造过程中带来巨大的工程挑战。由扁平半成品制成的大型或非常复杂的结构，如预浸料或工业用纺织品，有时必须分割成多个子部件或子改革，以控制尺寸和复杂性。各个子改革之间的过渡区通常分布在一个较大的区域，以尽量减少对组件性能的影响。材料的单个层被连续地终止或脱落，从而形成阶梯状的连接区域。

虽然这种方法是完整部件的性能和降低子部件复杂性之间的良好折衷，但是台阶区域的制造以及多个子改革的精确接合仍然是工业化的主要挑战。为了避免接合区域出现任何意外的重叠或间隙，每个步骤都必须精确到合适的尺寸，同时还要确保各个子改革的正确相对定位。由技术纺织品制成的轮廓切割的模糊边缘使这变得更加复杂。虽然大多数由传统工程材料制成的部件都具有清晰界定的边缘，但寻找或甚至界定由技术织物制成的板层的边缘可能是一项挑战。

显然，如果应用证明成本合理，这些挑战可以通过手动过程和广泛的质量控制的结合来克服。或者，自动化有助于显著降低加工成本，提高再现性，从而简化质量控制措施。

 

施密特-海因茨曼两合公司切割和堆叠单元摄像系统

根据Schmidt & Heinzmann的经验，自动化这些高性能元件的制造需要开发专用的测量设备，以实现足够的过程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为每一种应用量身定制。虽然该公司成功地证明了所有这些挑战都可以在过去克服，但它们仍然是许多项目获得积极业务案例的障碍。

让传感器和碳纤维和谐相处

对于碳纤维来说尤其如此，因为当涉及到现代传感器技术时，它的光学特性不太理想。当试图将现代自动化设备与这些材料结合使用时，现代激光距离传感器的激光点被无卷曲织物的深黑色结构所吞噬，或者激光射线正好穿过松散编织的碳纤维织物，这只是遇到的许多问题中的一些。

碳纤维组件生产自动化的挑战通常不在于制造设备，而在于收集足够的信息并提供给系统。即使配备有超声刀的机器人在修剪碳纤维预成型件的边缘时比使用剪刀的人快十倍，如果机器人是盲人，找不到要修剪的边缘，并且直接切入零件而不是小心地修剪它，这也没有关系。