树脂基复合材料自动铺放技术进展

第一篇：树脂基复合材料自动铺放技术进展

树脂基复合材料自动铺放技术进展

1.前 言

用于航空航天器的先进复合材料构件主要采用热压罐成型技术制造。自动铺放是替代预浸料人工铺叠,提高质量和生产效率的重要手段。根据预浸料形态,自动铺放可分为自动铺带与自动铺丝两类:自动铺带(Tapelaying)采用有隔离衬纸单向预浸带(25~300 mm),多轴机械臂(龙门或卧式)完成铺放位置定位,铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压,整个过程采用数控技术自动完成。

自动铺丝(Fiber place-ment)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3~25 mm),分别独立输送、切断,由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸纱根数调整)后铺放在芯模表面,加热软化预浸纱并压实定型。自动铺带与自动铺丝的共同特点是自动化高速成型,质量可靠,主要适于大型复合材料构件成型;其中自动铺带主要用于小曲率曲面构件(如翼面、壁板)的自动铺叠,由于预浸带较宽,以高效率见长;而自动铺丝侧重于实现复杂形状双曲面(如机身、翼身融合体),适应范围宽,但效率逊于前者。自动铺放技术是数控机床技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术的高度集成。

自动铺放源于上世纪60年代,在美国空军实验室支持下起步,后经ACT、CAI(计算机辅助设计)等计划支持,迅速发展:自动铺带机、自动铺丝机、各种预浸带/纱已经形成系列产品供应,用于多种航空航天器制造。欧洲自动铺放技术近年来长足进步,形成自己的特色:如自动铺带的双头两步法和多带同步铺放技术,自动铺丝的旋转切割与预浸纱快速续接技术,这些技术大大提高了生产效率和适用性。

由于自动铺放成形采用的材料体系成熟度高,设计成型方法继承性好,易于数字化设计和自动化制造,已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成型方法:新一代大型飞机B787、A350的所有翼面采用自动铺带,而所有机身构件采用自动铺丝。复合材料的大量应用推动了自动铺放技术的快速发展,各类新技术层出不穷。

国内自动铺放技术研究已经开展数年,其中自动铺带技术已经开始工程应用。笔者介绍了国内自动铺放技术研究进展,主要是自动铺放设备技术方面的进展,并分析指出未来自动铺放技术发展中需要解决的关键问题。2.国内自动铺带技术研究进展

国内自动铺带技术起步于“十五”初期,南京航空航天大学设计了具有3轴平移、双摆角运动的5轴台式龙门机械臂,研制了力矩电机收放-步进电机驱动的预浸带输送,预浸带气动切割与超声辅助切割,主-辅压辊成型等技术。应用开放式数控系统技术开发出5轴联动, 3轴随动切割和温度与压力控制的自动铺带控制系统软硬件,实现了预浸带定位、剪裁、热压铺叠基本功能。根据微分几何理论证明了在可展曲面上“自然路径”与测地线的等价性,应用弧长展开变换方法构造了柱面铺带轨迹算法,进而开发了基于AutoCAD环境,具有机器代码生成等和自动铺带仿真的自动编程软件,实现了给定形状、给定铺层构件的铺带轨迹生成与后置处理与加工指令生成。在此基础上, 2005年研制成功国内第一台自动铺带原理样机,实现了自动铺带的基本功能。北京航空材料研究院应用这台样机开展了环氧预浸料和双马来酰亚胺预浸料铺带适应性与铺带工艺试验。上述基础性的研究工作为进一步发展具有自主知识产权的自动铺放技术奠定了基础。

在自动铺带原理样机及工艺研究基础上,南京航空航天大学继续开发,设计了中型5轴龙门及其与主轴联动的综合运动试验平台,完成了基于UMAC的多轴多任务开放式数控系统软硬件;研制预浸带双模式精确进给与张力控制技术,提高送带精度达到0•1 mm,与数控系统定位精确协调,铺带精度可达0•2 mm;研制了分体压靴与弹性压辊组合施压及根据模具特征的压力自适应调节控制技术,实现了任意曲面自适应均匀加压及其精确控制;研制了5轴双超声切割系统技术,实现了复杂产品外廓预浸带切割;研制了预浸带缺陷激光监测技术可以检测3 mm×3 mm的夹杂、研制了基于预浸带各向异性折光和数字图像方法的预浸带铺叠间隙测控技术,识别精度达到0•1mm,实现了自动铺带在线质量检测与测控;以航空航天设计制造环境CATIA为平台,提出“自然路径”的直接计算方法、提高了铺带轨迹计算的精度和速度,达到国外同类自动铺带软件水平;并根据圆锥体的特殊性、在国际上首次提出了锥形体自动铺带方法;还根据弹塑性理论提出了基于预浸带有限变形的带隙容差分析新方法,提高了可铺性、实现了复杂曲面和外形构件的数字化设计。

突破上述装备综合技术后,南京航空航天大学2007年研制成功国内第一台中型自动铺带工程样机综合试验系统,可以实现3 m×5 m小曲率面自动铺带和1m×3m筒段/锥壳自动铺带。除效率较低(试验系统)外,主要功能已接近国外自动铺带机水平。之后根据应用的需要,研制成功2•5 m×12 m大型筒段专用自动铺带机及其软件,实现了筒段自动铺带的各种功能,大幅度提高了铺带效率。

以自动铺带工程样机试验系统为平台,南京航空航天大学与北京航空制造工程研究所、航天材料及工艺研究所等合作探索了QY8911双马预浸料和602环氧预浸料用于自动铺带的工艺,开展了不同特征构件的铺带工艺试验研究,包括典型插层板、凹凸板、双曲板、翼面蒙皮结构和筒形构件,获得了不同国产预浸料工艺性与铺带工艺规律,为自动铺带工程应用奠定了基础。

国内同时开展自动铺带技术与应用研究的有哈尔滨飞机工业公司、北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所、武汉理工大学和天津工业大学等[16-19]。武汉理工大学和天津工业大学在自动铺带机机构设计分析、控制系统架构与仿真等基础研究方面开展了诸多有益探索,但尚未达到工程应用水平;北京航空制造工程研究所等单位合作,采用引进自动铺带头关键部件集成的技术路线研制翼面大型自动铺带机,加速推进了自动铺放技术研究与应用进程,可望在较短时间内实现工程应用。北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所分别研制了基本满足自动铺带的预浸带和相关工艺,为航空应用打下了基础。哈尔滨飞机工业公司2007年引进西班牙自动铺带机,应用进口预浸料实现了试验翼面的自动铺带工艺,并用国产预浸料开展了工程应用试验研究。3.国内自动铺丝技术研究进展

国内自动铺丝技术探索研究早于自动铺带技术,但由于技术难度远大于自动铺带,国内的研究工作主要在自动铺丝轨迹规划与仿真、装备构型、数控系统技术等基础研究层面展开。钱钧等以构架式卫星复合材料三角接头为对象,开展了构件数值建模、铺丝路径规划研究,应用机器人D-H方法建立了典型3P-3R机器人运动学反问题控制方程并实施了成形仿真;邵冠军等对自由曲面的铺丝路径及优化设计做了有益探索;许斌等较为系统研究了自动铺丝轨迹规划问题,提出了3种铺丝路径轨迹规划方案,建立了丝束覆盖性分析与断纱准则,研究了丝束状态量与切断-重启动作量的映射关系,初步形成了自动铺丝设计制造的基础框架,在CATIA环境下开展了相关CAD/CAM软件原型编写,以S进气道的自动铺丝问题为例做了系统分析与仿真。党旭丹等专门研究了自动铺丝路径的平行等距轨迹规划方法,提高了计算效率。田会方等开展了自动铺丝装备构型分析,并以锥壳结构为对象开展了成形仿真技术研究[32-34]。富宏亚等在缠绕技术研究基础上开展自动铺丝技术基础研究,试制铺丝头原型、在铺丝曲面重构与路径规划、仿真技术方面开展了系列研究。

以装备理论与关键技术研究为基础,南京航空航天大学2006年试制了国内第一台自动铺丝原理样机,架构了基于开放式数控的控制系统和基于CATIA的和CAD/CAM软件原型,原理样机实现了自动铺丝机各轴运动,验证了轨迹规划方法的正确性,向设备研制跨出了实质性的一步。

经数年研究,自动铺丝技术虽有诸多进展,但关键技术尚未突破:原理样机只验证了方案和核心技术的正确性,还未开展工程样机研制;自动铺丝轨迹规划的理论研究需要在算法和CAD/CAM软件方面深入开展;自动铺丝材料对材料的工艺性要求远高于自动铺带,不仅对温度敏感性要求更高,由于调节工艺窗口,而且要求尺寸精确以保障成型质量;因此,受装备制约自动铺丝工艺尚未开展实质性的研究。4.自动铺放发展趋势和亟待突破的问题

先进复合材料在航空航天器的大量应用直接推动了自动铺放技术的发展。国外自动铺放技术朝着铺放装备专门化、材料体系多样化、设计分析制造集成化,以及成型高效率和高可靠性方向发展。在铺放设备方面,为提高铺放效率,出现了平板专用铺带机、多头铺带机和单头多带铺带机;研制出了模块化铺丝头-预浸纱箱系统,多头同步铺放系统和预浸纱自动续接装置,减少无效操作时间;此外,自动铺带与自动铺丝的界限逐渐模糊,形成多窄带铺放技术。在材料技术方面,已经形成自动铺放专用预浸料体系(包括热塑性材料)以满足不同要求,自动铺丝预浸纱/窄带普遍采用分切制备技术,由专门的预浸纱分切加工商供应。在设计制造方面,将自动铺放与其他技术融合集成,如采用自动铺带后双隔膜热成型制造飞机C型大梁,采用预浸料拉挤制造长桁预埋在模具中直接铺放共固化制造夹筋壁板等。

“十一五”期间,国内已经突破了自动铺带装备和软件关键技术,铺带材料和铺带工艺技术成为制约自动铺带技术发展的关键;进一步完善装备功能,实现设备专用化和多样化以满足不同需求也将是今后一个时期自动铺带技术的发展重点。

新型歼击机S进气道、翼身融合体和大型飞机机身等对自动铺丝技术提出了迫切需求,在民机预研计划和高档数控机床重大专项中已经启动了自动铺丝机研制项目。迫切需要及时开展自动铺丝专用预浸纱/窄带的材料体系,预浸带分切技术与质量控制研究;同时开展自动铺丝工艺技术研究、模具技术等研究,以建立自动铺丝技术体系,促进自动铺丝技术早日实现工程应用。

第二篇：树脂基复合材料低成本技术

姓名：

班号：

树脂基复合材料低成本技术

摘要：树脂基复合材料因其比强度高、比模量大而广泛的应用于航空航天等领域。然而其高昂的价格仍然是限制树脂基复合材料广泛应用的一大障碍。目前，已经有多国学者针对树脂基复合材料低成本化进行了研究，并取得了部分积极成果。本文主要介绍了几种低成本制造技术，如自动铺放技术、低温成型预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术以及树脂模渗透成型（RFI）技术。关键词： 树脂基

复合材料

低成本技术

前言

与传统金属材料相比，复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和结构尺寸稳定性好等优点，在航空航天领域获得了广泛的应用。从20世纪70 年代开始，复合材料就首先在军用飞机上少量使用，到了80 年代已在民用飞机上进行了试用。应用基本是从非承力结构到次承力结构最后到主承力结构，从部位来说是从尾翼到机翼最后到机身。随着技术的不断成熟，复合材料在飞机上的用量越来越多，减重效果也越来越明显[1]。

长期以来，限制复合材料在飞机上扩大应用的原因主要有2个：一是技术成熟度没有金属高；二是复合材料成本太高，复合材料构件的成本远远高于铝合金构件。要想扩大复合材料在航空上的应用，就必须降低复合材料的成本。本文旨在介绍几种复合材料低成本制造技术的发展现状，如自动铺放技术、低温成型预浸料技术、电子束固化技术、液体成型技术以及树脂模渗透成型（RFI）技术。

一、自动铺放技术

用于航空航天器的先进复合材料构件主要采用热压罐成型技术制造。自动铺放是替代预浸料人工铺叠，提高质量和生产效率的重要手段。根据预浸料形态，自动铺放可分为自动铺带

[2-3]

与自动铺丝

[4-5]

两类：自动铺带(Tape laying)采用有隔离衬纸单向预浸带(25-300 mm)，多轴机械臂(龙门或卧式)完成铺放位置定位，铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压，整个过程采用数控技术自动完成（图1a所示）；自动铺丝(Fiber placement)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3-25 mm)，分别独立输送、切断，由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸纱根数调整)后铺放

姓名：

班号：

数字化设计和自动化制造，已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成型方法：新一代大型飞机B787、A350的所有翼面采用自动铺带，而所有机身构件采用自动铺丝。复合材料的大量应用推动了自动铺放技术的快速发展，各类新技术层出不穷[6]。

二、低温成型预浸料技术

低温成型预浸料技术(Low Temperature Moulding Prepreg Technology)是一种低成本复合材料生产技术。先进复合材料公司早在70年代就开始研制开发这种技术，经过80年代和90年代的进一步开发，已经成为一种有效的低成本复合材料生产技术[7]。

用低温压制预浸料技术来生产复合材料结构件有许多特点，在原材料、工艺、生产技术、模具、适用性和成本方面有下列特色：（1）不采用热压罐固化；

（2）低温（通常在60℃左右）固化；（3）低压或真空袋固化；（4）采用无支撑后固化；（5）采用廉价材料制造的模具；（6）采用特种树脂体系；（7）预浸料存放寿命较短；（8）可以制造整体大构件；（9）适用于单件或小批量生产；（10）成本可降低50%~70%。

低温成型预浸料技术生产复合材料构件必须采用特殊的原材料——专用的树脂体系。一般树脂体系由三部分组成：基础树脂或其混合物、固化剂或其混合物和增韧剂或其他附加剂。对极大部份复合材料构件而言都采用环氧树脂体系。在过去20多年期间研究发展的环氧树脂体系，其固化剂都致力于延长存放寿命和较高固化温度，亦即树脂体系的反应性很低，预浸料的稳定性很好，较高固化温度是为了获得良好的机械性能，虽然这样的看法并不正确。为了得到可在低温下固化的树脂体系，而且可以采用无支撑后固化，先进复合材料公司研制发展了专用的LTM预浸料和树脂体系，包括： LTM10系列、LTM20系列、LTM30体系、姓名：

班号：

渍模塑成型工艺(See-mann Composites Resin Infusion Manufacturing Process，SCRIMP)、树脂膜渗透成型工艺(Resin Film Infusion，RFI)和结构反应注射模塑成型(Structural Reaction Injection Molding，SRIM)是最常见的先进LCM工艺技术。这类工艺的共同特点是将纤维预成型体放入模腔内，再将一种或多种液态树脂(通常为热固性树脂)在压力作用下注入闭合模中，液态热固性树脂浸渍纤维预成型体待树脂固化脱模后得到产品。这种作用压力可通过模腔内形成真空(真空浸渍)、重力，或者由压力泵或压力容器来提供[11-13]。与其他的纤维复合材料制造技术相比，LCM技术具有诸多优势：可生产的构件范围广，可一步浸渗成型带有夹芯、加筋、预埋件等的大型构件，可按结构要求定向铺放纤维，且具有高性能低成本制造优势。与传统的模压成型和金属成型工艺相比，LCM模具质量轻、成本低、投资小。另外，LCM为闭模成型工艺，能满足日趋严格的苯乙烯挥发控制法规的要求。

LCM工艺技术最早起源于20世纪40年代的Macro法，Macro法相当简单，对模腔抽真空以驱动浸渍过程，美国海军承包商用这种方法开发出了大型玻璃钢增强塑料船体。在20世纪50年代称为RTM工艺，该工艺可以生产双面光滑的产品，树脂的注射压力适中，比手糊工艺优越，所以得到了发展。20世纪50年代至70年代，RTM的应用很少。到了20世纪80年代，随着飞行器的承力构件及次承力构件、国防应用、汽车结构件以及高性能体育用品等的开发，RTM工艺取得了显著的进展，并且在此基础上开发了VARTM、SCRIMP、RFI、SRIM等这些先进的LCM工艺技术。

LCM工艺技术是先进复合材料低成本制备技术的主要发展方向[14]。据报道，欧美等先进工业国家在该领域开展了大量的研究工作，其研究开发耗资巨大。我国“863”计划在“九五”期间在RTM成型技术取得重要研究进展的基础上，部署了应用LCM技术制备车用大型结构件以降低高品质复合材料制造成本的研究计划。

五、树脂模渗透成型（RFI）技术

树脂膜渗透(RFI-resin film infusion)工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的树脂浸渍技术。其工艺过程[15]是将预催化树脂膜或树脂块放人模腔内，然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料，再用真空袋封闭模腔，抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化，并在真空

姓名：

班号：

[1] Guy Hellard.Airbus Structure Policy[C]/AMD Airbus Materials Dialogue 2007.Bremen, 2007.[2] Hu Cuiling(胡翠玲), Xiao Jun(肖 军), Li Yong(李 勇), etal.复合材料自动铺带技术研究(I)平面铺带CAD/CAM软件开发[J].Aerospace Materials & Technology(宇航材料工艺), 2007(1): 47-50.[4] Qian Jun(钱 钧), Xiao Jun(肖 军), LiYong(李 勇).构架式卫星接头自动铺丝的建模研究[J].Fiber Composites(纤维复合材料), 2002(2): 3-5.[5] Qian Jun(钱 钧), Xiao Jun(肖 军), ZhaoDongbiao(赵东标),etal.复合材料构架式卫星接头自动铺丝成型仿真研究[J].Journal of Astronautics(宇航学报), 2004, 25(6): 694-701.[6] Bruce M.Automating Composites Fabrication to Meet Increased Throughput Required by Industries Ranging from Aerospace to Wind Energy, Automation Speeds Composite Production [J].Manufacturing Engineering.2008, 140(4).[7] 陈祥宝.先进复合材料低成本技术[M].北京:化学工业出版社, 2004: 20.[8] U.V.Lauppi,Radiat.Phys.Chem.1990.30, 35.[9] Radiation Curing in Polymer Science & Technology,Volume, 1993.301-339.[10] Batten, R.J, Davidson, R.S.&Wilkinson, S.A.J.Photochem.Photobiol.A.1991,(58): 123.[11] C D拉德, A C朗, K N肯德尔等.复合材料液体模塑成型技术[M].北京:化学工业出版社,2004,5.[12] 黄家康, 岳红军, 董拥祺.复合材料成型技术[M].北京:化学工业出版社,1999,1.[13] 刘雄亚, 谢怀勤.复合材料工艺及设备[M].武汉:武汉工业大学出版社,1994,10.[14] 段华军, 马会茹, 王钧.RTM工艺国内外研究现状[J].玻璃钢/复合材料,2000,5(9):46-48.[15] 王东, 梁国正.用于RFI工艺的高性能树脂膜的研究[J].复合材料学报,2001 ,18(1):38.[16] Pierre Cellea, et al.Numerical modelling of liquid infusion into fibrous media undergoing compaction[J].Eur J Mech-A/Solids,2008,27(4):647.-

第三篇：复合材料自动铺丝技术研究进展

复合材料自动铺丝技术研究进展 The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites

摘要：复合材料自动铺丝技术是在航空航天工业发展起来的一种“低成本，高性能”的先进复合材料自动化制造技术。自动铺丝技术在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的高度重视。本文对自动铺丝的原理、特点、CAD/CAM核心技术以及自动铺丝技术的国内外发展历程与应用进行了全面的介绍，最后展望了自动铺丝的发展前景。

关键词：复合材料，自动铺丝，CAD/CAM Abstract：Automated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced.Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing costs, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries.In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement is fully discussed.Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM

1.引言

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料[1]。以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的先进复合材料具有轻质、高强、高模量、抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点，已在航空航天领域获得了广泛的应用[2]。大量应用先进复合材料是提高航空航天飞行器、运载工具和武器装备效能的重要途径，其用量业已成为航空航天飞行器先进性的重要标志[3]。

自动铺丝技术是在纤维缠绕和自动铺带技术的基础上发展起来的一种先进的复合材料成型技术，在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力[4]，得到工业发达国家的高度重视。国内自动铺放技术起步较晚，南京航空航天大学“九五”期间率先开始调研自动铺放成型技术[5]。哈尔滨工业大学，武汉理工大学，北京航空制造工程研究所等也先后在自动铺放技术领域进行了相关研究。

2.自动铺丝技术简介 2.1 自动铺丝原理

自动铺丝技术全称是自动丝束铺放成型技术（Automated towplacement），也称为纤维铺放技术（Fiber Placement）。它是将缠绕技术中不同丝束独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送等功能结合起来，由铺丝头在压辊作用下将数根丝束（预浸纱）集束成一条宽度可变的预浸带（通过程序控制预浸纱切断与增加来改变预浸带的宽度）后铺放到模具表面[6]。加热软化预浸纱并压实定型，最后加热固化成型（对热塑性体系，可以在铺放过程中直接加热定型，甚至可以取消热固化）。整个过程由计算机测控、协调系统完成[7]。

纤维铺丝机器人通过带有铺放头机械手去加工预浸纤维丝制作复合材料部件。纤维铺放机器人提供了许多传统纤维铺放技术所没有的重要的功能和优势。这些功能包括切割和重送纤维丝，节约材料，精确控制纤维铺放所需角度，可重复性高。此外，机械手的使用增加了纤维铺放过程的柔性，允许制造更复杂的结 构。典型的自动铺丝机有7个运动轴[8]，包括三个定位轴、三个方位轴和一个芯模转轴。自动铺丝技术的原材料采用预浸纱。预浸纱丝束的宽度一般为3.2mm、6.4mm和12.7mm，在铺放过程中，通常同时铺放数根丝束，最新研制的自动铺丝设备最多可以同时铺放32根丝束[9]。自动铺丝机的核心是铺丝头，如图2所示，铺丝头把缠绕技术中不同纤维纱传送独立输送和自动铺带技术的压实、切割重启功能结合在一起。在铺放过程中，每根丝从纱筒上抽下来并通过一个传输系统到达铺放头，在铺放头处复合材料丝被集束成一根丝带被铺放到芯模表面[10]。

图1 自动铺丝机设备示意图

1-模具；2-柔性压辊；3-铺放头；4-预浸纱；5-导纱轮；6-手腕；7-导纱轮；

8-止动装置；9-送纱辊；10-切刀；11-加热装置

图2 铺放头原理示意图

它既可以铺放凸面也可以铺放凹面，还可以铺放复杂的双曲率构件。在铺丝时可以按照要求执行切割丝束和增加丝束的功能，满足对铺层进行剪裁以适应局部加厚、铺层递降和开口铺层的需要。在铺放过程中，每根预浸纱都按它自己的速率铺放到模具表面[11]，柔性压辊使每根预浸纱单独与部件表面相适应。

2.2自动铺丝CAD/CAM技术

由于铺丝时多轴铺丝机器人各关节运动在时间上的协同性，手工编写数控程序来控制铺丝机器人的运动已不可能。且随着计算机技术和自动铺丝技术的发展，一个新的研究领域呈现在人们面前——自动铺丝CAD/CAM技术[12]。通过 CAD/CAM技术计算出每条铺丝路径，确定当前铺丝位置的丝数，从而得到铺丝机所需要的铺丝控制信息。与传统的CAD/CAM技术处理的对象不同，自动铺丝CAD技术的核心任务是按强度要求设计优化的自动铺丝路径[13]。

自动铺丝CAM技术是开发铺丝编程软件技术的一部分，它通过铺丝CAD系统获得铺丝几何信息和纤维丝束信息并进行相应的转换，由转换后的铺丝几何信息生成可以供铺丝机运动控制系统使用的机器人运动控制信息，由纤维丝束信息生成可以供铺丝机裁剪控制系统使用的材料裁剪控制信息，并通过仿真功能实现对铺丝过程的碰撞干涉检测和裁剪信息的合理性检测，同时可以将检测结果反馈给铺丝CAD系统，以修正有可能引起控制信息发生错误的问题。

自动铺放CAD/CAM软件技术包括两种实现途径[14-16]：

1)基于现有通用CAD/CAM系统进行二次开发：通过调用通用CAD/CAM系统的API，通过组合、修改、新增实现自动铺放所需功能。如空中客车公司（AIRBUS）与法国纯数学与应用数学国际中心（CIMPA）联合开发的基于CATIA—CAA的TapeLay系统。采用二次开发方法开发的自动铺放CAD/CAM软件与原有CAD/CAM系统紧密结合，保证了交互、操作、数据的协同性、一致性，易于实现在同一应用平台下复合材料构件设计与制造一体化。

2)非二次开发方式：采用计算机三维图像技术，基于OpenGL或DirectX开发独立的自动铺放软件。采用用户交互输入构件外形几何数据或通过提供相应的转换接口实现通用CAD/CAM文件数据的导入。如美国MAG·Cincinnati公司开发的ACES离线编程与仿真系统。2.3自动铺丝技术的特点

自动铺丝成型技术兼备了纤维缠绕和自动铺带的优点，但比纤维缠绕和自动铺带更先进，对制品的适应性更强，既可以铺凸面也可以铺凹面。由于铺放头采用自由度机器人系统及预浸纱（宽度仅为几个毫米），不仅可极大地提高产品质量和可靠性、降低产品报废率和辅助材料消耗，而且工人的劳动强度大大降低，铺层的取向均匀性等都远比手工铺层高[17-20]。与一般复合材料成型技术相比，自动铺丝技术有如下几个突出的优点：

（1）在自动铺放过程中，每一根丝束都可以独立的实现夹紧、切断和重送，各丝束可独立的以各自的铺放速度铺放，并根据构件形状自动切纱以适应边界，减小废料率，并可以局部加厚、加筋、开口铺层补强来满足多种设计要求，适应于大曲率复杂构件的自动化成形，特别适合于带窗口的机身段、飞机机翼大梁和带凸台和凹面的翼面铺放。

（2）采用多组预浸纱集束成带，具有根据制品形状的需要来增减预浸纱根数的功能；根据构件形状自动切割预浸纱以适应边界，与自动铺带成型技术相比废料率大为降低；可以完成局部加厚/混杂、加筋、铺层递减和开口铺层补强来满足多种设计要求；

（3）采用CAD/CAM及仿真技术，为设计师提供了最大的设计空间，可以实现复合材料设计成型一体化和数字化。

（4）由于各预浸纱独立输送，不受自动铺带中“Natural·path”的限制，铺放轨迹自由度更大、可以实现连续变角度铺放（Fiber·steer技术），尤其适于大曲率、复杂型面复合材料构件制造，能够提高产品质量和可靠性、降低成本，满足各种设计要求，实现先进复合材料的低成本生产和自动化成型，符合“低成本、高性能”和设计制造一体化的发展趋势。

3.自动铺丝技术的研究与应用

自动铺丝技术出现在20世纪70年代，兴起于航空航天工业。它是作为对纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的全自动复合材料成型技术。最早开始自动铺丝技术研制的有Boeing（波音）公司、Hercules公司，而最早把铺丝机应用在产品生产上的公司是波音直升机公司[21]。

3.1 国外自动铺丝技术的发展

针对纤维缠绕技术在飞机机身制造上的不足，美国航空界在20世纪70年代首先对自动铺丝技术进行了研究，经过20多年的发展，自动铺丝技术在美国和欧洲已经成熟，并在航空航天、国防工业上得到广泛应用[22]。数十年来欧美发达国家实施了，由政府和军方组织、高校与科研机构参加的多个复合材料发展计划。这些计划的实施突破了航空复合材料结构设计、材料、工艺等关键技术，推动了复合材料技术的迅速发展，起到了显著的效果。

国外在纤维铺放线型规划方面做了大量的研究工作，形成了多种线型规划模式。Brandmaier研究了复合材料最优纤维方向，提出了复合材料最大强度的理论；Hyer[23]等学者研究了曲线纤维承载能力并在此基础上设计出了抗弯曲的能力更高的复合材料制品；Gürdal等学者优化了四边形板的纤维排布极大的提高了纤维制品承载能力；Bijan Shirinzadeh[24]等学者对复杂曲面构件表面的铺丝路径进行了深入探讨，提出了SCAR算法，减少了铺放纤维间的间隙和重叠等。

自动铺丝理论的深入研究为铺丝CAD/CAM软件的研制奠定了理论基础，欧美发达国家的大型商业软件开发商结合自身软件特色和设备制造商一起已经联合开发了多套商用的自动铺丝CAD/CAM软件[25]。例如：美国堪萨斯大学研制开发的复合材料分析与设计控制系统（SCADS）可将手工铺放和自动铺放两种成型方式有机结合，对复合材料构件进行结构设计和性能分析，优化预浸丝束铺放路径；美国的Cincinnati公司于1989年以CITIA为基础开发的ACES系统可以完成离线模型导入、铺丝线型规划、后处理、加工仿真和NC代码生成等功能；西班牙M-Torres公司也以CATIA为平台开发了相应的自动铺放软件，能够完成多种铺丝线型规划和仿真，极大的方便了操作人员的编程作业。

战斗机F22、F18、X32和F35以及军用战机F/A-18E/F等分别采用自动铺丝技术制造进气道或机身蒙皮等[26]。自动铺丝技术在商用机上也有使用，例如 Raytheon公司的PremierⅠ和霍克商务机的机身部件均采用纤维铺放技术制造。通过这种技术，Raytheon公司首创了没有框架和加强筋的机身外壳结构，而且这种外壳也没有铆钉和蒙皮接点，这些特点使得飞机有了更多的可用空间来容纳乘客或货物。Boeing747及767客机是自动铺丝技术应用于客机制造的典型代表，这两种客机的Φ3m的发动机进气道整流罩试验件都是采用铺丝技术制造的。除 此之外，自动铺丝技术也广泛应用于航天器的制造，如X33储箱、Atlas5型运载火箭防护罩等[27]。可以说自动铺丝技术极大程度的促进了国外航空航天事业的发展。

3.2 国内自动铺丝技术的发展

由于技术封锁和装备禁运，国内自动铺丝技术仍处于起步阶段。南京航空航天大学在国家863项目的支持下研制出国内第一台铺丝原理样机并在此基础上开展了积极有益的探索，完成了8丝束铺放实验系统、铺丝用精密低张力测控系统、铺丝开放式数控系统的研制和溶剂法专用预浸沙研究。目前，南京航空航天大学正在开展自动铺丝工程样机的研制工作，并基于CATIA研发配套的自动铺CAD/CAM软件，为自动铺丝技术在国内应用奠定了基础[28]。哈尔滨工业大学也开展了相关的研究工作，完成了铺放头设计、控制方案和试验性研究工作。在原有的六轴缠绕机的基础上进行技术改造，研制并设计了一种7轴纤维铺放头，提出了相应的控制方案，并对数控铺放系统的后置处理算法进行了系统研究。天津工业大学以直升机Z8F的主旋翼大梁自动铺带为应用背景，开展自动铺丝成型技术的研究工作。

武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所在“十五”期间就开始对自动铺放理论进行了深入的研究，包括：铺放机机构设计仿真、铺放间隙检测、数控铺丝虚拟机开发、研制出9轴控制7轴联动六丝（窄带）铺放原型机等[29]。在铺放制备的研制与工程实践中积累了丰富的经验，为自动铺丝技术的线型规划、运动轨迹规划、CAD/CAM软件系统等的深入研究奠定了很好的基础。图3为武汉理工大学研制的一个自动铺丝原型机。

图3 自动铺丝原型机

尽管引进了一些先进的自动化设备（包括数控剪裁、激光、辅助铺叠设备等），提高了下料自动化程度和丝束铺放精度，但是国内高性能、复杂曲面的复合材料构件基本上以手工铺叠为主。这种状况极大的制约了高性能的复材构件在兵器装备和航空航天领域中的大规模应用，制约了国防发展[30]。因此大力进行自动铺丝技术的研究则显得尤为必要。

4.展望

自动铺丝技术研究的发展方向是与热塑性复合材料直接固结技术、电子束固化技术结合，替代热压罐成型。电子束固化技术是重要的低成本制造技术，可以大幅度降低制造时间、材料消耗和能源。传统电子束固化采用铺叠后一次辐射固化，其电子束的能量高，加速器的初投资巨大，且辐射防护的投资随之增加。采用与自动铺丝技术相结合的手段后可以使用逐层电子束固化的方法，即完成一次铺放后便实施电子束固化，这样可以克服传统电子束固化的缺点。波音公司最新研制的B787机身全部采用复合材料自动铺丝成形，分段整体制造，大大简化了工艺，带来了航空制造技术的变革。自动铺带刚刚用于翼面类构件成形，自动铺丝技术更晚，从技术发展趋势来看，采用自动铺丝技术制造复合材料机身是大型飞机制造技术的必由之路。

而目前我国大飞机项目已经实施，自动铺丝技术在复合材料翼梁制作中得到了极其广泛的应用，而我国在自动铺放装备研制、生产和实际工业应用基本上还处于起步阶段，和国际先进水平存在有较大差距。因此，自主研制自动铺丝机并迅速开展工程应用至关重要。

参考文献

1.Brosius D.Boeing 787 update.High-Performance Composite, 2007(5):56-59.2.沈军，谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发与应用.材料科学与工艺，2008,16（05）：737-740.3.Boeing Company.Boeing opts for composite for 7E7.Reinforced Plastics, 2003, 47(7):10-12.4.姚俊，孙达.复合材料自动铺带技术现状与研究进展[J].机械设计与研究，2011（04）：60-65.5.黄文宗，李丽丽.国内复合材料自动铺放技术发展[J].航空制造技术，2014（16）：84-89.6.M Belhaj, M Deleglise.Dry fiber automated placement of carbon fibrous performs.Composites, 2013(50):107-111.7.Pierre Debout, Emmanuel Duc.Tool path smoothing of a redundant machine: Application to Automated Fiber Placement.Computer-Aided Design, 2011, 2(43):122-132.8.富宏亚，韩振宇.纤维缠绕/铺带/铺丝成型设备的发展状况[J].大飞机复合材料制造技术，2009（22）：43-46.9.孙成.复合材料翼梁自动铺丝技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.10.胡小立.纤维丝铺放机构的设计研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.11.张庆涛.自动铺丝技术的铺层设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2014 12.杨玉岭.复合材料自动铺丝CAM技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.13.周燚.复合材料自动铺丝CAD技术研究[D].南京：南京航天航空大学，2006.14.还大军.复合材料自动铺放CAD/CAM关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2010 15.杨帆.基于CATIA的自动铺丝机运动仿真系统开发[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.16.B Shirinzadeh, Gursel Alici, Fabrication process of open surfaces by robotic fiber placement.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2004(20):17-28.17.韩振宇，王振宇.自动铺丝构件缺陷形成的机理研究进展[J].纤维复合材料，2014,3（04）：3-7.18.Vogl Grant A, Hyer Michael W.Nature vibration of unsymmetric cross-ply laminates[J].Journal of Sound and Vibration, 2011,330(6):4764-4779.19.文捷.自动铺丝复合材料加筋结构力学分析[D].南京：南京航天航空大学，2014.20.Kaven Croft, Larry Lessard.Experiment study of the effect of automated fiber placement induced defects on performance of composite laminates[J].Composites, 2011, 5(42):484-491.21.Grant C.Automated processes for composite aircraft structure[J].Industrial Robot: An InternationalJournal.2006, 33(2): 117-121.22.Roberts T.Rapid growth forecast for carbon fiber market[J].Reinforced Plastics, 2007,51(02):10-13.23.Hyer MW, Charette R F, Use of curvilinear fiber format in composite structuredesign[J].AIAA Journal, 1991, 29(6): 1011-1015.24.Shirinzadeh B, Cassidy G, Oetomo D, et.Trajectory Generation for open-contoured structures in robotic fiber placement[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2007, 34(4):380-394.25.Kazem Fayazbakhsh, Mahdi Arian Nik.Defect layer method to capture effect of gaps and overlaps in variablestiffness laminates made by Automated Fiber Placement[J].Composite structures, 2013(97):245-251.26.Helth J.Inside manufacturing: automated tape-laying excels for F-22’s wing skin panels high perform[J].Composites , 1999,7(5):6-7.27.刘善国.国外飞机先进复合材料技术[J].航空制造技术，2014（19）：26-31.28.张洋，钟翔屿.先进树脂基复合材料自动丝束铺放技术研究现状及发展方向[J].航空制造技术，2013（23/24）：131-140.29.张建宝，肖军.自动铺带技术研究进展[J].材料工程，2010（7）：87-91.30.杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

第四篇：复合材料自动铺带技术应用及方案示例

复合材料自动铺带技术应用及方案示例

newmaker

大飞机复合材料的应用

国外大型军用、民用飞机中复合材料构件的比重迅速增加，波音787的复合材料构件已占结构重量的50%以上，A350复合材料构件将占结构重量的52%，俄罗斯开发中的MC21，复合材料用量也将占结构重量的40%～45%，A400M军用运输机上复合材料用量已达结构重量的35%。

国内ARJ21复合材料用量不多，大型结构件仅在方向舵上采用了复合材料。大飞机正在研发过程中，考虑到当前和飞机生产出来后（至少7～8年后）的国际水平，参照国外的A380、波音787、A350、A400M、MC21等大型飞机，以及国内设计能力、试验能力、生产设备条件和工艺水平等，大飞机上复合材料构件占结构重量至少应不低于25%，达到舵面或机翼采用复合材料结构的水平。而对舵面或机翼复合材料结构件的制造，当前最有优势的制造方法就是自动铺带技术。

自动铺带技术的发展

所谓自动铺带技术，就是采用数控铺层设备，通过数字化、自动化的手段实现复合材料预浸布、带的连续自动切割和自动铺放。主要工作过程为：将复合材料预浸料卷安装在铺放头中，预浸材料由一组滚轮导出，并由压紧滚轮或可随形机构压紧在工装或上一层已铺好的材料上，切割刀将材料按设定好的方向切断，能保证铺放的材料与工装的外形相一致。铺放的同时，回料滚轮将背衬材料回收。

自动铺带作为典型的增料加工成型技术，其成型设备的制造技术涉及机电装备技术、CAD/ CAM软件技术和材料工艺技术等多个研究领域，可实现：

（1）最大限度地利用单向预浸带（优于手工铺层采用的预浸布），并可减轻结构重量；

（2）可更自由地设计铺层，发挥复合材料可设计性优势，在应力梯度和应力异常的区域选择性铺放补强，实现了整个结构的零剩余强度；

（3）提高工作质量和铺放效率。

采用该技术，可提高复合材料裁片外形、纤维方向等几何参数的精确度和铺叠位置、方向、角度的准确性，从而避免了人为铺放产生的偏差，如产品出现缺陷的几率大、零件制造质量重复性差、质量分散性大，以及尺寸精度和铺放位置准确度不能满足大尺寸、高精度零件制造的要求等问题。采用复合材料自动铺带技术可在提高质量的同时，大幅度地节省原材料，降低制造成本。同时，由于可以实现整个结构的零剩余强度设计，结构重量大大减轻。

自动铺带技术于20世纪70年代由Boeing、Cincinnati Milacron、Hercules等公司联合开发，已经经历近40年的发展。目前，世界上复合材料制造技术较先进的公司（如Boeing公司、AIRBUS公司、ECF公司等）在飞机复合材料构件的制造中均已广泛采用复合材料自动铺带成型技术。采用该技术制造的复合材料零、部件已安装于现今生产的许多型号飞机上。

目前，美洲、欧洲、亚洲的几十家制造商在应用自动铺带技术制造复合材料结构。空客法国Nate工厂中，现有十几台铺带机在生产线上运行；空客德国Stade工厂有一条4台铺带机组生产线；空客西班牙的Illescas工厂有6台铺带机在运行；日本三菱重工、富士重工等也已应用了此项技术。

虽然国内自动铺带技术研究起步较晚，但在技术研究和设备研究方面也已有一定的成果，国内自动铺带技术也不再是空白。从2004年开始，南京航空航天大学与航空材料研究院联合开发自动铺带设备，完成了小型铺带机的研制，并应用于复合材料结构件的研制；北京航空制造工程研究所与Forest-Line公司合作研制的大型复合材料自动铺带机的调试工作已接近尾声，有望在“十二五”实现应用，可以满足小曲率大型壁板类复合材料构件的制造；国内开展自动铺带技术研究的还有武汉理工大学、天津工业大学等多所大学，包括铺放机构、数控系统和人机交互等研究工作。

2007年，哈飞集团从西班牙M.Torres公司购买了一台复合材料自动铺带机，并已开展了复合材料自动铺带制造技术应用研究，将在2010年初与空客公司合作，进行A320方向舵前、后梁的生产。该设备采用龙门式结构，主要包括带装夹和释放(开卷)系统、衬纸带回卷系统、带缺陷检测传感系统、带对中和导向系统、切带系统、铺带和压实系统、工作区域安全系统、铺带监控系统、带卷装卸系统、工装定位及自动补偿系统等。

（1）该设备具有自动切割与自动铺放未经固化的树脂基单向纤维带功能，能够在模具上自动铺放多层平面和曲面的复合材料零件。

（2）该设备在铺层时能够对铺层路径进行手动和自动设置，自动功能具有最佳的铺层路径，每层带可在±90°之间采取任意角度和任意方向的铺放。

（3）能够铺放复杂切割路径的铺层和零件局部加强铺层。（4）铺带机构能按零件程序顺应形面，以可控制的压力将带平顺铺放和碾实、无褶皱、无气泡和具有程编规定的带与带间隙。

（5）所铺带宽规格分为75mm、150mm和300mm三种。

舵面或机翼铺带制造方案设计制造原则

设计理念：在复合材料结构整个设计过程中始终贯穿设计与工艺制造一体化、并行工程的设计理念，使复合材料结构件在设计、分析、成型、装配、检测、使用、维护和修理等各环节找到最佳的平衡点。

设计手段：采用数字化的设计手段，保证设计数据是唯一的产品数据源，实现复合材料构件100%的计算机辅助设计。适宜采用专用设计软件FiberSIM、CPD、COVERS等。

制造方法：应用先进的自动化设备（自动铺带机、自动下料机、热成型设备、柔性复合材料专用切钻设备和大型C扫查设备等）符合复合材料自动化低成本化制造趋势，由此可以保证复合材料结构产品质量稳定可靠，并能提高产品性能、设计许用值和劳动效率，减轻结构重量。选材方案

材料体系选择是复合材料结构设计的基础，涉及到承载和使用功能要求、工艺性、成本、使用经验和供应渠道等多方面因素，是综合考虑的结果，国外主要的几种铺带预浸料见下表。

国产的CCF-1碳纤维，树脂可选择北京航空材料院或北京航空制造工程研究所生产的环氧或双马树脂，可供选用的树脂按固化温度分类，有中温固化（125℃）和高温固化（180℃）两大类。机翼翼盒典型设计结构

为了便于采用复合材料自动铺带技术，在设计上最好避免使用蜂窝结构。因此在结构设计时，主要采用层板结构，但层板结构抗弯性能不好，为提高层板结构抗弯和抗扭能力，需要采用加强筋类结构来提高结构的抗弯、抗扭能力强度。通常在翼盒段结构设计方案主要包括上整体壁板，带有开口的下整体壁板、前后梁腹板、端部密封肋、加强肋和普通肋。各梁腹板和肋上都可采用加筋方式以增加强度。各零件独立制造后，再装配成为整体盒段。各主要零部件均可采用复合材料设计。

整体壁板采用铺带的蒙皮与预固化的长桁共胶接成型技术。目前有2种方案可供选择：格栅式整体壁板和长桁加筋式整体壁板。在满足设计要求的情况下，前者成型难度较大，但用在油箱区密封性较好；后者成型相对简单，但与肋连接时蒙皮表面会有很多连接件，进而降低了油箱密封的可靠性。制造方案

制造技术主要采用自动铺带技术、自动剪裁技术、热压实技术、共胶接或共固化技术等；而固化主要采用传统的真空袋热压罐法；切钻采用复合材料专用铣床及柔性装夹技术。

工装类型主要有壁板蒙皮的铺放成型工装，蒙皮壁板的共固化或共胶接成型工装，梁、肋的热成型工装、成型工装。蒙皮壁板切割可采用专用切钻夹持工装或采用柔性夹具，而梁、肋不适宜采用柔性夹具夹持，最好设计制造专用夹持工装。

上述的设计方案可最大限度地采用复合材料自动铺带技术。无论是蒙皮、加强筋，还是前后梁、肋等复合材料设计的零件，材料铺放都可以用铺带机来完成。但是由于铺带机结构上的限制，只能适宜铺放小曲率零件，而对于加强筋、梁、肋等零件，一般截面为T形、I型或U形，零件截面尺寸小，且存在大曲率R角，铺带机无法在T形或U形上模具上直接铺放。因此，对于蒙皮类零件和梁、肋等零件，在造型过程上有些不同，蒙皮类零件造型可以直接铺放完成，梁、肋等零件造型需采用其他方法间接来完成。

上下壁板制造过程一般包括长桁造型、蒙皮铺放、蒙皮长桁组装、固化、切钻、外形尺寸检测、无损检测等。上下壁板的成型过程分3步进行：

第一步，制作长桁。可用大型通用平台，在平台上铺带，形成具有一定厚度的平板铺层，用自动裁床按长桁尺寸剪裁，一次可剪裁多条长桁，再用热成型工艺分别造型；

第二步，蒙皮铺放。由于蒙皮曲率较小，可直接采用自动铺带机铺放在成型工装上；

第三步，蒙皮长桁组合成壁板。长桁定位放置在蒙皮壁板的共固化或共胶接成型工装上，无论格栅式整体壁板还是长桁加筋式整体壁板都可通过共胶接或共固化技术成型。

然后，将组合后的壁板和工装一起送入大型热压罐加温加压固化成型。脱模之后，需去除无用的产品余量，一般采用五轴铣床和柔性夹具系统（或硬夹持工装）切边和钻孔。然后进行外形、尺寸的无损检测；合格后，即可进行下一步的装配。经过这一个复杂的过程，即完成了自动铺带复合材料壁板的制造。

结束语

自动铺带技术的成功应用，不仅体现复合材料成型自动化相对于传统成型方法的绝对优势，而且预示着复合材料成型自动化是未来几十年复合材料制造技术发展的必然趋势。目前，自动铺带技术大多用于铺叠强度要求高的大型构件，如机翼蒙皮、舵面等，经过了几十年的发展，具有高效率、高质量和低成本优点的自动铺带铺放技术已经成为发达国家航空复合材料构件的成熟制造技术，这一制造技术在国内的引进和发展，也必将在国产大飞机的研制和生产中占有重要的地位，为国产大飞机的顺利升空提供强有力的技术支撑。(end)