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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

TheResearchProgressofAutomatedFiberPlacementTechnologyforComposites

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：

AutomatedFiberPlacementisasortofautomatedmanufacturetechnologywhichwasraisedfirstatthefieldofaeronauticsandastronautics,andthroughit,thelow-costandhigh-qualityadvancedcompositematerialcanbeproduced.AutomatedFiberPlacementhasgreatpotentialinreducingmanufacturingcosts,improvingefficiencyandfunction,gainingmuchattentionofindustrialdevelopmentcountries.Inthispaper,theprincipleandcharacteristicofAutomatedFiberPlacement,thecoretechnologyofCAD/CAM,thedomesticandforeigndevelopmentprocessandapplicationofAutomatedFiberPlacementisfullydiscussed.Finally,thedevelopmentoutlookofAutomatedFiberPlacementisprospected.

Keywords:

compositematerials,AutomatedFiberPlacement,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（Automatedtowplacement），也称为纤维铺放技术（FiberPlacement）。

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；BijanShirinzadeh[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。

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