自动铺带技术研究进展

　　复合材料构件在各个领域的大量应用得益于自动成型技术在复合材料设计和制造过程的广泛应用。自1985年以来，自动化成型技术已逐渐渗透到复合材料设计和制造的各个领域(缠绕成型、自动铺放成型(铺带、铺丝)、拉挤、编织、缝合和RTM等等)，其在推动复合材料设计和制造技术发展、降低构件制造成本中的巨大作用已达成广泛共识。复合材料成型自动化不仅大大提高了复合材料构件的生产效率，降低了生产成本，而且通过对成型工艺参数和技术指标的精确控制，极大提高复合材料构件质量的可靠性和稳定性，并为复合材料构件制造系统的整体优化奠定了基础。

　　l 自动铺带技术

　　自动铺带技术是欧美国家广泛发展和应用的自动化成型技术之一，集预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能于一体，且具有工艺参数控制和质量检测功能的集成化数控成型技术。它涉及自动铺放装备技术、预浸料切割技术、铺放CAD/CAM技术、自动铺放工艺技术、铺放质量监控、模具技术、成本分析等多个研究方向。

　　20世纪60年代中期，复合材料自动化成型技术开始涌现，美国率先在先进复合材料制造领域开发自动铺带技术，并实现人工辅助铺带到全自动铺带的转型。80年代以后，自动铺带技术开始广泛应用于商业飞机的制造领域。欧美航空制造商将自动铺带技术广泛应用于多种飞机型号，主要包含F-22(机翼)、Boeing 777(全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮)C-17(水平安定面蒙皮)、V-22(旋翼蒙皮)A330/A340(水平安定面蒙皮)和A380(安定面蒙皮、中央翼盒)等。经90年代的蓬勃发展，自动铺带技术在成型设备、软件开发、铺放工艺和原材料标准化等方面得以深入发展，并在大型飞机(Boein9787，A400M，A350XWB)得以更加广泛的应用。

　　2 自动铺带技术研究

　　2.1 自动铺带设备

　　目前，自动铺带机主要分为两类：10轴龙门式自动铺带机和专用自动铺带机。与一般复合材料自动化成型技术(拉挤、缠绕、模压、RTM、编织等)不同，自动铺带机不仅要精确控制铺带头运动轨迹，而且要实现铺带头内部预浸带输送、铺放和切割等运动，并可对预浸带质量(宽度、夹杂、缺纱等)、预浸带进给、切割质量、成型温度、成型压力和铺带间隙等技术指标进行精确控制。故自动铺带机不但需要明显高于其他复合材料自动化设备的加工精度和运行平稳，而且需要更强大的控制功能和灵活性(多轴插补、多I/O控制点、多模拟量控制)。

　　欧美各自动铺带机制造商据此开发了自动铺带设备数控系统，并根据现有铺带机的不足，设计并制造各种新型铺带成型设备。美国Cincinnati公司采用开放式数控系统CMl00开发自动铺带设备;西班M-Torres公司以通用的FANUC数控系统为平台，开发最大控制轴数为11的自动铺带数控系统Toerrslayup;法国Forest—line公司以Siemens840D为平台开发自动铺带控制系统。Boeing公司针对现有铺带机铺放效率仍显不足的现状，开发多铺放头铺带机，M-Torres公司则就此问题研发多带平行铺放铺带系统Forest-line公司针对铺带机切割效率低下的技术壁垒，研制双头两步铺带成型统。

　　2.2 自动铺带CAD/CAM/CAE技术

　　自动铺带成型作为典型的增料加工自动化成型技术之一，其CAD/CAM技术与普通切削加工截然不同，受到更多方面的因素影响，如原材料体系、材料设计(单层材料设计)、产品结构与铺层设计、线型设计、工艺制度设计(成型温度、成型压力等)、运动参数计算、成型加工与检测、模具技术等。

　　自动铺带部分摆脱了缠绕成型的线型限制(不架桥、周期性)，但由于预浸带的特性，依然受到“自然路径”(测地线)的限制。据此，提出了基于“自然路径”的自动铺带CAD/CAM求解算法，并将其成功应用到CAD/CAM软件中。美国Cincinnati公司和西班牙M-Torres公司分别以CATIA为基础开发自动铺带成型CAD/CAM软件(模块);法国Forest-line公司采用CIMPA SA注册的TapeLay软件进行CAD/CAM设计，其将自动铺带CAM软件模块集成在CATIA V5大型工程软件中，可实现多种轨迹规划线型比较与仿真。VISTAGY公司FiberSIM软件可兼容多种大型工程软件，如CATlA V4，CATIA V5，NX和Pro/ENGINEER等，其Tape Laying In-terface模块可调用工程软件中的铺放模型，自动生成铺带代码文件。CGTech公司开发独立于CNC机床环境的自动铺放编程与仿真软件VERICUT Composite Programming and Simulati-one Suite，AF-PT/Koelrit公司热塑性铺带系统得益于CGTech公司软件解决方案，极大缩短系统开发周期。

　　2.3自动铺带工艺研究

　　在预浸带铺叠过程中，通过对预浸带铺放速度、铺放温度、铺放压力等因素的协调控制，使预浸带处于铺叠成型的工艺窗口。在保证预浸带处于适宜的工艺窗口内的条件下，应最大程度提高预浸带的铺放效率。预浸带的铺放效率也受到成型模具复杂程度的限制。自动铺带成型自动铺丝成型和手糊成型的铺放效率与模具复杂性间的关系，如图1所示。相对于自动铺丝和手糊成型，自动铺带的成型效率最高，但其应用范围受到双曲面模具复杂程度的限制。

　　图1模具复杂性对成型效率的影响

　　自动铺带成型以不同宽度的预浸带(75，150，300mm)为原材料，且预浸带可采用热固性或热塑性树脂作为基体材料。其中，热塑性铺带成型技术和高能束固化(原位电子束固化)技术是目前国际上自动铺带成型技术的研究重点。

　　热塑性铺带成型技术的研究主要集中在其热传导模型(传热和结晶)理论推导和工艺参数优化研究两个方面。R Pitchumani等研究了热塑性铺放成型过程，并建立理论模型，可有效描绘成型过程对层间结合和层间空隙的影响。S Turnkor等研究工艺参数对热塑性层合构件质量的影响，并利用计算机绘出了温度分布图;Dirk Heider等以热塑性铺放技术为背景，开发在线的神经网络工艺优化系统，可在满足最低加工质量和质量恒定的前提下，尽可能提高铺放速率，降低构件制造成本。X Guan和R Pitchumani研究热塑性铺带成型加热过程中热冲击问题，采用参数分析法分析热传输过程的各种影响因素，并建立了相邻纤维间和层间球粒状微观结构单元生长的动力模型，选定了适宜的工艺窗口和球粒的平均尺寸范围。Robert C Costen等研究复合材料变厚度构件原位自动铺带成型技术在铺放区域内部启停时热传导过程的瞬态变化问题;Mark A Lamontia和Mark B Gruher等研究热塑性铺带成型技术，并采用混合制造成型(纤维缠绕、自动铺带和自动铺丝)的方法完成多种热塑性复合材料筒段构件的制作，并对同类构件进行质量对比实验研究。Fazil O Sonmez和Mustafa Akbulut在热塑性铺带传热过程中引入残余应力和非最优状态操作对成型构件的影响因素，进一步完善了热塑性铺带成型传热的理论模型。

　　自动铺带技术与电子束固化技术相结合，不仅可避免了大型复合材料构件热压罐固化过程，而且可避免大规模的抽真空过程，可有效降低构件的生产成本。Daniel L Goodman和Catherine A Byrne等对原位电子束固化在自动铺带技术中应用进行研究，指出此项技术在航空、航天以及运输工具中的复合材料大型构件生产中极具潜力，据工厂实践可降低成本10%～60%。

　　3 国内自动铺带技术发展

　　国内自动铺带技术研究较晚，南京航空航天大学率先开始自动铺放技术的研制。自2004年起，南京航空航天大学已研制完成三部自动铺带机：小型铺带原理样机、十轴中型自动铺带工程样机和大型筒段专用自动铺带机(图2)。

　　图2南京航空航天大学研制的自动铺带机

　　南京航空航天大学设计并开发自动铺带机数控系统，改进部分自动铺带控制技术(随动切割技术、预浸带输送技术和成型压力控制技术等);验证在可展曲面上自然路径和测地线的等价性，提出基于曲面三角面片离散的求解算法;在此基础上，研究平面构件和可展曲面构件(筒段和圆锥)自动铺带成型CAD/CAM技术，并针对开口、补强进行研究工作;针对铺放轨迹的测地线求解问题，研究曲面测地线数值解法。

　　武汉理工大学对自动铺带的数控系统、成型机构和人机界面等进行研究工作，并在Pro/E，Solidworks，OpenGL软件平台上对其成型机理进行设计和仿真验证。

　　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，开展自动铺放成型技术的研究工作。在Pro/E工程软件平台上进行大梁自动铺带系统的机构概念设计和仿真验证，并采用西门子840D系统实现此铺带系统的插补运算和控制、龙门架移动和横梁移动的同步驱动等功能;采用其内置PLC完成铺放设备外围动作。

　　4结束语

　　自动铺带成型是复合材料自动化成型的典型代表，其具有高效、高质量、高可靠性、低成本的特点，特别适合于大尺寸和复杂构件的制造，减少了拼装零件的数目，节约了制造和装配成本，并极大地降低了材料的废品率和制造工时。在国外技术封锁、缺乏技术资料的情况下，国内自动铺带技术的研发工作取得阶段性进展。但仍有大量的研究工作需要完成，如热塑性铺带技术、高能束固化、工艺性能优化和原材料体系等方向。

　　复合材料成型自动化是未来复合材料制造技术发展的必然趋势。如何以复合材料成型自动化研究为契机，借鉴国外先进制造技术，研制具有自主知识产权的成型设备，开发相应的成型技术，是科研工作者的紧要任务。