复材制件数字化制造及先进设备的应用

复材制件数字化制造及先进设备的应用
摘要：随着科技的不断发展，传统的复材零件结构已经不能满足现有的航天
航空的要求，渐渐向复杂化和多元化转变，很大程度上提升了材料尺寸上的精准度。

与此同时，复合材料的数字化制造也正在逐渐提升软件的开发力度，促使软
件能够满足制作过程中方便快捷的硬性需求，数字化软件会对复合材料的制作过
程进行不断完善，尽可能扩大复合材料的数字化制造可行性，再加之其他先进设备，不仅能够将飞机外形精度提升一个阶梯，也能够控制成本，保证复合材料数
字化制造的进一步提升。

关键词：复材制件；数字化制造；航空航天先进设备
引言
近年来，人类在航天领域上不断突破自我，航空航天业向着更高一级迈进。

在此大背景下，人类不断对航空航天提出更高要求，这促使组成飞机的构成零件
不断复杂化，保证零件质量的同时还要进行不断创新。

先进的复合材料数字化制
造和先进的设备能够促进航空航天的进一步发展。

本篇文章通过对当下航空航天
业中复合材料的数字化制造以及现有的先进设备进行分析，找到能够影响其发展
的关键点，从而提出有针对性的教学方式方法，以供航空相关工作人员参考借鉴。

一、复合材料数字化制造技术的现状
（一）数字化
数字化技术迅猛发展中，在各行各业的生产中数字化技术相比于传统的生产
技术而言更加高效快捷，精准度也有很高的保障。

航空航天制造业对于构件的精
准度和质量有着更高的要求。

将数字化技术和航空航天制造业相融合，能在设计
和制造的过程中尽可能减少制造时间，降低零件的报废率，提高零件的使用期限，从而达到在保证质量的基础之上降低成本的目的。

目前，数字化制造是制造业的
最大趋势。

（二）复合材料
复合材料凭借其密度低、强度高等特点，成为航天航空重要的四大结构材料
之一，其中最具代表性的复合材料是碳纤维复合材料，复合材料的应用影响着飞
机制造水平的高低。

在航空航天领域，设备运行的环境是变化莫测的，面对较为
复杂且恶劣的应用环境，复合材料耐腐蚀、耐热膨胀、耐疲劳，对国防军事起到
了重要作用。

（三）复合材料制造数字化
在航空航天复合材料零件的数字化制造过程中，需要先进设备进行生产，将
零件的数字模型或者图纸数据输入到设备和软件中，制造出数据模型，通过数控
一系列程序后进入到激光投影。

相比于传统的工艺人员拿到零件图纸后生成铺层
样板，通过工人的人工定位在材料上获得切割后的料片，再按照工艺规程以样板
定位铺叠，数字化制造能够省去人工成本，并将时间成本和复合材料成本的浪费
降到最低。

例如：在生产最初需要数控下料机，控制原材料的加工数量；现代大型飞机
制造中还需要自动铺带机控制铺带头运动轨迹，提高零件的稳定性；激光铺层定
位仪能够进行定位校准，提高材料生产的精准度。

碳纤维复合材料价格昂贵，数
字化生产制造能够尽可能地减少废料损耗，提高零件生产质量，最直接降低生产
成本。

传统复合材料工艺设计要先对结构进行分析模拟，通过软件支持进行铺层
设计以及优化，参考复合材料构件制造工艺的数据和输出设备的制造数据优化铺
放工艺参数，最后进行半自动铺放或者自动铺放。

复合材料数字化制造能够有效
对铺层进行分析，实时监控铺叠过程，实现精准铺叠。

二、复合材料制造数字化和先进设备的应用
（一）复合材料制造数字化的应用
复合材料制造数字化能够追溯一切制作流程，精准获取每个环节的具体数据，从下料开始，每一层的制造数据都可以准确无误地传递给下一层，有针对性地对
每一个零件进行全方位的定制，精准保证生产的效率和质量，通过提高精准度最
大化减少生产成本。

例如：复合材料制造数字化可以通过软件进行二维展开，完美掌握零件切割
的精度和准度，在将传统的图纸转化为精确的数字后，在复合材料零件数字化制
造流程中，会先结合制件理论外形关键空间站位和设计图纸的具体铺层信息先结
合生成工程数模（此处需要应用Filer SIM软件），有了工程数模就可以进行工
装拟合，通过制造数据集建立到数据关联，再通过数控测量设备进行工装测量，
再到工装拟合、数据关联、数字化制造实施。

整个过程的应用中需要用到设备有
数控测量机、自动下料机、激光投影仪等。

Filer SIM软件能够通过材料基础信
息和具体功能建立数学模型，并通过分析总结，对铺叠的过程进行预估，将工程
数模转换成可用的数据后进行预浸料建材，能够最大减少误差。

激光投影可以对
铺叠定位样板进行取值，然后进行精准的定位。

复合材料制造数字化在壁板的制
造应用中前景也十分好，能够保证数值的准确，对于复杂的铺层也能通过铺层的
数据进行精准定位，最大程度减少了浪费。

蜂窝夹层类结构的零件是轻质料材，
能够减少零件重量，但比刚度和比强度十分高，是一种被广泛应用的飞机制造材料，多用于飞机的地板和螺旋桨。

其中B58高速轰炸机中蜂窝夹层结构的应用面
积达到了百分之八十五，在一些军事飞机中，蜂窝夹层面积可以高达百分之九十。

蜂窝夹层结构较为复杂，蜂窝芯间距较小，曲率很大，所以对于其零件的制造工
艺也有更高的要求，这一点在蜂窝夹层结构U型多块封层构件蜂窝芯的制作中得
到了最大体现，这一构件制作目前只能够通过数控下料机和激光定位进行数字化
制造。

在进行蜂窝夹层结构的零件制造中需要采用CATIA CPD软件进行工艺评估，能够实现无缝连接，制造效率大幅度提高。

数字化制造可以保证数据的一致性和
唯一性，能够在设计、分析、制造的过程中实现无误差，可靠性得到进一步体现。

（二）先进的设备应用
复合材料制件数字化技术离不开先进的软件和设备支撑，数字化技术将人工
替换成机器，机器越高效、精准度越高，得到的零件质量也就越好，成本越低廉。

先进的生产设备需要共同开发，不断前进才能够保证航天航空的发展。

例如：在复合材料数字化的制造过程中需要应用的软件有Filer SIM以及CATIA CPD，Filer SIM软件可以制造性评估零件是否满足设计要求，能够提供完
整的设计和制作方案，能够预测出在复杂的零件模具上复合材料的铺敷，实现分
析设计自动化，能够预测制造可行性并生成铺层图以及材料表等数据文档，节省
时间成本，将设计高效完成。

Filer SIM软件可以先建立数据模型，生成的信息
数据可以直接对接到自动下料机中，保证初始的预期模型与成品一致。

CATIA CPD被应用于更加复杂的蜂窝夹层结构的构件制作中，其能够结合设计的数据模型，将具体的模型细节进行分解，方便后续通过激光投影进行定位切割，在切割
的过程中，CATIA CPD创建切割曲线，确定铺层，通过对数据模型的估算确定切
割直线。

自动下料机能够接收到软件传输的具体数值从而进行精准下料，激光投
影能够应对更加复杂的零件模型，铺层更为复杂、数量更多的样板可以在激光下
进行精准定位，在切割过程中，能够保证昂贵的复合材料最大限度地使用，避免
材料的浪费，直接降低了零件制造成本。

总结：新时代下，人类对未知的求知欲在逐渐加深，航空航天的前景广阔，
还处于发展初期，需要资金和技术的支撑。

对于这项高资金投入的行业来说，控
制成本是十分重要的，先进的生产技术能够将错误降低的同时得到更高的回报率。

九层之台，起于垒土，飞机的构建外形需要复合材料的零件组装，零件的质量和
好坏决定着航空航天事业的发展，希望在今后的发展中能够找到更好的高新技术，为航空航天的发展助力。

参考文献：
[1]吕雪,蒲永伟.复材制件数字化制造及先进设备的应用[J].航空制造技
术,2014(22):102-105.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2014.22.023.
[2]李培旭,陈萍,苏佳智,陈吉平,韩小勇,高龙飞,刘卫平.闪电防护铜网在航
空复材制件VARI成型工艺中的树脂导流应用[J].航空制造技术,2017(08):99-
103+109.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.08.099.
[3]万喜伟,王海青,徐洪波,王衡.某大型复合材料结构胶接面次生缺陷解决过程分析[J].航空制造技术,2014(11):96-99.DOI:10.16080/j.issn1671-
833x.2014.11.019.。