自动铺带技术研究现状

自动铺带技术研究现状

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在航空航天领域，面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准，复合材料轻质、高强度的优势，能使航空航天器减重，在构件结构轻量化进程中发挥着突出的作用。先进复合材料用于航空航天结构上，可相应减重20%～30%,美国 NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料的发展报告中指出，复合材料机翼机身和气动剪裁技术可相应减重24.3%，且相对于其他减重措施，减重效果最为明显。

目前，复合材料在飞机上的用量日益增多，其应用范围也从次承力结构（舱门、整流罩、安定面等）扩展到主承力结构（机翼、机身等），结构重量比已达到50%。复合材料在A380、波音787、A350、A400M的大规模应用使复合材料在航空领域展现再度“起飞”的态势，而国内大型飞机研制重大科技专项的立项必将加快国内飞机结构复合材料化的进程，促进国内复合材料产业的跨越式发展。

复合材料低成本制造技术是目前国际复合材料技术领域的核心问题之一，包括材料技术低成本、设计技术低成本和制造技术低成本；涉及多种复合材料成型技术，如缠绕成型、自动铺放成型（铺带、铺丝）、拉挤、编织、缝合和RTM等等。自1985年至今，降低成本的结构设计/材料/制造一体化技术和成形工艺技术一直是复合材料低成本制造技术的研究重点，而自动化成型技术是将结构设计、材料和制造连为一体的纽带和桥梁，实现CAD/CAM/CAE技术在复合材料制造领域的应用和发展，并为复合材料构件制造系统的整体优化奠定了基础。在复合材料成型过程中采用自动化技术，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。

自动铺带技术是复合材料成型自动化的典型代表，集机电装备技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术于一体，包括自动铺放装备技术、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。其具有高效、高质量、高可靠性、低成本的特点，特别适合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。

自动铺带技术及其发展

自动铺带技术是集预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能于一体，且具有控温和质量检测功能的复合材料集成化数控成型技术，能够在一定范围内替代原有手工成型中的复合材料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系统等设备。自动铺带采用压实机构（压辊或压靴）提供成型压力，摆脱了缠绕成型线型轨迹的限制（不架桥、周期性）。

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，并实现从人工辅助铺带到全自动铺带的转型。

第一台全数控龙门式自动铺带机是在美国空军的航空材料实验室的资助下成功研制的，曾用

于制造 F-16战斗机的复合材料机翼部件。70年代末期至80年代初，第一批商业生产的自动铺带机（平面、曲面）推出，并用于军用轰炸机B-1、B-2的飞机部件制作；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；同期，美国航空制造商将自动铺带技术广泛应用于其他项目，主要包括：F-22战斗机(机翼)、Boeing777民用飞机（全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮）和军用C-17运输机（水平安定面蒙皮）、V-22（旋翼蒙皮）等。欧洲复合材料铺带成型的产品含有机翼蒙皮、尾翼、翼梁、增强肋等，主要包括空客A330/A340（水平安定面蒙皮）、A340-500/600（尾翼蒙皮）和A380（安定面蒙皮、中央翼盒）等。

自动铺带技术经过90年代的蓬勃发展，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，软件界面更加友好，铺放效率和可靠性更高。2006年以后，欧美将自动铺带技术应用于Boeing787（中央翼盒、主翼蒙皮、尾翼）、A400M（机翼、翼梁）、A350XWB（机翼、蒙皮、中央翼盒）等型号飞机。经过几十年的发展，铺带技术在大型运输机、轰炸机和商业飞机上的应用不断增加，自动铺带机装备技术也日益完善。

目前，自动铺带机已发展到第五代产品。带有双超声波切刀切割系统和在线检测系统的10轴铺带机已经成为自动铺带系统的标准配置，铺带成型质量显著提高，铺带效率已是手工铺叠的数十倍。多铺放头铺带机（Boeing）和针对特定构件的专用铺带机（Boeing）是美国自动铺带机的重点研究方向；双头两步铺带（Forest-line）、多带平行铺放（M-Torres）和超声切割复合化（M-Torres）是欧洲铺带机制造商的开发重点。

自动铺带机及其控制系统

复合材料自动铺带成型技术与复合材料其他自动化成型技术（拉挤、缠绕、模压、RTM等）不同，其成型设备需要具备更高的控制精度和控制功能要求：机床加工精度相对于其他复合材料自动化设备较高、运行更平稳、数控系统多轴插补和多I/O控制点、成型压力、成型温度控制。以典型的10轴自动铺带机为例，其中5轴插补控制铺带头运动轨迹，另外5轴实现铺带头内部预浸带输送、铺放和切割等运动。铺带头集成2类主要的运动控制系统：两套3轴切割系统与一套预浸带输送控制系统；可对预浸带进给、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，并实现对预浸带质量（宽度、夹杂、缺纱等）和铺放质量（间隙或重合）的监测。欧美各自动铺带机制造商设计并制造各种类型的铺带成型设备，并开发了相应的数控系统。例如：美国Cincinnati公司为自动铺带设备专门开发开放式数控系统CM100，此系统易于实现12个坐标轴插补，形成连续、光滑和精确的铺放轨迹；西班牙的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，其与CATIA软件系统中零件设计及产品制造等模块相结合，可完成CAD/CAM/CNC的一体化操作；法国Forest-line公司以Siemens840D 为平台开发自动铺带控制系统，也与CATIA软件中的复合材料轨迹规划模块相结合，可实现单曲、双曲等曲面的轨迹规划。

自动铺带CAD/CAM/CAE 技术

作为先进复合材料典型的自动化成型技术之一，自动铺带属于增料加工，且采用高度各向异性的预浸带按设计方向逐层铺叠，故其CAD/CAM技术与普通切削加工截然不同，受到更多因素的影响。自动铺带成型CAD/CAM技术涉及原材料选择、材料设计(单层材料设计)、