复合材料自动铺带技术-张鹏

征文主题编码：16

复合材料自动铺带技术

张鹏

华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074

zphust2005@

摘要：自动铺带技术是一种高生产效率、低废料率的复合材料制造技术。本文首先简单介绍了自动铺带装备的发展与构成；其次通过观察与研究实际铺带过程，指出预浸带黏性以及铺覆性对铺带过程成功与否有重大影响；最后通过分析预浸带加热温度、压辊压力、预浸带张力等铺带工艺参数对铺带过程以及最终产品质量的影响，为铺带工艺参数优化提供了指导。

关键词：复合材料自动铺带预浸带工艺参数优化

Automatic Tape-laying Technique for Composite

Zhang Peng

College of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan, China, 430074

zphust2005@

Abstract: Automatic tape laying technology is a composites manufacturing technology of high productivity and low scrap rate. This paper first briefly describes the development and composition of automated tape laying equipment. Secondly, this paper points out that the tack and drape of prepreg have a significant impact on success of the laying process by observing and studying the actual tape laying process. Lastly, this paper provides guidance for optimization of heating temperature, roller pressure, prepreg tension, etc, tape laying process parameters by analyzing these parameters’ influence on the tape laying process and the quality of the final product.

Key Words: Composite; Automatic Tape-laying; prepreg; Process Parameter; Optimization

1.引言

自动铺带技术属于复合材料自动铺放技术，是一种先进复合材料低成本制造技术，同时也是一种复合材料自动化成型制造技术。自动铺带技术以带有背衬纸的预浸带为原材料，通过自动铺带机完成预浸带的剪裁、定位、铺叠、辊压动作。自动铺带机由多轴龙门式机械臂以及铺带头构成，其中铺带头是铺带机的核心部件。预浸带在铺带头中完成特定形状的切割，加热后在压辊的作用下铺贴到模具表面。

自动铺带技术主要由自动铺放CAD/CAM软件技术、自动铺带装备技术、材料工艺技术组成，国外已经形成相关的工业产品，而国内尚处于研究与探索阶段[1]。有鉴于此，本文对自动铺带装备、自动铺带材料工艺以及自动铺带过程工艺参数进行了初步研究与探索，为自动铺带装备研制以及自动铺带工艺参数优化奠定了一定的基础。

2.自动铺带机

第一台自动铺带机于20世纪60年代中期由美国沃特公司开发，用于F16战斗机机翼的制

造，使用75mm宽带料。到20世纪70年代末，一些著名机床制造商开始推出商品化的自动铺带机，包括平面型和曲面型，使用带料宽度分为25/75/150/300mm几种[2]。早期自动铺带机主要应用于导弹和军用飞机上复材构件的制造，如B1/B2轰炸机机翼蒙皮构件。自动铺带机多采用开放式高架龙门移动结构设计，有9-11个NC控制轴。图1为西班牙M.Torres公司高架龙门移动式自动铺带机。一般5个NC控制轴X-Y-Z-C-A用于机床坐标轴运动控制，另外4-6

个轴设计在铺带头上，用于实现铺放过程中带料传送与铺放控制。

图1 西班牙M.Torres公司高架龙门移动式自动铺带机

自动铺带机铺带头是集带料输送、加热、施压、剪切、重送等功能于一体的带料铺放控制装置。图2为铺带头结构简图，图3为实际铺带头。通常铺带头能够支持0°、90°、+45°、-45°四种标准铺带方向。铺带头中一般设计有供料卷盘、带料导向传送装置、剪切装置、可控加热装置和滚动压紧装置等基本部件。

图2 铺带头简图图3 实际铺带头

3.预浸带

自动铺带技术所铺放的复合材料称为预浸带，是复材制件制造过程中的中间产品，它的好坏直接关系到复合材料构件的质量。预浸带主要由树脂与纤维构成，此外还包含少许助剂。其中，纤维用来承受载荷，树脂基体用来传递与均衡载荷，助剂用于提高成型过程中预浸带的工艺性。

预浸带一般缠绕成卷，由于其初始有一定的黏性，为防止保存时相邻预浸带相互粘结，预浸带的背后有一层背衬纸。图4为预浸带卷。在铺带机中，背衬纸还起着传递预浸带的作用。

图4 预浸带卷

预浸带技术指标包括黏性、铺覆性、挥发份含量、树脂含量、单位面积纤维质量、存储期等。其中，黏性以及铺覆性对铺带机铺放过程成功与否有重大影响。

预浸带黏性是指预浸带与模具或其它预浸带之间形成粘接的能力。预浸带黏性必须适中。若预浸带黏性过小，则相邻层之间无法顺利贴合，这将严重影响铺放过程以及最终构件的质量；若预浸带黏性过大，则铺层失误后无法顺利修改。图5为预浸带无法与模具表面顺利贴合，导致铺带过程无法顺利进行。

图5 预浸带无法与模具表面贴合

预浸带铺覆性是指预浸带与不同曲率模具表面之间的适应性。预浸带必须具有较好的铺覆性，若预浸带铺覆性太差，则预浸带容易在模具凹形区域形成架桥，导致铺层失败。