高端自动铺带机-铺丝机(ATL-AFP)的最新发展

高端自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP)的最新发展

作者：北京航空制造工程研究所林胜来源：雅式工业专网

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高端自动铺带机/自动铺丝机（ATL/AFP）已成为现代大型飞机制造的关键设备。最近几年在其得到持续快速发展与更广泛工业应用的过程中，涌现出新的技术概念，一批新型ATL/AFP机床得以面世。本文将聚焦高端ATL/AFP机床的最新发展趋势。

自动铺带机/自动铺丝机ATL/AFP的发展

具有高强度低密度特性的复合材料（Composites，下文简称复材）取代传统铝合金材在现代大型飞机结构件设计制造中得到了广泛应用，并已渐成为现代大型飞机的主结构用材。如波音787“梦想” 大型客机和空客A350 XWB宽体客机复材用材重量比都已超过了50%。这种趋势仍在持续发展，据预测到2015-2020 年将达70%-80%。一些具有创新性的全复材或准全复材机身构件的无人机、直升机和商务机已研制成功，釆用复材作为主结构件的飞机时代已经来临。

在现代大型飞机批量生产中，用於复材整体构件制造的自动铺带机ATL/自动铺丝机AFP则成为关键设备。20世纪90年代末本世纪初（2001年）前，基本上仅有美国Cincinnati机床公司和Ingersoll公司能向航空飞机制造业提供大型ATL/AFP机床，美国ADC（Automated Dynamics Corp.）公司能够提供AFP机床。最近10多年来，航空飞机制造业对自动化复材构件制造技术的迫切需求推动了ATL/AFP机床得到长足发展和更广泛工业应用。但是和金切数控机床相比，能向航空飞机制造业提供ATL/AFP机床的制造商仍然极为有限。

最近3~5年，一些复材构件铺放设备制造商推出了一些具有创新性的ATL/AFP机床，提出了一些新技术概念，推动着ATL/AFP机床持续发展与进步。ATL/AFP机床这种发展新趋势在技术层面上看，主要表现为：高速/高生产率铺放机床；多铺放头集成复合铺放机床；热塑性纤维铺放机床；商用机器人平台铺放机床；ATL-AFP混合铺放机床；多机铺放生产环境。

目前，对ATL/AFP机床技术发展最主要的目标是提高铺放生产率和降低设备费用，且主要呈现在两个不同发展方向以适应两种不同复材构件铺放应用领域需求：

（1）用於航空飞机制造业的大型复杂复材整体构件铺放的高端ATL/AFP机床，进一步向大型化、高速化、自动化和集成复合化方向发展，以提供高生产率、高自动化、高性能和宽铺放应用范围的ATL/AFP机床。本文将对此做详细介绍与讨论。

（2）面向具体应用的中小型复材整体构件铺放机床朝着模块化、自动化、恰好规模和柔性化方向发展，以提供高生产率、高自动化、低费用和有限铺放应用范围的ATL/AFP机床。有关这种低费用适应型ATL/AFP机床本文不作讨论。

高端ATL/AFP机床趋向大型化与高效化

现代大型飞机主结构件设计制造已越来越多釆用复材整体构件已是明显发展趋势，并已从大

型机翼长梁、蒙皮壁板等相对简单复材构件发展到大型飞机整体筒壳机身段及中小型飞机整体筒壳机身等复材构件，且构件尺寸越来越大，整体结构越来越复杂。

为适应航空飞机制造业这种实际发展需求，诸如Cincinnati、Ingersoll和Forest-line公司等一些大型数控机床制造商借助其在大型数控机床结构设计技术的优势，最近几年都纷纷推出其配有高铺放进给率铺放头的新一代大型高端（High level）ATL/AFP机床，其结构尺寸越来越趋向大型化。

美国MAG Cincinnati机床公司的CHARGER系列ATL机床和Viper1200/3000/4000/6000系列AFP机床发展历程可作为这种趋向大型化发展的典型实例。图1为MAG Cincinnati公司和MTorres 公司两款高端大型ATL机床；图2左为Hawker Beechcraft（豪客比奇）公司应用Cincinnati公司Viper AFP机床铺放制造豪客4000超中型级别公务机复材机身整体构件情况，机身最大直径已超过2m。据报道，目前豪客4000公务机的订单已超过了100架。MAG Cincinnati公司最新Viper 6000 AFP机床铺放复材整体筒形构件直径可达6.3m，驱动心模重量达86.3t。

图1 大型高端ATL机床

图2 MAG Viper大型AFP机床

法国Forest-line公司和西班牙MTorres公司新近推出的AFP机床可作为高端AFP机床大型化的另一典型实例。

图3左为法国Forest-line公司2007年推出的高端大型AFP机床FPH ATLAS，主要用於大型飞机机身段复材构件和类似零件铺放制造，并可适应半径达1m以上的内曲面（凹模）构件的铺放加工。据称其特别设计的紧奏型热固性铺丝头，维护方便，使用6.35mm束宽32束或12.7mm 束宽24束纤维束料，允许最短铺放纤维长度仅80mm，铺放进给速度达60m/min（直线电机驱动）。图3右为西班牙MTorres公司新推出的高端大型AFP机床TORRESFIBERLAYUP，用於A350 XWB 机翼前/後梁和15段机身复材整体构件制造，紧奏型热固性铺丝头可配置使用3.2mm、6.35mm或

12.7mm束宽32束纤维束料，铺放速度达60 m/min，最高铺放生产率可达45-50kg/hr。Forest-line 公司和MTorres公司这两款高端大型AFP机床总体结构都可根据实际需求，或者说根据复材零件结构需要而设计为立柱移动式的，并可带或不带卧式转台驱动结构，或者设计为龙门横梁移动式结构。

图3 用於大型飞机复材构件铺放加工的AFP机床

目前，用於航空飞机复材构件制造领域的高端ATL/AFP机床发展除其趋向更加大型化外，并出现如下若乾发展新趋势：

（1）大型ATL机床多趋於釆用低轨龙门移动结构设计，以取得更佳开放性，多设计有可选择配置不同规格（宽带或窄带）的铺带头，以实现铺放构件复杂度与生产率两者得以兼顾；

（2）大型AFP机床多设计配置有紧奏型热固性铺丝头，通过可选择的“窄带多束”或“宽带少束”铺丝头配置以满足不同用户需求，实现铺放生产率与制造构件复杂度两者得以兼顾；

（3）大型ATL/AFP机床进给高速化（50~60m/min），以取得高铺放生产率（25~50kg/hr）；

（4）大型AFP机床多数设计有专用纤维束经轴架辅助装置；

大型ATL/AFP铺放机床的总体结构设计，通常是考虑到被铺放零件的实际结构类型和尺寸大小，一般为高专用性设备，尽管它仍具有一定宽的应用范围；

现代数控机床的多主轴加工、加工单元以及复合加工等技术概念被扩展应用到ATL/AFP机床上，以实现进一步提高其铺放生产率。

在风力发电设备制造领域，用复合材料制造的大型风力发电设备螺旋桨叶片的巿场需求急速增长，且随着发电功率的增大，所需的风机桨叶尺寸也越来越大，其长度可达30~50m。人们对大型螺旋桨叶复材整体构件的铺放制造需求也是促进ATL/AFP铺放设备趋於大型化发展的另一个推动力。图4所示为美国Entec公司制造的用於大型风力发电设备螺旋桨叶复材构件铺放加工的低轨龙门结构复材铺放机床和用户化定制的专用复材铺放机床。

图4 Entec公司大型AFP机床

集成复合化ATL/AFP机床成为新趋势

ATL/AFP机床高铺放生产率对实现复材构件批量生产和提高用户投资回报率（ROI）是至关重要的。对一个具体ATL/AFP铺放机床而言，通常很难对所有复材构件的制造中使高铺放生产率