复合材料自动铺丝技术研究进展

复合材料自动铺丝技术研究进展

The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites

摘要：复合材料自动铺丝技术是在航空航天工业发展起来的一种“低成本，高性能”的先进复合材料自动化制造技术。自动铺丝技术在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的高度重视。本文对自动铺丝的原理、特点、CAD/CAM核心技术以及自动铺丝技术的国内外发展历程与应用进行了全面的介绍，最后展望了自动铺丝的发展前景。

关键词：复合材料，自动铺丝，CAD/CAM

Abstract：Automated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced. Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing costs, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries. In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement is fully discussed. Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.

Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM

1.引言

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料[1]。以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的先进复合材料具有轻质、高强、高模量、抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点，已在航空航天领域获得了广泛的应用[2]。大量应用先进复合材料是提高航空航天飞行器、运载工具和武器装备效能的重要途径，其用量业已成为航空航天飞行器先进性的重要标志[3]。

自动铺丝技术是在纤维缠绕和自动铺带技术的基础上发展起来的一种先进的复合材料成型技术，在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力[4]，得到工业发达国家的高度重视。国内自动铺放技术起步较晚，南京航空航天大学“九五”期间率先开始调研自动铺放成型技术[5]。哈尔滨工业大学，武汉理工大学，北京航空制造工程研究所等也先后在自动铺放技术领域进行了相关研究。

2.自动铺丝技术简介

2.1自动铺丝原理

自动铺丝技术全称是自动丝束铺放成型技术（Automated towplacement），也称为纤维铺放技术（Fiber Placement）。它是将缠绕技术中不同丝束独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送等功能结合起来，由铺丝头在压辊作用下将数根丝束（预浸纱）集束成一条宽度可变的预浸带（通过程序控制预浸纱切断与增加来改变预浸带的宽度）后铺放到模具表面[6]。加热软化预浸纱并压实定型，最后加热固化成型（对热塑性体系，可以在铺放过程中直接加热定型，甚至可以取消热固化）。整个过程由计算机测控、协调系统完成[7]。

纤维铺丝机器人通过带有铺放头机械手去加工预浸纤维丝制作复合材料部件。纤维铺放机器人提供了许多传统纤维铺放技术所没有的重要的功能和优势。这些功能包括切割和重送纤维丝，节约材料，精确控制纤维铺放所需角度，可重复性高。此外，机械手的使用增加了纤维铺放过程的柔性，允许制造更复杂的结

构。典型的自动铺丝机有7个运动轴[8]，包括三个定位轴、三个方位轴和一个芯模转轴。自动铺丝技术的原材料采用预浸纱。预浸纱丝束的宽度一般为3.2mm、6.4mm和12.7mm，在铺放过程中，通常同时铺放数根丝束，最新研制的自动铺丝设备最多可以同时铺放32根丝束[9]。自动铺丝机的核心是铺丝头，如图2所示，铺丝头把缠绕技术中不同纤维纱传送独立输送和自动铺带技术的压实、切割重启功能结合在一起。在铺放过程中，每根丝从纱筒上抽下来并通过一个传输系统到达铺放头，在铺放头处复合材料丝被集束成一根丝带被铺放到芯模表面[10]。

图1 自动铺丝机设备示意图

1-模具；2-柔性压辊；3-铺放头；4-预浸纱；5-导纱轮；6-手腕；7-导纱轮；

8-止动装置；9-送纱辊；10-切刀；11-加热装置

图2 铺放头原理示意图

它既可以铺放凸面也可以铺放凹面，还可以铺放复杂的双曲率构件。在铺丝时可以按照要求执行切割丝束和增加丝束的功能，满足对铺层进行剪裁以适应局部加厚、铺层递降和开口铺层的需要。在铺放过程中，每根预浸纱都按它自己的速率铺放到模具表面[11]，柔性压辊使每根预浸纱单独与部件表面相适应。

2.2自动铺丝CAD/CAM技术

由于铺丝时多轴铺丝机器人各关节运动在时间上的协同性，手工编写数控程序来控制铺丝机器人的运动已不可能。且随着计算机技术和自动铺丝技术的发展，一个新的研究领域呈现在人们面前——自动铺丝CAD/CAM技术[12]。通过CAD/CAM技术计算出每条铺丝路径，确定当前铺丝位置的丝数，从而得到铺丝机所需要的铺丝控制信息。与传统的CAD/CAM技术处理的对象不同，自动铺丝CAD技术的核心任务是按强度要求设计优化的自动铺丝路径[13]。

自动铺丝CAM技术是开发铺丝编程软件技术的一部分，它通过铺丝CAD 系统获得铺丝几何信息和纤维丝束信息并进行相应的转换，由转换后的铺丝几何信息生成可以供铺丝机运动控制系统使用的机器人运动控制信息，由纤维丝束信息生成可以供铺丝机裁剪控制系统使用的材料裁剪控制信息，并通过仿真功能实现对铺丝过程的碰撞干涉检测和裁剪信息的合理性检测，同时可以将检测结果反馈给铺丝CAD系统，以修正有可能引起控制信息发生错误的问题。

自动铺放CAD/CAM软件技术包括两种实现途径[14-16]：

1)基于现有通用CAD/CAM系统进行二次开发：通过调用通用CAD/CAM系统的API，通过组合、修改、新增实现自动铺放所需功能。如空中客车公司（AIRBUS）与法国纯数学与应用数学国际中心（CIMPA）联合开发的基于CATIA—CAA的TapeLay系统。采用二次开发方法开发的自动铺放CAD/CAM软件与原有CAD/CAM系统紧密结合，保证了交互、操作、数据的协同性、一致性，易于实现在同一应用平台下复合材料构件设计与制造一体化。

2)非二次开发方式：采用计算机三维图像技术，基于OpenGL或DirectX开发独立的自动铺放软件。采用用户交互输入构件外形几何数据或通过提供相应的转换接口实现通用CAD/CAM文件数据的导入。如美国MAG·Cincinnati公司开发的ACES离线编程与仿真系统。