浅谈复合材料制造自动化技术的发展

浅谈复合材料制造自动化技术的发展

罗忠乾

贵州铨盛建设发展有限公司

摘要：近年来，随着社会快速的发展，许多先进的复合材料因其本身具有优异的性能，因此在多个行业的到了广泛的应用。由于复合材料的构件结构形式、服役的荷载以及使用的环境相对复杂，若存在缺陷则必然会影响整体效果。本文将对复合材料制造自动化技术的发展进行简要分析。

关键词：复合材料；制造；自动化技术；发展

引言

近些年，复合材料在我国的各行业中得到了广泛的应用，其制造技术发展也十分迅速，尤其是自动化技术得到了普遍的实施。复合材料制造自动化技术能够促进复合材料的产品成本降低，以保证其在各行业得到更加广泛的应用。

1我国复合材料制造自动化技术的发展

国内相关研究起步较晚，其中南京航空航天大学2004年起与北京航空材料研究院联合开发自动铺带设备，并于2005年研制成功国内第一台自动铺带原理样机，实现了自动铺带的基本功能。哈尔滨工业大学在原有的6轴缠绕机的基础上对自动铺丝技术进行改造，研制了一种7轴纤维铺放头。2006年，中航工业北京航空制造工程研究所与Forest-Line公司合作，采用引进自动铺带头关键部件集成的技术路线研制翼面大型自动铺带机，在国内首次采用“两步法”自动铺带技术成功研制出大尺寸壁板蒙皮。2010年4月，由南京航空航天大学与齐齐哈尔二机床联合研制出SKPC250/2000型大型筒段铺缠一体机在第六届中国数控机床展览会上展出。

2自动铺放技术

2.1自动铺带设备及应用

自上世纪60年代起，先进复合材料出现，其制造技术得到了快速的进步。复材构件的传统生产方法主要为手工铺放，它具有成本高、效率低、报废率高和可重复性差的缺点。20世纪60年代中期，针对小曲率的大型复合材料构件，美国率先在先进复合材料制造领域开发并应用自动铺带设备，相对于手工铺放无论在生产效率还是产品质量上都有较大提高。

2.2自动铺带方法

经过不断的发展和完善，自动铺带设备在美国和欧洲已经成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造。目前，日本三菱公司负责生产的主翼蒙皮用的LinearAtlas铺带机是全世界最大的铺带机，尺寸达40m×8m，铺设速度为60m/min。西班牙M-Torres公司研制出11轴自动铺带机，法国Forest-Line公司研制出带有双向铺带头的自动铺带机。目前铺带宽度最大可达到300mm，铺带速度达1.3-20.4kg/h，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。马格·辛辛那提公司提供的Charger型机可以铺75mm、150mm或300mm无纬预浸带。Charger型面铺带机可以铺达25°锐角的特型铺层，它应用的是CNC10轴龙门型系统，可自动下料、压实预浸带。该系统应用了独特的侧面加载头，可提供快速、简单更换300mm宽、Φ650mm直径铺放压辊功能，用于生产A320/A330/A340/A380及A400M的机翼桁条、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、发动机短舱、机身蒙皮及机腹整流罩等。

3自动铺丝技术

自动铺丝技术，也称作纤维铺放技术或自动丝束铺放成型技术，是在纤维缠绕技术和自动铺带技术的基础上发展起来的一种独特的全自动化成型工艺。自动铺丝技术将数根或数十根预浸纱（或窄带）从各自的卷轴上张力退绕，通过预浸纱输送系统输送到铺丝头，铺丝头按铺层设计要求生成铺放轨迹，将预浸纱集束加热软化后，在压实机构作用下铺放在模具表面或上一铺层。它融合了纤维缠绕的预浸纱（窄带）输运技术和自动铺带的压力铺叠、切断和重定位技术。自动铺丝技术在20世纪70-80年代由美国航空制造界提出，且在1985年研制出第一台原理样机。自动铺丝技术在多种航空航天构件中得到广泛应用，其中以航空构件如机身和进气道为典型代表。

通常情况下，自动丝束铺放机中存在7个运动轴，以及由计算机控制的12-32个丝束输送轴；丝束是指3mm或6mm的预浸丝束。铺丝头把预浸丝束独立输送并将其压实、切割，每一根预浸丝束从丝束筒上抽出，通过预浸丝输送系统到达铺丝头，在铺丝头集束后铺放到模具表面。自动丝束铺放机机型已从Viper1200、Viper3000升级到Viper6000。Viper6000自动丝束铺放机能操作达86180kg的心轴，可以铺放并控制的纤维束由24个增到32个丝束，能对32条丝束或窄带进行供料、夹持、下料及铺放，可铺多种零件，具有高敏捷性和准确性，由于采用单侧纱架，还具有操作友好性。目前，沃特飞机公司用其来生产波音787的机身段，空客A350XWB机身的92%用Viper制造。

4热隔膜成型设备及应用

热隔膜成型技术与自动化铺放技术相结合，在大型复合材料构件成型方面得到越来越多的应用。热隔膜成型技术已在B777长桁、V-22长桁和A400M机翼前梁等大型构件中得到成功应用。目前国外供给热隔膜成型的设备已经比较多，康泰公司（美国）作为供应热成型机相对较大的公司，其设备已提供给全球70多个国家地区，早在20世纪80年代就为英国BAE公司鹞式战斗机的生产提供此类设备，此后为SAAB公司的Gripen战斗机，后来又为直升机和鹞式维修工厂和欧洲战斗机项目，以及波音787提供了类似设备。这些设备除了具有一般热压机的特点外，还具备抽真空装置。另外，由于热隔膜成型件的尺寸往往都比较较大，所以一般的热压机往往难以符合生产要求。A400M机翼大梁用的热压机长20多米，就是美国Aeroform.Ltd公司专门为其设计制造的。

5复合材料缝合设备及应用

缝合技术是针对传统工艺方法的不足而开发出的一种全新的技术，其原理是通过缝合手段使复合材料在垂直于铺层平面的方向得到增强。尽管缝合易引起一定程度的面内纤维的损伤，但克服了传统复合材料层间强度低、易分层的缺点，由于减少铆接、螺接等机械连接数量，从而更有利于减重和提高复合材料层间损伤容限。国内外在缝合设备的研制和开发方面投入了大量的人力和物力，从最初的工业缝合机发展到了采用计算机控制的大型缝合设备，无论是缝合速度、缝合规模还是缝合质量都得到了大幅度提高，不但能够实现单曲面预成形体的缝合，而且可以实现各种复杂曲面预制体的缝合。

德国KSL公司使用机器人作为自动缝合设备，为了保证缝针垂直于零件表面，采用六自由度的机器人移动，可进行锁式缝合、改进的锁式缝合和链式缝合3种不同的缝合方式，其双针单边缝合步长可在2-10mm的范围内进行调整，最大材料缝合厚度可达20mm，缝合速度达500针/mm。相比传统的工业缝合机，该设备在缝合速度、缝合规模以及缝合质量上都得到了大幅度提高。空客公司运用这种3D缝合机器人，缝合了A380尾部压力仓壁，该组件仅重250kg。另外，美国NASA联合波音公司开发了一种28m长的缝合机，用于制造复合材料机翼壁板，获得了25%的减重效果，较铝合金壁板降低成本20%。

结束语

综上所述，随着复合材料得到了广泛的应用，因此需研究其制造自动化技术。在复合材料的制造过程中，采用自动化铺放设备进行制备，并采用自动缝合方法提高其损伤容限，是现代飞机复合材料制造技术发展的重要方向。因此，我国企业急需通过引进和研制先进的自动化铺带、铺丝设备以及热隔膜成型、缝合设备，大幅提高我国复合材料自动化制造设备水平，为军民用飞机的型号研制打下坚实的基础。

参考文献：

[1]王咏梅.浅谈国内复合材料设计制造一体化技术[J].航空制造技术，2012，18期：98-99.

[2]武永琴，庞孝吾.关于航空复合材料自动化技术的进展[J].中国科技财富，2012：45-46.