复合材料自动铺带技术应用及方案示例

·新材料新工艺·收稿日期：2010－09－06作者简介：张蕾，1982年出生，硕士，主要从事复合材料成型技术研究。

E －mail ：vanbud@eyou．com大型复合材料筒形结构自动铺带技术张蕾王俊锋刘伟熊艳丽范佳（航天材料及工艺研究所，北京100076）文摘采用国产T300/605热熔法预浸料，对大型复合材料筒形结构自动铺带技术进行了研究。

通过对自动铺带角度的工艺优化，铺带角度进行微调，实现了复合材料筒形结构的满覆盖铺放。

在此基础上进行了大型复合材料筒形结构的自动铺带工艺试验，对自动铺带工艺试验件进行无损检测及取样性能测试。

结果表明：预浸料铺覆性良好，自动铺带成型的预浸带间隙或重叠≤1mm ，铺带角度与理论铺带角度偏差≤0．2ʎ。

试验件成型质量良好，自动铺带技术可以满足大型复合材料结构高质量成型需求。

关键词自动铺带，筒形结构，复合材料Automated Tape Placement in Large Composite Cylinder StructureZhang LeiWang JunfengLiu WeiXiong YanliFan Jia（Aerospace Research Institute of Materials ＆Processing Technology ，Beijing 100076）Abstract Automated tape placement in large cylinder structure was studied with domestic T300/605melting preparedprepreg．The ply angle was optimized to achieve the full-scale laying in large cylinder structure ，which would avoid the gap or overlaps．On the basis of the optimization ，the process experiment of large cylinder structure with automated tape placement was carried out and the result indicated that the adhesion of the prepreg tape was fit for automated tape placement．The gap or over-lap between the tapes were less than 1mm and the error of ply angle was less than 0．2ʎ．Nondestructive testing of the composite cylinder and test of mechanical and physical performance was carried out．The result showed that the property of the compositecylinder was eligible ，which indicated that automated tape placement satisfied the moulding of the large cylinder structure．Key words Automated tape placement ，Cylinder structure ，Composite 0引言自动铺带技术起源于20世纪60年代，第一台计算机全自动控制铺带机由General Dynamics 公司和Conrac 公司合作完成，用于铺放飞机的复合材料机翼部件［1］。

复合材料自动铺带工艺中的脚手架支撑设计与优化自动铺带是一种常用于复合材料制造过程中的关键工艺，它在将预浸料或干燥纱线铺设在模具上时起到至关重要的支撑作用。

在这个过程中，脚手架支撑的设计与优化对于保证铺带质量和加工效率具有重要意义。

本文将着重探讨复合材料自动铺带工艺中脚手架支撑设计与优化的主要方法和关键要点。

脚手架支撑在自动铺带工艺中主要用于支撑铺带和保持预定形状。

在设计阶段，首先需要考虑的是脚手架的结构材料。

通常情况下，复合材料本身具有高强度和轻量化的特点，因此可以选择采用与复合材料相匹配的轻量化材料，如碳纤维增强材料和高强度铝合金。

设计脚手架支撑结构时，需要考虑多个因素，包括复合材料铺带过程中的受力情况和工艺条件。

对于复合材料自动铺带工艺来说，铺带过程中产生的拉伸力和挤压力是主要的受力来源。

因此，脚手架支撑结构应能够承受这些力，并保持稳定。

在脚手架支撑结构的设计中，一个重要的考虑因素是形状。

脚手架的形状应该能够与铺带形状相匹配，并确保铺带的几何形状保持不变。

这要求脚手架支撑具有一定的灵活性，以适应不同复合材料的铺带需求。

此外，脚手架支撑的高度和密度也是需要优化的关键参数。

支撑结构的高度应该足够高，以确保复合材料铺带过程中的变形最小化。

密度方面，脚手架支撑应设计成最合理的布局，以提供足够的支撑力，并降低复合材料铺带过程中的任何变形。

除了设计脚手架支撑结构，优化脚手架布局也是提高自动铺带工艺效率和保证铺带质量的关键措施之一。

在脚手架的布局中，需要考虑复合材料的产品尺寸和形状，以及铺带工艺的要求。

通过合理的脚手架布局，可以使得复合材料的铺带过程更加稳定和高效。

在脚手架布局中，可以采用两种常见的方式：平面布局和立体布局。

平面布局适用于平面产品的铺带，可通过将脚手架设置在产品的底部和两侧来提供全方位的支撑。

立体布局则适用于曲面或复杂形状的产品，可通过将脚手架从不同的角度放置在模具中，以实现对产品形状的全面支撑。

碳纤维复材自动铺贴原理碳纤维复材是一种由碳纤维和树脂基体复合而成的材料，具有高强度、高刚度、低密度等优良性能，在航空航天、汽车、船舶等领域有广泛的应用。

而碳纤维复材的制备过程中，自动铺贴技术是其中一项关键技术。

碳纤维复材自动铺贴是指通过机器设备将预浸有树脂的碳纤维布料按照设计要求精确地铺贴到模具上，形成复材的制备过程。

它不仅能提高生产效率，还能保证产品的一致性和精度。

下面将从机器设备、铺贴过程和质量控制三个方面介绍碳纤维复材自动铺贴的原理。

一、机器设备碳纤维复材自动铺贴一般采用自动化设备，包括铺贴机、导向系统、切纤机和控制系统等。

铺贴机是核心设备，通过控制系统控制铺贴头的运动，实现精确的铺贴。

导向系统用于确保碳纤维布料的正确位置，防止偏移。

切纤机用于切割碳纤维布料，以适应不同形状的模具。

二、铺贴过程碳纤维复材的铺贴过程一般分为预处理、铺贴和压实三个步骤。

首先，对碳纤维布料进行预处理，包括裁剪和配置。

然后，将预处理后的碳纤维布料通过铺贴机铺贴到模具上。

在铺贴过程中，控制系统根据设计要求控制铺贴头的运动轨迹，确保碳纤维布料的正确位置和覆盖面积。

最后，通过压实工艺，将树脂浸透碳纤维布料，并使其固化。

三、质量控制碳纤维复材自动铺贴过程中，质量控制是非常重要的环节。

首先，需要对碳纤维布料进行检查，确保其质量符合要求。

其次，在铺贴过程中，要严格控制铺贴头的运动轨迹和速度，以及模具的温度和压力，保证铺贴的精度和一致性。

此外，还需要对铺贴后的复材进行检查，包括检测厚度、密度、孔隙率等指标，以保证产品的质量。

碳纤维复材自动铺贴是一项关键技术，通过机器设备、铺贴过程和质量控制三个方面的配合，实现了碳纤维布料的精确铺贴，保证了复材产品的质量和性能。

随着自动化技术的不断发展，碳纤维复材自动铺贴技术将进一步提高生产效率和产品质量，推动碳纤维复材在各个领域的应用。

基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估研究引言：复合材料是一种由两种或两种以上材料组成的复合体，具有优异的力学性能和工程应用潜力。

在航空航天、汽车工业、能源等领域中，复合材料的应用广泛，其中复合材料结构件的强度评估是一个关键问题。

本文旨在研究基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估方法与技术。

一、自动铺带技术的原理与应用自动铺带技术是一种将预浸复合材料纤维排列在设计规定位置的技术。

其主要原理是通过控制复合材料纤维与树脂的比例、面积密度和纤维层次，实现复合材料结构件的定向排列和强度提升。

自动铺带技术具有高效、高精度和低浪费等优点，因此在航空航天和汽车工业等领域广泛应用。

二、复合材料结构件强度评估的重要性复合材料结构件的强度评估是确保结构件在实际工况下能够承受预期载荷的关键。

在设计和制造复合材料结构件之前，强度评估能够提前预测结构件的破坏行为，指导结构优化和性能改进。

因此，开展复合材料结构件强度评估研究具有重要的理论和实践意义。

三、基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估方法1. 宏观力学模型基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估可以采用宏观力学模型进行。

通过建立合适的力学模型，将复合材料结构件视为多层板，进行强度评估和应力分析。

该方法能够较为准确地预测结构件的破坏行为和强度性能。

2. 细观力学模型细观力学模型是一种更加精细的强度评估方法，通过考虑复合材料纤维和树脂的微观结构与相互作用，建立复杂的力学模型。

该方法考虑了材料的非线性和破坏行为，可以提供更为精确的强度评估结果。

然而，由于模型的复杂性，该方法对计算资源和计算时间的要求较高。

3. 数值模拟与有限元分析数值模拟与有限元分析是一种较为常用的强度评估方法。

通过将复合材料结构件离散化为多个小单元，利用有限元方法对结构件进行力学分析和强度评估。

该方法能够较为准确地模拟复合材料结构件在复杂载荷下的响应，定量地评估结构件的强度。

四、复合材料结构件强度评估的关键因素1. 材料性能复合材料的性能对结构件的强度评估具有重要影响。

自动铺带技术在复合材料制造中的应用探索自动铺带技术是一种现代化的复合材料制造方法，通过利用机器人或自动化设备来将预浸料或干型纤维材料连续地铺放在模具上，进而实现复合材料的制造。

这种技术相比传统的手工铺带，具有更高的生产效率、更好的一致性和更高的品质控制。

本文将探讨自动铺带技术在复合材料制造中的应用，并分析其优势和潜在的挑战。

一、自动铺带技术的优势1.提高生产效率：自动铺带技术利用机器人或自动化设备代替人工操作，能够大幅提高生产效率。

在传统的手工铺带中，工人需要一遍遍地将铺带逐一放置，而自动铺带技术可以连续不断地进行铺带，大大减少了制造时间。

2.保证产品一致性：自动铺带技术能够精确地控制铺带的速度、压力和纤维摆放方向，保证每一块复合材料的质量一致性。

而手工操作容易受到工人技术水平和疲劳程度的影响，导致产品质量的波动。

3.提高产品质量：自动铺带技术可以实现更精确、更均匀地铺放纤维材料，避免了手工操作中可能出现的误差。

同时，自动铺带技术还能控制纤维材料的厚度和纤维摆放的角度，使得复合材料具有更好的力学性能和表面质量。

二、自动铺带技术在复合材料制造中的应用1.航空航天领域：复合材料在航空航天领域具有广泛的应用前景，而自动铺带技术可以大幅提高复合材料的制造效率和产品质量。

通过自动铺带技术，可以制造出轻质、高强度的航空航天结构件，满足航空航天工业对材料性能和质量控制的高要求。

2.汽车工业：自动铺带技术在汽车工业中有着广泛的应用。

通过在汽车零部件中使用复合材料，可以实现车身的轻量化，并提高汽车的燃油效率。

自动铺带技术可以大幅提高复合材料零部件的制造效率，满足汽车工业对大规模生产和高品质产品的需求。

3.建筑领域：自动铺带技术也可以应用于建筑领域的复合材料制造。

复合材料在建筑领域有着广泛的应用前景，可以用于制造建筑结构件、装饰材料等。

自动铺带技术可以提高建筑材料的生产效率，同时保证产品的一致性和质量，满足建筑行业对快速和高质量产品的需求。

自动铺带技术与大飞机复合材料结构目前，飞机上的复合材料使用量已经成为衡量其先进性的重要标准。

波音787、空客A380飞机都大量采用复合材料，空客A350上复合材料的用量更超过50%。

作为中国拥有完全知识产权的大型民用客机项目，为了保证其客机的市场竞争力并促进国内复合材料产业的发展，也必将大量采用先进复合材料。

而自动铺带技术则是使用复合材料的关键技术之一。

先进复合材料的历史先进复合材料是20世纪60年代早期以单向带的形式推出的。

起初用手工铺贴，其工艺是劳动密集型的，容易引起质量问题。

20世纪60年代中期，航空工业的发展极大地推动了其自动化进程。

早期的设备是航空公司或加工车间在材料供应商的指导下自己制造的。

设备的构型涵盖了从手工辅助台式的原型机到由美国空军牵头、通用动力和Conrac公司合作研发的第一台全数控龙门式铺带机。

这台设备被用来为F-16生产复合材料零件，使用的是75mm 宽的带子。

20世纪70年代末期至80年代初，设备制造者生产了第一台商业化的平面和曲面数控铺带机，这些设备被用在军事项目上（如B-1和B-2轰炸机）制造飞机的零件。

曲面上带宽范围为75～150mm，平面可以高达300mm。

20世纪80年代末期，自动铺带开始广泛的使用于商用飞机上。

整个20世纪90年代，设备、编程技术、铺带技术和ATL复合材料的进一步发展使铺带工艺操作更简单、性能更可靠、界面更友好。

复合材料工艺综述单向碳环氧预浸带是在衬纸上成卷供应的，典型的宽度有75mm、150mm和300mm三种规格。

曲面应用使用75mm和150mm带宽，平面应用使用150mm和300mm带宽。

材料卷被装载在铺带的头部。

铺带头在平面应用时被安放在4轴台架上，曲面应用时安放在5轴台架上。

1 优点碳环氧预浸带极大地减少了手工铺层。

在平面装料的情况下，相对于手工铺贴，碳环氧预浸带可以减少的人工劳动时间高达70%～85%，铺层效率可以高达1000kg/周。

复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用摘要：随着科技的发展和工业制造的进步，复合材料在航空、汽车、船舶等领域的应用越来越广泛。

本文设计了一款复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件，并探讨了该软件在航空领域的应用案例。

软件具备自动优化铺丝路径的功能，提高了铺丝效率和质量，为航空工程师和设计师提供了便利。

关键词：复合材料；自动铺丝；计算机辅助设计；软件1. 引言复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛，因为它具有高强度、轻质和耐腐蚀性等优点。

在飞机制造过程中，铺丝是一项重要的工艺，在复材的制造过程中扮演着至关重要的角色。

然而，传统的手工铺丝方式效率低下，无法满足大规模生产的需求。

因此，本文将设计一款复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件，旨在提高铺丝效率和质量，为航空工程师和设计师提供便利。

2. 设计方法本软件采用了自适应遗传算法和机器学习方法。

首先，通过遗传算法对铺丝路径进行优化。

遗传算法模拟了自然界中的生物进化过程，通过选择、交叉和变异的操作，不断优化铺丝路径。

然后，通过机器学习算法，提高铺丝的准确性。

机器学习模型通过学习大量的铺丝数据，提高了软件的智能化程度。

3. 软件功能本软件具有以下主要功能：(1) 自动铺丝路径生成：根据设计要求和复材的特性，软件能够自动生成最优的铺丝路径，提高铺丝效率和质量。

(2) 工艺模拟：软件能够模拟复材的不同特性和材料的变化情况，为工程师提供了参考和决策依据。

(3) 优化算法：软件采用了自适应遗传算法，能够自动优化铺丝路径，提高了铺丝效率。

(4) 界面友好：软件界面简洁直观，易于操作和使用。

4. 应用案例本软件已成功应用于某型号客机的复合材料铺丝工艺中。

航空工程师使用该软件生成了最优的铺丝路径，并对路径进行了仿真模拟。

通过软件的帮助，工程师发现了一些潜在的问题并进行了修正，确保了复材在飞行过程中的安全性和稳定性。

5. 结果与讨论与传统的手工铺丝相比，本软件在铺丝效率和质量上都取得了显著的改进。

复合材料纤维铺放技术及其应用摘要：先进复合材料比传统材料具有诸多优点，例如轻质量、高强度、低密度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、设计制造一体化等等。

复合材料对减轻结构重量、提高经济性和可靠性具有不可替代的作用。

复合材料已经广泛应用于制造领域，尤其是航空航天领域，在航空航天设备上的用量和应用部位已经成为衡量航空航天器结构先进性的重要标志之一。

关键词：复合材料；纤维铺放技术；应用一、纤维铺放技术的成型原理和特点纤维铺放技术是树脂基复合材料制造技术中的一种，其工作原理是将连续的纤维丝束或纤维带通过预浸胶或树脂之后，按照设定好的路径铺放到芯模上，最后在一定温度下固化，制成所需形状的制品。

复合材料纤维铺放成型技术（Fiber placementFP）是自动窄带铺放成型技术（Automanted tep placement, ATP）和自动铺丝束成型技术（Automated tow placement, ATP）的总称。

纤维铺放技术的成型工艺是在纤维铺放机上将平行的纤维丝束或纤维带预浸处理，通过铺放头装置将预浸过的纤维束压到需要加工的工件或芯模表面。

纤维铺放与纤维缠绕和带铺放不同，它不是按照测地线在芯模或模具上布纱；纤维铺放可精确控制丝束宽度，且各丝束可单独铺放，通过切断、重续等工序控制铺放厚度的增减。

此外，纤维丝束是通过纤维铺放机上的铺放头压在模具上的，能保证铺放每一层紧密贴合避免出现分层现象。

总结纤维铺放技术的优点有:（1）通过铺丝头剪断丝束、重新开始等，可以对铺放厚度进行精确控制；（2）工艺过程中铺丝头可调节施加力，实时加压密实；（3）铺放精度高，不易出现孔隙；（4）纤维铺放角度可以调节，不受限制；（5）铺放材料利用率高，浪费少。

二、复合材料纤维铺放技术应用1.加热工艺研究。

在自动纤维铺放过程中，为提高铺放效率，通常设置预加热及主加热2 个加热环节。

在这2 个环节中，都会涉及到选择热源、建立加热模型及确定加热温度三方面的问题。

自动铺带技术在复合材料结构件制造中的应用案例分析引言复合材料作为一种重要的材料，在航空航天、汽车、船舶等领域中得到了广泛应用。

复合材料的制造过程对于最终产品的质量和性能至关重要。

其中，自动铺带技术作为一种高效、精确的制造方法，被广泛应用于复合材料结构件的生产。

本文将分析自动铺带技术在复合材料结构件制造中的应用案例，并通过实例探讨其优势和挑战。

1. 自动铺带技术简介自动铺带技术是一种将预浸料纤维布按照设计要求排列、覆盖在模具上的制造方法。

该技术主要包括铺带过程、固化过程和模具脱模过程。

铺带过程中，机器人根据CAD文件或数控编程指令精确控制铺带头的运动，将预浸料纤维布覆盖在模具上。

固化过程中，通过烘烤或加热使得预浸料纤维布固化成为强度和刚度较高的复合材料。

脱模过程中，复合材料从模具上剥离，并进行后续加工。

2. 自动铺带技术在飞机制造中的应用案例2.1 A380机身板制造欧洲航天防务集团（EADS）使用自动铺带技术制造A380机身板。

铺带机器人根据设计要求，精确控制铺带头和纤维布的运动，将预浸料铺到模具上。

该技术不仅提高了生产效率，还保证了复合材料结构件的质量和一致性。

同时，相比于传统的手工操作，自动铺带技术减少了人力成本和人为误差，提高了产品质量。

2.2 波音787机翼制造波音公司采用自动铺带技术制造787机翼。

自动铺带机器人可以精确控制铺带头的运动，并快速、准确地排列纤维布。

该技术不仅提高了工作效率，还避免了手工操作中可能产生的纤维布错位、损坏等问题。

通过自动铺带技术，波音公司实现了大规模、高质量的机翼制造，为航空业带来了突破性的创新。

3. 自动铺带技术的优势和挑战3.1 优势（1）高效准确：自动铺带技术可以实现高速而精确的铺带，提高了生产效率和产品质量。

（2）一致性和可重复性：机器人通过程序控制，可以确保每次铺带过程的一致性，减少了人为误差。

（3）节约成本：相比于传统的手工操作，自动铺带技术可以减少人力成本，并大幅提高生产效率。

航空复合材料零件自动铺带技术研究航空航天复合材料由于其高强度、高比刚度、良好的疲劳性能和设计而被广泛用于航空航天工程，例如飞机材料。

随着科学技术的发展，航空复合材料制造技术逐渐趋于一体化、自动化、成本化，复合材料的质量逐渐成为各大飞机制造商竞争的重要举措。

因此航空航天复合材料的研发和应用是非常重要的。

标签：航空复合材料;设计与制造;发展趋势引言在我国，航空航天复合材料于20世纪60年代引入，并且越来越广泛地被广泛使用。

空间科学技术的发展促进了飞机在高空、高速、智能化方向和成本方向上的不断发展，航空航天复合材料的发展，实现了制造技术和材料特性的突破。

我国航天复合材料的研究时间较晚，复合材料的设计和制造不足，复合材料的种类较少。

并且整体性能较差，因此要进行有效生产，必须付出很大的努力来提高设计和制造水平。

一、当前的发展趋势目前大型外国军用、民用飞机复合部件的份额迅速上升，波音787客机使用超过50%的复合部件结构，A350复合部件将占结构重量的52%，俄罗斯MC21的发展，复合材料量也將是结构重量的40%至45%。

A400 M军用输送机上的复合材料数量已达到结构重量的35%。

国产复合材料在ARJ21并未广泛使用，大型零件仅在舵上使用复合材料。

大型飞机正在开发中，考虑到目前和飞机制造与国际先进水平存在差距，相对于国外A380、波音787、A350、A400 M、MC21和其他大型飞机落后至少7-8年。

以及国内设计能力、试验能力、生产设备和技术水平条件有限，对大型飞机复合构件的核算至少不小于25%（重量），采用机翼或水平舵复合结构。

同时对于复合材料零件的生产，自动铺带技术是目前最有效的制造工艺。

二、自动铺带技术的发展所谓的自动铺带技术，是利用数控设备帘布层，通过数字化，复合预浸料的自动化手段，连续自动切割和自动胶带放置。

主要工艺：复合预浸料卷安装在贴装头中，预浸材料由一组辊组成，由压辊按压机构或保形层制成或在工具上平面化。

复合材料自动铺放设备——基于预浸料的复合材料结构高质高效制造平台复合材料自动铺放设备——基于预浸料的复合材料结构高质高效制造平台中航工业制造所孙年俊先进复合材料因比模量、比强度高，抗疲劳、耐腐蚀、可设计和工艺性好，成为飞机结构重要发展方向之一。

轻质、高强、性能优异的复合材料成为理想的结构用材，并逐渐从小型、简单、次承力结构向大型、复杂、主承力结构过渡。

国外军机上复合材料用量普遍占结构重量的25%～50%；在民用领域，波音公司787飞机的复合材料用量达到50%，而A350XWB复合材料用量达到了创纪录的52%。

用于复合材料结构制造的先进专用工艺装备在国外迅速发展，特别是基于预浸料的复合材料自动铺放设备，包括自动铺带机和铺丝机，已在国外最先进的战机和民机制造中得到广泛应用。

这些先进铺放装备具有人工/半自动人工铺放所不可比拟的优点（对比如表1所示）。

复合材料铺放制造技术包括铺放装备技术、铺放CAD/CAM技术、铺放工艺技术、预浸料制备技术、铺放质量控制、一体化协同数字化设计等一系列技术，主要是自动铺放装备技术、应用软件技术以及材料工艺技术的融合集成。

其中自动铺放装备技术是整个技术的基础和核心，而铺放装备技术中最关键的是铺放头多功能集成技术和多坐标、多系统运动协同控制技术。

复合材料铺放制造过程为铺放头在多坐标联动控制下，快速准确地运动到复合材料将要铺放的模具表面，并按照铺放程序的指令准确、无误、高效、自动地完成装在专用卷轴上的预浸料（带或丝束）的铺放，包括完成送料、定位、切割、加热、压紧、回收等动作，保证铺放质量满足工艺要求。

欧美少数几个国家已具有较为成熟的复合材料自动铺放设备设计制造能力，研制了立式、卧式、龙门式、集成工业机器人等各种结构形式的复合材料自动铺带机和铺丝机，在机身、机翼、进气道等飞机大型复杂复材结构制造中得到应用，为提升复合材料在军机和民机中的用量做出了重要贡献。

国内在该设备研制方面尚处于原理性研究和工程样机研制阶段。

第４９卷第３期２０２１年３月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ先进复合材料自动铺带技术∗王雨思１ꎬ张㊀磊２ꎬ王㊀瑛１ꎬ李㊀茂３ꎬ吴嘉栋４ꎬ张崇印４ꎬ高㊀缘１ꎬ石姗姗１ꎬ吴新锋１ꎬ４ꎬ∗∗(１.上海海事大学海洋科学与工程学院ꎬ上海２０１３０６ꎻ２.中广核俊尔新材料有限公司ꎬ浙江温州３２５０１１ꎻ３.上海宇航系统工程研究所ꎬ上海２０１１０９ꎻ４.上海航天设备制造总厂有限公司ꎬ上海航天特种环境高分子功能材料工程技术研究中心ꎬ上海２００２４５)㊀㊀摘要:人类社会的发展ꎬ科技的进步都让复合材料登上了工业制造的舞台中央ꎮ自动铺带技术是一种自动化数控制造技术ꎬ如今凭借其成本低㊁效率高等明显优势成为了制造大型复杂组件的不二选择ꎮ概述了自动铺带技术在全球的发展情况ꎬ详细介绍了自动铺带技术的应用领域和技术工艺方法ꎬ在此基础上展望了自动铺带技术在我国的发展前景ꎮ关键词:先进复合材料ꎻ自动铺带ꎻ预浸料中图分类号:ＴＪ４３０ ４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０２１)０３－００２３－０４ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００５－５７７０ ２０２１ ０３ ００５开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):ＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅＬａｙｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＷＡＮＧＹｕ￣ｓｉ１ꎬＺＨＡＮＧＬｅｉ２ꎬＷＡＮＧＹｉｎｇ１ꎬＬＩＭａｏ３ꎬＷＵＪｉａ￣ｄｏｎｇ４ꎬＺＨＡＮＧＣｈｏｎｇ￣ｙｉｎ４ꎬＧＡＯＹｕａｎ１ꎬＳＨＩＳｈａｎ￣ｓｈａｎ１ꎬＷＵＸｉｎ￣ｆｅｎｇ１ꎬ４(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｃｅａｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１３０６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣＧＮＪｕｎｅｒＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＷｅｎｚｈｏｕ３２５０１１ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｈａｎｇｈａｉＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１１０９ꎬＣｈｉｎａꎻ４.ＳｈａｎｇｈａｉＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｐｅｃｉａｌｉｚｅｄＰｏｌｙｍｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００２５６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｕｍａｎｓｏｃｉｅｔｙａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｄｂｒｏｕｇｈｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｔａｇｅ.Ａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓａｋｉｎｄｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｎｏｗａｄａｙｓꎬｗｉｔｈｉｔｓｏｂｖｉｏｕｓａｄｖａｎｔａｇｅｓꎬｓｕｃｈａｓꎬｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｉｔｈａｄｂｅｃｏｍｅｔｈｅｂｅｓｔｃｈｏｉｃｅｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｌａｒｇｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ.Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄꎬａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.ＯｎｔｈｉｓｂａｓｉｓꎬｉｔｆｏｒｅｃａｓｔｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＡｄｖａｎｃｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎻＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅＬａｙｉｎｇꎻＰｒｅｐｒｅｇ１㊀自动铺带技术概述１ １㊀简㊀介图１㊀自动铺带技术流程Ｆｉｇ１㊀Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｔａｐｅｌａｙｉｎｇ自动铺带(ＡＴＬ)技术是一种优秀的复合材料快速高效率自动成型工艺ꎬ该技术不仅可以将定位精度提高至少两个量级ꎬ而且铺叠速度几乎是手工铺叠速度的１０倍ꎬ在生产过程中材料利用率高㊁废品产出少ꎬ得到的复合材料质量稳定ꎬ成本低廉ꎮ从图１可以看出ꎬ该技术的主要工艺流程是:调整多轴机械臂ꎬ使其自动控制材料的合适的铺放位置ꎬ并预先设定好切割机的运行轨迹ꎬ铺放头中填充好复合材料预浸带ꎬ并将预浸带使用滚轮导出ꎬ预浸带经加热辊加热后有序铺叠到工装或铺放好的上一层材料上ꎬ与此同时再次使用滚轮回收背衬材料ꎬ切割机切断预浸带ꎬ使材料按照所需工装的外形铺放完毕ꎮ１ ２㊀全球最新发展情况概述Ｓｌａｎｇｅ等[１]提出了一种工艺路线ꎬ重点是快速铺叠ꎬ而３２ ∗中国博士后科学基金(２０１７Ｍ６１１７５７)ꎬ上海市科技人才计划项目(１９ＱＢ１４０２２００)ꎬ上海市科委 科技创新行动计划地方院校能力建设项目(１９０４０５０１８００)∗∗通信联系人:吴新锋ꎬ男ꎬ１９８２年生ꎬ副教授ꎬ主要从事高分子复合材料的研究ꎮｘｆｗｕ＠ｓｈｍｔｕ ｅｄｕ ｃｎ作者简介:王雨思ꎬ女ꎬ２０００年生ꎬ本科ꎬ主要从事高分子复合材料的研究ꎮ８１４４６６９１１＠ｑｑ ｃｏｍ塑㊀料㊀工㊀业２０２１年㊀㊀不是现场固结ꎬ而最终固结质量和形状是通过模压成型来实现的ꎻ针对预浸带可能重叠的问题ꎬＺｈａｎｇ等[２]提出了一种新的用于自动胶带放置的轨迹规划方法ꎬ该方法利用复合带的允许平面内变形能力来优化连续带之间的关系ꎬ同时还规定了复合带的变形以防止起皱ꎻＳｃｈｕｌｚ等[３]提出了一种超声波切割台的方案ꎬ以研究超声波切割工艺的参数ꎬ分析功能需求ꎬ完成胶带铺设过程时能够准确㊁迅速地将预浸料带切割成指定形状ꎻＣｌａｎｃｙ等[４]将自动铺带技术用于加工可变角度拖曳(ＶＡＴ)层压板ꎬ从而可以修改层压板内的载荷路径ꎬ产生更有利的应力分布并改善层压板性能ꎬ可以得到铺放速度和转向半径对缺陷频率和结合强度的影响ꎻＳｃｈｕｇ等[５]研究了形成碳纤维增强聚酰胺６铺层的无需进行任何预备的固结的方法ꎬ并使用热成像㊁显微切片㊁空隙含量和纤维体积分数测量查验了成型零件的质量ꎻ为了改善玻璃钢内部和外部手动执行的高成本和低效率ꎬＬｅｅ等[６]使用自动铺带机开发了管根ꎬ以改善玻璃钢(ＧＲＰ)管内部的黏合过程ꎻＫｕｄｒｉｎ等[７]开发了一种适用于自动铺带技术预浸料的ＭＡＧＶｉｐｅｒ１２００系统ꎬ具有进一步高压灭菌成型的预浸料技术(预浸料是用未固化的聚合物黏合剂浸渍的碳纤维或玻璃纸)ꎻＢｕｄｅｌｍａｎｎ等[８]试图使用建模方法来指导预浸料的黏性表征ꎬ有望通过提高处理层压板缺陷和机器故障的稳健性来实现铺带速度或材料存储方面的工艺改进ꎬ提高生产效率ꎮ２㊀自动铺带技术应用２ １㊀生产碳纤维胶带在国外的研究进展中ꎬ科学家们已经提出了一种将自动铺带机应用于制造由长回收碳纤维(ＬｒＣＦ)制成的新零件的工艺链ꎬ该工艺链的核心要素之一是使用有着良好的内聚力和含有的黏合剂材料的自动铺带机ꎬ图２ａ是该机器通过用黏结剂网状材料包裹来从条状原料中生产ＬｒＣＦ黏结剂带并在成型工艺中进一步处理这些黏合带ꎮ在施加黏合剂期间ꎬ已经实现了薄片的进一步拉伸以及使用黏合剂材料将该状态冻结ꎮ图２ｂ是对纤维进行拉伸实验ꎬ力学性能表明ꎬ与随机原始纤维毡材料相比ꎬ利用各向异性效应能够更有效地利用纤维特性ꎮａｂ图２㊀自动铺带机生产由ＬｒＣＦ制成的新零件(ａ)和纤维拉伸性能试验(ｂ)[９]Ｆｉｇ２㊀ＡｕｔｏｍａｔｉｃｔａｐｅｌａｙｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｐｒｏｄｕｃｅｓｎｅｗｐａｒｔｓｍａｄｅｏｆＬｒＣＦ[９](ａ)ａｎｄｆｉｂｅｒｔｅｎｓｉｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔ[９](ｂ)２ ２㊀生产金属纤维层压板由玻璃纤维预浸料和薄铝板制成的金属纤维层压板是飞机机身的替代材料ꎮＵｃａｎ[１０]和Ｓｃｈｅｌｌｅｒｂ等[１１]认为已被确定为航空航天应用的上乘材料的金属纤维层压板ＦＭＬ(尤其是ＧＬＡＲＥ)具有成为下一代单通道飞机的基准材料的潜力ꎮ同时ＰｒｅｍｉｕｍＡＥＲＯＴＥＣ公司的Ｈｉｌｍａｒ[１２]和Ｕｃａｎ[１３]提出用于自动化和减少当前供应链的解决方案ꎬ为以高生产率引入纤维金属层压板奠定了基础ꎮ图３是ＰｒｅｍｉｕｍＡＥＲＯＴＥＣ公司已经研制出的能够铺设４６０ｍｍ宽度的自动铺带机铺带头ꎬ铺带头固定在标准机器人上ꎬ预浸料通过输送头送入ꎬ并通过具有可调压力的悬垂单元铺设在固化单元中ꎮ然后ꎬ在铺设过程之后ꎬ将用于固定预浸料的背纸作为单独的卷剥离ꎮ最后将带有玻璃纤维预浸料的完整卷插入末端执行器中ꎮ同时末端执行器连接到机器人上以便灵活部署ꎮ此原理可用于生产任何所需的几何形状ꎬ从而构成了以高生产率在飞机上生产金属纤维层压板的基础施工ꎮ图３㊀自动铺带机生产金属纤维层压板[１２]Ｆｉｇ３㊀Ａｕｔｏｍａｔｉｃｔａｐｅｌａｙｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｐｒｏｄｕｃｅｓｍｅｔａｌｆｉｂｅｒｌａｍｉｎａｔｅ[１２]２ ３㊀制造望远镜ＳＩＭＯＮＳ天文台针对大口径望远镜(ＳＯＬＡＴ)以及具有相同镜面支撑结构的其他望远镜一直有大量的需求ꎮＣＣＡＴ￣ｐｒｉｍｅ是直径６ｍ的望远镜ꎬ表面精度为１０μｍꎬ工作在亚毫米至毫米的波长下ꎬ位于智利北部阿塔卡马沙漠中的塞罗查南托的５６００ｍ高处ꎮ望远镜的两个主镜由大型碳纤维增强复合材料(ＣＦＰＲ)结构支撑ꎬ其结构设计使热膨胀接近于零ꎬ且由于重力效应其变形最小ꎮ对于这两种望远镜ꎬ总共将处理１９０００ｍ２或１２６ｋｍ的超低色散的预浸带(ＵＤ预浸带)ꎮＡｉｒｂｏｒｎｅ将自动铺带机与机器人的铺放过程结合在一起ꎮ机械手安装的ＡＴＬ末端执行器用于创建大型基础层压板ꎮ然后使用机器人安装的超声波刀将层压板切成较小的坯料ꎮ最后ꎬ使用带有真空夹具的自动安装的Ｐ＆Ｐ末端执行器ꎬ将各个坯料拾起并放置在所需的位置ꎬ以制成桁架结构ꎮ２ ４㊀灌注制造风叶片采用激光辅助自动铺带技术ꎬ图４展示了将干纤维带转变为稳定的网状干纤维预制体ꎬ再注入液态树脂制备复合材料层压板ꎮ采用两种不同的水基黏结剂对碳纤维基复合材料进行浸涂加固时ꎬ一方面ꎬ自动预成型提高纤维体积分数高达９％ꎬ与手工预成型相比ꎬ自动预成型使层压板的总厚度减少了１７％~２０％ꎻ另一方面ꎬ弯曲强度相对于基线有２％的边际改善ꎮ除此之外ꎬ在所有情况下黏结剂的存在都会降低弯曲模量ꎮ自动化预制件的表现优于手动预制件的６％ꎮ总体而言ꎬ自动铺带技术可以自动化生产稳定的网状干４２第４９卷第３期王雨思ꎬ等:先进复合材料自动铺带技术纤维预制件ꎬ这是兼容的液体树脂输液过程ꎮ这种用于预制件制造的自动化方法对于通过液体树脂灌注制造大型厚构件具有巨大的潜力ꎬ如船舶船体㊁风叶片以及需要自动沉积干纤维以减少生产时间的零部件ꎬ也有助于避免在高生产率环境中预制件瓶颈ꎮ图４㊀预制棒制备[１２]Ｆｉｇ４㊀Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｆｏｒｍ[１２]３㊀自动铺带技术工艺方法３ １㊀原位电子束固化将高能束固化技术应用于自动铺带成型工艺ꎬ不仅省去了制造大型复杂材料所需的热压罐固化程序ꎬ而且无需再使用高成本的抽真空环境ꎬ这在实际的生产过程中可以有效地节约资金ꎬ尤其是针对大型的航空航天制造商以及交通运输制造商ꎬ原位电子束固化与自动铺带技术的结合能将构件的制造成本降低最多６０％ꎮ为了开发用于高级聚合物复合材料的非高压釜制造工艺ꎬＡｂｌｉｚ[１５]探索了一种将自动胶带放置与低能电子束辐射固化相结合的新工艺ꎬ在胶带放置的过程中实现对先进复合材料进行原位电子束逐层固化ꎮ通过调整预浸料中的电子束剂量深度分布优化辐照过程以实现均匀固化ꎮ图５描述的放置过程是用低能ＥＢ发射器辐照到一定剂量后ꎬ立即用胶带贴装机将辐照过的ＥＢ固化预浸料压实在模具表面上ꎮ图５㊀低能量ＥＢ固化胶带放置过程Ｆｉｇ５㊀ＬｏｗｅｎｅｒｇｙＥＢｃｕｒｉｎｇｔａｐｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ３ ２㊀红外线铺带技术ＦｒａｕｎｈｏｆｅｒＩＰＴ[１７]开发了一种基于红外(ＩＲ)的热塑性塑料原位铺带工艺ꎬ该工艺引起了业界的广泛关注ꎮ设计和优化生产除了优化工艺参数外ꎬ机器设计以及包括几何形状和毛坯设计都涉及到工艺引起的影响ꎮ由ＦｒａｕｎｈｏｆｅｒＩＰＴ开发的ＰｒｅＰｒｏ®２Ｄ系统已用于生产热塑性ＵＤ胶带制成的定制复合材料坯料ꎮ它基于连接到龙门系统的胶带铺设头和加热的旋转工作台ꎮ旋转台根据所需的纤维方向旋转ꎬ并且还负责胶带铺设的方向和速度ꎮ胶带铺设头负责胶带在转盘上的位置和长度ꎮ由图６可见ꎬＰｒｅＰｒｏ®２Ｄ机器基于坚固的加固辊而不是钢带ꎮ固结辊由单个温度控制单元加热ꎬ其压力由Ｆｅｓｔｏ压力控制阀控制ꎮ系统中集成了用于验证的Ｈｅｉｔｒｏｎｉｘ高温计和ＤＩＡＳ红外热像仪ꎮ由于红外辐射会干扰高温计的波长ꎬ以及磁带铺设头的现有空间ꎬ因此这两个测量系统都分别位于夹持点或合并辊之后ꎮ通过实施这种方法ꎬ可以优化工艺参数并调整胶带铺放系统ꎮ图６㊀ＰｒｅＰｒｏ®２Ｄ磁带铺设系统[１７]Ｆｉｇ６㊀ＰｒｅＰｒｏ®２Ｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍ[１７]３ ３㊀逆光学模型优化激光辅助胶带成型ＦｒａｎｋＳｅｂａｓｔｉａａｎ[１７]提出一种激光辅助胶带缠绕/放置(ＬＡＴＷ/Ｐ)过程ꎬ其中纤维增强的热塑性预浸料坯由激光源加热并通过压实辊原位固结ꎮ为了将加工温度分布保持在期望的条件下ꎬ图７的流程图展示了一种用于激光功率分布的新的工艺优化方法ꎮ在优化方案中考虑了具有可变功率分布的激光源ꎬ该激光源可以通过实现所需的恒定咬合点温度分布来提高最终产品的黏合质量ꎮ垂直腔表面发射激光器(ＶＣＳＥＬ)技术实际上可以实现可变的激光功率分布ꎮ在直接光学模型中ꎬ已知激光功率分布以及输出的热通量分布ꎮ在逆热模型中使用给定的温度曲线来计算相同热节点上所需的热通量分布ꎮ根据预浸带和基材上的表面温度分布ꎬ计算出理想的激光功率分布ꎮ基于两个不同的输入温度曲线ꎬ即逐步和线性斜坡曲线ꎬ进行了两个不同的优化研究ꎮ首先ꎬ逆热模型用于计算所需的热通量分布ꎬ并将其作为逆光学模型的输入ꎮ使用射线追踪方法的光学模型ꎬ将获得的热通量分布转换为激光功率分布ꎮ将使用逆光学模型获得的激光功率分布与计算出的激光功率分布进行比较ꎬ作为已开发的光热模型的输入ꎮ图７㊀完整模型方法的流程图Ｆｉｇ７㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｍｏｄｅｌｍｅｔｈｏｄ３ ４㊀多层刀片 生产薄壁ＣＦＲＰ结构多层刀片 (ＭＬＩ)项目为薄壁ＣＦＲＰ结构中使用的刀片提出了新的设计ꎮ多层刀片由多个薄金属板组成ꎬ在内在杂交过程中与层压板同时积聚ꎬ消除了耗时的后处理步骤ꎮ此外ꎬ与传统刀片相比ꎬ在同等重量下ꎬ这种刀片可大大增加金属和ＣＦＲＰ之间的黏合面积ꎮ５２Ｇｒｏβ[１８]目前正在开发这样一个全自动化的生产工艺ꎬ以实现刀片的同步构建ꎮ两者均将单个金属板的放置过程和相应的切割工艺集成到ＡＴＬ工艺中ꎬ以形成预层中的切口ꎮ在保持高铺设速度的同时可以将刀片放置集成到ＡＴＬ流程中ꎮ为了满足基于生产的限制以及机械原因ꎬ刀片被集成到双层层压板中(见图８)ꎮ这意味着ꎬ层压板由具有相同方向的层对组成ꎮ这种铺面可确保黏合曲面独立于相邻双层的取向和角度差ꎮ因此ꎬ对于所有双层ꎬ金属板与光纤方向的方向可以相同ꎮ这大大简化了金属板的铺设ꎬ因为它们的放置方向相对于铺设方向恒定ꎮ从机械的角度来看ꎬ这种设计增加了可用的黏合面积ꎬ并确保负载传输到至少一个具有相同的光纤方向的相邻层ꎮ图８㊀双层层压板Ｆｉｇ８㊀Ｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｌａｍｉｎａｔｅ４㊀前景展望自动铺带技术已经经过了半个世纪的发展与更新ꎬ随着复合材料大型构件的应用领域越来越广泛ꎬ生产需求的数量㊁质量和性能也越来越高ꎬ复合材料成型自动化是未来复合材料制造技术发展的必然结果ꎮ尽管国内的先进复合材料成型工艺仍以手工铺带为主ꎬ自动铺带机仍然无法进行大规模流水线的生产ꎬ但我国一直重视自动铺带技术ꎬ积极吸取先进经验和技术ꎬ努力推动其向自动化㊁数字化㊁标准化方向发展ꎮ与此同时ꎬ本文提到的许多先进的自动铺带技术成型工艺以及自动铺带技术能运用的新领域也亟待我国的科研人员去挖掘和探索ꎮ相信抓住复合材料成型自动化这个机遇ꎬ一定能够实现我国自主研发高精尖成型设备和技术并将其投入相应的制造领域的美好愿景ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]ＳＬＡＮＧＥＴＫꎬＧＲＯＵＶＥＷＪＢꎬＷＡＲＮＥＴＬＬꎬｅｔａｌ.Ｔｏｗａｒｄｓｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｌａｙ￣ｕｐａｎｄｓｔａｍｐｆｏｒｍｉｎｇｆｏｒｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔａｉｌｏｒｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＰａｒｔＡ:ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃ￣ｔｕｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１１９:１６５－１７５.[２]ＺＨＡＮＧＰꎬＺＨＯＵＺＨꎬＣＨＥＮＧＢꎬｅｔａｌ.Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｌａｙ￣ｕｐｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔａｐｅｓｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄｇｅｏｄｅｓｉｃｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓꎬＰａｒｔＣ.ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅꎬ２０１８ꎬ２３２(２２):４０８４－４０９７.[３]ＨＯＰＭＡＮＮＣꎬＯＰＨＶＬＳＭꎬＳＣＨＵＬＺＭꎬｅｔａｌ.Ｉｎｄｉ￣ｖｉｄｕａｌｉｚｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒ￣ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ[Ｊ].ＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎＷｏｒｌｄｗｉｄｅꎬ２０１９ꎬ１２(４):６４－７１.[４]ＣＬＡＮＣＹＧꎬＰＥＥＴＥＲＳＤꎬＯＬＩＶＥＲＩＶꎬｅｔａｌ.Ａｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｓｔｅｅｒｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｒｅ/ＰＥＥＫｔａｐｅｓｕｓｉｎｇｌａｓｅｒ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔａｐｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ[Ｊ].Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬ２０１９ꎬ１６３(ＡＰＲ.１５):２４３－２５１.[５]ＳＣＨＵＧＡꎬＲＩＮＫＥＲＤꎬＨＩＮＴＥＲＨＯＥＬＺＬＲꎬｅｔａｌ.Ｅ￣ｖａｌｕａｔｉｎｇｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｆｏｒｍｉｎｇｓｐｏｔ￣ｗｅｌｄｅｄｌａｙｕｐｓｏｕｔｏｆｆｉｂｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｔａｐｅｗｉｔｈｏｕｔｐｒｅｖｉｏｕｓｃｏｎｓｏｌｉ￣ｄａｔｉｏｎ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＦｏｒｍｉｎｇꎬ２０１９ꎬ１２(２):２７９－２９３.[６]ＬＥＥＪＹꎬＪＵＮＧＭＳꎬＳＨＩＮＫＢꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｅｄｌａｙ￣ｕｐｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｊｏｉｎｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＧＲＰｐｉｐｅｓ[Ｊ].ＭｏｄｅｒｎＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＢꎬ２０２０ꎬ３４(０７ｎ０９):２５７－２６３.[７]ＫＵＤＲＩＮＡＭꎬＫＡＲＡＥＶＡＯＡꎬＧＡＢＲＩＥＬ ＳＫＳꎬｅｔａｌ.Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆａｄａｐｔａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｓｙｓｔｅｍｓｏｆａｕ￣ｔｏｍａｔｅｄｌａｙｉｎｇｏｆＰＣＭｓｆｏｒａｖｉａｔｉｏｎｐｕｒｐｏｓｅｓ[Ｊ].ＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓＤꎬ２０１９ꎬ１２(３):３３６－３４０.[８]ＢＵＤＥＬＭＡＮＮＤꎬＳＣＨＭＩＤＴＣꎬＭＥＲＩＮＥＲＳＤꎬｅｔａｌ.Ｐｒｅｐｒｅｇｔａｃｋ:Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍｓꎬｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔꎬａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ].ＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬ２０２０ꎬ４１(９):１－１９.[９]ＯＬＩＶＥＲＲꎬＤＡＶＩＤＭꎬＣＨＲＩＳＴＩＡＮＧꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐ￣ｍｅｎｔａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ￣ｂａｓｅｄｂｉｎｄｅｒｔａｐｅｓｆｏｒａｕｔｏｍａｔｅｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１９ꎬ５３(２３):１－１２[１０]ＵＣＡＮＨꎬＡＰＭＡＮＮＨꎬＧＲＡ＆ＳＺＬＩＧＬＧꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｍａｄｅｆｒｏｍｆｉｂｒｅ￣ｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓｉｎａｉｒｃｒａｆｔｆｕｓｅｌａｇｅｓ[Ｊ].ＣＥＡＳＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌꎬ２０１９ꎬ１０(２):４７９－４８９[１１]ＳＣＨＥＬＬＥＲＪꎬＤＩＥＣＫＨＯＦＦＳꎬＳＴＡＮＤＦＵβＪꎬｅｔａｌ.Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｔｈｅａｕｔｏｍａｔｅｄｆｉｂｅｒｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓｐｒｏ￣ｄｕｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎＷｏｒｌｄｗｉｄｅꎬ２０１９ꎬ１２(２):５０－５７.[１２]ＨＩＬＭＡＲＡꎬＭＡＴＴＨＩＡＳＢꎬＤＵＪＹꎬｅｔａｌ.Ａｕｔｏｍａｔｅｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｆｉｂｒｅｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｒａｔｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＤｅｓｉｇｎｗｏｒｌｄｗｉｄｅꎬ２０１７ꎬ１０(４):２８－３３[１３]ＵＣＡＮＨꎬＳＣＨＥＬＬＥＲＪꎬＮＧＵＹＥＮＣꎬｅｔａｌ.Ａｕｔｏｍａ￣ｔｅｄꎬｑｕａｌｉｔｙａｓｓｕｒｅｄａｎｄｈｉｇｈｖｏｌｕｍｅｏｒｉｅｎｔｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒｍｅｔａｌｌａｍｉｎａｔｅｓ(ＦＭＬ)ｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｐａｓｓｅｎｇｅｒａｉｒｃｒａｆｔｆｕｓｅｌａｇｅｓｈｅｌｌｓ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ２０１９ꎬ２６(１):５０２－５０８.(下转第５８页)现象ꎮ这种薄壁ＰＰ配方技术ꎬ在基本保证注塑部件功能不低于普通注塑部件性能的基础上ꎬ可以明显减轻制件质量和成型周期ꎬ并具翘曲小ꎬ平直度高ꎬ没有缩水ꎬ尺寸稳定ꎮ可用于设计多功能㊁形状复杂㊁大型薄壁化产品ꎬ在生产过程中可缩短加工周期ꎬ降低加工温度ꎬ降低注射压力和能耗ꎬ具有加工性好ꎬ优良的充模性等优点ꎮ从而较传统ＰＰ成型部件成型技术更为充分地实现了减重㊁高效㊁低成本的生产ꎮ对于进一步提高资源利用率㊁减轻汽车质量㊁降低能源消耗具有重要意义ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]张云ꎬ葛骞.薄壁注塑聚丙烯综述[Ｊ].当代化工ꎬ２０１８ꎬ４７(３):６００－６０６.ＺＨＡＮＧＹꎬＧＥＱ.ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅＴＷＩＭｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌ￣ｅｎｅ[Ｊ].ＣｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０１８ꎬ４７(３):６００－６０６.[２]陈廷勇ꎬ方鹤ꎬ夏俊ꎬ等.薄壁注塑专用高熔体流动速率ＰＰ的开发进展[Ｊ].合成树脂及塑料ꎬ２０１８ꎬ３５(４):８５－８８.ＣＨＥＮＴＹꎬＦＡＮＧＨꎬＸＩＡＪꎬｅｔａｌ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｈｉｇｈＭＦＲＰＰｆｏｒｔｈｉｎｗａｌｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＳｙｎｔｈｅｔｉｃＲｅｓｉｎａｎｄＰｌａｓｔｉｃｓꎬ２０１８ꎬ３５(４):８５－８８.[３]ＡＲＩＥＬ.青岛炼化携手美利肯开发含Ｈｙｐｅｒｆｏｒｍ®成核剂的薄壁注塑专用聚丙烯树脂[Ｊ].工程塑料应用ꎬ２０１４(２):８８.ＡＲＩＥＬ.ＱｉｎｇｄａｏＲｅｆｉｎｅｒｙａｎｄＭｉｌｌｉｋｅｎｊｏｉｎｔｌｙｄｅｖｅｌｏｐｐｏｌ￣ｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｒｅｓｉｎｆｏｒｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＨｙｐｅｒｆｏｒｍ®ｎｕｃｌｅａｔｉｎｇａｇｅｎｔ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｌａｓｔｉｃｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎꎬ２０１４(２):８８.[４]孟永智ꎬ胡琳ꎬ曾祥国ꎬ等.高熔薄壁注塑聚丙烯新产品１０４０ＴＥ开发与应用[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１９ꎬ４７(１):５２－５４.ＭＥＮＧＹＺꎬＨＵＬꎬＺＥＮＧＸＧꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｍｅｌｔｉｎｇｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔ１０４０ＴＥ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｌａｓｔｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０１９ꎬ４７(１):５２－５４.[５]袁莹莹.基于Ｍｏｌｄｆｌｏｗ技术汽车保险杠翘曲变形分析与优化[Ｄ].杭州:浙江工业大学ꎬ２０１３.ＹＵＡＮＹＹ.Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｒｐａｇｅｏｆａｕｔｏ￣ｍｏｂｉｌｅｂｕｍｐｅｒｂａｓｅｄｏｎｍｏｌｄｆｌｏｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｄ].Ｈａｎｇ￣ｚｈｏｕ:ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１３. [６]周陆腾ꎬ蒋炳炎ꎬ楚纯朋ꎬ等.界面传热对薄壁注塑成型质量的影响[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１４ꎬ４２(３):６７－７９.ＺＨＯＵＬＴꎬＪＩＡＮＧＢＹꎬＣＨＵＣＰꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｌａｓｔｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０１４ꎬ４２(３):６７－７９. [７]许冰ꎬ黄宗斌ꎬ韦超忠.长玻纤增强聚丙烯注塑成型薄壁制件的结构和性能研究[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１８ꎬ４６(３):９７－１００.ＸＵＢꎬＨＵＡＮＧＺＢꎬＷＥＩＣＺ.Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄｆｏｒｍｅｄｐａｒｔｓｗｉｔｈｌｏｎｇｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ[Ｊ].ＣｈｉｎａＰｌａｓｔｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｙꎬ２０１８ꎬ４６(３):９７－１００. [８]ＡＺＡＭＡＮＭＤꎬＳＡＰＵＡＳＭꎬＳＵＬＡＩＭＡＮＳꎬｅｔａｌ.Ｓｈｒｉｎｋａｇｅｓａｎｄｗａｒｐａｇｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙｏｆｗｏｏｄ￣ｆｉｌｌｅｄｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄｐａｒｔｓｆｏｒｍｅｄｂｙｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎꎬ２０１３(５２):１０１８－１０２６.(本文于２０２０－１１－２４收到)㊀(上接第２６页)[１４]ＫＡＤＩＹＡＬＡＡＫꎬＰＯＲＴＥＬＡＡꎬＤＥＶＬＩＮＫꎬｅｔａｌ.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｕｓｉｎｇａｕｔｏｍａｔｅｄｄｒｙｆｉｂｒｅｔａｐｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｌｉｑｕｉｄｒｅｓｉｎｉｎｆｕｓｉｏｎ[Ｊ/ＯＬ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２１ꎬ２０１:１０８５１２.[１５]ＡＢＬＩＺＤꎬＤＵＡＮＹꎬＺＨＡＯＸꎬｅｔａｌ.Ｌｏｗ￣ｅｎｅｒｇｙｅ￣ｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｃｕｒｅｄｔａｐｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｏｕｔ￣ｏｆ￣ａｕｔｏｃｌａｖｅｆａｂ￣ｒｉｃａｔｉｏｎｏｆａｄｖａｎｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓꎬＰａｒｔＡ:ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬ２０１４ꎬ６５:７３－８２.[１６]ＳＣＨＵＬＺＭꎬＪＡＮＳＳＥＮＨꎬＢＲＥＣＨＥＲＣꎬｅｔａｌ.Ａｄｉｇｉｔａｌｓｈａｄｏｗｆｏｒｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ￣ｂａｓｅｄｔａｐｅｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔａｉｌｏｒｅｄｂｌａｎｋｓｏｕｔｏｆｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｔａｐｅ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｄｉａＣＩＲＰꎬ２０１９ꎬ８５:２２４－２２９.[１７]ＥＳＳＥＬＩＮＫＦＳꎬＡＭＩＮＨＳＭꎬＢＡＲＡＮＩꎬｅｔａｌ.Ｏｐｔｉ￣ｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｔａｐｅｗｉｎｄｉｎｇ/ｐｌａｃｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇｉｎｖｅｒｓｅｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ[Ｊ].ＰｒｏｃｅｄｉａＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬ２０２０ꎬ４７:１８２－１８９.[１８]ＧＲＯβＬꎬＨＥＲＷＩＧＡꎬＢＥＲＧＤＣꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆａｈｙｂｒｉｄｌｏａｄｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄＣＦＲＰＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[Ｊ].ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ１２(１):１－８.(本文于２０２０－１２－１４收到)。

40航空制造技术·2011 年第 15 期FORUM复合材料自动铺带技术研究与应用中航工业北京航空制造工程研究所　周晓芹　曹正华　郑广强　薛向晨　梁宪珠　王永贵随着我国新型飞机项目的立项启动，复合材料用量以及大型整体构件的数量和尺寸不断增加，国内复合材料自动铺带技术得到迅速发展。

目前，北京航空制造工程研究所率先完成了我国首台大型复合材料构件自动铺带机的研制，并在此基础上深入开展了自动铺带技术研究。

周晓芹复合材料专业硕士研究生，工程师，主要从事复合材料自动铺带技术和纤维丝束自动铺放技术等方面的研究工作。

Research and Application of Automated Tape Laying Technology ofComposites坐标铺带头、高速移动横梁、高架桥式定位平台等组成，如图1所示。

除了传统数控机床X ，Y ，Z 三坐标定位以外，还有绕Z 轴方向的转动轴C 轴和绕X 轴方向摆动的A 轴，五轴联动以满足曲面铺带的基本运动要求。

● 自动铺带机联动坐标及行程范围：X ：20000mm；Y：6500 mm。

● 自动铺带机坐标速度：X 、Y ：60000 mm/min。

整机技术水平和性能指标达到了国外同类设备水平，能够满足新型飞机研制中大型复合材料构件的研制需求。

经过四十多年不断的发展与完善，自动铺带设备和技术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，如波音777飞机尾翼、水平和垂直安定面蒙皮，波音787翼面蒙皮，A340尾翼、水平安定面蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。

自动铺带技术已经成为发达国家复合材料翼面类结构的典型制造技术之一。

随着我国新型飞机项目的立项启动，复合材料用量以及大型整体构件的数量和尺寸不断增加，国内复合材料自动铺带技术得到迅速发展。

目前，北京航空制造工程研究所率先完成了大型复合材料构件自动铺带机的研制，并在此基础上深入开展了自动铺带技术研究。

复合材料构件手工成型时，根据铺放形面特征和预浸带宽度经剪裁后通过手工铺叠到模具表面完成复合材料构件的成型制造，其生产效率低、废料率高、产品质量也难以保证。

自动铺放技术（包括自动铺带技术和自动铺丝技术）利用专用铺放设备，采用数控技术，实现了铺叠的自动化和预浸带剪裁的自动化，突破了大型复合材料构件手工成型难以克服的瓶颈，具有高效、高质、高精度和高可靠性的优点，已广泛应用于大型飞机、运载火箭等各类航空航天飞行器中多种结构部件的制造，成为发达国家航空航天工业领域中大型复合材料构件的典型制造工艺（如图1所示）。

方向性要求：纤维铺放方向必须满足复合材料结构铺层设计方向。

复合材料既是一种材料也是一种结构，其突出优点之一是性能的可设计性，不同的铺层方向与铺层形式可以形成不同性能的复合材料。

因此，按结构工艺设计要求的纤维方向进行铺放是实现结构设计要求的基础，也是设计铺放轨迹规划算法的基本准则。

可铺性要求：铺放过程中预浸料不褶皱、不撕裂。

自动铺放技术采用一定宽度的预浸带：自动铺带技术采用75/150/300mm等3种宽度的预浸带，自动铺丝技术采用3.2/6.4/12.7mm 等3种宽度的窄带。

预浸带可变形范围很小，复杂曲面铺叠时只能沿特定的轨迹，否则会导致褶皱或撕裂，继而影响构件的铺放质量，甚至导致铺放过程无法顺利进行（如图2所示）。

在复杂曲面构件自动铺放轨迹规划时，其算法必须根据构件曲面外形综合考虑预浸帯在铺放过程中的变形因素。

间隙质量要求：单层铺放时满足间隙容差设计要求，满覆盖、不重叠。

自动铺放时，由于构件形面的复杂性，按照一定算法求解所形成的铺放轨迹并不一定能保证铺放轨迹中心线间的距离保持恒定，间隙可能过小或过大，如不进行适当处理，将导致材料局部重叠或空缺（如图3所示），从而降低制造精度，影响构件性能。

经济性要求：在满足上述要求的基础上尽可能节约材料、降低成本，提高效率。

根据铺放轨迹并按照铺放构件曲面边界特性进行预浸带边界形状规划，生成预浸带切割与预浸带输送（自动铺带）或丝束增减切断（自动铺丝）的特殊指令代码，同时根据铺叠顺序进行整合优化，降低成本，提高效率。

树脂基复合材料自动铺放技术进展第一篇：树脂基复合材料自动铺放技术进展树脂基复合材料自动铺放技术进展1. 前言用于航空航天器的先进复合材料构件主要采用热压罐成型技术制造。

自动铺放是替代预浸料人工铺叠,提高质量和生产效率的重要手段。

根据预浸料形态,自动铺放可分为自动铺带与自动铺丝两类:自动铺带(Tapelaying)采用有隔离衬纸单向预浸带(25~300 mm),多轴机械臂(龙门或卧式)完成铺放位置定位,铺带头自动完成预浸带输送剪裁、加热铺叠与辊压,整个过程采用数控技术自动完成。

自动铺丝(Fiber place-ment)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3~25 mm),分别独立输送、切断,由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸纱根数调整)后铺放在芯模表面,加热软化预浸纱并压实定型。

自动铺带与自动铺丝的共同特点是自动化高速成型,质量可靠,主要适于大型复合材料构件成型;其中自动铺带主要用于小曲率曲面构件(如翼面、壁板)的自动铺叠,由于预浸带较宽,以高效率见长;而自动铺丝侧重于实现复杂形状双曲面(如机身、翼身融合体),适应范围宽,但效率逊于前者。

自动铺放技术是数控机床技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术的高度集成。

自动铺放源于上世纪60年代,在美国空军实验室支持下起步,后经ACT、CAI(计算机辅助设计)等计划支持,迅速发展:自动铺带机、自动铺丝机、各种预浸带/纱已经形成系列产品供应,用于多种航空航天器制造。

欧洲自动铺放技术近年来长足进步,形成自己的特色:如自动铺带的双头两步法和多带同步铺放技术,自动铺丝的旋转切割与预浸纱快速续接技术,这些技术大大提高了生产效率和适用性。

由于自动铺放成形采用的材料体系成熟度高,设计成型方法继承性好,易于数字化设计和自动化制造,已经成为发达国家飞机复合材料大型构件的主要成型方法:新一代大型飞机B787、A350的所有翼面采用自动铺带,而所有机身构件采用自动铺丝。

复合材料自动铺带机器人系统的设计与开发在当今工业领域中，复合材料在航空航天、汽车制造、建筑等领域有着广泛的应用。

为了提高复合材料制造的效率和质量，设计与开发一种高效的自动铺带机器人系统是至关重要的。

本文将详细探讨复合材料自动铺带机器人系统的设计与开发。

1. 引言复合材料是由两种或多种不同性质的材料通过机械或化学方法组合而成的新材料。

与传统材料相比，复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点。

因此，复合材料在许多领域被广泛应用。

为了满足不同领域的需求，复合材料的生产需要高度自动化的生产线。

2. 自动铺带机器人系统的组成自动铺带机器人系统是指能够自动化完成复合材料的铺带工作的机器人系统。

它由以下几个主要组成部分构成：2.1 机械臂机械臂是自动铺带机器人系统的核心组件，它能够在三维空间中精确地运动。

机械臂的设计需要考虑其运动范围、载荷能力以及精度等因素。

现如今，基于伺服控制的多关节机械臂已经成为自动铺带机器人系统的主要选择。

同时，机械臂还需要配备相应的传感器，以实现质量控制和误差修正。

2.2 控制系统自动铺带机器人系统的控制系统是保证机械臂和其他部件协同工作的关键。

控制系统包括硬件和软件两部分。

硬件方面，它通常由运动控制卡、传感器和执行机构等组成。

而软件方面，则需要实现轨迹规划、动作控制和异常处理等功能。

2.3 铺带头铺带头是负责将复合材料铺带到工作区域的组件。

铺带头需要具备高速度、高精度和可靠性的特点。

此外，为了适应不同的铺带形状和材料特性，铺带头还需要具备一定的装备可调整性。

3. 自动铺带机器人系统的关键技术3.1 路径规划与轨迹生成自动铺带机器人系统需要能够根据零件的形状和尺寸，生成合理的铺带轨迹。

路径规划和轨迹生成是自动铺带机器人系统中的关键技术。

在路径规划过程中，需要考虑到复杂曲面的特点以及材料的性质，保证铺带的质量和效率。

3.2 感知与控制自动铺带机器人系统需要能够感知工作环境的状态，及时调整工作姿势和路径。