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430074zphust2005@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 CompositeZhang PengCollege of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan, China, 430074zphust2005@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; Optimization1.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。
图6 预浸带在模具表面形成架桥4.自动铺带工艺参数自动铺带工艺简图如下图7所示。
自动铺带机工艺参数包括：铺放速度、预浸带加热温度、压辊压力、预浸带张力。
通过调节自动铺带机工艺参数，可以提高预浸带铺放的工艺适应性。
图7 自动铺带工艺简图铺放速度铺带机一般保持高速运行状态，一方面是因为铺放效率与铺放速度成正比，另一方面是因为未固化的预浸带在室温下老化很快（通常室温下保存时间为2个星期）[3]。
对于一台给定的机床，铺放速度一般选取为能够保证足够铺放精度的最高铺放速度。
典型铺带机的铺放速度为15m/min-45m/min。
预浸带加热温度温度影响预浸带黏性以及铺覆性。
图8为预浸带树脂随温度的粘度曲线图。
温度提高，预浸带铺放工艺适应性有所提高。
一方面，在铺带机加热温度范围内，随着温度上升，树脂粘度下降而流动度上升。
随着树脂流动度上升，树脂对预浸带界面的浸润能力提高，这样可以提高预浸带之间或者预浸带与模具之间的贴合能力，有利于铺放过程顺利进行。
另一方面，随着温度上升，预浸带变“软”，这表示预浸带铺覆性提高，这样可以降低铺放过程中预浸带在复杂模具表面形成架桥的机会。
然而，随着温度升高，预浸带越容易老化。
因此，预浸带加热温度必须考虑工艺适应性提高与老化这两个矛盾因素进行折衷选择。
在实际生产中，加热温度的选取更加倾向于防止预浸带老化。
典型铺带机加热温度为26℃-43℃[4]。
图8 典型预浸料树脂随温度的粘度曲线压辊压力在预浸带铺放过程中，压辊对预浸带施加压力是必不可少的。
首先，压力可以保证预浸带与上一层片材或模具贴合在一起。
其次，压力可以挤出层之间的空气，保证层合板毛坯紧实，这一过程被称为压实。
孔隙率是已固化层合板质量的重要评价标准之一，有研究指出当孔隙率在0-4%之间时，孔隙率每上升1%，层合板层间剪切强度大约降低7%[5]。
固化层合板中孔隙来源于以下几个方面：1.由于预浸不足导致的预浸带中固有的孔隙；2.铺放过程中，铺层之间包夹的空气；3.固化过程中由于树脂收缩或挥发分、水分蒸发造成的孔隙。
铺带机铺带过程中，通过压辊对预浸带层合板施加很大的力，极大的减少了铺层之间包夹的空气，降低了层合板的孔隙率，提高了层合板的质量。
对于150mm宽预浸带，典型铺带机压力为265-1303N；对于300mm 宽预浸带，典型铺带机压力为265-2675N[4]。
预浸带张力在预浸带铺放过程中，已铺放预浸带张力必须接近于0[3]。
一方面，预浸带中残留的张力将会导致最终固化成型件中产生残余应力。
另一方面，当预浸带铺放到凹形模具表面时，预浸带内的张力可能导致预浸带从模具表面脱落，从而在凹形区域上形成架桥。
5.总结目前，自动铺带技术大多应用于铺放对强度要求高的大型构件的蒙皮，如机翼壁板。
经过几十年的发展后，自动铺带技术已经成为发达国家航空复合材料构件的成熟制造技术，具有高效率、高质量和低成本的优点。
国内先进复合材料构件以手工铺叠为主，引进的数控下料机和激光投影仪虽然提高了效率，但无法摆脱预浸料手工铺叠工艺的本质特征对于结构优化的制约作用[6]。
关于自动铺带相关技术，国内起步较晚，但已经取得了一些成果。
南京航空航天大学于2003年开始对自动铺带技术开展研究，已经完成了实验样机以及工程样机的制作，并对加工工艺进行了相关研究[7]，然而他们制作的样机离实际生产仍旧有一段距离。
复合材料铺带技术的研究与应用对提高我国航空工业技术有着重要作用，加速对其研究与应用可加速我国装备技术与复合材料技术的进步。
因此，国家应该大力支持适应生产的大型自动铺带设备的研发以及应用。
参考文献[1] 叶进. 自动铺带CAM技术研究[D]. 南京: 南京航空航天大学，2009.[2] 林胜. 自动铺带机/铺丝机-现代大型飞机制造的关键设备（上）[J]. 相关产业, 2009, 4: 84-89.[3] Howard B.Olsen, John J.Craig. AUTOMATED COMPOSITE TAPE LAY-UP USING ROBOTIC DEVICES[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1993. 291-297.[4] 郭金树. 复合材料构件可制造性技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2009.[5] Stuart M.lee. Hand book of Composite reinforcement[M], 1993[6]王天玉, 梁宪珠等. 飞机复合材料构件自动铺带/丝束铺放典型设备, 航空制造技术, 2008, 4: 42-44[7]还大军, 李勇等. 复合材料自动铺带技术研究, 宇航材料工艺, 2007, 1: 47-50。
