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树脂基复合材料自动铺放技术进展

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第28卷 第6期2009年6月中国材料进展MATERIALSCHINAVol128 No16Jun12009

收稿日期:2009-05-20通信作者:肖 军,男,1959年生,教授

特约专栏树脂基复合材料自动铺放技术进展

肖 军,李 勇,文立伟,齐俊伟,王显峰(南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京 210016)

摘 要:扼要介绍了树脂基复合材料自动铺放成型技术的原理、特点和国外技术及应用概况,详细介绍了国内复合材料自动

铺放成形技术的研究进展,提出了国内自动铺放技术研究的关键问题及研究建议。关键词:大型飞机;先进复合材料;自动铺放

中图分类号:TQ32214;TB332文献标识码:A文章编号:1674-3962(2009)06-0028-05

ProgressofAutomatedPlacementTechnologyforPolymerComposites

XIAOJun,LIYong,WENLiwe,iQIJunwe,iWANGXianfeng(CollegeofMaterialScienceandTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,210016,China)

Abstrac:tThetechnologyandapplicationsofautomatedplacementaredescribed.Domestictechnologicalprogressof

automatedplacementisintroducedindetai,landcorrespondingkeyproblemsandsuggestionsareputforward.Keywords:commercialaircraft;advancedcomposites;automatedplacement

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(25~300mm),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(图1a)。自动铺丝(Fiberplace-ment)采用多束(最多可达32根)预浸纱/分切的预浸窄带(3~25mm),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(图1b)。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。图1 自动辅带与自动铺丝技术原理Fig11 Schemeoftapelayingandfiberplacement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 第6期肖 军等:树脂基复合材料自动铺放技术进展造。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。复合材料的大量应用推动了自动铺放技术的快速发展,各类新技术层出不穷[1]。国内自动铺放技术研究已经开展数年,其中自动铺带技术已经开始工程应用。笔者介绍了国内自动铺放技术研究进展,主要是自动铺放设备技术方面的进展,并分析指出未来自动铺放技术发展中需要解决的关键问题。

2 国内自动铺带技术研究进展国内自动铺带技术起步于/十五0初期[2-8],南京航空航天大学设计了具有3轴平移、双摆角运动的5轴台式龙门机械臂,研制了力矩电机收放-步进电机驱动的预浸带输送,预浸带气动切割与超声辅助切割,主-辅压辊成型等技术。应用开放式数控系统技术开发出5轴联动,3轴随动切割和温度与压力控制的自动铺带控制系统软硬件,实现了预浸带定位、剪裁、热压铺叠基本功能。根据微分几何理论证明了在可展曲面上/自然路径0与测地线的等价性,应用弧长展开变换方法构造了柱面铺带轨迹算法,进而开发了基于AutoCAD环境,具有机器代码生成等和自动铺带仿真的自动编程软件,实现了给定形状、给定铺层构件的铺带轨迹生成与后置处理与加工指令生成。在此基础上,2005年研制成功国内第一台自动铺带原理样机(图2),实现了自动铺带的基本功能。北京航空材料研究院应用这台样机开展了环氧预浸料和双马来酰亚胺预浸料铺带适应性与铺带工艺试验(图3)。上述基础性的研究工作为进一步发展具有自主知识产权的自动铺放技术奠定了基础。在自动铺带原理样机及工艺研究基础上,南京航空航天大学继续开发[9-15],设计了中型5轴龙门及其与主轴联动的综合运动试验平台,完成了基于UMAC的多轴多任务开放式数控系统软硬件;研制预浸带双模式精确进给与张力控制技术,提高送带精度达到011mm,与数控系统定位精确协调,铺带精度可达012mm;研制了分体压靴与弹性压辊组合施压及根据模具特征的压力自适应调节控制技术,实现了任意曲面自适应均匀加压及其精确控制;研制了5轴双超声切割系统技术,实现图2 国内第一台自动铺带原理样机Fig12 1stprototypeoftapelayingmachineinChina图3 自动铺带工艺试验Fig13 Tapelayingtest了复杂产品外廓预浸带切割;研制了预浸带缺陷激光监测技术可以检测3mm@3mm的夹杂、研制了基于预浸带各向异性折光和数字图像方法的预浸带铺叠间隙测控技术,识别精度达到011mm,实现了自动铺带在线质量检测与测控;以航空航天设计制造环境CATIA为平台,提出/自然路径0的直接计算方法、提高了铺带轨迹计算的精度和速度,达到国外同类自动铺带软件水平;并根据圆锥体的特殊性、在国际上首次提出了锥形体自动铺带方法;还根据弹塑性理论提出了基于预浸带有限变形的带隙容差分析新方法,提高了可铺性、实现了复杂曲面和外形构件的数字化设计。突破上述装备综合技术后,南京航空航天大学2007年研制成功国内第一台中型自动铺带工程样机综合试验系统(图4),可以实现3m@5m小曲率面自动铺带和<1m@3m筒段/锥壳自动铺带。除效率较低(试验系统)外,主要功能已接近国外自动铺带机水平。之后根据应用的需要,研制成功<215m@12m大型筒段专用自动铺带机及其软件(图5),实现了筒段自动铺带的各种功能,大幅度提高了铺带效率。以自动铺带工程样机试验系统为平台,南京航空航天大学与北京航空制造工程研究所、航天材料及工艺研究所等合作探索了QY8911双马预浸料和602环氧预浸料用于自动铺带的工艺,开展了不同特征构件的铺带工

29中国材料进展第28卷图4 自动铺带工程样机试验系统与自动铺带试验Fig14 Tapelayingtestsystemandtapelayingtest

艺试验研究,包括典型插层板、凹凸板、双曲板、翼面蒙皮结构和筒形构件,获得了不同国产预浸料工艺性与铺带工艺规律,为自动铺带工程应用奠定了基础。

图5 复合材料筒段自动铺带系统Fig15 Cylindertapelayingmachinesystem

国内同时开展自动铺带技术与应用研究的有哈尔滨飞机工业公司、北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所、武汉理工大学和天津工业大学等[16-19]。武汉理工大学和天津工业大学在自动铺带机机构设计分析、控制系统架构与仿真等基础研究方面开展了诸多有益探索,但尚未达到工程应用水平;北京航空制造工程研究所等单位合作,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,加速推进了自动铺放技术研究与应用进程,可望在较短时间内实现工程应用。北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所分别研制了基本满足自动铺带的预浸带和相关工艺,为航空应

用打下了基础。哈尔滨飞机工业公司2007年引进西班牙自动铺带机,应用进口预浸料实现了试验翼面的自动铺带工艺,并用国产预浸料开展了工程应用试验研究。

3 国内自动铺丝技术研究进展国内自动铺丝技术探索研究早于自动铺带技术,但由于技术难度远大于自动铺带,国内的研究工作主要在自动铺丝轨迹规划与仿真、装备构型、数控系统技术等基础研究层面展开。钱钧等以构架式卫星复合材料三角接头为对象,开展了构件数值建模、铺丝路径规划研究,应用机器人D-H方法建立了典型3P-3R机器人运动学反问题控制方程并实施了成形仿真(图6)[20-21];邵冠军等对自由曲面的铺丝路径及优化设计做了有益探索[22-24];许斌等较为系统研究了自动铺丝轨迹规划问题,提出了3种铺丝路径轨迹规划方案,建立了丝束覆盖性分析与断纱准则,研究了丝束状态量与切断-重启动作量的映射关系,初步形成了自动铺丝设计制造的基础框架,在CATIA环境下开展了相关CAD/CAM软件原型编写,以S进气道的自动铺丝问题为例做了系统分析与仿真(图7)[25-29]。党旭丹等专门研究了自动铺丝路径的平行等距轨迹规划方法[30-31],提高了计算效率。田会方等开展了自动铺丝装备构型分析,并以锥壳结构为对象开展了成形仿真技术研究[32-34]。富宏亚等在缠绕技术研究基础上开展自动铺丝技术基础研究,试制铺丝头原型、在铺丝曲面重构与路径规划、仿真技术方面开展了系列研究[35-36]。

图6 三角接头铺丝轨迹规划与成形仿真Fig16 Fiberplacementpathprogrammingandsimulationfortriangleconjunction

以装备理论与关键技术研究为基础,南京航空航天大学2006年试制了国内第一台自动铺丝原理样机(图8),架构了基于开放式数控的控制系统和基于CATIA的和CAD/CAM软件原型,原理样机实现了自动

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复合材料的制备方法与工艺(1-1)

复合材料的制备方法与工艺(1-1)


预成形体的制造技术
（1）缝合技术
采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维 织物缝合在一起， 织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材 料。 美国的NASA。 美国的NASA。 复合材料机翼，28m长的蒙皮复合材料预成形体 长的蒙皮复合材料预成形体。 复合材料机翼，28m长的蒙皮复合材料预成形体。 缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度3000针 缝合超过25mm厚的碳纤维层，缝合速度3000针/ 厚的碳纤维层 分。 相对于同样的铝合金零件重量减少25%， 相对于同样的铝合金零件重量减少25%，成本降 20%。 低20%。
（5） 自动铺放技术
该技术在现代飞机上已经获得广泛应用，并 该技术在现代飞机上已经获得广泛应用， 取得了巨大进展。现有的自动铺叠技术已经 取得了巨大进展。 在速度和准确度上有很大增长，而且计算机 在速度和准确度上有很大增长， 技术对它产生了很大影响，铺叠面积也有所 技术对它产生了很大影响， 增长透用) 长纤维的编织(树脂基复合材料的压挤渗透用)
汽车储气罐
门型纤维编织成形机
碳纤维强化网球拍的成形装置
Beech Starship飞机 飞机 翅膀的成型中使用 高压) 的autoclave (高压 高压 成形
（3） 三维机织
是一种高级纺织复合材料。 是一种高级纺织复合材料。 纺织异型整体织物，如T形、U形、工形、 工形、 纺织异型整体织物， 十字形等型材和圆管等， 十字形等型材和圆管等，还可以创造出许多 新的复杂形状织物。 新的复杂形状织物。
（4） 编织
编织是一种基本的纺织工艺， 编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以 上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构 的预成形体。这种工艺通常能够制造出复杂 的预成形体。 形状的预成形体，但其尺寸受设备和纱线尺 形状的预成形体， 寸的限制。该工艺技术一般分为两类， 寸的限制。该工艺技术一般分为两类，一类 的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。 的二维编织工艺，另一类是三维编织工艺。
先进树脂基复合材料的发展和应用

先进树脂基复合材料的发展和应用

先进树脂基复合材料的发展和应用随着科技的不断进步和人们对材料性能要求的不断提高，树脂基复合材料作为一种新型材料，其应用范围也在不断扩大。

先进树脂基复合材料的发展和应用已经成为当今材料科学领域的热点之一。

先进树脂基复合材料是由树脂基体和增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等）组成的复合材料。

相比于传统材料，树脂基复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点。

因此，它们在航空航天、汽车、船舶、建筑、体育器材等领域得到了广泛应用。

在航空航天领域，树脂基复合材料已经成为制造飞机、卫星等航空器的重要材料。

由于其重量轻、强度高、耐腐蚀等特点，可以大幅度减轻飞机的重量，提高飞机的燃油效率和飞行速度。

同时，树脂基复合材料还可以提高飞机的抗风化性能和耐久性，延长飞机的使用寿命。

在汽车领域，树脂基复合材料也得到了广泛应用。

它们可以用于汽车车身、底盘、发动机罩等部件的制造。

相比于传统材料，树脂基复合材料具有更好的强度和刚度，可以提高汽车的安全性能和操控性能。

同时，树脂基复合材料还可以减轻汽车的重量，提高汽车的燃油效率和环保性能。

在船舶领域，树脂基复合材料也被广泛应用于船体、船舶设备等部件的制造。

由于其耐腐蚀、耐磨损等特点，可以提高船舶的使用寿命和安全性能。

同时，树脂基复合材料还可以减轻船舶的重量，提高船舶的速度和燃油效率。

在建筑领域，树脂基复合材料可以用于建筑外墙、屋顶、地板等部件的制造。

相比于传统材料，树脂基复合材料具有更好的耐候性和耐久性，可以提高建筑的使用寿命和安全性能。

同时，树脂基复合材料还可以减轻建筑的重量，降低建筑的成本和能耗。

在体育器材领域，树脂基复合材料可以用于制造高尔夫球杆、网球拍、滑雪板等器材。

由于其重量轻、强度高、耐磨损等特点，可以提高器材的性能和使用寿命。

总之，先进树脂基复合材料的发展和应用已经成为当今材料科学领域的热点之一。

随着科技的不断进步和人们对材料性能要求的不断提高，树脂基复合材料的应用范围也将不断扩大。

复合材料制造自动化技术发展

复合材料制造自动化技术发展

复合材料制造自动化技术发展从复合材料的价值链来看，原材料的附加值为30%，而结构件制造的附加值占55%，预浸料等中间产品占10%。

第一项及第三项成本具有相对稳定性，降低结构件的制造成本是关键，而目前有效的方法是采用自动化及大批量生产工艺。

根据国外2005年的统计，在复合材料制造工艺中手工占20%，自动纤维铺放只占17%，因此采用一体化模压成型以及铺带、丝束铺放自动化检验尚有很大的发展空间。

自动铺丝、自动铺带以及自动模压成型等大批量生产工艺，是促进复合材料产品降低成本、进入市场的必由之路。

自动铺层技术及设备2007年大型民机复合材料结构中只有43% 是用自动化技术制造的，预计10年内将达到64%。

自动铺带及丝束铺放的材料利用率能达到80%~97%，而手工铺层的材料利用率仅为40%。

复合材料制造自动化包括铺放、编织、缝纫、检验等多个方面，其中自动铺放技术是军民用飞机生产自动化技术中发展最为迅猛的部分。

在自动铺带领域，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；丝束铺放技术适于大曲率机身和复杂曲面成型，目前铺丝速度可达6.8～11.3kg/h，最高可达23kg/h，最新的Viper6000系统可以铺放并控制32个纤维束，每束宽3.2mm，以前的机器为24个丝束，从而使铺层带宽从7.6cm增到10.2cm。

铺放速度达到30m/min，精度为±1.3mm。

从自动铺带及纤维铺放来看，目前全球有100多台设备。

辛辛那提公司近日又推出2种设备，一种是69Charger铺带机，一种是49纤维铺放机，两者均体现了铺层机上革命性的变化。

1 辛辛那提公司的自动铺层技术及设备自动铺带机是在20世纪60年代初无纬布预浸带出现后几年、为加速铺层的工艺过程而开发的。

早期的铺带机都是由本国开发的，在美国，第一台电子计算机控制的龙门式铺带机就是根据美空军材料实验室计划由通用动力公司与Conrac公司合作开发的。

复合材料纤维铺放技术及其应用

复合材料纤维铺放技术及其应用

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。