树脂基复合材料自动铺放技术进展

作者：南京航空航天大学 肖军 李勇

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 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。 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”初期，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”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，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。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，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0•1 mm，与数控系统定位精确协调，铺带精度可达0•2 mm;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3 mm×3 mm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0•1mm，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”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，可以实现3 m×5 m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�2•5 m×12 m大型筒段专用自动铺带机及其软件，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。 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;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;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。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，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。 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，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铺丝机各轴运动，验证了轨迹规划方法的正确性，向设备研制跨出了实质性的一步。 经数年研究，自动铺丝技术虽有诸多进展，但关键技术尚未突破：原理样机只验证了方案和核心技术的正确性，还未开展工程样机研制;自动铺丝轨迹规划的理论研究需要在算法和CAD/CAM软件方面深入开展;自动铺丝材料对材料的工艺性要求远高于自动铺带，不仅对温度敏感性要求更高，由于调节工艺窗口，而且要求尺寸精确以保障成型质量;因此，受装备制约自动铺丝工艺尚未开展实质性的研究。 4. 自动铺放发展趋势和亟待突破的问题 先进复合材料在航空航天器的大量应用直接推动了自动铺放技术的发展。国外自动铺放技术朝着铺放装备专门化、材料体系多样化、设计分析制造集成化，以及成型高效率和高可靠性方向发展。在铺放设备方面，为提高铺放效率，出现了平板专用铺带机、多头铺带机和单头多带铺带机;研制出了模块化铺丝头-预浸纱箱系统，多头同步铺放系统和预浸纱自动续接装置，减少无效操作时间;此外，自动铺带与自动铺丝的界限逐渐模糊，形成多窄带铺放技术。在材料技术方面，已经形成自动铺放专用预浸料体系(包括热塑性材料)以满足不同要求，自动铺丝预浸纱/窄带普遍采用分切制备技术，由专门的预浸纱分切加工商供应。在设计制造方面，将自动铺放与其他技术融合集成，如采用自动铺带后双隔膜热成型制造飞机C型大梁，采用预浸料拉挤制造长桁预埋在模具中直接铺放共固化制造夹筋壁板等。 “十一五”期间，国内已经突破了自动铺带装备和软件关键技术，铺带材料和铺带工艺技术成为制约自动铺带技术发展的关键;进一步完善装备功能，实现设备专用化和多样化以满足不同需求也将是今后一个时期自动铺带技术的发展重点。 新型歼击机S进气道、翼身融合体和大型飞机机身等对自动铺丝技术提出了迫切需求，在民机预研计划和高档数控机床重大专项中已经启动了自动铺丝机研制项目。迫切需要及时开展自动铺丝专用预浸纱/窄带的材料体系，预浸带分切技术与质量控制研究;同时开展自动铺丝工艺技术研究、模具技术等研究，以建立自动铺丝技术体系，促进自动铺丝技术早日实现工程应用。(end)

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