若你看到工作中的自动化纤维铺放（AFP）系统，它超级灵活的铺放头以不可思议的速度跟随着某个元件的复杂轮廓，就会发出这样的疑问：这些元件原本是如何进行手工铺放的。
即使手动层合机可以按照纤维的方向和完整性需求在复杂的曲面上铺放纤维层，他们也不可能在量产过程中完全重复这样的操作。手工生产工艺也不可能满足飞机制造商所需的生产速率要求。复合材料现在是地面车辆和其他交通工具的主流材料。例如，飞机制造商波音计划在几年时间内，将碳纤维B787宽体双引擎飞机的生产速率提高到每月38架。
AFP技术是可能实现这一目标的自动化生产技术之一。自动化纤维带铺放（ATL）和纤维缠绕技术是复合材料部件实现大量生产的关键，同时保证了生产的可靠性、连续性和成本效益。
Coriolis复合材料公司以标准的多关节机械手，作为八轴向运动的纤维铺放系统的基础
复杂的几何形状
AFP与ATL有许多相同之处，但是，后者更适合生产表面相对较平坦的部件，AFP则可用于几何形状更加复杂的部件。这是因为，AFP可以铺放更窄的丝束，并可以在尖锐的曲面上操控丝束；但宽一些的纤维带则需要弯曲一部分纤维才能铺放，而这会降低层压板的强度。
如果采用旋转工具或芯轴，AFP则更像是纤维缠绕，但采用丝束会使这一工艺过程的速度加快。
在AFP系统中，大量预浸丝束或纤维窄带被供给铺放头，铺放头将他们铺放成一个连续的预浸料层。先进的机械设备可以同时铺放32根丝束，丝束是由位于铺放头或其附近的纱架供应给铺放头的。
AFP铺放头可以安装在绕着模具/芯轴移动的多轴关节臂上，或者由起重机支撑。另一种选项是，模具在静止的铺放头上旋转，或铺放头和芯轴按照软件程序的精心设计双双“共舞”。
与大多数自动化系统一样，AFP需要一定的前期投资，但是仅仅是降低劳动力成本和减少材料浪费这一点，它就能够抵销这一成本，更不用说它还能够更加精确、稳定和重复地铺放丝束，从而得到超高质量的层压板。
丝束可以按照程序预先设定的方向铺放，因此，使纤维与使用过程中可能受到的局部压力相匹配，就可以遵照设计师针对不同结构部件提出的强度和硬度参数要求，生产出定制的层压板。材料在铺放过程中不会受到拉伸和折叠，并且压力也经过精确设定。铺放头可以执行所有必需的切割和重启操作，并可以和压紧辊整合在一起。
Premium AEROTEC采用MAG纤维带铺放机生产空客A350XWB的机身板
高速状态下，执行多项同步功能需要精确的加工程序，以确保切割、运动和定位控制可以密切配合，同时也可进行高度动态的反向运动。AFP的控制与数控（CNC）机床有许多共同之处，因此，有些重型AFP供应商也生产CNC机床，例如MAG（原来的Cincinnati Machine）、Ingersoll和MTorre。
AFP的使用
CNC纤维铺放机的第一次商业化生产始于20世纪80年代后期。到90年代中期，AFP的生产初具规模，尽管规模有限。
一个欧洲联盟在名为Full-Barrel Composite Fuselage（FUBA-COMP）的研究项目中生产出一个4.5m长的碳纤维机身部件，这是一个重要的里程碑。这个一体式部件宽2m，由英国的BAE系统公司采用MAG的VIPER 1200 CNC纤维铺放系统制成。这台设备是该公司生产的三台AFP系列设备之一，另外两个系列是Viper 4000和6000。
复杂的机头部位，例如波音B787的机头，正是AFP系统的目标市场所在
飞机机身具有明显复杂的曲面，这对于自动化系统来说是一个重大挑战，但是VIPER可以进行七轴向运动，成功为蜂窝芯材结构铺放了碳纤维预浸带，形成了一个接近网状的轮廓结构，而且具有所有必需的空隙和可变的厚度。合适的软件程序可以最大程度的减少材料浪费和切除操作。
随后，类似的自动化技术被Hawker Beechcraft公司用于其Premier 1和Hawker 4000商务飞机的碳纤维/环氧复合材料机身的生产。该公司在位于堪萨斯州Wichita的生产工厂内有多台VIPERS自动化系统，不仅具有可编程的七轴向运动灵敏度，还可以控制24根宽1/8in（约3.18mm）的纤维丝束的启动/停机/切割。这些机器长90ft（27.4m），适用于更加大型的Horizon喷气飞机的长机身芯轴。
Hawker公司声称，用AFP生产整个复合材料机身的所需时间仅仅为生产相应的金属结构所需时间的一小部分。这一点，加上大大减少的部件数量、组装的简便性、维护的减少和最终部件性能的提高，使得这一技术成为了大赢家。
Beechcraft Premier 1A商务喷气机的复合材料机身采用先进的纤维铺放系统制造而成
波音公司也效仿这种做法，采用VIPER 6000来生产B787机身的桶形部位。
去年，俄罗斯联合飞机公司（UAC）购买了一套VIPER AFP系统，这是出售到俄罗斯的第一套自动化复合材料加工系统。该设备将用于UAC MS-21系列中型飞机的生产。
军用飞机领域，1998年，Alliant Techsystems公司（ATK）展示了AFP在生产Lockheed Martin F-22 Raptor战斗机的复合材料进气管时所发挥的实力。那个时候，ATK已经采用AFP生产了一系列飞机部件，例如F-22的某些特定部件，这些部件是在弗吉尼亚州一个专门的纤维铺放工厂内生产的。
自那时起，ATK已经用AFP生产出了F-35 Lightning II联合攻击战斗机（JSF）机翼表面的复合材料蒙皮，长度达到35ft（约10.7m）。AFP为生产过程带来了前所未有的精确度。蒙皮所用的丝束铺放在一个大型芯轴上，为了保证热稳定性和耐久性，芯轴采用镍铁合金制成。
最近，ATK在北美地区已有五套系统的基础上，订购了另外两套MAG的VIPER AFP系统，用于F-35的生产。新机器预计于2012年初交付到ATK位于犹他州Clearfield的工厂内，这些机器将配备有MAG的ACES软件（先进复合材料环境套件），这是一个模块化的编程模拟系统，可以辅助工厂现有的机器进行编程。
据说，MAG凭借成本优势赢得了一项合同。MAG可以为客户的特定应用需求进行产品优化，即使采用难以处理的双马来酰亚胺（BMI）材料也可以实现快速铺放。但最重要的是，它可以满足客户在F-35项目上降低成本的要求。
AG IAS为Alliant Techsystems公司位于犹他州Clearfield市的工厂供应了两台VIPER 6000纤维铺放系统，用于F-35飞机项目。这份订单包括MAG的ACES软件——一个模块化的编程模拟系统。这两套系统已经于2012年年初交付
VIPER的优点包括：独立控制32根丝束的喂料、夹取、切割和重启，自动在线调整纤维带宽，控制纤维在变化极大的表面或开孔周围的铺放。该系统在飞机的机身部件、面板、整流罩、管道和喷嘴锥头等多种部件的精密生产过程中，可以在闭合的深轮廓结构上铺放出无褶、近乎网络形状的纤维层。
西班牙人认为MTorres公司是另一个开发出了AFP和ATL设备的机床专家。该公司早期生产的一台AFP系统被出售给了日本的川崎重工（Kawasaki Heavy Industries），用于生产波音787的整体机身部件。该系统可以同时铺放24根0.5in（约12.70mm）宽的丝束。相反，GKN Aerospace和Spirit AeroSystem用于生产翼梁的类似机器，控制着翼梁周围的16根1/4in（约6.35mm）宽的丝束，包括它们尖锐的曲面边缘。对待这些边缘，需要认真设定TORRESFIBERLAYUP机械，对多种参数进行微调。
MTorres为GKN Aerospace供应自动化纤维铺放机来制造空客A350的复合材料机翼后梁
MTorres的发言人说，这种机械必须能够处理多种材料，其中一些是非常具有挑战性的。例如，用于大多数B787部件的东丽（Toray）Torayca 3900系列环氧树脂预浸料，以及用于A350部件的赫氏（Hexcel）Hexply M21，都具有较低的树脂粘度——这使得部件在固化后可以达到最佳的结构性能。因此，这些材料在压紧的时候，需要更高的温度和压力。
丝束和预浸料
可以同时铺放多根丝束的纤维铺放技术在高级复合材料的自动化实践中非常常见。据纽约生产先进复合材料结构和自动化系统的公司Automated Dynamic说，AFP丝束约厚3-6mm，可用于应对较难处理的几何结构；而纤维带厚度为丝束的两倍，可用于曲率变化较小的结构，以提高产量。50mm宽的热塑性纤维带，能够以0-90度之间的任意轴向角度进行铺放，从而在较轻的重量下，以可承受的成本，优化部件的硬度和强度。
Automated Dynamics说，它的铺放头技术具有原位固化的优点，每个精密的铺放头与一个弹性压辊相连，压辊可以在压紧过程中被加热或冷却。据说原位固化可以得到低孔隙率、高表面质量、高同心度、弯曲度最小的结构。
直升机尾梁的生产过程中，Automated Dynamics的XT系列纤维铺放机器人正在处理单向碳纤维/PEEK热塑性预浸料。这样的机械式AFP加工“头”可以处理热固性材料也可以处理热塑性材料
室温条件下，大多数热固性树脂的成褶性和高粘性会增加自动化操作的难度，包括不希望出现的树脂转移现象。这种转移可通过采用具有低成褶性和黏度的预浸材料或者冷却供料环境得到部分缓解，从而避免树脂的转移和积聚。预浸树脂可以在固化之前，采用红外灯加热压辊的夹压点来软化。供料系统的表面与预浸料接触频繁，例如辊子和引导槽，因此其表面都经过专门的涂覆，以应对树脂的“粘滞作用”。纤维带导引系统与预浸料横截面之间具有精密的形位公差，从而在供料程序中可避免弯曲。
热塑性预浸料比热固性的容易处理。因为树脂转移只是热固性材料的问题，因此不需要采用带有活性冷却功能的封闭式供料腔。但是，部件磨损可能非常严重，因此，接触部件上要经过表面硬化处理。压辊和热固性预浸料采用同样的方式进行加热，以降低供料点的树脂基体黏度。
法国的Coriolis复合材料公司最初是由三名竞赛船员成立的，以寻求船艇量产的经济化方案。现在，该公司的主要客户遍布商用飞机、风机、汽车以及高性能游艇行业。Coriolis的创新系统是十多年前开发出来的，采用标准的多关节机械手作为八轴向运动的纤维铺放系统的基础。该公司称，标准的机械部件使得该系统既灵活又经济。
Coriolis的AFP系统具有较轻的铺放头，因此惯性也更低，加上动力强劲的驱动电机，可以达到很高的铺放速度。这一点也是该公司引以为荣的。硬件方面的改进包括保护和引导纤维的软管以及安装在纱架上的张力降低和补偿系统。用于Windowns的CADfiber和Catia V5 CATfiber软件可用于指令编程和复合材料设计的优化。这套双模块的独立软件包可以帮助用户优化层压板的设计和纤维在各种曲面上的铺放，包括测地曲线和非测地曲线以及补偿曲线。 控制功能包括丝束的操控、最小纤维长度的检查、压辊的符合性、纤维在压辊上的定位、切割和每一根丝束的启动，以及轮廓的自动修整。
该系统的成熟度与航空业及其他渴望工业化复合材料生产的制造商的需求是相互一致的，这也将Coriolis带入了航空市场。重要的飞机结构客户包括空客和庞巴迪（Bombardier）公司。庞巴迪最近从这家法国公司订购了AFP系统，用于生产新的C系列飞机的部件。C系列是大量采用复合材料的支线飞机，预计将于2013年投放市场。
未来的发展更加迅速
AFP的未来可能取决于比现在在用的机器快得多的机器。所制造部件的尺寸和复杂度的增加，以及航空业对于复合材料部件高速生产的需求，要求实时纤维铺放可以达到每分钟2000in（约50.8m）以上的速率，比现在所用的机器快几倍之多。这样的速度需要避免采用多台同时工作的慢速机器。系统供料、裁切和机械控制的改进已经使机器达到了这一数量级的速率。改进过程仍将继续，而进一步的改进将推动速度向更快的方向发展。
将速度提高到这种水平对机械系统、伺服系统、控制和编程系统都提出了更高的要求。实际的铺放包括许多在尖锐轮廓上的短过程操作（一个过程就是机器的一个操作，可以是多种材料的丝束或纤维带的铺放），以及可提高速率的双向铺放。机器可以在多轴向上不断加速和减速，以保持所需的表面参数。在供料系统中，线轴动力系统是由相连的“舞动”辊和气动刹车片严格控制的。定位、切割和调速的准确性需要高速的计算机运算来维持。
美国公司Electroimpact自称航空模具和自动化领域的领先设计者和制造商，它开发了一种AFP技术，每分钟可以在复杂结构上铺放2000in（约50.8m）的丝束，而且可以在客户指定的末端铺放公差内进行切割和添加。该系统可以分散多根丝束或者撕裂薄膜，范围从高轮廓区域的1/4in（约6.35mm）到低曲率区域的2in（约50.8mm）或更宽。所有的铺放操作都可以双向进行，操作者可以控制供料速率，但不影响末端切割精度。
该公司面临的一个特殊挑战是在线切割。切割一根沿着导引系统快速移动的纤维带需要仔细调整刀片和剪切边缘的到达时机，以避免切割不整齐甚至切割失败。Electroimpact开发了一种新的导引槽系统和高速刀具驱动系统来确保在线切割的成功，避免刀片在移动的材料上拖拽。精确定时的切割可以在一毫秒之内进行。CNC运动控制以及切割和增加指令的时机控制非常紧密的结合在了一起。
高精度软件程序的需求使AFP/ATL领域呈现了另一种趋势。由于铺放速度在不断超越AFP机床供应商所设计的控制软件的控制能力，这一行业越来越依赖于专业的软件程序开发商。严密的程序可以避免末端铺放错误，这些错误有时会在低效率的程序中出现。
举个例子，Electroimpact已经采取专业外包途径，委托CGTech为其AFP系统开发多种VERICUT组件。
CGTech为AFP机械提供独立的离线NC编程软件。目前的项目包括Electroimpact多机AFP制造车间的一个大型整体式机身桶。图示为模拟图。
VISTAGY公司的FiberSIM软件在市场也有需求。这一软件和该公司的Aero Suite关联模块被许多飞机承包商采用，包括一级供应商GKN Aerospace等。最近俄罗斯的SOLVER公司采购了Vistagy软件，用于一台VIPER 1200纤维铺放系统。
位于德国Nordenham的Premium AEROTEC工厂内的一台纤维铺放机。用于生产碳纤维增强塑料（CFRP）飞机结构件
值得一提的是，Electroimpact的AFP设备被位于堪萨斯州Wichita的Spirit AeroSystem公司用于生产波音B787的复合材料机身的机头部位。SOLVE将采用Viper/FiberSIM组合系统来设计和生产Voronezh Aircraft Plant（VASO）所承接的不同项目中的复合材料部件。
总的来说，AFP正逐渐成为功能强大的自动化平台。将ATL和纤维缠绕作为铺放高质量复合材料层压板的基本工具，已经成为复杂的大型碳纤维-环氧树脂蒙皮和外壳生产中的标准程序。因此，复杂飞机结构的大批量生产正经历着彻底的变革。(end)
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