第2章 預成型體

2.1 自動鋪放

自動鋪放技術包括自動鋪帶技術和自動鋪絲技術，這兩項技術的共同優點是采用預浸料，并能實現自動化和數字化制造，高效高速。自動鋪放技術特別適用于大型復合材料結構件制造，在各類飛行器，尤其是大型飛機的結構制造中所占比重越來越大。

2.1.1 自動鋪帶

自動鋪帶機由美國Vought公司在20世紀60年代開發，用于鋪放F-16戰斗機的復合材料機翼部件。隨著大型運輸機、轟炸機和商用飛機復合材料用量的增加，專業設備制造商（如Cincinnati Machine公司、Ingersoll公司）在國防需求和經濟利益的驅動下開始制造自動鋪帶設備，此后自動鋪帶技術日趨完善，應用范圍越來越廣泛。

自動鋪帶技術采用有隔離襯紙的單向預浸帶，剪裁、定位、鋪疊、輥壓均采用數控技術自動完成，由自動鋪帶機實現。利用多軸龍門式機械臂可完成鋪帶位置自動控制，核心部件——鋪帶頭（圖2-1）中裝有預浸帶輸送和預浸帶切割系統，根據待鋪放工件邊界輪廓自動完成預浸帶特定形狀的切割，預浸帶加熱后在壓輥的作用下鋪疊到模具表面。自動鋪帶技術是復合材料成型自動化的典型代表，集機電裝備技術、CAD/CAM軟件技術和材料工藝技術于一體，其具有高效、高質量、高可靠性、低成本的特點，主要用于平面型或低曲率的曲面型構件，或者說準平面型復合材料構件的層鋪制造，特別適合大尺寸和復雜構件的制造，減少了拼裝零件的數目，節約了制造和裝配成本，極大地降低了材料的廢品率和制造工時。按所鋪放構件的幾何特征，自動鋪帶機分為平面鋪帶（FTLM）和曲面鋪帶（CTLM）兩類。FTLM有4個運動軸，采用150mm和300mm寬的預浸帶，主要用于平板鋪放。CTLM有5個運動軸，主要采用75mm和150mm寬的預浸帶，適于小曲率壁板的鋪放，如機翼蒙皮、大尺寸機身壁板等部件。

復合材料自動鋪放系統由預浸帶供料盤、自動鋪放機（包含鋪帶頭）、構件模具、數控系統、復合材料構件、CAD/CAM軟件等組成。自動鋪帶的主要工作過程為：將復合材料預浸帶安裝在鋪放頭中，多軸機械臂對鋪帶位置進行自動控制，預浸帶由一組滾輪導出，預浸帶加熱后在壓輥的作用下鋪疊到工裝或上一層已鋪好的材料上，切割刀將預浸帶按設定好的方向切斷，能保證鋪放的材料與工裝的外形相一致，鋪放的同時，回料滾輪將背襯材料回收。

工業實踐表明，應用自動鋪放裝備生產的復合材料構件，和傳統人工/半自動層鋪復合材料構件工藝相比，在層鋪勞動量、鋪放生產率、材料利用率、制造精度、生產成本等方面均具有很大的優勢，其中鋪放生產率可達到10～40kg/h，是人工層鋪的數十倍，適合于復雜復合材料結構的制造。

自動鋪帶技術可提高復合材料產品的質量和生產效率、降低制造成本、減輕結構重量，因此該技術已廣泛應用于B787（中央翼盒、主翼蒙皮、尾翼）、A400M（機翼、翼梁）和A350XWB（機翼、蒙皮、中央翼盒）等型號飛機，如圖2-2所示。

2.1.2 自動鋪絲

自動鋪絲技術由美國航空制造界在20世紀70年代開發，用于復合材料機身結構制造，主要針對纏繞技術的不足進行創新，其技術核心是鋪放頭的設計研制和相應材料體系與設計制造工藝開發。波音公司研制出“AVSD鋪放頭”，解決了預浸紗、切斷與重送和集束壓實的問題，1985年完成了第一臺原理樣機，法國宇航公司（Aerospatial）1996年研制出歐洲第一臺六軸六絲束自動鋪絲機，德國BSD公司2000年研制出七軸三絲束熱塑性窄帶鋪絲試驗機。20世紀80年代后期，專業數控加工設備制造商積極介入，進一步研發自動鋪絲機，Cincinnati Machine公司1989年設計出其第一臺自動鋪絲系統并投入使用，該系統申請注冊的專利多達30余項。其在硬件方面也不斷進步：機型從原來的Viper 1200、Viper 3000、Viper 4000升級到Viper 6000，數控系統從模擬量控制的A975升級到全數字控制的CM100，開發了專用的CAD/CAM軟件和ACES系統。Ingersoll公司1995年研制出其第一臺自動鋪絲機，該自動鋪絲機采用FANUC數控系統和自行開發的CPS軟件，其鋪絲頭結構獨特、特性好，適于大型產品生產，尤其是該公司最新開發的大型立式龍門鋪絲機，效率之高，可以與自動鋪帶機相媲美，適于大面積、大曲率構件成型，為制造飛機復合材料構件提供了成型手段。美國的其他公司，包括設備制造商、飛機部件制造商和研究機構也不斷開發自動鋪絲技術，包括雙向鋪絲技術、絲束重定向控制、預浸紗整型、纖維連續平滑移動鋪放、柔性壓輥、熱塑性自動鋪絲、超聲固結成型等技術。最新進展包括預浸紗氣浮軸承傳輸、多頭鋪放、可換紗箱與垂直鋪放、絲-帶混合鋪放等。

自動鋪絲技術綜合了自動鋪帶和纖維纏繞技術中的優點，鋪絲頭把纏繞技術中不同預浸紗獨立輸送和自動鋪帶技術的壓實、切割、重送功能結合在一起，由鋪絲頭將數根預浸紗在壓輥下集束成為一條寬度可變的預浸帶，寬度大小通過程序控制預浸紗根數自動調整后鋪放在芯模表面，加熱軟化預浸紗并壓實定型。典型的自動鋪絲機系統包括7個運動軸和12～32個絲束預浸紗或帶背襯的切割預浸窄帶輸送軸。

與自動鋪帶技術相比，自動鋪絲技術有兩個突出的優點。

〈1〉 采用多組預浸紗，具有增減紗束根數、根據構件形狀自動切紗以適應邊界的功能，幾乎沒有廢料，且不需要隔離紙就可以完成局部加厚、混雜、加筋、鋪層遞減和開口鋪層補強等多種設計要求。

〈2〉 由于各預浸紗獨立輸送，不受自動鋪帶中自然路徑軌跡的限制，鋪放軌跡自由度更大，可以實現連續變角度鋪放，適合大曲率復雜構件成型。

纖維束自動鋪放設備成型的機頭和機身段如圖2-3所示。

2.1.3 自動鋪放的國內外發展

20世紀70年代末期至80年代初，第一批商業生產的自動鋪帶機（平面、曲面）推出，并用于軍用轟炸機B-1、B-2的飛機部件制作。

20世紀80年代以后，自動鋪帶技術開始廣泛應用于商業飛機的制造領域。同期，美國航空制造商將自動鋪帶技術廣泛應用于其他項目，主要包括：F-22戰斗機（機翼）、波音777民用飛機（全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮）和軍用C-17運輸機（水平安定面蒙皮）、V-22傾轉旋翼飛機（旋翼蒙皮）等。歐洲復合材料鋪帶成型的產品含有機翼蒙皮、尾翼、翼梁、增強肋等，主要包括空客A330/A340（水平安定面蒙皮）、A340-500/600（尾翼蒙皮）和A380（安定面蒙皮、中央翼盒）等。

自動鋪帶技術經過20世紀90年代的蓬勃發展，在成型設備、軟件開發、鋪放工藝和原材料標準化等方面得以深入發展，相關軟件界面更加友好，鋪放機鋪放效率和可靠性更高。2006年以后，歐美將自動鋪帶技術應用于Boeing787（中央翼盒、主翼蒙皮、尾翼）、A400M（機翼、翼梁）、A350XWB（機翼、蒙皮、中央翼盒）等型號飛機上。

經過幾十年的發展，帶有雙超聲波切刀切割系統和在線檢測系統的10軸鋪帶機已經成為自動鋪帶系統的標準配置，鋪帶寬度最大達到300mm，生產效率達到1000kg/周，鋪帶成型質量顯著提高。

自動鋪絲技術在第四代戰斗機的典型應用包括S形進氣道和中部機身翼身融合體蒙皮。波音直升機公司率先應用自動鋪絲技術研制V-22傾轉旋翼飛機的整體后機身，原有后機身由9塊手工鋪疊的壁板裝配構成，改為整體鋪放后，減少了34%的固定件、53%的工時，廢品率降低了90%。Raytheon公司率先在商用飛機機身的研制中應用自動鋪絲技術，包括Premier Ⅰ和霍克商務機的機身。Premier Ⅰ機身采用整體成型蜂窩夾層結構，取消了框架和增強肋，沒有鉚釘和蒙皮接點。前機身從雷達罩壁板一直延伸到后壓力艙壁板（長8m），包括行李艙、座艙和駕駛艙后機身從后壓力壁板延伸到機尾（長5m），采用整體復合材料結構的機身比鋁合金機身減重273kg。

自動鋪絲技術在Premier Ⅰ上的成功應用為其在大型飛機上應用奠定了堅實的基礎。自動鋪絲技術最早在大型飛機上的應用包括B747及B767客機的發動機進氣道整流罩試驗件，該整流罩試驗件在制造過程中采用自動鋪放與固化分離技術。自動鋪放技術在A380飛機上的應用以自動鋪帶為主，用于生產垂尾、平尾和中央翼盒等，并開始在尾段采用自動鋪絲技術。

舉世矚目的B787，其復合材料使用量達到50%，這在很大程度上得益于自動鋪放技術：所有翼面蒙皮均采用自動鋪帶技術制造，全部機身采用自動鋪絲技術整體制造，首先分別由不同承包商分段制造，然后在西雅圖工廠組裝。

國內自動鋪帶技術研究起步較晚，起步于“十五”初期，南京航空航天大學率先開始自動鋪放技術的研制。2004年起，與北京航空材料研究院聯合開發自動鋪帶設備，并完成了小型鋪帶機的研制工作，南京航空航天大學設計了具有3軸平移、雙擺角運動的5軸臺式龍門機械臂，研制了力矩電機收放、步進電機驅動的預浸帶輸送、預浸帶氣動切割與超聲輔助切割、主-輔壓輥成型等技術。應用開放式數控系統技術開發出5軸聯動、3軸隨動切割和溫度與壓力控制的自動鋪帶控制系統軟硬件，實現了預浸帶定位、剪裁、熱壓鋪疊基本功能。在此基礎上，2005年研制成功國內第一臺自動鋪帶原理樣機，實現了自動鋪帶的基本功能。北京航空材料研究院應用這臺樣機開展了環氧預浸料和雙馬來酰亞胺預浸料鋪帶適應性與鋪帶工藝試驗。上述基礎性的研究工作為進一步發展具有自主知識產權的自動鋪放技術奠定了基礎。

國內同時開展自動鋪帶技術與應用研究的有哈爾濱飛機工業公司、北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所、武漢理工大學和天津工業大學等。武漢理工大學和天津工業大學在自動鋪帶機機構設計分析、控制系統架構與仿真等基礎研究方面開展了諸多有益探索。2006年，中航工業北京航空制造工程研究所啟動了大型復合材料構件自動鋪帶設備的研制及應用研究項目，與Forest-Line公司合作，采用引進自動鋪帶頭關鍵部件集成的技術路線研制翼面大型自動鋪帶機，該研究所自主開發了大型復合材料自動鋪帶專用設備，為國內自動鋪帶技術的發展奠定了材料基礎。哈爾濱飛機工業公司于2007年引進西班牙自動鋪帶機，應用進口預浸料實現了試驗翼面的自動鋪帶工藝，并用國產預浸料開展了工程應用試驗研究。“十一五”期間，國內已經突破了自動鋪帶裝備和軟件關鍵技術，鋪帶材料和鋪帶工藝技術成為制約自動鋪帶技術發展的關鍵。進一步完善裝備功能，實現設備專用化和多樣化以滿足不同需求將是今后一個時期自動鋪帶技術的發展重點。