復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究進(jìn)展

1、復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究進(jìn)展The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites摘要：復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲技術(shù)是在航空航天工業(yè)發(fā)展起來的一種“低成本，高性能”的先進(jìn)復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)。自動(dòng)鋪絲技術(shù)在降低復(fù)合材料構(gòu)件制造成本，提高生產(chǎn)效率和構(gòu)件性能等方面具有極大的潛力，得到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。本文對(duì)自動(dòng)鋪絲的原理、特點(diǎn)、CAD/CAM核心技術(shù)以及自動(dòng)鋪絲技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程與應(yīng)用進(jìn)行了全面的介紹，最后展望了自動(dòng)鋪絲的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料，自動(dòng)鋪絲，CAD/CAMAbstract：Auto

2、mated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced. Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing c

3、osts, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries. In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement

4、 is fully discussed. Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM1. 引言復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次，經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的一種多相固體材料1。以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、抗腐蝕、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于成型

5、大型構(gòu)件等突出優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用2。大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料是提高航空航天飛行器、運(yùn)載工具和武器裝備效能的重要途徑，其用量業(yè)已成為航空航天飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志3。自動(dòng)鋪絲技術(shù)是在纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的復(fù)合材料成型技術(shù)，在降低復(fù)合材料構(gòu)件制造成本，提高生產(chǎn)效率和構(gòu)件性能等方面具有極大的潛力4，得到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪放技術(shù)起步較晚，南京航空航天大學(xué)“九五”期間率先開始調(diào)研自動(dòng)鋪放成型技術(shù)5。哈爾濱工業(yè)大學(xué)，武漢理工大學(xué)，北京航空制造工程研究所等也先后在自動(dòng)鋪放技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究。2. 自動(dòng)鋪絲技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 自動(dòng)鋪絲原理自動(dòng)鋪絲技術(shù)

6、全稱是自動(dòng)絲束鋪放成型技術(shù)（ Automated towplacement），也稱為纖維鋪放技術(shù)（Fiber Placement）。它是將纏繞技術(shù)中不同絲束獨(dú)立輸送和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的壓實(shí)、切割、重送等功能結(jié)合起來，由鋪絲頭在壓輥?zhàn)饔孟聦?shù)根絲束（預(yù)浸紗）集束成一條寬度可變的預(yù)浸帶（通過程序控制預(yù)浸紗切斷與增加來改變預(yù)浸帶的寬度）后鋪放到模具表面6。加熱軟化預(yù)浸紗并壓實(shí)定型，最后加熱固化成型（對(duì)熱塑性體系，可以在鋪放過程中直接加熱定型，甚至可以取消熱固化）。整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)測(cè)控、協(xié)調(diào)系統(tǒng)完成7。纖維鋪絲機(jī)器人通過帶有鋪放頭機(jī)械手去加工預(yù)浸纖維絲制作復(fù)合材料部件。纖維鋪放機(jī)器人提供了許多傳統(tǒng)纖維鋪放

7、技術(shù)所沒有的重要的功能和優(yōu)勢(shì)。這些功能包括切割和重送纖維絲，節(jié)約材料，精確控制纖維鋪放所需角度，可重復(fù)性高。此外，機(jī)械手的使用增加了纖維鋪放過程的柔性，允許制造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。典型的自動(dòng)鋪絲機(jī)有7個(gè)運(yùn)動(dòng)軸8，包括三個(gè)定位軸、三個(gè)方位軸和一個(gè)芯模轉(zhuǎn)軸。自動(dòng)鋪絲技術(shù)的原材料采用預(yù)浸紗。預(yù)浸紗絲束的寬度一般為3.2mm、6.4mm和12.7mm，在鋪放過程中，通常同時(shí)鋪放數(shù)根絲束，最新研制的自動(dòng)鋪絲設(shè)備最多可以同時(shí)鋪放32根絲束9。自動(dòng)鋪絲機(jī)的核心是鋪絲頭，如圖2所示，鋪絲頭把纏繞技術(shù)中不同纖維紗傳送獨(dú)立輸送和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的壓實(shí)、切割重啟功能結(jié)合在一起。在鋪放過程中，每根絲從紗筒上抽下來并通過一個(gè)傳輸

8、系統(tǒng)到達(dá)鋪放頭，在鋪放頭處復(fù)合材料絲被集束成一根絲帶被鋪放到芯模表面10。圖1 自動(dòng)鋪絲機(jī)設(shè)備示意圖1-模具；2-柔性壓輥；3-鋪放頭；4-預(yù)浸紗；5-導(dǎo)紗輪；6-手腕；7-導(dǎo)紗輪；8-止動(dòng)裝置；9-送紗輥；10-切刀；11-加熱裝置圖2 鋪放頭原理示意圖它既可以鋪放凸面也可以鋪放凹面，還可以鋪放復(fù)雜的雙曲率構(gòu)件。在鋪絲時(shí)可以按照要求執(zhí)行切割絲束和增加絲束的功能，滿足對(duì)鋪層進(jìn)行剪裁以適應(yīng)局部加厚、鋪層遞降和開口鋪層的需要。在鋪放過程中，每根預(yù)浸紗都按它自己的速率鋪放到模具表面11，柔性壓輥使每根預(yù)浸紗單獨(dú)與部件表面相適應(yīng)。2.2自動(dòng)鋪絲CAD/CAM技術(shù)由于鋪絲時(shí)多軸鋪絲機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在時(shí)間

9、上的協(xié)同性，手工編寫數(shù)控程序來控制鋪絲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)已不可能。且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)鋪絲技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)新的研究領(lǐng)域呈現(xiàn)在人們面前自動(dòng)鋪絲CAD/CAM技術(shù)12。通過 CAD/CAM技術(shù)計(jì)算出每條鋪絲路徑，確定當(dāng)前鋪絲位置的絲數(shù)，從而得到鋪絲機(jī)所需要的鋪絲控制信息。與傳統(tǒng)的CAD/CAM技術(shù)處理的對(duì)象不同，自動(dòng)鋪絲CAD技術(shù)的核心任務(wù)是按強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)優(yōu)化的自動(dòng)鋪絲路徑13。自動(dòng)鋪絲CAM技術(shù)是開發(fā)鋪絲編程軟件技術(shù)的一部分，它通過鋪絲CAD系統(tǒng)獲得鋪絲幾何信息和纖維絲束信息并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，由轉(zhuǎn)換后的鋪絲幾何信息生成可以供鋪絲機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制信息，由纖維絲束信息生成可以供鋪絲機(jī)裁

10、剪控制系統(tǒng)使用的材料裁剪控制信息，并通過仿真功能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪絲過程的碰撞干涉檢測(cè)和裁剪信息的合理性檢測(cè)，同時(shí)可以將檢測(cè)結(jié)果反饋給鋪絲CAD系統(tǒng)，以修正有可能引起控制信息發(fā)生錯(cuò)誤的問題。自動(dòng)鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)包括兩種實(shí)現(xiàn)途徑14-16：1) 基于現(xiàn)有通用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)：通過調(diào)用通用CAD/CAM系統(tǒng)的API，通過組合、修改、新增實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪放所需功能。如空中客車公司（AIRBUS）與法國(guó)純數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)國(guó)際中心（CIMPA）聯(lián)合開發(fā)的基于CATIACAA的TapeLay系統(tǒng)。采用二次開發(fā)方法開發(fā)的自動(dòng)鋪放CAD/CAM軟件與原有CAD/CAM系統(tǒng)緊密結(jié)合，保證了交互、操作、數(shù)據(jù)

11、的協(xié)同性、一致性，易于實(shí)現(xiàn)在同一應(yīng)用平臺(tái)下復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造一體化。2) 非二次開發(fā)方式：采用計(jì)算機(jī)三維圖像技術(shù)，基于OpenGL或DirectX開發(fā)獨(dú)立的自動(dòng)鋪放軟件。采用用戶交互輸入構(gòu)件外形幾何數(shù)據(jù)或通過提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)通用CAD/CAM文件數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。如美國(guó)MAG·Cincinnati公司開發(fā)的ACES離線編程與仿真系統(tǒng)。2.3自動(dòng)鋪絲技術(shù)的特點(diǎn)自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)兼?zhèn)淞死w維纏繞和自動(dòng)鋪帶的優(yōu)點(diǎn)，但比纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶更先進(jìn)，對(duì)制品的適應(yīng)性更強(qiáng)，既可以鋪凸面也可以鋪凹面。由于鋪放頭采用自由度機(jī)器人系統(tǒng)及預(yù)浸紗（寬度僅為幾個(gè)毫米），不僅可極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性、降低產(chǎn)品

12、報(bào)廢率和輔助材料消耗，而且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，鋪層的取向均勻性等都遠(yuǎn)比手工鋪層高17-20。與一般復(fù)合材料成型技術(shù)相比，自動(dòng)鋪絲技術(shù)有如下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（1） 在自動(dòng)鋪放過程中，每一根絲束都可以獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)夾緊、切斷和重送，各絲束可獨(dú)立的以各自的鋪放速度鋪放，并根據(jù)構(gòu)件形狀自動(dòng)切紗以適應(yīng)邊界，減小廢料率，并可以局部加厚、加筋、開口鋪層補(bǔ)強(qiáng)來滿足多種設(shè)計(jì)要求，適應(yīng)于大曲率復(fù)雜構(gòu)件的自動(dòng)化成形，特別適合于帶窗口的機(jī)身段、飛機(jī)機(jī)翼大梁和帶凸臺(tái)和凹面的翼面鋪放。（2） 采用多組預(yù)浸紗集束成帶，具有根據(jù)制品形狀的需要來增減預(yù)浸紗根數(shù)的功能；根據(jù)構(gòu)件形狀自動(dòng)切割預(yù)浸紗以適應(yīng)邊界，與自動(dòng)鋪帶成型技術(shù)相比

13、廢料率大為降低；可以完成局部加厚/混雜、加筋、鋪層遞減和開口鋪層補(bǔ)強(qiáng)來滿足多種設(shè)計(jì)要求；（3） 采用CAD/CAM及仿真技術(shù)，為設(shè)計(jì)師提供了最大的設(shè)計(jì)空間，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)成型一體化和數(shù)字化。（4） 由于各預(yù)浸紗獨(dú)立輸送，不受自動(dòng)鋪帶中“Natural·path”的限制，鋪放軌跡自由度更大、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變角度鋪放（Fiber·steer技術(shù)），尤其適于大曲率、復(fù)雜型面復(fù)合材料構(gòu)件制造，能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性、降低成本，滿足各種設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料的低成本生產(chǎn)和自動(dòng)化成型，符合“低成本、高性能”和設(shè)計(jì)制造一體化的發(fā)展趨勢(shì)。3. 自動(dòng)鋪絲技術(shù)的研究與應(yīng)用自動(dòng)鋪絲技術(shù)

14、出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，興起于航空航天工業(yè)。它是作為對(duì)纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的改革而發(fā)展起來的全自動(dòng)復(fù)合材料成型技術(shù)。最早開始自動(dòng)鋪絲技術(shù)研制的有Boeing（波音）公司、Hercules公司，而最早把鋪絲機(jī)應(yīng)用在產(chǎn)品生產(chǎn)上的公司是波音直升機(jī)公司21。3.1 國(guó)外自動(dòng)鋪絲技術(shù)的發(fā)展針對(duì)纖維纏繞技術(shù)在飛機(jī)機(jī)身制造上的不足，美國(guó)航空界在20世紀(jì)70年代首先對(duì)自動(dòng)鋪絲技術(shù)進(jìn)行了研究，經(jīng)過20多年的發(fā)展，自動(dòng)鋪絲技術(shù)在美國(guó)和歐洲已經(jīng)成熟，并在航空航天、國(guó)防工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用22。數(shù)十年來歐美發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)施了，由政府和軍方組織、高校與科研機(jī)構(gòu)參加的多個(gè)復(fù)合材料發(fā)展計(jì)劃。這些計(jì)劃的實(shí)施突破了航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

15、設(shè)計(jì)、材料、工藝等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)了復(fù)合材料技術(shù)的迅速發(fā)展，起到了顯著的效果。國(guó)外在纖維鋪放線型規(guī)劃方面做了大量的研究工作，形成了多種線型規(guī)劃模式。Brandmaier研究了復(fù)合材料最優(yōu)纖維方向，提出了復(fù)合材料最大強(qiáng)度的理論；Hyer23等學(xué)者研究了曲線纖維承載能力并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了抗彎曲的能力更高的復(fù)合材料制品；Gürdal等學(xué)者優(yōu)化了四邊形板的纖維排布極大的提高了纖維制品承載能力；Bijan Shirinzadeh24等學(xué)者對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)件表面的鋪絲路徑進(jìn)行了深入探討，提出了SCAR算法，減少了鋪放纖維間的間隙和重疊等。自動(dòng)鋪絲理論的深入研究為鋪絲CAD/CAM軟件的研制奠定了理論

16、基礎(chǔ)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的大型商業(yè)軟件開發(fā)商結(jié)合自身軟件特色和設(shè)備制造商一起已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)了多套商用的自動(dòng)鋪絲CAD/CAM軟件25。例如：美國(guó)堪薩斯大學(xué)研制開發(fā)的復(fù)合材料分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)（SCADS）可將手工鋪放和自動(dòng)鋪放兩種成型方式有機(jī)結(jié)合，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析，優(yōu)化預(yù)浸絲束鋪放路徑；美國(guó)的Cincinnati公司于1989年以CITIA為基礎(chǔ)開發(fā)的ACES系統(tǒng)可以完成離線模型導(dǎo)入、鋪絲線型規(guī)劃、后處理、加工仿真和NC代碼生成等功能；西班牙M-Torres公司也以CATIA為平臺(tái)開發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)鋪放軟件，能夠完成多種鋪絲線型規(guī)劃和仿真，極大的方便了操作人員的編程作業(yè)。戰(zhàn)斗機(jī)F22

17、、F18、X32和F35以及軍用戰(zhàn)機(jī)F/A-18E/F等分別采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)制造進(jìn)氣道或機(jī)身蒙皮等26。自動(dòng)鋪絲技術(shù)在商用機(jī)上也有使用，例如 Raytheon公司的Premier和霍克商務(wù)機(jī)的機(jī)身部件均采用纖維鋪放技術(shù)制造。通過這種技術(shù)，Raytheon公司首創(chuàng)了沒有框架和加強(qiáng)筋的機(jī)身外殼結(jié)構(gòu)，而且這種外殼也沒有鉚釘和蒙皮接點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得飛機(jī)有了更多的可用空間來容納乘客或貨物。Boeing747及767客機(jī)是自動(dòng)鋪絲技術(shù)應(yīng)用于客機(jī)制造的典型代表，這兩種客機(jī)的3m的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道整流罩試驗(yàn)件都是采用鋪絲技術(shù)制造的。除此之外，自動(dòng)鋪絲技術(shù)也廣泛應(yīng)用于航天器的制造，如X33儲(chǔ)箱、Atlas5型運(yùn)載火

18、箭防護(hù)罩等27?？梢哉f自動(dòng)鋪絲技術(shù)極大程度的促進(jìn)了國(guó)外航空航天事業(yè)的發(fā)展。3.2 國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪絲技術(shù)的發(fā)展由于技術(shù)封鎖和裝備禁運(yùn)，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪絲技術(shù)仍處于起步階段。南京航空航天大學(xué)在國(guó)家863項(xiàng)目的支持下研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)鋪絲原理樣機(jī)并在此基礎(chǔ)上開展了積極有益的探索，完成了8絲束鋪放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、鋪絲用精密低張力測(cè)控系統(tǒng)、鋪絲開放式數(shù)控系統(tǒng)的研制和溶劑法專用預(yù)浸沙研究。目前，南京航空航天大學(xué)正在開展自動(dòng)鋪絲工程樣機(jī)的研制工作，并基于CATIA研發(fā)配套的自動(dòng)鋪CAD/CAM軟件，為自動(dòng)鋪絲技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)28。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也開展了相關(guān)的研究工作，完成了鋪放頭設(shè)計(jì)、控制方案和試驗(yàn)性研究工作。在原有

19、的六軸纏繞機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，研制并設(shè)計(jì)了一種7軸纖維鋪放頭，提出了相應(yīng)的控制方案，并對(duì)數(shù)控鋪放系統(tǒng)的后置處理算法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。天津工業(yè)大學(xué)以直升機(jī)Z8F的主旋翼大梁自動(dòng)鋪帶為應(yīng)用背景，開展自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)的研究工作。武漢理工大學(xué)復(fù)合材料纏繞裝備研究所在“十五”期間就開始對(duì)自動(dòng)鋪放理論進(jìn)行了深入的研究，包括：鋪放機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真、鋪放間隙檢測(cè)、數(shù)控鋪絲虛擬機(jī)開發(fā)、研制出9軸控制7軸聯(lián)動(dòng)六絲（窄帶）鋪放原型機(jī)等29。在鋪放制備的研制與工程實(shí)踐中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為自動(dòng)鋪絲技術(shù)的線型規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、CAD/CAM軟件系統(tǒng)等的深入研究奠定了很好的基礎(chǔ)。圖3為武漢理工大學(xué)研制的一個(gè)自動(dòng)鋪絲原型

20、機(jī)。圖3 自動(dòng)鋪絲原型機(jī)盡管引進(jìn)了一些先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備（包括數(shù)控剪裁、激光、輔助鋪疊設(shè)備等），提高了下料自動(dòng)化程度和絲束鋪放精度，但是國(guó)內(nèi)高性能、復(fù)雜曲面的復(fù)合材料構(gòu)件基本上以手工鋪疊為主。這種狀況極大的制約了高性能的復(fù)材構(gòu)件在兵器裝備和航空航天領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用，制約了國(guó)防發(fā)展30。因此大力進(jìn)行自動(dòng)鋪絲技術(shù)的研究則顯得尤為必要。4. 展望自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究的發(fā)展方向是與熱塑性復(fù)合材料直接固結(jié)技術(shù)、電子束固化技術(shù)結(jié)合，替代熱壓罐成型。電子束固化技術(shù)是重要的低成本制造技術(shù)，可以大幅度降低制造時(shí)間、材料消耗和能源。傳統(tǒng)電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化，其電子束的能量高，加速器的初投資巨大，且輻射防護(hù)

21、的投資隨之增加。采用與自動(dòng)鋪絲技術(shù)相結(jié)合的手段后可以使用逐層電子束固化的方法，即完成一次鋪放后便實(shí)施電子束固化，這樣可以克服傳統(tǒng)電子束固化的缺點(diǎn)。波音公司最新研制的B787機(jī)身全部采用復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成形，分段整體制造，大大簡(jiǎn)化了工藝，帶來了航空制造技術(shù)的變革。自動(dòng)鋪帶剛剛用于翼面類構(gòu)件成形，自動(dòng)鋪絲技術(shù)更晚，從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)制造復(fù)合材料機(jī)身是大型飛機(jī)制造技術(shù)的必由之路。而目前我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施，自動(dòng)鋪絲技術(shù)在復(fù)合材料翼梁制作中得到了極其廣泛的應(yīng)用，而我國(guó)在自動(dòng)鋪放裝備研制、生產(chǎn)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用基本上還處于起步階段，和國(guó)際先進(jìn)水平存在有較大差距。因此，自主研制自動(dòng)鋪絲機(jī)并

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