復(fù)合材料構(gòu)件在各個(gè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用得益于自動(dòng)成型技術(shù)在復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的廣泛應(yīng)用。自1985年以來(lái)，自動(dòng)化成型技術(shù)已逐漸滲透到復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)領(lǐng)域(纏繞成型、自動(dòng)鋪放成型(鋪帶、鋪絲)、拉擠、編織、縫合和RTM等等)，其在推動(dòng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)發(fā)展、降低構(gòu)件制造成本中的巨大作用已達(dá)成廣泛共識(shí)。復(fù)合材料成型自動(dòng)化不僅大大提高了復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，而且通過(guò)對(duì)成型工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的精確控制，極大提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，并為復(fù)合材料構(gòu)件制造系統(tǒng)的整體優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

　　l 自動(dòng)鋪帶技術(shù)

　　自動(dòng)鋪帶技術(shù)是歐美國(guó)家廣泛發(fā)展和應(yīng)用的自動(dòng)化成型技術(shù)之一，集預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實(shí)等功能于一體，且具有工藝參數(shù)控制和質(zhì)量檢測(cè)功能的集成化數(shù)控成型技術(shù)。它涉及自動(dòng)鋪放裝備技術(shù)、預(yù)浸料切割技術(shù)、鋪放CAD/CAM技術(shù)、自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)、鋪放質(zhì)量監(jiān)控、模具技術(shù)、成本分析等多個(gè)研究方向。

　　20世紀(jì)60年代中期，復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)開(kāi)始涌現(xiàn)，美國(guó)率先在先進(jìn)復(fù)合材料制造領(lǐng)域開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)人工輔助鋪帶到全自動(dòng)鋪帶的轉(zhuǎn)型。80年代以后，自動(dòng)鋪帶技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于商業(yè)飛機(jī)的制造領(lǐng)域。歐美航空制造商將自動(dòng)鋪帶技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種飛機(jī)型號(hào)，主要包含F(xiàn)-22(機(jī)翼)、Boeing 777(全復(fù)合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮)C-17(水平安定面蒙皮)、V-22(旋翼蒙皮)A330/A340(水平安定面蒙皮)和A380(安定面蒙皮、中央翼盒)等。經(jīng)90年代的蓬勃發(fā)展，自動(dòng)鋪帶技術(shù)在成型設(shè)備、軟件開(kāi)發(fā)、鋪放工藝和原材料標(biāo)準(zhǔn)化等方面得以深入發(fā)展，并在大型飛機(jī)(Boein9787，A400M，A350XWB)得以更加廣泛的應(yīng)用。

　　2 自動(dòng)鋪帶技術(shù)研究

　　2.1 自動(dòng)鋪帶設(shè)備

　　目前，自動(dòng)鋪帶機(jī)主要分為兩類(lèi)：10軸龍門(mén)式自動(dòng)鋪帶機(jī)和專(zhuān)用自動(dòng)鋪帶機(jī)。與一般復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)(拉擠、纏繞、模壓、RTM、編織等)不同，自動(dòng)鋪帶機(jī)不僅要精確控制鋪帶頭運(yùn)動(dòng)軌跡，而且要實(shí)現(xiàn)鋪帶頭內(nèi)部預(yù)浸帶輸送、鋪放和切割等運(yùn)動(dòng)，并可對(duì)預(yù)浸帶質(zhì)量(寬度、夾雜、缺紗等)、預(yù)浸帶進(jìn)給、切割質(zhì)量、成型溫度、成型壓力和鋪帶間隙等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行精確控制。故自動(dòng)鋪帶機(jī)不但需要明顯高于其他復(fù)合材料自動(dòng)化設(shè)備的加工精度和運(yùn)行平穩(wěn)，而且需要更強(qiáng)大的控制功能和靈活性(多軸插補(bǔ)、多I/O控制點(diǎn)、多模擬量控制)。

　　歐美各自動(dòng)鋪帶機(jī)制造商據(jù)此開(kāi)發(fā)了自動(dòng)鋪帶設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)，并根據(jù)現(xiàn)有鋪帶機(jī)的不足，設(shè)計(jì)并制造各種新型鋪帶成型設(shè)備。美國(guó)Cincinnati公司采用開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)CMl00開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶設(shè)備;西班M-Torres公司以通用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)最大控制軸數(shù)為11的自動(dòng)鋪帶數(shù)控系統(tǒng)Toerrslayup;法國(guó)Forest—line公司以Siemens840D為平臺(tái)開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶控制系統(tǒng)。Boeing公司針對(duì)現(xiàn)有鋪帶機(jī)鋪放效率仍顯不足的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)多鋪放頭鋪帶機(jī)，M-Torres公司則就此問(wèn)題研發(fā)多帶平行鋪放鋪帶系統(tǒng)Forest-line公司針對(duì)鋪帶機(jī)切割效率低下的技術(shù)壁壘，研制雙頭兩步鋪帶成型統(tǒng)。

　　2.2 自動(dòng)鋪帶CAD/CAM/CAE技術(shù)

　　自動(dòng)鋪帶成型作為典型的增料加工自動(dòng)化成型技術(shù)之一，其CAD/CAM技術(shù)與普通切削加工截然不同，受到更多方面的因素影響，如原材料體系、材料設(shè)計(jì)(單層材料設(shè)計(jì))、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與鋪層設(shè)計(jì)、線型設(shè)計(jì)、工藝制度設(shè)計(jì)(成型溫度、成型壓力等)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算、成型加工與檢測(cè)、模具技術(shù)等。

　　自動(dòng)鋪帶部分?jǐn)[脫了纏繞成型的線型限制(不架橋、周期性)，但由于預(yù)浸帶的特性，依然受到“自然路徑”(測(cè)地線)的限制。據(jù)此，提出了基于“自然路徑”的自動(dòng)鋪帶CAD/CAM求解算法，并將其成功應(yīng)用到CAD/CAM軟件中。美國(guó)Cincinnati公司和西班牙M-Torres公司分別以CATIA為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶成型CAD/CAM軟件(模塊);法國(guó)Forest-line公司采用CIMPA SA注冊(cè)的TapeLay軟件進(jìn)行CAD/CAM設(shè)計(jì)，其將自動(dòng)鋪帶CAM軟件模塊集成在CATIA V5大型工程軟件中，可實(shí)現(xiàn)多種軌跡規(guī)劃線型比較與仿真。VISTAGY公司FiberSIM軟件可兼容多種大型工程軟件，如CATlA V4，CATIA V5，NX和Pro/ENGINEER等，其Tape Laying In-terface模塊可調(diào)用工程軟件中的鋪放模型，自動(dòng)生成鋪帶代碼文件。CGTech公司開(kāi)發(fā)獨(dú)立于CNC機(jī)床環(huán)境的自動(dòng)鋪放編程與仿真軟件VERICUT Composite Programming and Simulati-one Suite，AF-PT/Koelrit公司熱塑性鋪帶系統(tǒng)得益于CGTech公司軟件解決方案，極大縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

　　2.3自動(dòng)鋪帶工藝研究

　　在預(yù)浸帶鋪疊過(guò)程中，通過(guò)對(duì)預(yù)浸帶鋪放速度、鋪放溫度、鋪放壓力等因素的協(xié)調(diào)控制，使預(yù)浸帶處于鋪疊成型的工藝窗口。在保證預(yù)浸帶處于適宜的工藝窗口內(nèi)的條件下，應(yīng)最大程度提高預(yù)浸帶的鋪放效率。預(yù)浸帶的鋪放效率也受到成型模具復(fù)雜程度的限制。自動(dòng)鋪帶成型自動(dòng)鋪絲成型和手糊成型的鋪放效率與模具復(fù)雜性間的關(guān)系，如圖1所示。相對(duì)于自動(dòng)鋪絲和手糊成型，自動(dòng)鋪帶的成型效率最高，但其應(yīng)用范圍受到雙曲面模具復(fù)雜程度的限制。

　　圖1模具復(fù)雜性對(duì)成型效率的影響

　　自動(dòng)鋪帶成型以不同寬度的預(yù)浸帶(75，150，300mm)為原材料，且預(yù)浸帶可采用熱固性或熱塑性樹(shù)脂作為基體材料。其中，熱塑性鋪帶成型技術(shù)和高能束固化(原位電子束固化)技術(shù)是目前國(guó)際上自動(dòng)鋪帶成型技術(shù)的研究重點(diǎn)。

　　熱塑性鋪帶成型技術(shù)的研究主要集中在其熱傳導(dǎo)模型(傳熱和結(jié)晶)理論推導(dǎo)和工藝參數(shù)優(yōu)化研究?jī)蓚€(gè)方面。R Pitchumani等研究了熱塑性鋪放成型過(guò)程，并建立理論模型，可有效描繪成型過(guò)程對(duì)層間結(jié)合和層間空隙的影響。S Turnkor等研究工藝參數(shù)對(duì)熱塑性層合構(gòu)件質(zhì)量的影響，并利用計(jì)算機(jī)繪出了溫度分布圖;Dirk Heider等以熱塑性鋪放技術(shù)為背景，開(kāi)發(fā)在線的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工藝優(yōu)化系統(tǒng)，可在滿(mǎn)足最低加工質(zhì)量和質(zhì)量恒定的前提下，盡可能提高鋪放速率，降低構(gòu)件制造成本。X Guan和R Pitchumani研究熱塑性鋪帶成型加熱過(guò)程中熱沖擊問(wèn)題，采用參數(shù)分析法分析熱傳輸過(guò)程的各種影響因素，并建立了相鄰纖維間和層間球粒狀微觀結(jié)構(gòu)單元生長(zhǎng)的動(dòng)力模型，選定了適宜的工藝窗口和球粒的平均尺寸范圍。Robert C Costen等研究復(fù)合材料變厚度構(gòu)件原位自動(dòng)鋪帶成型技術(shù)在鋪放區(qū)域內(nèi)部啟停時(shí)熱傳導(dǎo)過(guò)程的瞬態(tài)變化問(wèn)題;Mark A Lamontia和Mark B Gruher等研究熱塑性鋪帶成型技術(shù)，并采用混合制造成型(纖維纏繞、自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲)的方法完成多種熱塑性復(fù)合材料筒段構(gòu)件的制作，并對(duì)同類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。Fazil O Sonmez和Mustafa Akbulut在熱塑性鋪帶傳熱過(guò)程中引入殘余應(yīng)力和非最優(yōu)狀態(tài)操作對(duì)成型構(gòu)件的影響因素，進(jìn)一步完善了熱塑性鋪帶成型傳熱的理論模型。

　　自動(dòng)鋪帶技術(shù)與電子束固化技術(shù)相結(jié)合，不僅可避免了大型復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐固化過(guò)程，而且可避免大規(guī)模的抽真空過(guò)程，可有效降低構(gòu)件的生產(chǎn)成本。Daniel L Goodman和Catherine A Byrne等對(duì)原位電子束固化在自動(dòng)鋪帶技術(shù)中應(yīng)用進(jìn)行研究，指出此項(xiàng)技術(shù)在航空、航天以及運(yùn)輸工具中的復(fù)合材料大型構(gòu)件生產(chǎn)中極具潛力，據(jù)工廠實(shí)踐可降低成本10%～60%。

　　3 國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶技術(shù)發(fā)展

　　國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶技術(shù)研究較晚，南京航空航天大學(xué)率先開(kāi)始自動(dòng)鋪放技術(shù)的研制。自2004年起，南京航空航天大學(xué)已研制完成三部自動(dòng)鋪帶機(jī)：小型鋪帶原理樣機(jī)、十軸中型自動(dòng)鋪帶工程樣機(jī)和大型筒段專(zhuān)用自動(dòng)鋪帶機(jī)(圖2)。

　　圖2南京航空航天大學(xué)研制的自動(dòng)鋪帶機(jī)

　　南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改進(jìn)部分自動(dòng)鋪帶控制技術(shù)(隨動(dòng)切割技術(shù)、預(yù)浸帶輸送技術(shù)和成型壓力控制技術(shù)等);驗(yàn)證在可展曲面上自然路徑和測(cè)地線的等價(jià)性，提出基于曲面三角面片離散的求解算法;在此基礎(chǔ)上，研究平面構(gòu)件和可展曲面構(gòu)件(筒段和圓錐)自動(dòng)鋪帶成型CAD/CAM技術(shù)，并針對(duì)開(kāi)口、補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行研究工作;針對(duì)鋪放軌跡的測(cè)地線求解問(wèn)題，研究曲面測(cè)地線數(shù)值解法。

　　武漢理工大學(xué)對(duì)自動(dòng)鋪帶的數(shù)控系統(tǒng)、成型機(jī)構(gòu)和人機(jī)界面等進(jìn)行研究工作，并在Pro/E，Solidworks，OpenGL軟件平臺(tái)上對(duì)其成型機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。

　　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(kāi)展自動(dòng)鋪放成型技術(shù)的研究工作。在Pro/E工程軟件平臺(tái)上進(jìn)行大梁自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，并采用西門(mén)子840D系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此鋪帶系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算和控制、龍門(mén)架移動(dòng)和橫梁移動(dòng)的同步驅(qū)動(dòng)等功能;采用其內(nèi)置PLC完成鋪放設(shè)備外圍動(dòng)作。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　自動(dòng)鋪帶成型是復(fù)合材料自動(dòng)化成型的典型代表，其具有高效、高質(zhì)量、高可靠性、低成本的特點(diǎn)，特別適合于大尺寸和復(fù)雜構(gòu)件的制造，減少了拼裝零件的數(shù)目，節(jié)約了制造和裝配成本，并極大地降低了材料的廢品率和制造工時(shí)。在國(guó)外技術(shù)封鎖、缺乏技術(shù)資料的情況下，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶技術(shù)的研發(fā)工作取得階段性進(jìn)展。但仍有大量的研究工作需要完成，如熱塑性鋪帶技術(shù)、高能束固化、工藝性能優(yōu)化和原材料體系等方向。

　　復(fù)合材料成型自動(dòng)化是未來(lái)復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何以復(fù)合材料成型自動(dòng)化研究為契機(jī)，借鑒國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成型設(shè)備，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的成型技術(shù)，是科研工作者的緊要任務(wù)。