铺带头

    目前世界领先的复合材料专用设计/制造软件有CATIA CPD (CATIA Composite Design)模块和VISTAGY公司开发的FiberSIM软件。前者与CATIA系统完全集成，后者亦能完全集成到CATIA、Pro/E、UG等CAD软件中。复合材料专用设计/制造软件可提供高效的复合材料数字化设计/制造工具，进行复合材料构件的结构设计、铺层设计、铺层展开和制造数据准备等工作。

     我国开始研究纤维铺放技术领域是近几年的事情，2004年南京航空航天大学与中国一航材料研究院联合研发了一台小型铺带机，并进行了基于AutoCAD的初级CAD/CAM软件的开发。目前已着手研制中型自动铺带工程样机。北京航空制造工程研究所在引进铺带头关键技术的基础上研制了一台中型铺带机，在自主研发方面迈出了可喜的一步。国内某飞机制造公司2008年引进了一台西班牙M. Torres公司生产的铺带机，并进行了一些机翼整体壁板铺放工艺流程方面的试验。成飞等几家单位也有引进国外先进铺放设备的意愿。

    自动铺丝机的发展状况

    最早开始研制纤维铺放技术的有Boeing公司、Cincinnati Milacron公司和Hercules公司等，20世纪80年代开始设备设计、工艺与材料研制等诸项工作。20世纪80年代初，Boeing公司的机械工程师Quentin Wood提出了“AVSD铺放头”（Automated Variable Strained Dispensing Head）设想，解决了纤维束压实、切断和重送的问题，1985年Hercules公司研制出了第一台原理样机。1989年Cincinnati Milacron公司设计出其第一台纤维铺放系统并于1990年投入使用。1995年Ingersoll公司也研制出其第一台铺放机。随着自动铺放技术的不断发展，控制系统从模拟控制升级到全数字控制。20世纪90年代还开发了专用的CAD/CAM软件与硬件配套，使其功能日臻完善。设备制造商和飞机部件制造商也不断开发出自动铺放新技术，包括双向铺放头技术、丝束重定向控制技术、张力控制技术、预浸丝束整形技术、Fiber Steer技术、柔性压辊技术、热塑性自动铺放技术、超声固接成型技术和CAD/CAM软件技术等。目前铺丝机的单丝剪切、夹紧和重送等动作均可在计算机协调控制下完成，所使用的纤维束主要是由12K预浸长纤维组成，标准宽度有3.2mm、6.4mm、12.7mm三种。铺丝宽度调节靠裁剪纤维束的根数完成，由32根纤维丝集束组成的丝束宽度可达300mm。铺丝张力约为1～3N，铺放精度可达到0.005mm。目前国际上主要的铺丝机生产商有美国Cincinnati machine、Ingersoll公司，欧洲的Automated Dyna Micro、M. Torres等。

    在铺丝成型结构设计和分析方面，堪萨斯大学开发了复合材料分析与设计系统（Steered Composite Analysis and Design System，SCADS)，该系统集复合材料结构设计和分析于一体，将手工铺放和自动铺放有机结合，可根据复合材料零件实际工况优化纤维铺放路径。SCADS的开发侧重于2个方面，一方面侧重于轨迹规划，并在被铺放曲面上仿真纤维路径；另一方面是纤维路径与现有的复合材料分析软件的整合。SCADS系统中的纤维铺放分析环境（FPA）具有在丝束级别上分析纤维性能的能力，包括纤维方向和曲面曲率分析，丝束缝隙和重叠的分析，以及对有限元网格节点的自动几何解析。

    国内对纤维铺丝技术的研究开展时间不长，起步基点较低，还没有定型产品设备在生产中得到应用。南京航空航天大学在总装“航空支撑项目”和国家“863项目”资助下，完成了国内第一台八丝束纤维铺放原理样机，开发了基于CATIA的自动铺放的CAD/CAM软件原型，进行了纤维铺放及装备的初步技术储备。武汉理工大学与北京航天工艺研究所和西安复合材料研究所等单位合作开展自动铺放研究，对圆锥体进行了铺放机理的研究并进行了计算机仿真。从原理上设计了一台纤维铺放机，能够实现四路丝束铺放，每路丝束可单独控制丝束切断或丝束重新输送。哈尔滨工业大学开发了纤维铺放轨迹规划设计与仿真软件，深入研究了基于机械手臂末端运动轨迹和基于机械手臂末端施压方向的2种机床后置处理算法，提出了新的铺放轨迹规划方法和优化方法，实现了铺放软件的前期规划、设计工作。完成了七自由度四丝束纤维铺丝机的设计及调试工作，并进行了铺放试验。在铺放过程中，设备及数控系统工作稳定、可靠，运动位置准确，具有工程实用价值。

    我国大飞机工程已经启动，复合材料规划用量初期要达到15%～25%，后期随着材料与设计制造技术的成熟将逐步扩大，最终的上限可能接近甚至超过现有波音787飞机的复合材料用量水平。在实现这一目标的过程中，复合材料成型设备及工艺很有可能会是一个技术瓶颈，成为制约大飞机研制的关键一环，应予以高度重视。目前，国家已经把大型自动铺丝机和铺带机列入了数控重大专项重点研制设备，而数控重大专项属于国家中长期规划的十六个重大专项之一。可见，复合材料自动化成型设备的研制已引起有关方面的高度重视。在大飞机上大量应用复合材料是我国航空业实现跨越式发展的迫切需求，面对铺放设备的进口管制瓶颈，应当加大对具有自主知识产权的铺放设备研制的支持力度，同时开展自动铺放CAD/CAM软件和铺放工艺技术的研究，为复合材料在大型飞机上的大规模应用奠定基础。

信息来源：哈尔滨工业大学