復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用及方案示例

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1、復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用及方案示例newmaker大飛機復(fù)合材料的應(yīng)用國外大型軍用、民用飛機中復(fù)合材料構(gòu)件的比重迅速增加，波音787的復(fù)合材料構(gòu)件已占結(jié)構(gòu)重量的50%以上，A350復(fù)合材料構(gòu)件將占結(jié)構(gòu)重量的52%，俄羅斯開發(fā)中的MC21，復(fù)合材料用量也將占結(jié)構(gòu)重量的40%～45%，A400M軍用運輸機上復(fù)合材料用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的35%。國內(nèi)ARJ21復(fù)合材料用量不多，大型結(jié)構(gòu)件僅在方向舵上采用了復(fù)合材料。大飛機正在研發(fā)過程中，考慮到當(dāng)前和飛機生產(chǎn)出來后（至少7～8年后）的國際水平，參照國外的A380、波音787、A350、A400M、MC21等大型

2、飛機，以及國內(nèi)設(shè)計能力、試驗?zāi)芰?、生產(chǎn)設(shè)備條件和工藝水平等，大飛機上復(fù)合材料構(gòu)件占結(jié)構(gòu)重量至少應(yīng)不低于25%，達(dá)到舵面或機翼采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的水平。而對舵面或機翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造，當(dāng)前最有優(yōu)勢的制造方法就是自動鋪帶技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)的發(fā)展所謂自動鋪帶技術(shù)，就是采用數(shù)控鋪層設(shè)備，通過數(shù)字化、自動化的手段實現(xiàn)復(fù)合材料預(yù)浸布、帶的連續(xù)自動切割和自動鋪放。主要工作過程為：將復(fù)合材料預(yù)浸料卷安裝在鋪放頭中，預(yù)浸材料由一組滾輪導(dǎo)出，并由壓緊滾輪或可隨形機構(gòu)壓緊在工裝或上一層已鋪好的材料上，切割刀將材料按設(shè)定好的方向切斷，能保證鋪放的材料與工裝的外形相一致。

3、鋪放的同時，回料滾輪將背襯材料回收。自動鋪帶作為典型的增料加工成型技術(shù)，其成型設(shè)備的制造技術(shù)涉及機電裝備技術(shù)、CAD/CAM軟件技術(shù)和材料工藝技術(shù)等多個研究領(lǐng)域，可實現(xiàn)：（1）最大限度地利用單向預(yù)浸帶（優(yōu)于手工鋪層采用的預(yù)浸布），并可減輕結(jié)構(gòu)重量；（2）可更自由地設(shè)計鋪層，發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計性優(yōu)勢，在應(yīng)力梯度和應(yīng)力異常的區(qū)域選擇性鋪放補強，實現(xiàn)了整個結(jié)構(gòu)的零剩余強度；（3）提高工作質(zhì)量和鋪放效率。采用該技術(shù)，可提高復(fù)合材料裁片外形、纖維方向等幾何參數(shù)的精確度和鋪疊位置、方向、角度的準(zhǔn)確性，從而避免了人為鋪放產(chǎn)生的偏差，如產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷的幾率大、零件制

4、造質(zhì)量重復(fù)性差、質(zhì)量分散性大，以及尺寸精度和鋪放位置準(zhǔn)確度不能滿足大尺寸、高精度零件制造的要求等問題。采用復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)可在提高質(zhì)量的同時，大幅度地節(jié)省原材料，降低制造成本。同時，由于可以實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的零剩余強度設(shè)計，結(jié)構(gòu)重量大大減輕。自動鋪帶技術(shù)于20世紀(jì)70年代由Boeing、CincinnatiMilacron、Hercules等公司聯(lián)合開發(fā)，已經(jīng)經(jīng)歷近40年的發(fā)展。目前，世界上復(fù)合材料制造技術(shù)較先進(jìn)的公司（如Boeing公司、AIRBUS公司、ECF公司等）在飛機復(fù)合材料構(gòu)件的制造中均已廣泛采用復(fù)合材料自動鋪帶成型技術(shù)。采用該技術(shù)制造

5、的復(fù)合材料零、部件已安裝于現(xiàn)今生產(chǎn)的許多型號飛機上。目前，美洲、歐洲、亞洲的幾十家制造商在應(yīng)用自動鋪帶技術(shù)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。空客法國Nate工廠中，現(xiàn)有十幾臺鋪帶機在生產(chǎn)線上運行；空客德國Stade工廠有一條4臺鋪帶機組生產(chǎn)線；空客西班牙的Illescas工廠有6臺鋪帶機在運行；日本三菱重工、富士重工等也已應(yīng)用了此項技術(shù)。雖然國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)研究起步較晚，但在技術(shù)研究和設(shè)備研究方面也已有一定的成果，國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)也不再是空白。從2004年開始，南京航空航天大學(xué)與航空材料研究院聯(lián)合開發(fā)自動鋪帶設(shè)備，完成了小型鋪帶機的研制，并應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研

6、制；北京航空制造工程研究所與Forest-Line公司合作研制的大型復(fù)合材料自動鋪帶機的調(diào)試工作已接近尾聲，有望在“十二五”實現(xiàn)應(yīng)用，可以滿足小曲率大型壁板類復(fù)合材料構(gòu)件的制造；國內(nèi)開展自動鋪帶技術(shù)研究的還有武漢理工大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等多所大學(xué)，包括鋪放機構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)和人機交互等研究工作。2007年，哈飛集團(tuán)從西班牙M.Torres公司購買了一臺復(fù)合材料自動鋪帶機，并已開展了復(fù)合材料自動鋪帶制造技術(shù)應(yīng)用研究，將在2010年初與空客公司合作，進(jìn)行A320方向舵前、后梁的生產(chǎn)。該設(shè)備采用龍門式結(jié)構(gòu)，主要包括帶裝夾和釋放(開卷)系統(tǒng)、襯紙帶回卷系統(tǒng)、帶缺

7、陷檢測傳感系統(tǒng)、帶對中和導(dǎo)向系統(tǒng)、切帶系統(tǒng)、鋪帶和壓實系統(tǒng)、工作區(qū)域安全系統(tǒng)、鋪帶監(jiān)控系統(tǒng)、帶卷裝卸系統(tǒng)、工裝定位及自動補償系統(tǒng)等。（1）該設(shè)備具有自動切割與自動鋪放未經(jīng)固化的樹脂基單向纖維帶功能，能夠在模具上自動鋪放多層平面和曲面的復(fù)合材料零件。（2）該設(shè)備在鋪層時能夠?qū)︿亴勇窂竭M(jìn)行手動和自動設(shè)置，自動功能具有最佳的鋪層路徑，每層帶可在±90°之間采取任意角度和任意方向的鋪放。（3）能夠鋪放復(fù)雜切割路徑的鋪層和零件局部加強鋪層。（4）鋪帶機構(gòu)能按零件程序順應(yīng)形面，以可控制的壓力將帶平順鋪放和碾實、無褶皺、無氣泡和具有程編規(guī)定的帶與帶間隙。（5）所

8、鋪帶寬規(guī)格分為75mm、150mm和300mm三種。舵面或機翼鋪帶制造方案1設(shè)計制造原則設(shè)計理念：在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整個設(shè)計過