10 纤维复合材料 1年 绕模式,即纤维缠绕CAD技术开始出现。用计算机 辅助设计缠绕模式,大大简化了缠绕模式的设计,从 prepregnated tape 而减少了产品的开发和工艺设计周期。进入21世 纪,缠绕机的功能更加完善,各种类型的缠绕机广泛 应用于航空航天、军工和民用工业等领域。我国在 20世纪60年代成功研制出链条式缠绕机,70年代 (a) Automatic laying tape 引进德国WE-250数控缠绕机,改进后实现国产化 iber placement head 生产,80年代后我国引进了各种型式缠绕机40多 bindle head box, iber storage box 台,经过改进后,自主成功的设计制造出微机控制缠 绕机,并进入国际市场。 缠绕设备的发展主要在计算机控制,设备的精 度、浸刮胶方式、立体多轴缠绕及张力控制,正向着 高自动化、高集成化、高产量化的方向发展。高性能 的树脂基体及高强纤维都在逐步应用到缠绕领域 b) Automatic laying fibers 这促使缠绕工艺有更大的应用领域和发展前景。 3.5铺放成型工艺 图4自动铺丝和自动铺带原理图 纤维铺放成型技术是自动铺丝束成型技术和自 于1990年投入使用,1995年 Ingersol公司研制出 动窄带铺放成型技术的统称,是在已有缠绕和自动 其第一台铺放成型机 铺放技术基础上发展起来的一种全自动制造技术 纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革(新型缠 随着自动铺放技术的不断发展,控制系统从模 绕技术)提出的,主要用于生产航空航天的大型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 的、特殊结构的构件 臻完善。设备制造商和飞机部件制造商也不断开发 自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带, 出自动铺放新技术,包括双向铺放头技术、丝束重定 在铺带头中完成预定形状的切割、定位,加热后按照 向控制技术、张力控制技术、预浸丝束整形技术、F 定设计方向在压辊作用下,直接铺叠到曲率半径 ber steer技术、柔性压辊技术、热塑性自动铺放技 较大且变化较缓的模具表面。铺带机多采用龙门式 术、超声固接成型技术和 CAD/CAM软件技术等 结构,其核心部件是铺带头,须完成超声切割、夹紧 首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司 衬纸剥离和张力控制等功能。铺丝技术综合了自动 它研制了V-22倾转旋翼飞机的整体后机身。在 铺带和纤维缠绕技术的优点,由铺丝头将数根预浸 第4代战斗机的典型应用包括S形进气道和机身, 纱在压辊下集束成为一条由多根预浸纱组成的宽度 F35中的机身翼身融合体蒙皮。在商用飞机方面有 可变的预浸带后铺放在芯模表面,经过加热软化后 Premier-I和霍克商务机的机身部件、大型客机波 压实定型。铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产 音747及波音767客机的发动机进气道整流罩试验 品表面制备,铺设时没有皱褶,无须作剪裁或其他处 件和波音787机身则全部采用复合材料自动铺丝技 理。铺丝可以代替铺带,相对于铺带,它的成本较 高,效率也低一些,但复杂的曲面表面必须用铺丝工 术分段整体制造等,自动铺放技术的应用大大简化 艺完成,图4是自动铺带和自动铺丝的原理图。 了制造工艺,带来了航空制造技术的变革。 目前,美洲、欧洲、亚洲的几十家制造商在应用 自动铺放技术源于20世纪60年代,在美国空 自动铺带技术制造复合材料结构。空客法国Nate 军实验室支持下起步,后经ACT、CAI(计算机辅助 设计)等计划支持,迅速发展。该技术于20世纪70 工厂中,现有十几台铺带机在生产线上运行;空客德 国 Stade工厂有一条4台铺带机组生产线;空客西 年代由 boeing、 Cincinnati Milacron、 Hercules等公司 班牙的Ⅲ lescas工厂有6台铺带机在运行;日本三菱 联合开发,已经经历近40年的发展。1982年Bo-重工、富士重工等也已应用了此项技术。经过20多 ing公司的机械工程师提出了“AwSD铺放头”设想, 年的发展,国外纤维铺放成型技术已基本成熟,预计 解决了纤维束压实、切断和重送的问题,1985年到2010年世界上将有60多台纤维铺放机投入使 Hercules公司研制出第一台原理样机,1989年,Cin- 用。 cinnati milacron公司设计出第一台纤维铺放系统并 o1994-2012ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net10 纤 维 复 合 材 料 2011 年 绕模式，即纤维缠绕 CAD 技术开始出现。用计算机 辅助设计缠绕模式，大大简化了缠绕模式的设计，从 而减少了产品的开发和工艺设计周期。进入 21 世 纪，缠绕机的功能更加完善，各种类型的缠绕机广泛 应用于航空航天、军工和民用工业等领域。我国在 20 世纪 60 年代成功研制出链条式缠绕机，70 年代 引进德国 WE － 250 数控缠绕机，改进后实现国产化 生产，80 年代后我国引进了各种型式缠绕机 40 多 台，经过改进后，自主成功的设计制造出微机控制缠 绕机，并进入国际市场。 缠绕设备的发展主要在计算机控制，设备的精 度、浸刮胶方式、立体多轴缠绕及张力控制，正向着 高自动化、高集成化、高产量化的方向发展。高性能 的树脂基体及高强纤维都在逐步应用到缠绕领域， 这促使缠绕工艺有更大的应用领域和发展前景［6］。 3． 5 铺放成型工艺 纤维铺放成型技术是自动铺丝束成型技术和自 动窄带铺放成型技术的统称，是在已有缠绕和自动 铺放技术基础上发展起来的一种全自动制造技术。 纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革( 新型缠 绕技术) 提出的［7］，主要用于生产航空航天的大型 的、特殊结构的构件。 自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带， 在铺带头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照 一定设计方向在压辊作用下，直接铺叠到曲率半径 较大且变化较缓的模具表面。铺带机多采用龙门式 结构，其核心部件是铺带头，须完成超声切割、夹紧、 衬纸剥离和张力控制等功能。铺丝技术综合了自动 铺带和纤维缠绕技术的优点，由铺丝头将数根预浸 纱在压辊下集束成为一条由多根预浸纱组成的宽度 可变的预浸带后铺放在芯模表面，经过加热软化后 压实定型。铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产 品表面制备，铺设时没有皱褶，无须作剪裁或其他处 理。铺丝可以代替铺带，相对于铺带，它的成本较 高，效率也低一些，但复杂的曲面表面必须用铺丝工 艺完成，图 4 是自动铺带和自动铺丝的原理图。［8］ 自动铺放技术源于 20 世纪 60 年代，在美国空 军实验室支持下起步，后经 ACT、CAI( 计算机辅助 设计) 等计划支持，迅速发展。该技术于 20 世纪 70 年代由 Boeing、Cincinnati Milacron、Hercules 等公司 联合开发，已经经历近 40 年的发展。1982 年 Boe￾ing 公司的机械工程师提出了“AvSD 铺放头”设想， 解决了纤维束压实、切断和重 送 的 问 题，1985 年 Hercules 公司研制出第一台原理样机，1989 年，Cin￾cinnati Milacron 公司设计出第一台纤维铺放系统并 图 4 自动铺丝和自动铺带原理图 于 1990 年投入使用，1995 年 Ingersoll 公司研制出 其第一台铺放成型机。 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、Fi￾ber 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［8］。 首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司， 它研制了 V － 22 倾转旋翼飞机的整体后机身。在 第 4 代战斗机的典型应用包括 S 形进气道和机身， F35 中的机身翼身融合体蒙皮。在商用飞机方面有 Premier － I 和霍克商务机的机身部件、大型客机波 音 747 及波音 767 客机的发动机进气道整流罩试验 件和波音 787 机身则全部采用复合材料自动铺丝技 术分段整体制造等，自动铺放技术的应用大大简化 了制造工艺，带来了航空制造技术的变革。 目前，美洲、欧洲、亚洲的几十家制造商在应用 自动铺带技术制造复合材料结构。空客法国 Nate 工厂中，现有十几台铺带机在生产线上运行; 空客德 国 Stade 工厂有一条 4 台铺带机组生产线; 空客西 班牙的 Illescas 工厂有 6 台铺带机在运行; 日本三菱 重工、富士重工等也已应用了此项技术。经过 20 多 年的发展，国外纤维铺放成型技术已基本成熟，预计 到 2010 年世界上将有 60 多台纤维铺放机投入使 用