纤维自动铺放技术的研究进展

纤维自动铺放技术的研究进展

0自动铺放技术由于纤维复合材料具有高比强度、高比模型、抗侵蚀性和耐腐蚀性等优点，已成为现代飞机的主要结构材料。从波音B777、空客A380到B787、A350,大型飞机的复合材料用量正在大幅度增加,B787和A350上所使用的复合材料结构件用量都已超过50%。国产飞机中ARJ21支线客机的复合材料用量还不足3%,到C919大型飞机的复合材料用量大约为12%,而下一代大型飞机C929的复合材料结构件用量将会超过40%随着先进复合材料在航空领域应用比例的进一步扩大,复合材料部件正逐渐从简单结构向整体化和复杂化方向发展,使得铺放过程自动化的需要变得更加迫切。自动铺放技术是实现复合材料高性能数字化制造的一个重要手段,同时也是近年来发展最快的先进制造技术。采用自动铺放可以大幅度提高铺放效率,减少人力劳动成本,有利于生产更加大型的构件。可以降低铺放偏差和出错的机率,提高纤维片层之间的定位精度。有利于设计更加复杂的复合材料部件,并可以大大提高材料的利用率。在铺放同时可以向叠层施加压紧力,有利于降低成品的空泡率,提高成品的质量。这些显著的优点将使自动铺放技术在大型飞机复材构件制造中所占的比重越来越大。自动铺放技术可分为自动铺带技术(AutomatedTapeLayer,简称ATL)和纤维自动铺放技术(即自动铺丝技术,AutomatedFiberPlacement,简称AFP)。铺带技术是将具有一定宽度的(150mm和300mm)纤维带子展开,并铺放在一个阴模或平台上,由于铺带设备固有的特点,几乎不能对带子进行控制,因此只能用于相对平坦或小曲率的工件的铺放。对于许多带有尖锐曲率的构件需要采用自动铺丝技术来解决,铺丝技术能够将多条纤维束或窄带同时铺放在一个阴模或阳模上,纤维数量一般有12~32根不等,宽度一般为1/2、1/4、1/8英寸,可以用于复杂曲面构件的铺放制造1国内外自动人行道技术的科学研究1.1国外自动铺带技术的发展自动铺带技术(ATL)最早起源于美国,第一台数控龙门式自动铺带机由美国Vought公司于20世纪60年代开始研制成功,主要用于铺放F-16战斗机的复合材料机翼部件,80年代以后,自动铺带技术开始从军用飞机应用转向商用飞机的制造领域。随着复合材料使用量的增加,专业设备制造商(如MAGCincinnati、Ingersoll公司)也开始研制自动铺带机,使自动铺带技术得到快速提高并日趋成熟。经过30多年的发展,美国自动铺带技术已经发展到第五代,其中重要方向是开发了多铺带头和针对特定构件的专用化铺带机。欧洲也从上世纪90年代开始研制自动铺带机,目前主要制造厂商有法国Frest-line公司和西班牙的M-Torres公司自动铺丝技术(AFP)是由美国Boeing、Hercules等公司于20世纪80年代在纤维缠绕技术和铺带技术的基础上发展起来。1989年CincinnatiMilacron公司设计出第一台自动铺丝机并于1990年投入使用。1995年美国Ingersoll公司也研制出其第一台自动铺丝机。从技术发展趋势看,自动铺丝技术目前正向着高速高生产率铺放、多铺放头集成复合铺放、基于工业机器人平台铺放以及ATL/AFP混合铺放等方向发展。目前国际上先进的自动铺丝设备生产商主要有美国的MAGCincinnati、ElectroImpact、Ingersoll公司,法国的Forest-Line和Coriolis公司、西班牙的M-Torres公司等。图2为美国MAGIAS公司生产的Viper系列自动铺丝机1.2国内自动铺放设备的研制和试验研究我国的自动铺放技术起步较晚,多数航空企业仍然采用类似金属构件的设计方法和手工铺层方法进行复合材料结构的设计和制造。自动铺放技术基本上还处于高校院所研究、试制阶段,离实际应用还有一定的差距。南京航空航天大学“九五”期间开始着手调研,在国家科技部863项目的资助下,完成国内第一台八丝束纤维铺放原理样机。武汉理工大学与北京航天工艺研究所、西安复合材料研究所等单位合作开展了自动铺放技术研究,完成了装备技术的研制和工艺技术的研究,对圆锥体进行了铺放机理的研究,提出了圆锥形曲面的四种铺放线型的设计方法。哈尔滨工业大学设计、制造的七自由度四丝束纤维铺放机已经调试完成,并应用4mm宽度的纤维预浸丝束进行铺放试验,并完成了铺放软件原型的设计工作我国在自动铺放设备的研制、生产和实际应用方面基本上还处于起步阶段,还没有研制出真正能够应用到实际生产的设备,这和国际先进水平存在着比较大的差距。上海电气此次通过收购德国宝捷自动化公司获得了先进的自动铺丝、铺带技术,通过对设备的引进和技术的消化、吸收,掌握核心技术和工艺,逐步积累经验,并培养一支研发和应用队伍,使我国的自动铺放技术有飞跃式发展,这也不失为提高我国复合材料装备技术的一条捷径。2复合材料技术方面的新进展作为全球知名的航空装配设备供应商,德国宝捷公司为全球飞机制造企业提供各种专业化的装备和服务,包括整个飞机装配过程中的紧固连接技术及装备,工装夹具自动定位、传送系统和输送装备,在大型飞机的批量生产中起到巨大的作用。大大提高了飞机零部件定位准确度和铆接质量,降低了工人的劳动强度,缩短了飞机装配周期。宝捷公司在航空工业领域有着超过40年的潜心研究和经验积累,随着复合材料应用比例的快速提高,宝捷公司加大了复合材料加工装备技术的研发和投入力度,并收购了德国MAG集团的复合材料分部,大幅提升复合材料方面的技术能力。宝捷公司在复材方面的技术主要包括复合材料制孔和紧固、搬运技术、旋转叶片的铺丝技术等,目前已能够提供自动铺放机器人解决方案。宝捷公司的复合材料自动铺放技术主要包括针对中/小型构件的机床龙门结构自动铺放机和针对大型构件的机器人结构的自动铺放机。2.1针对中/小型复合材料构件的stxx系列自动铺丝系统早期的自动铺放设备供应商只为大型航空企业服务,如波音、空客等公司,设计和制造的铺放机很大并且价格昂贵,一般中小型企业无法负担,这制约了铺放技术的推广应用,因此开发研制经济性更好的小型化的自动铺放机已成为一种发展趋势,可以实现小尺寸复合材料构件的铺放并降低使用者的设备采购费用。宝捷公司已为此作了这方面的尝试,目前已研发出了针对中/小型复合材料结构件的staxx系列自动铺丝应用系统,这是一款高度创新的纤维铺放系统,包括可以实现二维铺放的staxx1700紧凑型自动铺丝机和三维铺放的staxx2500自动铺丝机。Staxx系列自动铺丝机由三大部分组成,左右两侧均为放置纤维丝束卷料的料箱,共可以安装16卷24K或50K的纤维丝束,宽度为1/4英寸或1/2英寸,可以是热塑性或热固性预浸料;中间为铺丝区域,包括安装在龙门架结构上的铺丝头和下方的工件安放平台,纤维丝束通过纤维引导装置从两侧料箱引导到铺丝头上,通过铺丝头再将纤维铺放到工作台面上的工件(模具)上。Staxx1700采用四轴联动控制,可以进行纤维丝束的平面铺放,工作台面的对角线长度为1700mm,最高进给速度45m/min,如图3所示。staxx2500自动铺丝机采用六轴联动控制,包括三个平动轴和三个旋转轴,最多可以实现16~32条纤维丝束进行复杂三维曲面铺放,工作台面对角线长度为2500mm,最高进给速度45m/min。2.2生产模块化设备多关节工业机器人可以在其可达到的工作范围内的位置控制具有很大柔性,一些针对复合材料的设备制造商利用多自由度(一般6个自由度以上)工业机器人系统作为平台,并配置模块化的铺放头用于构建低成本高生产率的自动铺放设备。工业机器人的柔性特点正好为铺带/铺丝设备同时适应构件生产环境和研发环境铺放制造应用提供了有力的支持3复合材料构件的生产根据宝捷公司的调研,采用树脂传递模塑(ResinTransferMolding,简称RTM)技术来制造一件尺寸约为0.8m×0.8m,质量约为1.8kg复合材料的构件,所需的成本约为50~60欧元,其中原材料(包括碳纤维和树脂)和加工费用(包括设备折旧、人工成本和废边料损失等)基本上各占50%,因此降低原材料费用和加工费用将是降低复合材料结构件成本的关键两大因素。采用大批量生产的标准宽度预浸纤维丝束,并采用自动铺丝机来生产复合材料构件简化工艺流程,并降低成产成本。预浸纤维丝束是通过将碳纤维直接在树脂中浸渍得到的材料,这种原材料对于汽车工业尤其是航空工中采用纤维的自动化铺放过程(包括铺丝和铺带)都是由它来完成的,具有很多的优势,采用预浸料铺放形成的复合材料具有很高的质量。当前用于航空工业的碳纤维预浸料的成本还比较高,宝捷公司在预浸料技术方面已经投入了研发,并已取得了初步的成果。图5(a)和5(b)分别为采用RTM技术和AFP技术的工艺流程,通过比较可以总结出两者的优缺点:(1)采用RTM技术的工艺比较复杂,很多过程需要人工参与,而采用AFP技术的主要的铺放工艺过程都由设备自动完成,可以降低人工成本,减少人为因素的质量问题。(2)RTM技术采用织物铺层来实现,由于织物宽度较大,铺放时产生很多的废边料并需要切除;而AFP技术是用纤维丝束进行铺放,每条纤维丝束宽度较小并且可以单独控制,因此成型时切除的废边料较少,大约从50%降低到不到10%。(3)AFP技术可以对构件的某一个部位进行局部的加厚增强处理,提高了设计的自由度,采用AFP技术形成的复合材料具有很高的质量。(4)AFP技术采用预浸纤维束进行铺放,已经包含了树脂,因此成型时不再需要树脂注入设备,减少了设备的投入,也不存在RTM树脂注入过程中树脂对纤维浸渍性差的问题,改善了工艺的可靠性。4自动纤维纺织机afp的工艺和路径规划4.1纤维铺放的加工铺丝头是自动铺丝机最为核心的部件,它将多条预浸纤维丝束在压轮的拖动下,分配到铺丝头料带准直器槽中,使其能够合理排布,并紧密排列在芯模上,同时通过张力控制和压辊的作用使其紧紧地铺放在芯模上。在铺放过程中,各路纤维独立控制(包括纤维夹紧、切割和重送),并可以合理增减纤维束数量以满足构件结构的设计要求。纤维预浸束带在芯模上进行铺放的过程中,可控热源装置对其进行加热控制以产生一定的黏度,确保压紧装置可压紧纤维丝束紧贴工件型面,并挤走铺层之间的空气。4.2铺放控制软件设计铺丝是一个自动化程度很高的过程,整个过程均由计算机系统来实现控制,为了保证纤维铺放工艺过程的顺利进行,需要针对纤维铺放过程中的多个参数进行控制,保证多参数的匹配,参数主要包括:铺放温度、铺放压力、张力控制、铺放基准点的定位、各运动轴的空间位置实时调节与监控、程序代码的修正等多方面内容,这里不再展开介绍。铺放控制软件主要包括离线设计编程软件和铺放运动控制类软件两部分。离线设计编程软件中可以建立铺设构件的数学模型,对铺设路径进行规划,并离线生成数控代码程序;可以对设备与材料进行参数化数控编程;内置的废料分析、加工时间以及过程优化等功能;内置有特定的功能,如局部加强的波纹铺放功能,可改善成型质量。运动控制软件按照程序代码的指令,自动完成铺放工艺过程中的行进运动、升降运动、进给运动,以及铺丝头单元的各个关节运动控制,自动完成预浸纤维丝束的夹紧、切割、重送等动作,准确及时的按照设定的程序代码完成复合材料的自动化层铺过程。图6为自动铺丝过程的工艺流程,需要设计编程软件与运动控制软件的共同配合才能顺利完成。4.3自动铺放过程路径规划软件的主要作用是按照构件的铺层设计要求,完成纤维铺放轨迹的规划和仿真分析,最终生成适合于特定设备的数控代码程序,实现铺放过程中铺丝头的位置、摆角等参数的控制,最终完成复合材料的自动化铺放。在自动铺放过程中,控制系统通过读取数控指令源代码完成自动铺放全过程。铺放轨迹代码是否正确、合理对顺利完成复合材料自动维铺放过程至关重要,是保证铺放硬件设备实现相应功能的根本与关键5国内自动铺放技术的研究进展自动铺放技术是一种先进的低成本复合材料构件的制造技术,它可