近30年來，由于大批新型飛機的出現，復合材料在飛機結構件中的應用得到了顯著提高。盡管復合材料成本居高不下，仍無法阻礙其在航空領域的廣泛應用。

　　飛機一旦設計定型，機身所選材料的不同（金屬/ 復合材料）將直接決定飛機的性能及其制造成本。目前，減重增效已不再是使用復合材料制造飛機結構件的唯一目標，如何降低生產成本使其更具價格優勢逐漸受到人們的重視。

　　加工工藝自動化已在金屬制造業中廣泛使用，大多數飛機制造商在金屬部件的加工中采用了新的制造技術。然而，復合材料制造業中可用成型工藝較少，且與之配套的設備非常昂貴。成型工藝的局限性與設備投資的高成本，嚴重阻礙了航空復合材料產業的發展。

　　盡管復合材料自動成型工藝有限，但其中幾種工藝卻在航空領域發揮了巨大作用。這些工藝在一定程度上提高了制品的生產效率，并降低了航空級復合材料的高成本。自動成型工藝在降低復合材料結構件制造成本方面的作用如下。

　　（1）加工制造工時的減少：自動成型工藝過程將顯著地減少復合材料部件的加工工時。

　　（2）材料利用率的提高：一般地，自動成型工藝過程的材料利用率為90%~97%，相比較而言，手工成型過程的材料利用率僅有60%~80%。材料利用率的提高是自動成型工藝降低復合材料結構件制造成本的主要因素之一。

　　（3）工藝過程人工干預程度的降低：由于預浸料的鋪放通過計算機進行控制，因此無需專門的質檢員對鋪層質量及鋪層方向進行檢驗。

　　（4）制品的高質量和工藝過程的可重復性：自動成型工藝過程的實施可提高制品質量并保證工藝過程的可重復。這是降低復合材料結構件制造成本的又一重要因素。

　　本文就復合材料飛機結構件的自動成型工藝進行了綜述，重點介紹了纖維鋪放成型、帶材鋪疊成型的特點與發展。復合材料自動成型工藝在航空領域的廣泛應用，必將大幅降低飛機結構件的制造成本，極大地促進航空工業的發展。

　　復合材料自動成型工藝

　　帶材鋪疊（Automated TapeLayers, ATP）、纖維鋪放（Fiber Placement, FP）與樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding, RTM）成型是加工制造飛機復合材料結構件的主要工藝方法，其中又以帶材鋪疊成型和纖維鋪放成型為常用。

　　帶材鋪疊設備與纖維鋪放設備不同于傳統的工業機器人，這種以機床為基礎的工藝過程能顯著降低復合材料部件的加工制造成本，對大型結構件或型面復雜結構件成型效果更佳。

　　目前，上約有60臺帶材鋪疊設備和35 臺纖維鋪放設備投入飛機制造業，廣泛地用于航空級碳纖維復合材料部件的加工制造。表1給出了通過帶材鋪疊或纖維鋪放成型的典型飛機結構件。

　　帶材鋪疊設備和纖維鋪放設備是用于復合材料加工的“機床”，其在復合材料制造業中的作用類似于金屬制造業中的加工中心。鋪疊/鋪放工藝過程可概括為“逆向機加過程”，即該過程是一個材料堆積過程而非材料去除過程。

　　碳纖維預浸樹脂復合材料具有黏性，鋪疊/ 鋪放設備以一定的壓力將其鋪在芯模表面，不斷使新鋪層“粘附”在之前的鋪層上。

　　本質上講，鋪疊/ 鋪放設備是具有可編程運動軸、齒輪齒條機構、直線電機軸驅動器以及鋪放頭的數控機床。通過編程，鋪疊/ 鋪放設備嚴格按照芯模輪廓形狀將預浸料鋪到芯模表面。由于數控機床的發展已相當成熟，因此鋪放頭結構及控制技術就成為實現復合材料自動成型的關鍵。

纖維鋪放成型

1　纖維鋪放的特點

　　纖維鋪放的概念早出現于20世紀70年代末，該工藝過程與纖維纏繞（Filament Winding, FW）非常接近。纖維鋪放工藝的提出旨在克服纖維纏繞在應用過程中的局限。纖維纏繞是實現復合材料自動成型的初工藝形式，通常用于圓柱狀部件（如火箭發動機殼體）和近圓柱飛 機結構件的成型，然而大量非圓柱結構件卻無法通過該工藝進行加工制造。

　　結構上，纖維鋪放設備與纖維纏繞設備非常類似，由固定工作臺（主軸箱+ 尾架）和鋪放小車（沿平行于固定工作臺的X 軸床身運動）共同組成（ 見圖1）。

　　與纖維纏繞不同，纖維鋪放頭與芯模直接接觸，并以小張力和一定壓力將預浸料鋪到其表面。纖維鋪放頭將數根預浸纖維或預浸帶（帶寬為0.125 英寸（0.3175cm））集為一定寬度的纖維帶后鋪在芯模表面。鋪放過程中，鋪放頭可停止、切斷并調用其中任何一根預浸纖維（單絲束控制）。形成纖維帶的絲束數通常為12、24 和32，通過將變絲束纖維帶鋪貼并壓實在芯模表面，可實現復雜結構件的鋪放成型。

　　鋪放過程中，每根纖維以其各自的速度運動使曲率鋪放得以實現。如前所述，鋪放機具有“單絲束控制”能力，因此可嚴格按照復雜型體的表面進行纖維鋪放。通過增減外側絲束，還可實現鋪放工藝過程中纖維帶寬度的改變。

　　此外，鋪放機的“單絲束控制”能力使其能夠實現錐形體表面（如飛機尾椎）的等厚度鋪放。由于沿椎體的大端向小端鋪放纖維帶，通過去掉外側絲束可減少纖維帶寬度，進而消除鋪層重疊及厚度堆積，終實現鋪層的等厚度。

2　纖維鋪放成型的發展

　　位于美國西部的Hercules 宇航公司（現在的ATK 公司）對纖維鋪放的研究始于20 世紀80 年代。該公司在纖維鋪放工藝發展的初階段做了大量工作，在一臺6 軸纖維纏繞設備的基礎上，研制出其代纖維鋪放設備。

　　1989 年，Hercules 公司通過總結纖維鋪放設備研制過程中的經驗，開發出第二代纖維鋪放設備，該設備次真正意義上實現了鋪放工藝具備的所有優勢。以此為基礎，Hercules/ATK 公司不斷進行纖維鋪放設備的研制，并將其投入該公司內部使用。

　　Cincinnati 公司也積極參與鋪放設備的研制開發。20 世紀80 年代，該公司將研發重點放在纖維鋪放頭的設計上，繼而成為家能提供商用纖維鋪放設備的機床公司。1990 年前后，Cincinnati 公司開始銷售其商用纖維鋪放設備，目前該公司已成為上大的纖維鋪放設備供應商。

　　作為實現飛機復合材料結構件自動成型的成熟工藝，纖維鋪放成型正廣泛應用于飛機制造業，新一代波音787 客機的絕大部分部件均采用該工藝進行加工制造。纖維鋪放工藝已成為上主要飛機制造商的共同選擇。

帶材鋪疊成型

1　帶材鋪疊成型的發展

　　20世紀60年代初，單向帶材的引入為大型結構件的鋪疊成型奠定了基礎。70年代末，上臺商用帶材鋪疊設備誕生。到80年代前后，帶材鋪疊工藝主要用于軍用飛機的制造，而商用飛機主要結構件的加工成型還無法采用該工藝。此后，由于缺乏適當的應用場合，帶材鋪疊工藝的使用大大減少了。

　　20世紀90年代末以來，帶材鋪疊工藝重新得到飛機制造商的青睞，且帶材鋪疊設備的銷量呈現出極佳態勢。商用飛機復合材料結構件的大量使用，使帶材鋪疊工藝再次興起，同時為帶材鋪疊設備的應用提供了廣闊的市場。

　　帶材鋪疊工藝的材料利用率高，這一特點已得到廣大飛機制造商的認可，并在飛機結構件的加工過程中得以充分利用。與前幾代設備相比，新的帶材鋪疊設備不僅在工藝實現上更加靈活，其性能也有顯著地提高。

2　帶材鋪疊成型技術

　　上絕大多數帶材鋪疊設備都采用開敞式龍門結構，包括高架X軸導軌，通過直線電機與齒輪齒條機構驅動沿X軸運動的橫臂（Y 軸）以及垂直固定在橫臂上的Z 軸（見圖2）。因此，帶材鋪疊設備是具有龍門結構運動與鋪放頭運動的多軸機床。

　　用于鋪疊的芯模置于龍門架下（位于開敞空間的一側）并固定在地面上，鋪疊設備經初始化后與芯模表面接觸，以一定壓力將預浸帶鋪到芯模表面。通過編程可實現帶材形狀及尺寸的精確控制。此外，相鄰帶材間距離應控制在一定范圍內，且不允許出現帶材重疊。

　　帶材鋪疊設備有2 種基本配置，一種用于如機翼蒙皮的曲面鋪疊（Contour Tape Layer, CTL），另一種用于平面鋪疊（Flat Tape Layer, FTL）。盡管2 種鋪疊設備在結構上基本相同，但由于前者既能實現曲面鋪疊又能實現平面鋪疊，因此更加靈活，應用場合也更廣。目前，上大多數帶材鋪疊工藝均通過曲面鋪疊設備實現。

　　與纖維鋪放工藝一樣，鋪放頭是實現帶材鋪疊工藝的關鍵。用于鋪疊的單向預浸帶寬度通常為3英寸、6英寸或12英寸（7.62cm、15.24cm或30.48cm）。帶材鋪疊技術有3種，分別為單相 （single-phase）鋪疊技術、雙相（ two-phase）鋪疊技術、單雙相復合（ dual-phase）鋪疊技術。

　　單相鋪疊成型可視為鋪疊工藝的標準，上絕大多數帶材鋪疊設備均采用該工藝技術。單相鋪疊過程中，預浸帶裝入鋪放頭，并依次通過送帶輥、導帶槽和切帶機構，其中切割機構僅切斷帶材而不損傷背襯紙。預浸帶經裁切后形成需要的形狀和尺寸，鋪放頭以一定壓力將裁切后的預浸帶鋪到芯模表面，而背襯紙則通過收卷盤回收。單相鋪疊過程中的預浸帶切割需要設備在減速或停止狀態下進行，然而整個鋪疊過程是在一臺設備上實現的。

　　對雙相鋪疊成型，離線切割機將帶材裁切成滿足工藝要求的形狀和尺寸，同時移除廢料（如圖3所示）。

　　切帶完成后，先將預浸帶上下表面貼上襯紙，隨后繞上帶盤。帶盤上貼有條形碼，標識預浸帶的相關信息：材料缺陷、材料制作過程、該卷預浸帶在鋪疊成型過程中的使用順序。經裁切和貼紙處理后的預浸帶裝入鋪放頭。由于離線切割機已將預浸帶裁切成需要的形狀和尺寸，因此雙相鋪疊設備的鋪放頭無切帶功能。鋪疊成型時，2 類動作將導致工藝過程的中斷，即帶材的切割和廢料的移除。然而，離線切割使雙相鋪疊成型避免了上述2 類動作的出現，

　　設備無需停機或減速來進行切割帶材和移除廢料，因而整個鋪疊過程是在高速狀態下完成的。與單相鋪疊成型相比，雙相鋪疊效率更高。

　　簡單地說，單雙復合鋪疊就是上述2 種鋪疊成型技術的結合。顧名思義，單雙復合鋪疊鋪放頭的一側為單相鋪疊結構，另一側為雙相鋪疊結構，而整個鋪放頭機構固聯于Z 軸。單雙復合鋪疊成型是目前靈活、高效的自動鋪疊工藝形式。

　　目前，單雙復合鋪疊設備已用于波音787 客機機翼結構件的制造。帶材鋪疊工藝在飛機制造業的廣泛應用將大大增加航空制造商對鋪疊設備的需求，進而為鋪疊工藝提供廣闊的發展前景。

　　此外，由于大型運輸機尾翼等結構件必須通過帶材鋪疊工藝實現成型制造，使得通過該工藝加工的大型復合材料結構件多于其他成型方式，這也在一定程度上促進了帶材鋪疊工藝的發展。

復合材料自動成型的發展趨勢

　　近年來，航空制造商將越來越多的飛機部件轉包給零件供應商。伴隨這一趨勢，各中、小供應商對低成本復合材料自動成型設備的需求越來越大。機床公司會將更多的精力投入該領域，為用戶提供低成本、小型化的纖維鋪放設備以及帶材鋪疊設備。這樣，大多數中小供應商就可購買復合材料自動成型設備用于飛機結構件的加工制造，進而推動航空制造業的發展。

　　復合材料自動成型設備正在不斷推陳出新。Forest-Line 公司制造的小型帶材鋪疊設備完全具備其大型設備的全部功能，該單相鋪疊設備的有效工作范圍為16 英尺（40.64cm）（長）×7 英尺（17.78cm）（寬）。Forest-Line 公司還計劃研制同時具有帶材鋪疊和纖維鋪放功能的龍門式機床，該機床的龍門架包括2 個Z 軸，其中一個與帶材鋪疊結構聯結，另一個與纖維鋪放結構聯結。從結構上看，龍門式機床的床身很長，一端是纖維鋪放用的固定工作臺（主軸箱+ 尾架），另一端是用于帶材鋪疊的開敞空間。

　　纖維鋪放和帶材鋪疊兩類復合材料層壓成型技術，可集成在各種結構和尺寸的機床上。隨著復合材料在飛機制造業的廣泛應用，越來越多的機床公司將涉足復合材料成型領域，并開發出各種基于纖維鋪放和帶材鋪疊技術的大型自動成型設備。

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