先進(jìn)復(fù)合材料因其性能優(yōu)異，在航空航天、艦船、交通運(yùn)輸、建筑、體育運(yùn)動(dòng)以及能源等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、服役載荷和使用環(huán)境復(fù)雜，微小的缺陷經(jīng)跨層次的蔓延生長(zhǎng)可導(dǎo)致構(gòu)件的失效，故其安全性和可靠性是其應(yīng)用中首要考慮的內(nèi)容[1]。為提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，減少人為因素的影響，復(fù)合材料成型自動(dòng)化是復(fù)合材料成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

       復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)及應(yīng)用

自1985年以來(lái)，自動(dòng)化成型技術(shù)在復(fù)合材料制造業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)逐漸滲透到復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)領(lǐng)域(纏繞成型、自動(dòng)鋪放成型、拉擠、編織、縫合和RTM等)，在推動(dòng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)發(fā)展、降低構(gòu)件制造成本中的巨大作用已達(dá)成廣泛共識(shí)[2]。復(fù)合材料成型自動(dòng)化不僅提高了復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，而且通過(guò)對(duì)成型工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的精確控制，可以極大地提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)作為將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造連接一體的紐帶和橋梁，將機(jī)械制造技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)等多個(gè)學(xué)科技術(shù)引進(jìn)到復(fù)合材料成型過(guò)程，尤其適合手工成型難以完成的大尺寸、超大尺寸以及復(fù)雜形面結(jié)構(gòu)件的成型。

目前為止，國(guó)外復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。以自動(dòng)鋪放技術(shù)為例，已在多種航空航天器的各種結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用，如航天載荷適配器、整流罩、燃料儲(chǔ)箱、機(jī)翼、尾翼、垂尾、進(jìn)氣道、中央翼盒等[3-6]。

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)發(fā)展較晚，航天材料及工藝研究所積極推動(dòng)復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，在激光鋪層定位、自動(dòng)鋪帶、纖維纏繞、自動(dòng)鋪絲等技術(shù)的工程應(yīng)用研究取得了階段性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)自動(dòng)化成型的工程應(yīng)用。

航天復(fù)合材料自動(dòng)化成型關(guān)鍵技術(shù)

1 自動(dòng)下料與激光鋪層定位技術(shù)

目前，手工鋪層仍被廣泛使用，尤其適合一些復(fù)雜型面的小型構(gòu)件成型，甚至像B-2轟炸機(jī)及一些通用飛機(jī)的制造也采用了大量手工鋪層工序[7]。如何通過(guò)數(shù)字化手段提高手工鋪層的構(gòu)件質(zhì)量和勞動(dòng)效率，充分發(fā)揮手工鋪貼在蒙皮厚度調(diào)整、局部加強(qiáng)、金屬加強(qiáng)片嵌入、加強(qiáng)筋增強(qiáng)以及蜂窩夾芯區(qū)等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是手工鋪層技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

航天材料及工藝研究將復(fù)合材料自動(dòng)下料與激光鋪層定位技術(shù)引進(jìn)到復(fù)合材料手工成型過(guò)程中，通過(guò)對(duì)數(shù)控下料機(jī)、激光投影設(shè)備以及輔助設(shè)計(jì)制造軟件的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化輔助人工鋪放。采用復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)制造軟件將構(gòu)件的三維實(shí)體數(shù)模展開(kāi)生成鋪層排料的二維數(shù)據(jù)，生成復(fù)合材料構(gòu)件各鋪層的2D輪廓數(shù)據(jù)，并將輪廓信息輸入至數(shù)控剪裁機(jī)進(jìn)行自動(dòng)下料，并借助激光定位系統(tǒng)在預(yù)先固定好的模具上顯示鋪層輪廓和軸線，保證在鋪疊過(guò)程中的準(zhǔn)確定位。

采用自動(dòng)下料和激光鋪層定位技術(shù)輔助進(jìn)行手工鋪層技術(shù)，下料準(zhǔn)確度顯著提高，降低了鋪層取向誤差，產(chǎn)品質(zhì)量可以有效保證，可提高成型構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高手工成型的生產(chǎn)效率，對(duì)操作人員的技藝水平和施工經(jīng)驗(yàn)要求顯著下降。

2 自動(dòng)鋪帶技術(shù)

隨著復(fù)合材料構(gòu)件在航空航天器上的大量應(yīng)用，完全人工鋪放和數(shù)字化輔助人工鋪放缺點(diǎn)日益顯露，要求鋪層人員有很高的技藝和施工經(jīng)驗(yàn)，手工鋪貼費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低、成本高，難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)和大型復(fù)雜復(fù)合材料制件的生產(chǎn)要求。自動(dòng)鋪帶應(yīng)運(yùn)而生，作為手工帶鋪放的替代，其采用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的定位、鋪放、壓實(shí)、剪裁等功能，尤其適合小曲率曲面構(gòu)件( 如筒段、翼面、壁板等) 的自動(dòng)化成型[8]。

航天材料及工藝研究所以大型筒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件為目標(biāo)開(kāi)展了自動(dòng)鋪帶技術(shù)工程應(yīng)用研究。突破了高性能干法預(yù)浸料制備技術(shù)，研制出了適于自動(dòng)鋪帶使用的預(yù)浸料JT300/605，其性能如表1所示，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪帶用預(yù)浸料的批量生產(chǎn);突破了預(yù)浸料分切技術(shù)(見(jiàn)圖1)，形成了各種幅寬的自動(dòng)鋪帶用預(yù)浸帶的分切制備能力，分切寬度達(dá)10~150mm，分切精度為±0.5mm/100m，初步滿足了現(xiàn)階段航天復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶成型的原材料需求;以圓筒形結(jié)構(gòu)件為對(duì)象，采用研制的JT300/605熱熔法預(yù)浸帶，基于自動(dòng)鋪帶成型系統(tǒng)，開(kāi)展自動(dòng)鋪帶成型工藝，分別從鋪放角度范圍、鋪放質(zhì)量、鋪放效率、鋪放精度等方面對(duì)筒形結(jié)構(gòu)自動(dòng)鋪帶工藝進(jìn)行了分析研究及技術(shù)改進(jìn)，顯著提高了預(yù)浸帶的鋪層精度和質(zhì)量一致性，預(yù)浸帶間隙或重疊≤ 1mm，鋪帶角度與理論鋪帶角度偏差≤ 0.2°;通過(guò)筒形結(jié)構(gòu)件的鋪放試驗(yàn)研究，積累了自動(dòng)鋪帶成型用大尺寸筒形結(jié)構(gòu)模具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，掌握了自動(dòng)鋪帶成型用筒形結(jié)構(gòu)模具設(shè)計(jì)技術(shù)。在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)的工程化應(yīng)用，研究成果已推廣應(yīng)用于多種航天產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。

3 纖維纏繞技術(shù)

纖維濕法纏繞成型是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料“低成本、高性能”的重要手段之一，也是發(fā)展較早、技術(shù)相對(duì)成熟的復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)。在先進(jìn)復(fù)合材料，尤其航天航空高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用極為廣泛，占據(jù)相當(dāng)重要的地位，主要包括各類壓力容器、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、承力碳管、管道、貯罐、發(fā)電機(jī)葉片等。復(fù)合材料壓力容器已成為航空航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一，無(wú)論從結(jié)構(gòu)重量還是從所占據(jù)的幾何空間上看，都占有極高的比例，而其減重要求是制約著新一代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研制和發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。如何設(shè)計(jì)和制備出輕量化的復(fù)合材料壓力容器，最大化地減輕系統(tǒng)的重量，是復(fù)合材料研究人員追求的目標(biāo)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家均將發(fā)展輕量化復(fù)合材料壓力容器技術(shù)列為太空探索的關(guān)鍵技術(shù)之一，如美國(guó)NASA提出的新航空研究計(jì)劃(New Aeronautics Research Program)、2030年前的太空探索規(guī)劃(3rd Space Exploration Conference & Exhibit)、歐洲木星探索計(jì)劃等[9]。

航天材料及工藝研究所已經(jīng)開(kāi)展了纖維濕法纏繞成型技術(shù)在航天結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究。基于航天環(huán)境對(duì)基體樹(shù)脂的特殊需求，改進(jìn)了復(fù)合材料濕法纏繞樹(shù)脂的配方，開(kāi)發(fā)了高韌性環(huán)氧樹(shù)脂體系C601;突破了高性能復(fù)合材料氣瓶的濕法纏繞成型技術(shù)，初步建立了復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)、制備、試驗(yàn)和測(cè)試評(píng)價(jià)一體化的技術(shù)集成系統(tǒng)，有效地提高了復(fù)合材料氣瓶成型的設(shè)計(jì)制造能力，為輕量化復(fù)合材料壓力容器的可靠應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

目前，航天材料及工藝研究所形成了涵蓋多類內(nèi)襯(鋁合金內(nèi)襯、鈦合金內(nèi)襯等)、多類纖維(玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等)、多種結(jié)構(gòu)形式(柱形、球形、環(huán)形)的復(fù)合材料壓力容器研制能力，研制出了滿足設(shè)計(jì)要求的增壓系統(tǒng)用復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)件，滿足新一代運(yùn)載火箭系統(tǒng)輕量化的發(fā)展需要。

4 網(wǎng)格纏繞技術(shù)

復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)又稱為先進(jìn)格柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(AGS)，與已有的鋁合金格柵結(jié)構(gòu)相比，提高了結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和比模量，大幅度提高了結(jié)構(gòu)效率，增加了有效載荷，同時(shí)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力，而且可以利用自動(dòng)化制造方法降低成本，最為突出的是增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造的靈活性，已成為制造復(fù)合材料高性能結(jié)構(gòu)件的新途徑和新方法。

先進(jìn)格柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)由于其突出的綜合性能優(yōu)勢(shì)而受到普遍重視,NASA Langley 研究中心的研究人員把先進(jìn)格柵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)技術(shù)列入未來(lái)航天結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的六大方向之一的低成本結(jié)構(gòu)技術(shù)之內(nèi);美國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室把AGS技術(shù)列為迎接未來(lái)空間系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)的四大結(jié)構(gòu)技術(shù)之一, 并且指出了這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)在航天器燃料儲(chǔ)箱、機(jī)身等大型復(fù)雜部件應(yīng)用的廣闊前景[10]。俄羅斯CRISMB 提出的應(yīng)用對(duì)象包括級(jí)間段、內(nèi)壓容器、有效載荷適配器、運(yùn)載飛船整流罩、飛機(jī)中機(jī)身艙段、翼盒、直升機(jī)垂尾梁、空間望遠(yuǎn)鏡鏡身以及建筑結(jié)構(gòu)等[11]。

目前，復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一般采用手工鋪放成型工藝和濕法纏繞工藝。手工鋪放工藝需要加壓釜進(jìn)行固化，故其產(chǎn)品空隙含量低，纖維體積含量易于控制，但生產(chǎn)成本較高，成型過(guò)程中纖維張力不宜控制;濕法纏繞工藝成型過(guò)程中樹(shù)脂含量不易控制，制件纖維體積含量低，成型過(guò)程中廢料率高，但成本低，尤其是纖維張力易控制。航天材料及工藝研究所基于復(fù)合材料網(wǎng)格纏繞成型系統(tǒng)，開(kāi)展了回轉(zhuǎn)體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)干法預(yù)浸絲自動(dòng)纏繞技術(shù)研究。根據(jù)柱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，解決了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)小角度纏繞成型的問(wèn)題;根據(jù)纏繞成型試驗(yàn)的實(shí)際工況，對(duì)纏繞機(jī)張力系統(tǒng)及張力控制制度進(jìn)行了技術(shù)改造和工藝優(yōu)化;初步實(shí)現(xiàn)了柱形艙段矩形和三角形網(wǎng)格的自動(dòng)化纏繞成型，并對(duì)成型構(gòu)件的軸壓性能、筋條拉壓性能、網(wǎng)格筋條與蒙皮界面剪切性能、網(wǎng)格單元壓縮性能等進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。

5 自動(dòng)鋪絲技術(shù)

自動(dòng)鋪絲技術(shù)(纖維鋪放技術(shù)或自動(dòng)絲束鋪放成型技術(shù))是在纖維纏繞技術(shù)和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種獨(dú)特的復(fù)合材料全自動(dòng)化成型技術(shù)。它融合了纖維纏繞成型中的預(yù)浸紗(窄帶)輸運(yùn)技術(shù)和自動(dòng)鋪帶成型中的壓力鋪放、切斷和重定位技術(shù)，使其具有更高的優(yōu)越性和適應(yīng)性。自動(dòng)鋪絲技術(shù)克服了纏繞技術(shù)“周期性、穩(wěn)定性和不架橋”和自動(dòng)鋪帶“自然路徑”的限制，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變角度鋪放和變帶寬鋪放[12-13]。因此，自動(dòng)鋪絲技術(shù)可用于復(fù)雜型面復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放成型，并可以對(duì)鋪層進(jìn)行裁剪以滿足局部加厚/ 混雜、鋪層遞減及開(kāi)口鋪層等多方面的需要，其典型應(yīng)用構(gòu)件有整流罩、燃料儲(chǔ)箱、進(jìn)氣道、機(jī)身等[14-18]。

目前，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪絲技術(shù)用材料體系、工藝應(yīng)用研究薄弱，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。航天材料及工藝研究所、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、航空制造工程研究所等單位已在此領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)研究，并對(duì)鋪絲成型工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究[13,19-20]。

航天材料及工藝研究所以典型曲面結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)鋪絲成型為應(yīng)用對(duì)象，開(kāi)展了熱熔法預(yù)浸絲直接浸漬制備技術(shù)研究和熱熔法預(yù)浸絲分切制備技術(shù)研究，突破了自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲分切技術(shù);聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開(kāi)展大型臥式自動(dòng)鋪絲機(jī)研制及配套軟件開(kāi)發(fā)，已完成了鋪絲機(jī)及關(guān)鍵部件鋪絲頭的設(shè)計(jì)工作。

結(jié)束語(yǔ)

新型航空航天器的先進(jìn)性標(biāo)志之一是結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性, 而先進(jìn)復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)。我國(guó)大型復(fù)合材料制造技術(shù)現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了航天型號(hào)的順利研制，急需突破復(fù)合材料自動(dòng)成型技術(shù)中的材料、裝備、工藝等方面的重大、關(guān)鍵、共性技術(shù)，提升我國(guó)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造水平。航天材料及工藝研究所以復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)的工程應(yīng)用為目標(biāo)，堅(jiān)持自主創(chuàng)新，在復(fù)合材料自動(dòng)化成型領(lǐng)域取得了階段研究成果，部分研究成果已在型號(hào)生產(chǎn)中工程應(yīng)用，初步形成了涵蓋自動(dòng)下料與激光鋪層定位、自動(dòng)鋪帶、纖維纏繞、網(wǎng)格纏繞和自動(dòng)鋪絲等多種復(fù)合材料成型技術(shù)研究體系。

要以我國(guó)航天技術(shù)發(fā)展需求為牽引，以提高自身制造水平、工藝水平為目的，積極發(fā)展復(fù)合材料自動(dòng)化和數(shù)字化制造技術(shù)，形成集設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、成形工藝、性能表征和質(zhì)量控制技術(shù)一體化的復(fù)合材料技術(shù)體系，進(jìn)一步提高大型復(fù)合材料構(gòu)件制造效率和質(zhì)量，推動(dòng)超大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，為航天型號(hào)的研制提供有力的技術(shù)支撐，提高國(guó)產(chǎn)高性能材料技術(shù)自主保障能力。