综 述
李勇 肖军
(南京航空航天大学材料科学与技术学院,210016)
摘 要 本文介绍了复合材料纤维铺放技术的特征和优点，综述其发展历史和世界先进国家在航空航天及其他领域的应用情况，并对我国开展纤维铺放技术研究进行了展望。
关键词 复合材料，纤维铺放技术
The T echnology and Application of Fiber Placement
Li Y ong X iao Jun
(Institute of Material Science and T echnology,NUAA,Nanjing210016,China) ABSTRACT The characteristics and the advantages of fiber placement are briefly introduced in this paper.The history of fiber placement and its application on aeronautics and astronautics and other areas in developed countries are discussed,and finally this paper forecasts its future research in our country.
KEY WORDS composites,fiber placement
1 引 言
“低成本、高性能”是目前复合材料技术的主要发展方向,“买得起”的适用材料倍受重视，如美国第四代战斗机F—22、JSF采用的复合材料仍以传统材料体系为主；尤其是在已有主要材料体系基础上开发先进的低成本制造技术是当今全球复合材料界的共识。近年来各种低成本制造技术应运而生，如缝编-RT M技术、RFI技术、低成本模具技术、低温低压固化技术、光固化技术、电子束固化技术、新型缠绕技术、纤维铺放技术等得到迅速发展和应用。
纤维铺放技术是近年来发展最快、最有效的自动化成形制造技术之一，目前全世界已有20多台纤维铺放设备在北美和欧洲运转，用铺放技术研制的各类复合材料部件几十种，在降低制造成本和提高复合材料性能方面显示出了极为突出的优越性和极大的潜力。
本文简介复合材料纤维铺放技术的技术特征和优点，综述其发展历史和世界先进国家在航空航天及其他领域的应用情况，并对我国开展纤维铺放技术研究进行展望。
2 纤维铺放技术简介
双灵固本散
复合材料纤维铺放成型技术(Fiber placement,FP)是自动铺丝束成型技术(Automated tow place2 ment, ATP)和自动窄带铺放成型技术(Automanted tap placement,ATP)的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。如图1所示，类似于多自由度缠绕技术，纤维铺放成型设备由旋转芯模和多自由度的铺放头(机器手)系统构成，由计算机协调系统、控制成型过程。按结构所确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束/窄带自动铺放在旋转的芯模表面，铺放过程中同时加热软化预浸纱束/带，压实形成制品型面。对于热固性复合材料体系，既可以成型后采用传统方法放入热压罐热固化，也可以与电子束固化技术结合边铺放边固化从而取消热压罐；对热塑性复合材料体系，一般在铺放过程中直接加热固结定型。后两种固化方式均属于原位固结(In -situ cons oidate)，也称为直接固结(Directional con2 s oidate,DC)，对低成本制造技术有极大的吸引力。
纤维铺放成型兼备了纤维缠绕和自动铺带的优点，但比纤维缠绕和自动铺带更先进，对制品的适应性更强。
纤维缠绕成型具有高效、高自动化和低成本的优点，但必须满足3个条件:①落纱稳定;②纤维连续缠绕;③正缠绕压力。条件①确定了纤维轨迹必须满足曲面测地线或准测地线，从而限制了纤维方
第3期纤维复合材料N o.339 2002年9月FIBER COMPOSITES Sep.,2002
向的设计自由度；条件②要求纤维分布必须满足周期性条件，限制了成型厚度及分布的设计自由度；条件③决定了缠绕只能在正G auss 曲面上进行，难以完成凹曲面缠绕且成型压力随曲面曲率和纤维轨
迹变化，难以保证设计成型压力则影响制品质量
。目前缠绕成型多限于凸曲面回转体成型，如固体火箭发动机、容器等
。
图1 纤维铺放原理
自动铺带高效、高质量，但由于采用宽带(75～300mm )和单自由度铺放头，不能完成复杂曲面、变厚度、加筋等成型，目前多用于大壁板、机翼等小曲率航空构件成型。
纤维铺放成型技术源于缠绕技术和自动铺放技术，由于采用预浸料和低张力不受落纱稳定性的约束，可以根据设计要求选择铺层方向；由于每根丝束具有单独增加和切断功能，不受周期性约束，可以实现形体和各种铺层设计；由于采用压辊成型既可以实现任意曲面的成型又可以保证成型压力自动可控，提高制品质量；采用多丝束的铺放头一次铺放较宽的丝带(如Viper 机24丝束的最大宽带可达75mm ，接近自动铺带宽度)，大大提高生产效率。
由于铺放头采用多自由度机器人系统，不仅可以制造复杂型面的复合材料构件、完成对铺层进行剪裁以适应局部加厚/混杂、铺层递减以及开口铺层等多方面的需要，满足各种设计要求，而且具有表面光洁、精度高、速度快、质量稳定性能好的优点。特别适合于航空航天复合材料结构小批量、高精度，实现柔性制造。
3 纤维铺放技术发展历史
纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革(即
所谓“新型缠绕技术”
生命中不能承受之轻电影)提出的，用于复合材料机身结构制造，必须针对复合材料缠绕技术前述的三个弱点进行创新，技术核心是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系开发。最早开始研制的有Boeing 公司、Cincinnati Milac
ron 公司、Hercules 公司(Alliant T echsystems 的前身),1982年开始设备设计、工艺与材料研制等诸项工作。Boeing 公司的机械工程师
Quentin W ood 提出了“AVS D 铺放头”
(Automated Vari 2able Sttraind Dispensing Head )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
出了第一台原理样机,1989年Cincinnati Milacron 公司设计出其第一台纤维铺放系统并于1990年投入使用;1995年Ingers oll 公司研制出其第一台铺放机。
经过20余年的发展，纤维铺放技术装备已经基本成熟，成型设备总自由度达到7个、丝束数目最大可达24根，既可以用于热固性树脂体系，也可以用于热塑性树脂体系，最大成型构件长达15米、最大横向尺寸达4米，尺寸精度达011毫米；还可以完成加筋、局部混杂等特殊功能，全自动微机程序控制。成型设备和技术(如控制与设计软件、预浸丝束技术)已经实现商品化，目前全世界已经有20多台纤维铺放设备在运转(表1)，预计到2010年世界上将有60台纤维铺放机投入使用。
表1 世界主要纤维铺放设备
公 司
安装地
拉丝模激光打孔机台数
Raythreon Aircraft
W ichita ,K S ,US A 3Boeing C ommercial Seattle ,W A ,US A 2Boeing Helicopters Philadephia ,PA ,US A 1Boeing M ilitary S t.Louis ,M O ,US A 1N orthrop G rumman E1Segundo ,CA ,US A 1N orthrop G rumman
M illegesville ,G A ,US A 1Thiokol Huntsville ,US A 1Bell Helicopter Ft W orth ,TX ,US A 3Alliant T echsystems Clearfield ,UT ,US A 3Alliant T echsystems R ocket ,UT ,US A 2Alliant T echsystems Iuka ,MS ,US A 1Cincinnati M achine Cincinnati ,OH ,US A 1ABB C orporate Baden -D ¨a ttwil ,S witzerland
1Aerospatiale M atra
Cedex France
2
4 纤维铺放技术的应用
公装设计
目前，纤维铺放技术主要用于飞机结构。
Alliant T echsystems 公司的前身是Hercules ，最早开发研制纤维铺放技术，研制出多种复合材料构件:F22鸭翼轴采用纤维铺放技术制造，工时由728小时降到163小时、废料由97磅降到7磅、零件数由221个降到5个。直接内加筋风扇机匣，大大降低了材料成本、制造成本和制造时间并提高损伤容限。还研制了Bell/BA -609倾转旋翼机机身壁板、Atlas 5型运载火箭等。
Northrop G rumman 公司在80年代末90年代初与Hercules 和McDonnell Douglas 合作最早开发纤维铺放技术，用于F/A -18E/F 部件，包括进气道唇口、机身蒙皮和水平面蒙皮以及GE90的风扇叶片等。用纤维铺放成型技术制造出C —17的混杂复合材料发动机短舱门替代原有蜂窝结构的短舱门，构件抗冲击强度提高4—6倍，废料率由50%降
40 纤 维 复 合 材 料2002年
低到7%，制造周期由30天缩短到2天。
Boeing公司是应用纤维铺放技术最成功、研制部件品种最多的公司。最成功的例子是V22倾转旋翼机[3]，包括后机身(降低成本53%、材料损耗因子由315降到1125)、中机身内蒙皮、受油管、旋翼扭管(
降低成本75%)、翼梢浮筒等。研制了波音747和波音767进气道整流罩[3],RAH-66尾梁蒙皮。
Raytheon Aircratf公司研制的PremierⅠ公务机和Hawker H orizon采用全碳纤维复合材料机身，减重20%。这两种喷气机的机身外蒙皮采用Viper24束纤维铺放机制造，最大宽度为76mm，一次直接成型环型蜂窝夹层结构；在成型机窗和机舱门时充分利用了纤维铺放技术加减丝束的功能，铺放到门窗边缘时自动减纱形成大开口，超过门窗后自动加纱。这样形成的结构强度高、节省材料和制造工时。
ABB公司在6轴通用机器人研制复合材料电机绑环制造技术[4]，采用燃气和激光加热热塑性复合材料、原位固结，大大降低了电机绑环的制造成本和制造周期。并在3轴专用TFP铺放机上实行了工业化生产。
Aerospatiale公司采用纤维铺放成型制造了Air2 bus飞机机翼内连杆，五根边杆在一台自行设计制造机器上一次同时成型。芯模采用聚乙烯醇沙芯，异型截面尺寸变厚度、变铺层方向；每50分钟生产一批，已经批量生产，目前年产2000多根；还准备扩大生产，全部取代原有金属构件。
C onstructions Aeronauticas S.A.公司已经定购2台纤维铺放机，用于A340-500/600的罗—罗发动机单壁短仓门，取代现有的蜂窝结构短仓门，可望提高损伤容限3倍。
5 纤维铺放技术的新进展和未来
纤维铺放技术的发展方向是取消热压罐，热塑性纤维铺放和热固性铺放与电子束固化的结合是研究热点。
热塑性铺放技术：热塑性铺放技术是近年来的研究热点,NAS A Langley研究中心、Automated Dynam2 ics C orp.与Old Dominion大学开展了设备参数研究和一系列材料体系的研制与评估工作，热塑性纤维铺放研究逐渐进入实用阶段。
电子束固化技术：电子束固化与纤维铺放技术的结合是最新的发展方向。电子束固化是重要的低成本制造技术，可以大幅度降低制造时间、材料消耗和能源。传统电子束固化是在铺叠后一次辐射固化，电子束的能量高(3-10MeV)，不仅加速器的初投资巨大、且辐射防护的投资随之增加。意大利的G uasti等于1977年首先提出“逐层电子束固化”的思想[5]，在缠绕机上另外附加一加速器头运动轴，完成一层缠绕后既实施电子束固化，只需015MeV电子束能量即可。Daniel L等在窄带铺放机上开展与电子束固化结合—原位电子束固化的研究，研究了铺放头前辐照和铺放头后辐照两种辐照方式、不同材料(阳离子固化体系和自由基固化体系)的固化后材料力学性能[6]。采用76×0.14mm窄带、气动加压(1140N,019MPa)。研究表明：采用阳离子固化体系和铺放头前辐照可以将辐照能量降低到012-014MeV，并获得良好的力学性能。电子束原位固化的纤维铺放技术将成为最有前途的低成本制造技术。
2018年中央一号文件华为s7 slim6 对我国纤维铺放技术发展的思考
纤维铺放成型技术和装备在国内目前尚属空白。由于进口纤维铺放成型装备价格高达每台300 -400万美元，而且巴黎统筹委员会及美国对中国绝对禁运这种高新技术设备。我国要发展自己的复合材料高技术，就必须立足于自己研制开发先进的制造工艺及其装备。南京航空航天大学在资料、资金极为匮乏的情况下，开展纤维铺放装备技术研究，并已经取得了阶段性结果，可望在短期内研制出国内第一台纤维铺放原理样机，从而为开展纤维铺放技术创造基本条件。
目前国内高性能复合材料结构基本上以手工铺层、真空热压罐成型为主，手工铺层质量稳定性差、可靠性低、材料利用率低、浪费辅助材料，制造周期长、费用高，难以实现复杂的结构设计要求，且对工人的身体健康不利。作为一种复合材料通用制造技术，复合材料纤维铺放技术可以实现复合材料设计制造技术的大跨度技术进步，具有极为重要的国防应用价值与技术进步意义。我国有关部门应制定长期发展规划，有计划、有组织地系统开展纤维铺放技术研究，借鉴国外研究的成功经验，根据我国的实际情况，研制出以自有知识产权为主的技术装备和材料体系。
参 考 文 献
1 G rant C G.Fiber placement process utilization with w orldwide aerospace industry.S AMPE J,2000,36(4):7～12
2 K its on L Johns on.Fiber placement advancements at Boeing Helicopters.
3 W iliam P B.The fiber placement path toward affordbility.S AMPE J, 1998,34(3):11～16
4 M arkus A.R obotic based therm oplastic fiber placement process.Proceed2 ing of1998IEEE International C on ference on R obotics&Automation, Leuven,Belium,M ay1998
5 G uasti F,K utu fa N,M atticari G and R osi E.Layer by laer E-beam curing of filament w ounding com posite materials with low energy electron beam accelerators.S AMPE J,1998,34(2):29～33
6 Daniel L.Automated tap placement with in-situ electron beam cure.
S AMPE J,2000,36(2):11～33
3期李勇、肖军：复合材料纤维铺放技术及其应用41
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