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復(fù)合材料的自動化制造技術(shù)已經(jīng)有了重大的進展，尤其在材料的鋪貼工藝階段。例如,波音777飛機的全復(fù)合材料尾翼采用了多種自動化工藝,包括預(yù)浸料裁切、自動鋪放技術(shù)和成形等。自動鋪放技術(shù)AFP(AutomatedFiber Placement) ,是實現(xiàn)復(fù)合材料"低成本、高性能”的重要手段之一,在航空航天高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用極為廣泛,近年來發(fā)展十分迅速。AFP技術(shù)特別適于制造形狀復(fù)雜的零件，鋪放速度5~30m/min，大達60m/min;精度±0.5°，±0.25mm。速度高、材料利用率高、零件質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低，加上大面積整體成形技術(shù)可降低成本50%。復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)主要包括自動鋪帶ATL(AutomatedTape-Laing)和自動鋪絲ATP(AutomatedTow Placement)技術(shù)。采用自動鋪放技術(shù)可以明顯地降低具有復(fù)雜形狀的復(fù)合材料構(gòu)件的制造成本。早的自動鋪放技術(shù)研究來自復(fù)合材料機身的制造,如果采用纏繞技術(shù)制造機身時，遇到的問題是纏繞張力使凹面產(chǎn)生縫隙、纏繞張力使纖維產(chǎn)生滑移而偏離應(yīng)該的位置和纏繞I藝不能有效地改變厚度。纖維鋪放技術(shù)解決了上述問題,它可以在大型復(fù)雜型面上鋪放和壓實連續(xù)預(yù)浸纖維，纖維在芯模上鋪放完全在無壓力狀態(tài)下進行。當鋪放預(yù)浸帶時,預(yù)浸帶的寬度可以根據(jù)需要調(diào)整。自動鋪放精度可達0.005mm，為了調(diào)解黏度，纖維預(yù)浸帶可以加熱或冷卻。自動鋪放技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,獲得了明顯降低成本的效果。
01.自動鋪帶技術(shù)簡介
1983年臺商用鋪帶機進入生產(chǎn)領(lǐng)域，F(xiàn)-16的80%蒙 皮件、F-22的4塊機翼 壁板，面積為5.49mx 5.18m，厚度為3.8~14.2mm，重量達113kg、波音777的零件等均由自動鋪帶生產(chǎn)。自動鋪帶機的應(yīng)用大限度地節(jié)省時間、勞動力，速度較手工提高10倍。節(jié)省原材料，廢品率僅3%~ 5%(手工為25%~ 30%)。提高制件精度、質(zhì)量降低成本。一般來講，零件尺寸越大效率越高。對于手工操作，5mx2.5m為其臨界尺寸，大了反而效率降低,勞動成本大大提高，甚而超過操作壽命而制造不成。
自動鋪帶技術(shù)以帶有隔離襯紙單向預(yù)浸帶為原料，在鋪帶頭中完成預(yù)定形狀的切割,加熱后在壓輥的作用下直接鋪疊到模具的表面。當預(yù)浸帶鋪放到模具表面上時,由鋪帶頭將襯紙去除。當預(yù)浸帶鋪放完畢時,鋪帶頭可以根據(jù)需要從不同的角度切斷預(yù)浸帶。自動鋪帶主要采用熱固性樹脂預(yù)浸帶,也可以采用同熱塑性樹脂預(yù)浸帶。鋪放熱塑性樹脂預(yù)浸帶時采用熱壓靴或激光焊接。為保證自動鋪帶的質(zhì)量，常用線掃描和傾斜光脈沖進行在線監(jiān)控并及時糾正鋪帶軌跡。自動鋪帶按鋪放的功能分為平面帶鋪放(FTLM)和曲面帶鋪放(CTLM) :平面帶鋪放采用150mm和300mm寬的預(yù)浸帶，而曲 面帶鋪放通常采用75mm和150mm寬的預(yù)浸帶; 前者鋪放效率極高，主要用于小曲率機翼壁板鋪放,后者可以實現(xiàn)中等曲率壁板的鋪放,至可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)小曲率曲線軌跡鋪放,適于鋪放大尺寸機身等部件。
02.自動鋪帶設(shè)備、鋪帶工藝與設(shè)計
自動鋪帶機是復(fù)合材料自動鋪帶成形的關(guān)鍵。早期開發(fā)的自動鋪帶機較為簡單，只能鋪放單曲面形體,預(yù)浸帶寬有限,預(yù)浸帶的切割多采用氣動剪，切割角度變化范圍小。隨著復(fù)合材料用量的增加，鋪帶機的需求越來越大，鋪帶機的及時進步越來越快。設(shè)備、程序、電腦控制軟件、可靠性、易操作性等方面都有很大改進,鋪放頭技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第4代。現(xiàn)代的鋪放機功能強大，可以鋪放相當復(fù)雜的雙曲曲面。
典型的10軸龍架式自動鋪帶機如圖3-21所示 ，鋪帶機的主要部分包括:一個龍門架結(jié)構(gòu),一個做平面運動的橫梁,一個位于其端部的可升降的鋪放頭。龍門]結(jié)構(gòu)可以是固定床位,也可以是開放式架結(jié)構(gòu)。
鋪帶機的核心是自動鋪帶頭,圖3-22是 典型的5軸鋪帶頭。預(yù)浸帶按照程序預(yù)先切割后才進入加熱器，以保證預(yù)浸帶適當?shù)酿ば浴ｎA(yù)浸帶通過壓輥/壓靴鋪疊到模具表面，背襯紙自然回收。為適應(yīng)雙曲面鋪放，面壓輥/壓靴可以是組合式的，靠液壓/氣動調(diào)節(jié)實現(xiàn)曲面自適性。有的鋪帶頭還設(shè)有尾壓輥以保證鋪放到邊緣時良好的力成形。為了提高效率,法國的Forest-line開發(fā)出雙向鋪帶頭，一方面加大儲帶量，另一方面減少由于鋪到邊界時鋪帶頭轉(zhuǎn)動回鋪而浪費時間，從而大大提高生產(chǎn)效率。
自動鋪帶重要的工藝參數(shù)有壓輥壓力和預(yù)浸帶加熱溫度及鋪放速度。當帶鋪放到模具表面時,鋪放頭懸掛于工件之上,壓輥施加壓力于鋪放表面。這在鋪放突變和凹谷的時候可以減少鋪放帶的多余運動。鋪放壓力由計算機控制,當鋪放150mm的寬帶時,勵265 ~ 1303N ;而當鋪放300mm的寬帶時，總壓力265 ~ 2675N。預(yù)浸帶的鋪放溫度范圍由所采用的材料體系決定，一般為26 ~43℃。
03.自動鋪帶技術(shù)的應(yīng)用
自動鋪帶技術(shù)AFP(AutomatedFiber Placement)，該技術(shù)是在自動鋪帶和纖維纏繞基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,稱第4代鋪放機,既可鋪纖維帶又可鋪纖維束。國波音, Cincinati Machine與Cytec共同努力于70年代中期開始研制自動鋪帶機，現(xiàn)已發(fā)展了三代自動鋪帶機，三代不同的鋪帶機的特點如表3一8所示。該技術(shù)自80年代中期研發(fā)，1989年Cincina-tiMachine設(shè)計了臺纖維鋪放機器FPM(FiberPlacementMachine)，于1990年交付使用, 該設(shè)備的運用可以明顯提高復(fù)合材料生產(chǎn)效率，降低制造成本。發(fā)達已經(jīng)無一例外采用自動鋪帶技術(shù)制造航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。
波音公司是上航空制造應(yīng)用自動鋪帶技術(shù)的主要的單位，現(xiàn)有的50余臺自動鋪帶機中，波音公司擁有21臺。20世紀80年代開始,波音公司在自動鋪帶技術(shù)方面投入大量的資金和人力。發(fā)展自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B2轟炸機大型復(fù)合材料構(gòu)件。近年來波音公司也將自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用于其他項目，主要包括 : NavyA6轟炸機(復(fù)合材料機翼)、F- 22戰(zhàn)斗機(機翼和波音777民用飛機。波音777民用飛機的全復(fù)合材料尾翼，水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術(shù)制造。
Vought飛機公司也是自動鋪帶機技術(shù)的先驅(qū)之一, 在自動鋪帶技術(shù)方面一直保持地位，目前其使用這個系統(tǒng)生產(chǎn)軍用C- 17運輸機水平安定面蒙皮。1998年自動鋪帶成形的水平安定面蒙皮次安裝在C- 17 飛機上。每架飛機上有4塊蒙皮(2塊上蒙皮, 2塊下蒙皮)，每塊蒙皮大約13m長, 3.7m寬(根部)，蒙皮層板在根部厚度為0.183m ,每年大約生產(chǎn)60件這樣的蒙皮。
EADS一CASA是 在歐洲早使用平面自動鋪帶機和曲面自動鋪帶機生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的公司,自動鋪帶系統(tǒng)位于西班牙馬德里附近的llesas先進復(fù)合材料生產(chǎn)廠。主要生產(chǎn)產(chǎn)品有機蒙皮、尾翼、垂直/水平翼蒙皮、飛機翼梁、 增強肋等。主要包括:空客A330和A340飛機水平安定面蒙皮、A340-600尾 翼蒙皮、Dornier728 飛機的水平和垂直安定面蒙皮以及翼梁，CASA還將采用自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)空客A380長達16m、寬4m的安定面蒙皮，同時，空客 A319/A320/A321飛機的尾翼蒙皮也將由目前的手T鋪貼改為自由鋪放生產(chǎn)。與手工鋪貼相比，CASA自動鋪帶機具有很高的生產(chǎn)效率,生產(chǎn)效率一般是手工鋪貼的10倍。當用150mm寬預(yù)浸帶作平面鋪放時，生產(chǎn)效率是手工鋪貼的22倍以上。采用自動鋪帶技術(shù)預(yù)浸料的利用率高達95%以上，手工鋪貼預(yù)浸料利用率只有70% ~ 75%，材料利用率的提高對于降低成本也是非常重要的。