2.1帶鋪放成型的研究現(xiàn)狀

    歐美發(fā)達國家于20世紀70年代開始研究帶鋪放成型技術，并取得了很大進展，已開發(fā)出復合材料帶鋪放成型設備，如美國Vought飛機公司的大型CTLM鋪放機，該系統(tǒng)有2個鋪放頭，可同時鋪放2個不同部位，Vought公司目前正使用此系統(tǒng)生產(chǎn)軍用C-17運輸機的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲最早使用平面自動鋪帶機和曲面自動鋪帶機生產(chǎn)復合材料結(jié)構的公司，與手工鋪貼相比，CASA自動鋪帶機具有很高的生產(chǎn)效率，一般是手工鋪貼的10倍。當用150mm寬預浸膠布帶作平面鋪放時，生產(chǎn)效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術方面投入大量資金和人力，發(fā)展自動鋪帶技術生產(chǎn)B2轟炸機大型復合材料構件。近年來，波音公司也將自動鋪帶技術應用于其他項目，主要包括Navy A6轟炸機（復合材料機翼）、F-22戰(zhàn)斗機（機翼）和波音777民用飛機。波音777民用飛機的全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術制造。

    目前，帶鋪放成型技術在我國尚處于起步階段，國內(nèi)復雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主，其生產(chǎn)效率低、鋪層質(zhì)量不穩(wěn)定、材料利用率低、制造周期長、費用高，難以實現(xiàn)復雜的結(jié)構設計要求，制約了我國航空航天制造技術的發(fā)展和水平的提高。由于復合材料帶鋪放成型技術對軍工事業(yè)和國防事業(yè)有著重大意義，歐美發(fā)達國家對我國嚴密封鎖，并限制高檔、精密和敏感復合材料成型工藝裝備對我國的出口，使我國無法走“引進、消化、吸收”的捷徑。國內(nèi)科研院所和企業(yè)一直致力于帶鋪放成型技術的研究，以打破發(fā)達國家對我國的技術壟斷，促進國防、航空航天事業(yè)的發(fā)展。

    2.2 帶鋪放成型的應用

    美國航空制造商大量應用帶鋪放成型技術生產(chǎn)B1、B2轟炸機的大型復合材料結(jié)構、F-22戰(zhàn)斗機機翼、波音777飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運輸機的水平安定面蒙皮等。歐洲生產(chǎn)的復合材料構件包括：A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。

 

    我國大飛機工程已經(jīng)立項，復合材料規(guī)劃用量初期要達到15%，后期將隨著材料與設計制造技術的成熟逐步擴大，最終的上限可能接近甚至超過現(xiàn)有波音787的復合材料用量水平[10]，帶鋪放成型技術是保證大飛機項目順利實施的關鍵技術之一。對于現(xiàn)階段復合材料用量15% 的目標，翼面壁板類構件將成為主導。對于20年研制周期的大飛機計劃，為進一步提高飛機性能，加大復合材料用量勢在必行，復合材料機身鋪放技術將成為后期的關鍵技術。

    帶纏繞、帶鋪放成型技術的發(fā)展趨勢

    隨著復合材料相關技術的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術呈現(xiàn)出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/CAM技術應用日益增多、成型設備與機器人結(jié)合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發(fā)展趨勢。

    （1）將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結(jié)合，提高帶纏繞成型的工藝適應性。

     由于帶鋪放可進行任意角度纏繞，還可在凹形表面纏繞，克服了纏繞工藝的不足；若將其與帶纏繞工藝結(jié)合起來，可解決某些結(jié)構類管狀構件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學性能，已用于汽車司機駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結(jié)合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學行為。

    （2）將帶鋪放成型與電子束固化技術結(jié)合是目前研究的熱點[3]。

    電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能源，是重要的低成本制造技術。傳統(tǒng)電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化，要求電子束的能量高（3~10MeV），不僅使加速器投資巨大，并且輻射防護的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐層電子束固化”的思想，完成一層鋪疊后即實施電子束固化，只需0.5MeV電子束能量，并可以獲得良好的力學性能。帶鋪放成型與電子束固化技術結(jié)合的研究逐漸進入實用階段。

 

    （3）為帶纏繞、帶鋪放成型設備配備精密張力控制系統(tǒng)，以提高制品成型精度。

在纏繞、鋪放成型過程中，張力與制品的強度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關系，對制品性能影響極大。國內(nèi)方面，西工大、哈工大等均在精密張力控制系統(tǒng)方面進行了大量研究工作，并取得階段性成果；國外方面，法國已開發(fā)出一種用于粗紗的張力控制系統(tǒng)。

    （4）CAD/CAM技術在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應用日益增多。

    CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結(jié)合，有助于縮短產(chǎn)品設計周期、減少廢品率、提高制品的質(zhì)量，提高自動化水平及生產(chǎn)柔性。國內(nèi)外均有一些實用化的軟件問世，但與傳統(tǒng)CAD/CAM技術相比，復合材料成型CAD/CAM技術的研究才剛剛起步，研究成果有限。

    （5）將纏繞、鋪放成型設備與機器人相結(jié)合，增強成型設備的柔性及適用范圍。

    機器人用于帶纏繞、帶鋪放成型，具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點，尤其適合小型復雜構件的纏繞、鋪放成型，如不對稱構件和雙凹面構件等。歐美及加拿大正在研究開發(fā)機器人纏繞機，如比利時Leuven天主教大學用一臺PUMA-762機器人與兩軸數(shù)控纏繞機聯(lián)接，纏繞出多種零件 ；加拿大OTTAWA大學也用機器人成功纏繞了T 形管；德國AACHEN工業(yè)大學建成了一個復合材料柔性制造單元，己成功生產(chǎn)出機床主軸、飛機機身等零件。

    （6）熱固性樹脂基復合材料成型向熱塑性樹脂基復合材料成型方向發(fā)展。

    據(jù)統(tǒng)計，從1994年以來，熱塑性復合材料是同期熱固性復合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復合材料良好的機械性能、耐溫性能、介電常數(shù)及可循環(huán)性來解釋，尤其是它的可回收、可重復利用及不污染環(huán)境的特性適應了當今材料環(huán)保的發(fā)展方向。國外已有杜邦、帝國化學、BASF和德國凱瑟斯路登大學等多家大公司和科研機構對熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝進行了研究和生產(chǎn)。國內(nèi)有北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點試驗室等少數(shù)機構對熱塑性預浸帶進行了纏繞試驗，并對制品性能進行了初步分析。目前國內(nèi)這種工藝尚處于初步開發(fā)的階段，發(fā)展空間較大。
 

    （7）新型固化技術與在線固化監(jiān)測技術不斷出現(xiàn)。

    紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術可縮短固化周期，減少殘余應力，提高復合材料的力學及物理性能，有利于降低成本。法國航空航天公司已對固體火箭發(fā)動機纏繞殼體的電子束固化技術進行了成功演示，其綜合性能優(yōu)于常規(guī)的加熱固化復合材料。此外，超聲技術以及光纖傳感技術等均用于在線固化監(jiān)測過程。前蘇聯(lián)在殼體纏繞成型過程中采用了磁場中纏繞及固化的工藝方法，可使制品實現(xiàn)更為良好的固化效果。