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(shù)，并取得了很大進展，已開發(fā)出復合材料帶鋪放成型設(shè)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(gòu)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(shù)方面投入大量資金和人力，發(fā)展自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B2轟炸機大型復合材料構(gòu)件。近年來，波音公司也將自動鋪帶技術(shù)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(shù)制造。

    目前，帶鋪放成型技術(shù)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(gòu)設(shè)計要求，制約了我國航空航天制造技術(shù)的發(fā)展和水平的提高。由于復合材料帶鋪放成型技術(shù)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(shù)的研究，以打破發(fā)達國家對我國的技術(shù)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(shù)生產(chǎn)B1、B2轟炸機的大型復合材料結(jié)構(gòu)、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(gòu)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(shè)計制造技術(shù)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(shù)是保證大飛機項目順利實施的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于現(xiàn)階段復合材料用量15% 的目標，翼面壁板類構(gòu)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(shù)將成為后期的關(guān)鍵技術(shù)。

    帶纏繞、帶鋪放成型技術(shù)的發(fā)展趨勢

    隨著復合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術(shù)呈現(xiàn)出多工藝復合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應用日益增多、成型設(shè)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(shù)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(gòu)類管狀構(gòu)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(shù)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(shù)。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(shù)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(shè)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(guān)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(shù)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(shè)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(shù)相比，復合材料成型CAD/CAM技術(shù)的研究才剛剛起步，研究成果有限。

    （5）將纏繞、鋪放成型設(shè)備與機器人相結(jié)合，增強成型設(shè)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(gòu)件的纏繞、鋪放成型，如不對稱構(gòu)件和雙凹面構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(shù)與在線固化監(jiān)測技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)以及光纖傳感技術(shù)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。