自動鋪帶技術在大飛機中的應用

宋興龍

【摘 要】復合材料作為現代航空飛行器主結構用材時代已來臨，采用復材整體結構作為現代大型飛機主結構部件設計已是明顯的發展趨勢，而用于制造復材整體結構的自動鋪帶機（ATL）則成為現代大型飛機制造的關鍵設備。本文將對自動鋪帶設備基本構成、配套設備及工藝、應用現狀和發展趨向進行介紹和論述。

【關鍵詞】自動鋪帶 復合材料 熱隔膜 ATL

【中圖分類號】 E926.3【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0049-01

減重是提高飛行器經濟性的關鍵，大型飛機每減輕1Kg重量，增加的經濟效益超過450美元（根據空客公司統計，結構重量每降低1%，飛機總重量可降低3%～5%，油耗可減少3%～4%）。研究表明手工鋪疊復合材料效率為3磅/h，而自動鋪帶技術能達到15～30磅/h，手工鋪疊復合材料廢料量為15%～20%，而自動鋪帶技術只有5%左右，還有研究表明利用自動鋪帶技術制備的復材構件具有尺寸精度較高，內應力低等特點，是提高復合材料性能的一個重要途徑。

1 自動鋪帶技術應用現狀

國外大型軍用、民用飛機中復合材料構件的比重迅速增加，空客A380用60.5噸占結構重量25%，波音787用25噸占結構重量50%，空客A350復合材料構件將占結構重量的52%。事實上，目前一些具有創新性的全復材或準全復材的無人機、直升機和商務飛機已經研制成功。航空材料專家曹春曉院士指出：飛機用材料正由鋁合金時代向復合材料時代邁進，先進飛機的復合材料起點將是50%。經論證，我國大型客機C919基本型的復合材料設計用量2014年為15%，2016年達到23%，接近A380復合材料用量25%的水平。

目前我國復合材料生產線尚處于半自動人工鋪放階段，即：應用復材構件設計制造軟件，生成復材構件各鋪層2D輪廓數據，不需要制造樣板而是直接通過數字自動剪裁機剪裁鋪層片料，而后再借助激光定位系統進行人工鋪層。

2 自動鋪帶機（ATL）結構

自動復材料帶層鋪機床（ATL：Automated Tape Layer）簡稱自動鋪帶機，主要用于平面型或低曲率的曲面型或者說準平面型復材構件的層鋪制造。

2.1 自動鋪帶機機床

ATL機床多采用開放式高架龍門移動式結構設計，其整體結構非常類似於金屬切削加工應用的開放式高架龍門移動結構五坐標數控銑床。

2.2 自動鋪帶機鋪帶頭

ATL機床配置使用的鋪帶頭是集復材帶料輸送、加熱、滾壓貼緊、剪切、等鋪放功能于一體的復材帶料鋪層控制裝置。鋪帶頭一般均設計有供料卷盤、帶料導向傳送裝置、剪切裝置、滾動壓緊裝置、可控加熱裝置和激光定位裝置（選配）等基本部件。西班牙Mtorres公司制造的開放型龍門移動式鋪帶機，設計有11個數控軸，使用75/150/300mm 標準寬度復材帶料。機床C軸±185°，A軸±22.5°（爬坡角度），線性進給速度15～45m/min，定位精度±0.08mm。

（1）供料及回收裝置

通過控制供料滾軸和背帶回收滾軸驅動電機從而可控制復材帶料層鋪送料，并控制帶料的張緊力。

（2）剪切裝置

鋪放過程中帶料可被切斷或剪切層所需角度，兩把剪裁刀具通過B軸和V軸進行控制，可以切割出復雜形狀。各種切割類型見圖1。

鋪帶頭上的滾壓輥用于壓實鋪放的帶料。通常，滾壓力是可編程的。

（5）激光投影裝置

Mtorres在鋪帶頭上帶有激光定位裝置，可以用于小塊帶料手工鋪貼定位或制件表面玻璃布預浸料鋪貼定位。

3 熱隔膜輔助成形

熱隔膜成型（Hot Drape forming）是采用加熱和抽真空加壓的方法使用工裝（模具）將板料彎曲成需要的形狀，是目前自動鋪帶工藝最主要的輔助成型工藝。目前熱隔膜成型的主流方法為正向法，即熱隔膜從上而下將材料壓向模具。隔膜多采用硅橡膠隔膜，硅橡膠隔膜具有耐高溫、延展性好、可重復使用的優點。

自動鋪帶機適用于平板和較小曲度的零件，復合材料壁板上的長桁（通常為T型、工型和帽型）、角片、框、梁、肋等C形或L形復材零件由于形狀限制不能直接使用ATL成型，可行的方法是先將預浸料通過自動鋪帶機鋪成層壓件，再通過熱隔膜機成型，然后熱壓罐固化。

3.1 熱隔膜機結構及工作原理

熱隔膜機主要由主體框架、可移動結構、抽真空工作平臺、加熱裝置、真空系統、控制系統6部分組成。熱隔膜機結構及成形方式見圖2。

①可移動結構②加熱結構③加熱燈④橡膠軟模⑤密封裝置⑥真空平臺⑦零件⑧工裝圖2 熱隔膜機設備結構

3.2 熱隔膜機工作參數和工藝步驟

具體工藝參數應隨不同材料而設定，以預成型溫度為60±10℃的碳纖維預浸料為例，操作步驟如下：

（1）以1.5℃的升溫速率進行升溫，并在52℃下保溫10分鐘。

（2）將熱隔膜機可移動結構下降合模，當零件溫度達到50～70℃時保溫10到37分鐘。然后以1.5 mmHg/min的速率抽真空到-76mm/Hg，然后以200 mm-Hg/min的速率抽真空到-600mm/Hg。

（3）全部熱電偶達到溫度并保持13～40分鐘后，開始降溫，降溫速度3. 0°C/分，并保持真空，直到溫度達到或低于29℃。

（4）卸掉真空，取出零件。

結束語

自動鋪帶成型是復合材料自動化成型的典型代表，其具有高效、高質量、高可靠性、低成本的特點，特別適合于大尺寸和復雜構件的制造，減少拼裝零件的數量，節約了制造和裝配成本，并極大地降低了材料的廢品率和制造工時。復合材料成型自動化是未來復合材料制造技術發展的必然趨勢。

目前，我國復合材料自動化剛剛起步，ATL技術和熱隔膜成形技術還處于研發階段，與國際先進水平相比，仍存有較大差距。以我國正在啟動實施大飛機重大項目為契機，借鑒國外先進制造技術，研制具有自主知識產權的成型設備，開發出完整生產成形工藝，是科研工作者的緊要任務。

參考文獻

[1] 張建寶、肖軍、文立偉等.自動鋪帶技術研究進展[J]，材料工程，2010（07）

[2] 姚俊、孫達、姚振強等.復合材料自動鋪帶技術現狀與研究進展[J]，機械設計與研究，2011（4）