自動鋪絲機專利技術綜述

肖橫洋，朱 敏，李雙江

(國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心，四川 成都 610213)

自動纖維絲鋪放技術是20 世紀 70 年代作為對纖維纏繞和自動鋪帶技術的改革而發展起來的一種全自動復合材料加工技術，其綜合了纖維纏繞技術與自動鋪帶技術各自的優點，通過能夠完成絲束夾緊、重送和切斷功能的鋪放頭，按一定角度將預浸絲束鋪放到制品表面，同時完成開口、局部加厚等功能，因此自動纖維絲鋪放技術適用于鋪放高曲率、形狀復雜的型面，應用范圍更廣泛；鋪絲頭運動的靈活性和多組纖維預浸束的獨立可控性，使纖維預浸束在鋪放的過程中可以根據復合材料構件的需要增減纖維束的根數，而且可以準確地在芯模的特定位置自動切斷和重送纖維適應邊界，最大限度地利用纖維材料；同時可以通過局部纖維鋪放進行加固處理，滿足構件設計要求。自動纖維絲鋪放技術在復合材料構件成型過程中體現出的靈活性和高效率吸引了全球很多知名飛機制造公司對其進行研究和優化，從而促進了該技術在飛機復合材料零部件制造中的應用[1-2]。

1 研究內容

本文在中文專利文摘數據庫(CNABS)和德溫特世界專利索引數據庫(DWPI)中進行專利文獻檢索，經過檢索式檢索與簡單人工篩選，最終確定截止2017年3月涉及自動鋪絲機的全球專利申請共計396項。

1.1 總體專利申請狀況

圖1 申請量年度分布

圖1顯示了全球范圍內以及中國范圍內自動鋪絲機專利申請量的年度分布情況。從圖1可以看出，在全球范圍內，自動鋪絲機專利申請量總體呈上升趨勢，第一份自動鋪絲機的專利出現在1982年，其關于Boeing 公司的機械工程師Quentin Wood 提出的“AVSD(Automated Variable Strained Dispensing Head)鋪絲頭”雛形結構；在這份專利出現以后的很長一段時間內的自動鋪絲機的專利申請量都維持在一個較低的水平，這主要是由于自動鋪絲機的技術門檻較高所導致的，該階段的專利申請主要來自于具有纖維預浸帶自動鋪放機研發經驗的老牌企業；隨著自動鋪絲機技術的成熟以及相關產業的高速發展，從2004年開始，該領域的專利申請量出現了較快增長。而國內在自動鋪絲機領域的研究起步較晚，雖然從1996年開始國內即出現了自動鋪絲機相關的專利申請，但那些申請均是通過PCT或者巴黎公約進入中國的國外申請，直到2004年南京航空航天大學申請了一份“易于保持絲束張力穩定的三軸鋪放機械手腕”的專利，國內企業和高校在自動鋪絲機領域的申請量才逐漸增多。

1.2 技術來源和目標市場分布

專利申請的技術來源分布可以反映出各國企業、研究團體、個人在自動鋪絲機領域的研發水平以及研發能力；而專利申請的目標市場可以反映出各國自動鋪絲機以及相關產業的市場需求。從圖2可以看出，來自于歐盟和美國的專利申請占據了很大的比重，這是由于歐盟和美國的航空航天事業發展較早，這些領域的發展離不開纖維復合材料的制造，正是由于這些產業的需求才促進了自動鋪絲機領域的發展。歐盟和美國除了在國內申請大量關于自動鋪絲機的專利外，還將目光轉移到了中國、日本和韓國，可見掌握了自動鋪絲機核心技術的國外企業非常重視在中國自動鋪絲機行業的專利布局。隨著中國航天航空事業的迅猛發展，對自動鋪放設備的需求也十分迫切，因此，越來越多的企業、科研院所將研發重心投入自動鋪絲機領域，開始促進國內在自動鋪絲機以及相關產業的發展。

圖2 技術來源(左)和目標市場(右)分布

1.3 核心專利

纖維自動鋪絲機領域的主要技術包括：鋪絲機整機結構、鋪絲頭結構、鋪絲頭輔助部件以及鋪絲檢測系統幾個分支，其中鋪絲頭輔助部件又包括壓輥部件、張力控制部件、重新定向部件等。本文通過查看專利引用頻次篩選出核心專利，并對核心專利進行梳理和分析得到圖3所示的核心專利圖解。

圖3 核心專利的技術圖解

從圖3可以看出，在自動鋪絲機發展初期，核心專利主要集中在對鋪絲頭結構以及鋪絲機整機機構的研發，這是由于鋪絲頭的結構直接決定了纖維的鋪放精度、鋪放速度，從而會直接影響復合纖維材料的質量和成型效率；同時，鋪絲頭的運動速度以及精度又是由鋪絲機整機結構決定的，因此，早期的研究主要集中在這兩個方面；自動鋪絲機后期的研究重點則與鋪絲頭輔助部件和鋪絲檢測系統相關，這些研究的目的都是為了進一步提高鋪絲過程中的精度從而使得纖維復合材料能夠滿足航空航天事業的需求。

1.4 重點申請人

根據對申請文件的分析梳理，得出自動鋪絲機領域較為重要的申請人，主要有美國的波音公司(Boeing)、辛辛那提公司(Cincinnati)、英格索蘭公司(Ingersoll)以及法國的Coriolis Composite公司、西班牙的M. Torres公司。

(1)Boeing公司成立于1916年7月15日，是全球航空航天業的領袖公司，也是世界上最大的民用和軍用飛機制造商之一。“AVSD鋪絲頭”的概念是由波音公司的工程師于1982年首次提出的，這一概念開啟了自動鋪絲機領域發展的篇章，由于纖維復合材料制造對自動鋪絲技術的需求，波音公司對自動鋪絲機也投入了很大的研發力度，截止目前為止，波音公司在自動鋪絲機領域的專利申請達到32項，其專利申請主要涉及鋪絲頭結構、鋪絲機整機結構以及檢測控制方法。

(2)Cincinnati公司是老牌的纖維自動鋪帶機制造商，Cincinnati機床公司在1989 年推出了第一臺商品化自動鋪絲機VIPER 1200，被用于V-22 Osprey軍用飛4.21m長的復材后機身結構件的制造；隨著制造的飛機復材構件尺寸越來越大，為滿足不同尺寸曲面復材構件的鋪放制造需求，Cincinnati公司先后開發了小型、中型和大型自動鋪絲機的系列產品VIPER 1200/3000/4000/6000設備，截止目前為止，Cincinnati公司在自動鋪絲機領域的專利申請達到21項，其專利申請主要涉及鋪絲頭結構、鋪絲機整機結構以及鋪絲頭輔助部件。

(3)Ingersoll公司成立于1887年，其在CNC機床領域的豐富經驗為生產自動鋪絲機打下了堅實的基礎，Ingersoll公司于1995年研制出了其第一臺自動鋪絲機，該鋪絲機采用FANUC數控系統和自行開發的CPS軟件，其鋪絲頭結構獨特、特性好，適于大型產品生產。截止目前為止，Ingersoll公司在自動鋪絲機領域的專利申請達到15項，其專利申請主要涉及鋪絲機整機結構以及鋪絲頭輔助部件。

(4)Coriolis Composite公司，是開發基于商用機器人平臺的自動鋪絲機開發的先行者，其創新系統是十多年前開發出來的，采用標準的多關節機械手作為八軸向運動的纖維鋪放系統的基礎。Coriolis的AFP系統具有較輕的鋪放頭，因此慣性也更低，加上動力強勁的驅動電機，可以達到很高的鋪放速度。截止目前為止，Coriolis公司在自動鋪絲機領域的專利申請達到23項，其專利申請主要涉及鋪絲頭輔助部件。

(5)M.Torres公司，是另一個開發出了自動鋪絲機和自動鋪帶機設備的機床專家，該公司早期生產的一臺AFP系統被出售給了日本的川崎重工(Kawasaki Heavy Industries)，用于生產波音787的整體機身部件，該系統可以同時鋪放24根0.5in(約12.70mm)寬的絲束。但該公司在自動鋪絲機領域的專利申請量較少。

2 結語

本技術綜述對自動鋪絲機專利進行了統計分析和歸納整理，通過分析發現自動鋪絲機的核心技術掌握在歐美國家，中國在自動鋪絲機研制、生產和實際工業化應用基本上還處于起步階段，和國際先進水平存在較大差距。目前自動鋪絲機逐漸向小型化、簡單化方面開始發展，當然實現自動鋪絲機的高效率仍是各大生產廠商的關注熱點，國內企業可加大在這些方面的研究力度。

[1] 徐 再，吳耀楚，田會方.FRP鋪放成型技術的研究[J].玻璃鋼/復合材料，2002(05):44-46.

[2] 于傳浩，吳耀楚，王志輝.FRP鋪放技術的機構分析[J].武漢化工學院學報，2003(02):54-56.