自动铺丝技术及其在A350制造过程中的应用

介绍了自动铺丝技术的原理、特点、优势,并从铺丝设备、铺丝材料、铺丝工艺、应用等几个方面进行了阐述。以空客A350复合材料制造技术为背景,分析了其机体结构的制造特点以及自动铺丝技术的应用。提出了复合材料结构自动铺丝技术工程化应用关键问题。可为国内自动铺丝技术在大型客机复合材料结构成型中的应用提供参考。     

国内复合材料自动铺放技术发展

复合材料自动铺放技术主要包括自动铺带技术和自动铺丝技术。国内自动铺放技术起步较晚,目前研究的单位主要有南京航空航天大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、天津工业大学、哈尔滨飞机工业集团有限责任公司、北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院、内蒙古工业大学和华中科技大学等。     

航空复合材料自动铺丝技术发展概况

自动铺丝技术是一种新型复合材料低成本自动化制造技术,已被成功应用于波音787和空客A350项目复合材料机身制造,是未来复合材料机身制造的一种最具前景的方法。本文介绍了铺丝机系统国内外的发展及应用现状,并展望了自动铺丝技术在我国的发展前景。     

先进复合材料自动铺丝设备研究现状与发展趋势

先进的复合材料由于其高比强度、比模量、大幅减重和良好的耐腐蚀性,已被广泛用于航空航天工业及其他领域。自动铺丝机是实现自动铺丝的必要设备,是影响铺放质量和生产效率的重要环节。因此,研发和改进自动铺丝机,成为制造复合材料复杂构件的最关键的课题之一。本文针对近年来国内外的自动铺丝设备,重点围绕铺丝机机床主体结构、纱架形式、铺丝头压力系统、加热系统与张力系统等方面,对当前自动铺丝机的研究与应用现状进行论述与分析,总结了国内外自动铺丝设备的研究成果,分析了国内外铺丝设备的优势与不足,最后探讨并总结了自动铺丝设备未来的发展趋势,为铺丝机的设计与优化提供了一个参考方向。     

七自由度纤维铺丝样机研制

自动纤维铺放技术是解决高强度、轻质复合材料机身和进气道等构件制造的关键技术,该项技术综合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点,在航空、航天等高科技领域得到了广泛应用。本文设计了七自由度四丝束纤维铺丝机及其控制系统,同时对丝束控制、铺丝轨迹规划和优化方法、设备的后置处理等关键技术进行了研究。     

复合材料自动铺带技术研究与应用

随着我国新型飞机项目的立项启动,复合材料用量以及大型整体构件的数量和尺寸不断增加,国内复合材料自动铺带技术得到迅速发展。目前,北京航空制造工程研究所率先完成了我国首台大型复合材料构件自动铺带机的研制,并在此基础上深入开展了自动铺带技术研究。     

复合材料自动铺丝设备研究现状

自动铺丝成型工艺因其高质量、高效率、高成型适应性、低废料率等工艺特点,特别适用于大型复杂复合材料构件的自动化成型,如机身、进气道、承力锥、翼身融合体等。从床身形式、纱箱系统、铺丝头结构等角度展开,总结了自动铺丝成型设备的发展现状,分析了现阶段国内相关的研究成果与应用现状,最后对自动铺丝成型设备未来的发展趋势进行了展望。     

自动铺带技术在航空复合材料制造领域的应用

目前,复合材料已经成为航空航天领域的重要材料,航空工业的复合材料时代已经来临.以波音和空客为代表的大型客机波音787和空客A350,复合材料应用比例分别已达到和超过了50％,整个机身、机翼结构几乎全部采用了碳纤维复合材料,取得了显著的经济效益.这些大尺寸复合材料构件,均采用了自动化制造技术,机身采用自动铺丝技术,机翼采用自动铺带技术.自动铺带技术在加工翼面类小曲率复合材料构件和某些梁、长桁等复合材料构件方面具有很强优势.     

非热压罐工艺在飞机复合材料低成本制造中前景广阔

目前国外普遍采用的降低复合材料使用成本的技术,如自动铺带／铺丝技术、液体成形技术等,在国内并没有达到预期的降低成本的目的。为此,本文作者提出了“基于预浸料＋非热压罐工艺”的制造工艺,介绍了国外该工艺的应用和研究现状,并建议可在C919的次承力结构中进行尝试性应用。     

自动铺丝过程中的典型缺陷及原因分析

自动铺丝工艺已经成为飞机机体结构的主要制造方法,对于铺丝工艺的研究也越来越多。聚焦了自动铺丝工艺过程中的常见缺陷、缺陷的形成机理以及缺陷对力学性能的影响。在总结了当今国内外最新的研究成果基础上,结合自身在实际铺丝过程中遇到的常见缺陷,分析了造成缺陷的原因,铺放材料包括热固性预浸料、热塑性预浸料和干纤维。综述了有关铺丝工艺常见缺陷的研究;介绍了转变半径试验中遇到的缺陷;分析了曲面模具上铺贴质量问题;研究了夹层结构的主要缺陷类型;最后分别介绍了干纤维和热塑性复合材料自动铺丝的常见缺陷。     

复材机身隔框制造技术研究进展

阐述了采用单向带+自动铺丝+自动辊压、自动铺丝+热隔膜、编织预浸料、编织预成型体+LCM、NCF预成型体+LCM 5种工艺方法制造复合材料机身隔框,详细描述了各类工艺方法的技术细节、优缺点以技术应用状况及发展趋势,最后从力学效益、生产效率、综合成本进行对比分析,为复合材料机身隔框的制造提供工艺借鉴。     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式,合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构,研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计,解决了铺放复杂曲面满覆盖问题;总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则,选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造,并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱;采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放;采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%,整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

大型复合材料加筋壁板自动化制造技术研究

先进复合材料由于其性能上的优势,在飞机上的应用越来越广。然而目前国内的复合材料行业仍以手工成型为主,研究大型复合材料加筋壁板自动化制造技术对推动国内复合材料行业发展具有重要意义。以某型号中央翼盒下壁板为研究对象,验证了自动铺带、热隔膜成型、自动翻转组合等整套自动化制造流程,为建设复合材料自动化生产线打下了基础。     

大型机身复合材料加筋壁板制造技术及应用

复合材料机身是我国新研制的大型民用客机的重要结构之一,其制造工艺直接影响产品的质量一致性、产能、成本等,传统手工为主的制造技术已远远不能满足当前要求。为了验证大型机身复合材料帽型加筋壁板的自动化成型工艺进行了多方位的研究探索和验证,通过串联自动铺带、自动铺丝、长桁毛坯的叠层滑移成形、填充芯材自动成形、长桁定位等工艺,完成了大型壁板的制造。研究表明,选择的壁板制造工艺技术风险低,质量一致性高,为大型复合材料机身帽型加筋壁板的自动化制造提供了基础。     

自动铺放技术在大型飞机复合材料结构件制造中的应用

自动铺放技术是工业发达国家近30年来发展和广泛应用的自动化制造技术,包括自动铺带技术和自动铺丝技术.这两项技术的共同优点是采用预浸料,并能实现自动化和数字化制造,高效高速.自动铺放技术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器,尤其是大型飞机的结构制造中所占比重越来越大.     

适用自动铺丝工艺的中模高强碳纤维预浸料研究

目前,自动铺丝技术是航天航空大型结构件制备工艺的发展方向,而中模高强碳纤维预浸料适用于航天航空主承力结构件的制备,达到减重的需求,因此,自动铺丝工艺用中模高强碳纤维预浸料的研究至关重要。采用HF40A中模高强碳纤维匹配EH918树脂体系,开展了预浸料的自动铺丝工艺适用性研究。通过与满足自动铺丝工艺的某预浸料对比分析,确定了满足自动铺丝工艺要求的EH918/HF40A;对比手工铺放与自动铺丝制备的板材的力学性能,数据表明,自动铺丝板材的力学性能与手工铺放板材性能相当,无明显差异;采用该材料和自动铺丝工艺制备了典型部件,并进行了无损测试,其质量满足指标要求。     

复合材料铺丝成型中的路径规划

针对复合材料自动铺丝路径规划问题,提出了一种新的基于正交投影的铺丝路径生成算法.首先根据铺丝意图设计空间曲线,然后正交投影到铺丝面上,利用经典的微分几何方法建立特征投影曲线的微分方程,用数值方法求解得到铺丝面上数据点,并用B样条曲线拟合这些点即是铺丝参考线,再对其进行等距得到一条铺丝路径,进而得到所有路径.经过算例进行验证,该算法能实现任意方向的纤维铺放,满足铺丝技术工艺要求.应用本文的研究成果,在CATIA利用CAA中完成了自由曲面的铺丝路径仿真.     

复合材料自动铺丝路径生成技术研究

基于自主研制的七自由度铺丝机,研究具有芯模的封闭构件自动铺丝路径规划技术,设计了通用的铺丝路径生成算法,可生成任意角度的铺丝路径。     

Nomex蜂窝夹层复合材料的自动铺丝成型工艺研究

采用自动铺丝技术成型蜂窝夹层结构复合材料,其可能产生的缺陷为蜂窝芯侧压变形和预浸丝架桥,分析了二者的形成机理和影响因素。为验证两种成型工艺,设计了阴模成型工装,提出了胶膜预黏接工艺和局部零张力铺放作为缺陷解决方案,对平板蜂窝夹层进行实际铺放验证。对比固化后的制件:对于斜削角度较大的蜂窝,阳模成型不能消除架桥;丝束架桥导致最终制件相应位置出现分层、缺胶缺陷;阴模工装有效避免了蜂窝侧压变形和丝束架桥,更适合自动铺丝成型。可为复杂型面蜂窝夹层构件的自动铺丝成型提供参考。     

大型筒段构件自动铺带成型技术

在研究自动铺带成型技术的基础上,提出了一种用于复合材料筒段构件自动铺带成型轨迹规划的设计方案。根据自动铺带成型系统的独有特点,提出专用于自动铺带成型系统的数控(NC)代码约定。在研究自动铺带成型CAD/CAM技术的基础上,开发针对大型筒段复合材料构件的专用CAD/CAM软件,并在自主开发的自动铺带成型设备上进行铺带成型实验验证。经实验验证,此自动铺带机专用CAD/CAM软件的开发相当成功,满足了大型复合材料筒段构件的实际生产需求。