先进复合材料缠绕成型技术解析

       在国内，我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机（见图4），工作效率高，缠绕出的制品达到型号工艺要求，成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是，上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的，对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。

西工大自主研发的多功能布带数控缠绕机

1.2 带缠绕成型的应用

带缠绕成型技术在风力发电机组上的应用主要是叶片、机舱和导流罩的缠绕成型。叶片作为风力发电装置最关键、最核心的部分，其材料和制造工艺将决定风力发电机组的性能和功率，也决定风力发电机组的成本。针对复合材料风电叶片的缠绕成型，德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的国家在大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、工艺装备等方面作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。据报道，现今世界上最大风力发电机的装机容量为5MW，旋转直径可达126.3m。丹麦的LM公司为此装备配套缠绕出了61.5m长的复合材料叶片，单片叶片的重量接近18t，成为世界最大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺三者的完美结合。

作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在国家科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。据最近的资料报道，到2020年，我国将投资2000亿元用于风力发电建设，新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1.5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。国家对可再生清洁能源的支持，为复合材料风电叶片缠绕成型技术提供了难得的发展机会。
2 、带铺放成型技术研究现状及应用

2.1带铺放成型的研究现状

欧美发达国家于20世纪70年代开始研究带铺放成型技术，并取得了很大进展，已开发出复合材料带铺放成型设备，如美国Vought飞机公司的大型CTLM铺放机，该系统有2个铺放头，可同时铺放2个不同部位，Vought公司目前正使用此系统生产军用C-17运输机的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是欧洲最早使用平面自动铺带机和曲面自动铺带机生产复合材料结构的公司，与手工铺贴相比，CASA自动铺带机具有很高的生产效率，一般是手工铺贴的10倍。当用150mm宽预浸胶布带作平面铺放时，生产效率是手工铺贴的22倍以上。波音公司在自动铺带技术方面投入大量资金和人力，发展自动铺带技术生产B2轰炸机大型复合材料构件。近年来，波音公司也将自动铺带技术应用于其他项目，主要包括Navy A6轰炸机（复合材料机翼）、F-22战斗机（机翼）和波音777民用飞机。波音777民用飞机的全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自动铺带技术制造。

目前，带铺放成型技术在我国尚处于起步阶段，国内复杂的铺放制品基本上以手工铺层为主，其生产效率低、铺层质量不稳定、材料利用率低、制造周期长、费用高，难以实现复杂的结构设计要求，制约了我国航空航天制造技术的发展和水平的提高。由于复合材料带铺放成型技术对军工事业和国防事业有着重大意义，欧美发达国家对我国严密封锁，并限制高档、精密和敏感复合材料成型工艺装备对我国的出口，使我国无法走“引进、消化、吸收”的捷径。国内科研院所和企业一直致力于带铺放成型技术的研究，以打破发达国家对我国的技术垄断，促进国防、航空航天事业的发展。

2.2 带铺放成型的应用

美国航空制造商大量应用带铺放成型技术生产B1、B2轰炸机的大型复合材料结构、F-22战斗机机翼、波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17运输机的水平安定面蒙皮等。欧洲生产的复合材料构件包括：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。
我国大飞机工程已经立项，复合材料规划用量初期要达到15%，后期将随着材料与设计制造技术的成熟逐步扩大，最终的上限可能接近甚至超过现有波音787的复合材料用量水平[10]，带铺放成型技术是保证大飞机项目顺利实施的关键技术之一。对于现阶段复合材料用量15% 的目标，翼面壁板类构件将成为主导。对于20年研制周期的大飞机计划，为进一步提高飞机性能，加大复合材料用量势在必行，复合材料机身铺放技术将成为后期的关键技术。

带缠绕、带铺放成型技术的发展趋势

随着复合材料相关技术的发展，带缠绕、铺放成型技术呈现出多工艺复合化、成型设备精密化、CAD/CAM技术应用日益增多、成型设备与机器人结合化、热塑性树脂基复合材料逐渐增多及新型固化技术不断应用的发展趋势。
  
    （1）将带缠绕成型与拉挤、铺放、编织、压缩模塑等工艺相结合，提高带缠绕成型的工艺适应性。

由于带铺放可进行任意角度缠绕，还可在凹形表面缠绕，克服了缠绕工艺的不足；若将其与带缠绕工艺结合起来，可解决某些结构类管状构件的缠绕成型问题。缠绕-拉挤工艺加工的薄壁管改善了制品的力学性能，已用于汽车司机驾驶室框架的制造。带缠绕与注射模塑工艺结合制造的自润滑多面滑动轴承具有卓越的摩擦学行为。

（2）将带铺放成型与电子束固化技术结合是目前研究的热点[3]。

电子束固化可以大幅度地降低制造时间、材料消耗和能源，是重要的低成本制造技术。传统电子束固化采用铺叠后一次辐射固化，要求电子束的能量高（3~10MeV），不仅使加速器投资巨大，并且辐射防护的投资也随之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐层电子束固化”的思想，完成一层铺叠后即实施电子束固化，只需0.5MeV电子束能量，并可以获得良好的力学性能。带铺放成型与电子束固化技术结合的研究逐渐进入实用阶段。
（3）为带缠绕、带铺放成型设备配备精密张力控制系统，以提高制品成型精度。

在缠绕、铺放成型过程中，张力与制品的强度、致密度、疲劳性以及一致性有着密切的关系，对制品性能影响极大。国内方面，西工大、哈工大等均在精密张力控制系统方面进行了大量研究工作，并取得阶段性成果；国外方面，法国已开发出一种用于粗纱的张力控制系统。

（4）CAD/CAM技术在带缠绕、带铺放成型工艺及装备中的应用日益增多。

CAD/CAM与缠绕、铺放成型工艺的结合，有助于缩短产品设计周期、减少废品率、提高制品的质量，提高自动化水平及生产柔性。国内外均有一些实用化的软件问世，但与传统CAD/CAM技术相比，复合材料成型CAD/CAM技术的研究才刚刚起步，研究成果有限。

（5）将缠绕、铺放成型设备与机器人相结合，增强成型设备的柔性及适用范围。

机器人用于带缠绕、带铺放成型，具有自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点，尤其适合小型复杂构件的缠绕、铺放成型，如不对称构件和双凹面构件等。欧美及加拿大正在研究开发机器人缠绕机，如比利时Leuven天主教大学用一台PUMA-762机器人与两轴数控缠绕机联接，缠绕出多种零件 ；加拿大OTTAWA大学也用机器人成功缠绕了T 形管；德国AACHEN工业大学建成了一个复合材料柔性制造单元，己成功生产出机床主轴、飞机机身等零件。

（6）热固性树脂基复合材料成型向热塑性树脂基复合材料成型方向发展。

据统计，从1994年以来，热塑性复合材料是同期热固性复合材料增长的2倍。该高速增长可以用热塑性树脂基复合材料良好的机械性能、耐温性能、介电常数及可循环性来解释，尤其是它的可回收、可重复利用及不污染环境的特性适应了当今材料环保的发展方向。国外已有杜邦、帝国化学、BASF和德国凯瑟斯路登大学等多家大公司和科研机构对热塑性树脂基复合材料的成型工艺进行了研究和生产。国内有北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点试验室等少数机构对热塑性预浸带进行了缠绕试验，并对制品性能进行了初步分析。目前国内这种工艺尚处于初步开发的阶段，发展空间较大。