在航空航天及軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的自動化成型工藝主要包括纖維絲纏繞、纖維帶纏繞和纖維絲鋪放三種類型。由于纏繞制品的高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等性能，目前纏繞制品在航空領(lǐng)域可用于雷達(dá)罩、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、燃料儲箱、飛機(jī)副油箱和過濾器等零部件的成型，還可應(yīng)用于小型飛機(jī)與直升機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、槳葉、起落架等結(jié)構(gòu)的成型。現(xiàn)代大型噴氣客機(jī)上眾多的高壓氣瓶都是采用復(fù)合材料纏繞成型工藝制造的。

在航天領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于神舟飛船承力構(gòu)件、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、返回艙、空間系統(tǒng)、復(fù)合材料壓力容器、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體等方面的制造。在國防軍工領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于大型導(dǎo)彈復(fù)合材料發(fā)射筒、魚雷發(fā)射管、姿控系統(tǒng)、槍架、火箭發(fā)射筒、軌道炮身管等。

先進(jìn)復(fù)合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發(fā)動機(jī)殼體，大飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼，風(fēng)電葉片等核心部件的關(guān)鍵制造技術(shù)，對我國重大項(xiàng)目的實(shí)施和航空航天事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。多年來，我國復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)一直面臨“卡脖子”難題，2022年4月2日，由星火機(jī)床集團(tuán)公司聯(lián)合武漢理工大學(xué)研發(fā)的國家重點(diǎn)項(xiàng)目，多軸聯(lián)動復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復(fù)合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決，星火機(jī)床集團(tuán)公司也全面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控的重大突破。

復(fù)合材料作為一種先進(jìn)材料，具有非常廣闊的發(fā)展空間。先進(jìn)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到航空航天、國防裝備及能源開發(fā)等領(lǐng)域，并推動了相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，在很大程度上取決于復(fù)合材料的成型工藝。其中，纏繞和鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展快、有效的技術(shù)。

纏繞技術(shù)是指在控制張力和預(yù)定線型的條件下，將預(yù)浸膠纖維或布帶連續(xù)地纏繞在相應(yīng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯模或內(nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。

帶纏繞成型技術(shù)隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，在功能方面不斷擴(kuò)大。從國外來看，美國已將帶纏繞成型工藝應(yīng)用于型號研制：MD-2 固體火箭發(fā)動機(jī)噴管部件中的 13 個零件，“侏儒”導(dǎo)彈的發(fā)動機(jī)噴管都是通過纏繞成型；歐洲、日本也在航天器、武器研制等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用帶纏繞成型工藝：歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管，法國 M51 導(dǎo)彈的殼體，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復(fù)合材料。

在國內(nèi)，我國自60年代就開始研制復(fù)合材料纏繞設(shè)備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設(shè)計院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及華中科技大學(xué)等單位先后研制出不同的復(fù)合材料纏繞成型設(shè)備。西工大通過自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機(jī)，工作效率高，纏繞出的制品達(dá)到型號工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動機(jī)噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關(guān)鍵配套設(shè)備。但是，上述纏繞成型設(shè)備基本上都是針對型面規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件研制開發(fā)的，對于諸如大飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、風(fēng)電葉片等大型非規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無法實(shí)現(xiàn)纏繞成型。

隨著復(fù)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(fù)合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用日益增多、成型設(shè)備與機(jī)器人結(jié)合化、熱塑性樹脂基復(fù)合材料逐漸增多及新型固化技術(shù)不斷應(yīng)用的發(fā)展趨勢。經(jīng)過 40 余年的研究與發(fā)展，我國復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)的研究和應(yīng)用已初具規(guī)模，但仍然面臨著國外技術(shù)的嚴(yán)密封鎖與技術(shù)儲備的嚴(yán)重不足。由星火機(jī)床集團(tuán)公司聯(lián)合武漢理工大學(xué)研發(fā)的多軸聯(lián)動復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復(fù)合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決。

圖 多軸聯(lián)動復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備

這次交付用戶的設(shè)備是國家重點(diǎn)項(xiàng)目關(guān)鍵設(shè)備，是集新工藝、新材料制造技術(shù)、自動控制技術(shù)等為一體的智能化高新技術(shù)產(chǎn)品，能夠完成各種非金屬玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的筒形、球形、錐形等形狀的纏繞加工生產(chǎn)。該設(shè)備主要有自動化程度高、精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，突破了國內(nèi)很多的技術(shù)瓶頸，解決了國內(nèi)（技術(shù)）卡脖子問題，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

生物基“以竹代塑”

竹纏繞復(fù)合材料，以水溶性氨基類樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料，屬于新型生物基材料。竹纏繞技術(shù)，打破了數(shù)千年來人類對于竹子的應(yīng)用形成的固有認(rèn)識，開啟了傳統(tǒng)竹產(chǎn)業(yè)變革的新征程。竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、國防建設(shè)等多個領(lǐng)域，對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

圖 國際竹藤中心與浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司研發(fā)的竹纏繞產(chǎn)品

高精度多軸纖維纏繞

高精度多軸纖維纏繞生產(chǎn)線是生產(chǎn)制作高精度、高強(qiáng)度等高性能纖維纏繞制品的生產(chǎn)線，主要由纏繞機(jī)軌道或門架、驅(qū)動床頭、床尾、纏繞小車、浸膠系統(tǒng)、導(dǎo)絲嘴翻轉(zhuǎn)裝置、伸臂進(jìn)給裝置及紗架、電子氣動伺服張力控制系統(tǒng)、加熱裝置、PLC控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)等部分組成。能滿足各種樹脂和纖維體系的球體、錐體、圓柱體、(半)橢球體、矩形體以及組合體等軸對稱結(jié)構(gòu)件纏繞制品的制作。適用于對產(chǎn)品性能要求較高的運(yùn)輸及航空航天領(lǐng)域。

圖 多軸纖維纏繞機(jī) COMET

碳纖維連續(xù)纏繞

碳纖維，因其出色的性能，逐漸成為氫氣瓶制造的主流材料。然而，早期在國內(nèi)，由于70 MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟和規(guī)?；a(chǎn)難度大，造成了較高的制備成本，限制了這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本逐漸降低，這為氫氣瓶的進(jìn)一步普及和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在氫氣瓶的技術(shù)進(jìn)化中，Ⅲ型和Ⅳ型氣瓶標(biāo)志著一個重要的轉(zhuǎn)變。這兩種類型的氣瓶主要由內(nèi)膽和纖維纏繞層組成，采用了先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)。內(nèi)膽通常由金屬或其他材料制成，而外圍則由碳纖維、玻璃纖維等高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料纏繞而成，顯著提高了氣瓶的承壓能力和安全性。

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