自動(dòng)化纖維鋪放（AFP）是一項(xiàng)具有潛力的新興技術(shù)，能夠重塑工業(yè)領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域。取代金屬的熱固性和熱塑性復(fù)合材料正在源源不斷被開發(fā)出來。在任何使用金屬的地方，復(fù)合材料都因其低成本和改良的機(jī)械性能而逐漸取而代之。航空航天工業(yè)正在利用AFP技術(shù)結(jié)合熱固性材料和熱塑性材料來制造設(shè)備，這不僅減輕了重量，還增加了耐用性。任何制造商的主要目標(biāo)都是延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。但有時(shí)產(chǎn)品損壞時(shí)需要修理或更換。使用AFP技術(shù)，可以用替代復(fù)合材料修復(fù)任何材料制成的產(chǎn)品，成本可能比使用原有金屬更低。Alliant Technology 于 20 世紀(jì) 70 年代末開發(fā)出了纖維鋪放工藝（熔融成型工藝）。該公司以其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、高效的產(chǎn)品特性，在航空行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。AFP 是一種綜合工藝，兼具纖維纏繞和 ATL 技術(shù)（自動(dòng)鋪帶技術(shù)）的優(yōu)點(diǎn)。可以制造圓柱形和扁平結(jié)構(gòu)。AFP 以其廣泛的應(yīng)用和用途徹底改變了復(fù)合材料行業(yè)和航空航天工業(yè)。改進(jìn)纖維鋪放工藝的唯一方法是啟動(dòng)多個(gè)鋪放單元。需要為單獨(dú)的任務(wù)分配單獨(dú)的工作空間。熱塑性塑料是可以在加熱時(shí)形成液體，在冷卻時(shí)變硬的樹脂。此過程可重復(fù)進(jìn)行。熱塑性塑料具備可逆性質(zhì)，熱固性塑料具備不可逆性質(zhì)，他們比其他聚合物更能實(shí)現(xiàn)有效生產(chǎn)。
1. 自動(dòng)纖維鋪放工藝（AFP）的發(fā)展歷程
制造 FRP 復(fù)合材料容器所用的第一種技術(shù)是手工鋪層，用于生產(chǎn)低成本的復(fù)合材料部件。滾筒手工工具是一種可以減少空隙和氣泡的工具，從而使纖維與樹脂之間充分混合。在去除多余樹脂的過程中，滾筒會(huì)增加低水平纖維體積，從而提高材料性能。手工鋪層的主要缺點(diǎn)是工人的健康問題和安全問題，因?yàn)樵阡伔胚^程中會(huì)產(chǎn)生苯乙烯煙霧。手糊工藝的完美替代方案是噴射工藝，與精心構(gòu)建的增強(qiáng)層相比，噴射工藝成本更低，原材料（如構(gòu)成增強(qiáng)層的纖維卷軸）加工程度更低。噴射工藝不存在苯乙烯排放問題，并且它比手糊工藝更清潔，由于材料在切割槍中進(jìn)行填充，因此操作員和組分之間的接觸機(jī)會(huì)也更少。工會(huì)和健康組織推動(dòng)了揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 和玻璃纖維手工加工對(duì)工人健康影響的研究。通過研究影響噴射工廠工人的皮膚病，改進(jìn)并創(chuàng)造了一項(xiàng)新技術(shù)。預(yù)制件制造過程可以通過機(jī)器人實(shí)施來實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。樹脂傳遞模塑 (RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑、真空袋成型 (VBM)、樹脂膜灌注、Seaman 復(fù)合樹脂灌注工藝和 RTM-light 工藝可根據(jù)其是否具有兩個(gè)剛性半模進(jìn)行分類。RTM 是一種廣泛實(shí)施的制造方法，將干燥的預(yù)制件、墊子和織物手動(dòng)放置在剛性雙面模具中，然后用模具將兩部分牢固地夾緊。真空袋膜工藝不需要雙面模具，相當(dāng)于直接省下了RTM工藝的工具成本。壓制成型是一種可生產(chǎn)大批量組件的高壓成型工藝，適用于制造尼龍等復(fù)雜的纖維增強(qiáng)部件。壓制成型的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它能夠成型從小到大的復(fù)雜部件。纖維鋪放制造工藝包括加熱和壓實(shí)樹脂預(yù)浸料層壓板，將其滾過可拆卸的心軸并用收縮膠帶覆蓋，然后包裹以進(jìn)行加固。然后，在收縮膠帶施加壓力的幫助下，整個(gè)組件被固化。
2. 自動(dòng)纖維鋪放工藝（AFP）
20世紀(jì)80年代初是纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶（ATL）工藝最初發(fā)展的時(shí)期，當(dāng)時(shí)這些技術(shù)存在許多限制。自動(dòng)纖維鋪放（AFP）工藝可以分為四個(gè)重要的子系統(tǒng)：該工藝包括由計(jì)算機(jī)控制的預(yù)浸料束或預(yù)浸料帶的鋪放，從而制備高度自動(dòng)化的、高速生產(chǎn)的具有雙曲率的層壓板。芯軸的精確輪廓位置會(huì)被編程到具有多軸運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)纖維鋪放（AFP）機(jī)器中。多個(gè)平行的纖維束會(huì)同時(shí)作為一個(gè)帶狀物鋪放在工具的表面上。(a) 纏繞平臺(tái)布置：這是最基本的機(jī)器布局，也是最流行的布局之一。對(duì)于截面變化較快的情況，纏繞機(jī)是理想的選擇。(b) 移動(dòng)柱輪廓：近年來這種機(jī)器輪廓非常流行。通常涉及大型機(jī)器的制作，非常適合大尺寸零件的受限曲率。(c) 高軌龍門設(shè)計(jì)：自動(dòng)鋪帶（ATL）機(jī)器的工具輪廓也用于AFP。AFP的芯軸固定在機(jī)器的Z軸上，物料籃的供給要么安裝在橫梁上，要么安裝在芯軸自帶的支架上。(d) 機(jī)器人手臂配置：機(jī)器人手臂用作纖維輸送系統(tǒng)。這種類型的AFP結(jié)合了旋轉(zhuǎn)和線性累加系統(tǒng)。系統(tǒng)具有很大的自由度，能夠生產(chǎn)出各種各樣的零件，但代價(jià)是需要掌握復(fù)雜的連接反饋系統(tǒng)。由于其出色的靈活性和不斷降低的成本，可靠性變得越來越高。現(xiàn)代纖維鋪放機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積可能非常龐大。大多數(shù)機(jī)器有七個(gè)運(yùn)動(dòng)軸（橫向進(jìn)給、滑架移動(dòng)、手臂傾斜、芯軸旋轉(zhuǎn)、芯軸手腕偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)）。AFP機(jī)器主要設(shè)計(jì)用于制造機(jī)身組件，這些組件通常是淺殼體或管狀結(jié)構(gòu)。它們無法處理混合形狀的應(yīng)用。
3、熱固性材料和熱塑性材料概述
在特定溫度下，熱塑性材料如聚丙烯、聚苯乙烯和PVC表現(xiàn)出不同的流動(dòng)性。熱塑性材料是一種可降解的樹脂，它們?cè)跍囟壬仙侥骋惶囟ㄖ抵澳軌虮３制湫螤?。在成形之前，熱固性塑料和熱塑性塑料具有一樣的鏈狀結(jié)構(gòu)。在成形過程中，熱固性塑料以熱或化學(xué)聚合反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。一旦反應(yīng)完全，聚合物分子鍵結(jié)形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些交聯(lián)的鍵結(jié)將會(huì)阻止分子鏈之間的滑動(dòng)，結(jié)果，熱固性塑料就變成了不熔化、不溶解的固體。
4、自動(dòng)化纖維鋪放工藝中的缺陷
自動(dòng)化工藝可以顯著節(jié)省勞動(dòng)力，并減少材料廢料，尤其是在大規(guī)模復(fù)合材料部件制造過程中。自動(dòng)化纖維鋪放（AFP）工藝在生產(chǎn)大口徑結(jié)構(gòu)方面具有極大的潛力，并且適用于大規(guī)模生產(chǎn)，但也存在與引發(fā)缺陷相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。在試樣中可能出現(xiàn)單一間隙、重疊、半間隙/重疊以及纖維扭曲的缺陷。復(fù)雜表面上產(chǎn)生的間隙會(huì)顯著降低纖維的機(jī)械性能。傳統(tǒng)的限制因素與模具形狀有關(guān)。壓實(shí)滾輪直徑和頭部幾何形狀限制了這種技術(shù)可用于制造部件的凹模半徑。這對(duì)于通常會(huì)被修剪的部件邊緣不是問題；然而，在局部復(fù)合材料層疊過程中，設(shè)計(jì)師需要接受鋸齒狀的層壓板輪廓這一現(xiàn)象。纖維的狀態(tài)可以區(qū)分AFP技術(shù)，預(yù)浸料束以前被廣泛使用。最近，一些研究人員嘗試使用干纖維束，以克服膠帶鋪放的缺點(diǎn)，并增加可變剛度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)靈活性。
5、熱固性材料和熱塑性材料的應(yīng)用
對(duì)高強(qiáng)度、高剛性、良好抗疲勞性和良好耐腐蝕性的需求正在迅速增加。為了滿足這一需求，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料登上舞臺(tái)。最近，3D打印技術(shù)在增材制造方面發(fā)展迅速，包括用于改進(jìn)拉伸強(qiáng)度的機(jī)器元件，以及適用于暴露在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中的零部件，如泵的組件和鉆孔時(shí)使用的部件，采礦作業(yè)中廣泛應(yīng)用了這些技術(shù)。在陶瓷材料中，熱固性材料起著重要作用。滑動(dòng)軸承、軸封、襯套、齒輪和電氣應(yīng)用中，聚合物被用來滿足上述應(yīng)用中對(duì)低重量和低成本的需求。使用熱固性樹脂還可以打印出與血管組織兼容的小直徑血管等組織和器官。骨組織工程為骨骼修復(fù)和重建帶來了希望。良好的光聚合能力可用于制造（如聚丙烯富馬酸酯（PPF）、明膠材料、三亞甲基碳酸酯（TMC））等聚合物。熱塑性材料是最重要的商用材料之一，占所有合成聚合物總使用量的約70%。常見的熱塑性材料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和尼龍。聚丙烯制成的物品包括保鮮膜、面包包裝袋、糖漿瓶、處方藥瓶和塑料購(gòu)物袋。固態(tài)和薄膜狀聚苯乙烯用于制造堅(jiān)固的食品服務(wù)容器、CD盒、電器外殼、信封窗口等多種產(chǎn)品。聚苯乙烯泡沫用于食品服務(wù)產(chǎn)品和建筑保溫材料。聚氯乙烯（PVC或乙烯基）廣泛應(yīng)用于建筑和施工、醫(yī)療保健、電子、汽車等領(lǐng)域，產(chǎn)品包括管道和外墻板、血袋和導(dǎo)管、電線和電纜絕緣、擋風(fēng)玻璃系統(tǒng)組件。尼龍是一種用途廣泛的材料，服裝行業(yè)是熱塑性材料應(yīng)用受益最大的行業(yè)。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在襯衫、基礎(chǔ)服裝、內(nèi)衣、雨衣、泳裝、騎行服、傳送帶皮帶和安全帶、防水布、漁網(wǎng)和帳篷的應(yīng)用性能。
6. 自動(dòng)化纖維鋪放工藝的應(yīng)用
自動(dòng)化纖維鋪放（AFP）工藝減少了材料浪費(fèi)、縮短了鋪放時(shí)間，提高了工人的安全性和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，并且可以反復(fù)處理和制造復(fù)雜的機(jī)械零件。該工藝可以在局部增強(qiáng)組件的剛度和強(qiáng)度，并生產(chǎn)具有復(fù)雜載荷變化響應(yīng)（如彎扭耦合）的零件。傳統(tǒng)的手工鋪層和膠帶鋪放方法耗時(shí)較長(zhǎng)，且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。自動(dòng)化方法縮短了所需時(shí)間，并提高了設(shè)置的精度。還引入了基于傳感器的制造方法。纖維復(fù)合材料的粘結(jié)基于復(fù)合材料的熱機(jī)械性能以及自動(dòng)化纖維鋪放的編程。陳舊機(jī)床可以通過使用熱固性樹脂的自動(dòng)化纖維鋪放技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。機(jī)床的主要目標(biāo)是提高機(jī)械生產(chǎn)力和延長(zhǎng)工具壽命。為減少機(jī)床冗余性，使用了多種方法，這些方法都非常謹(jǐn)慎，以避免刀頭與表面發(fā)生碰撞。另一個(gè)主要目標(biāo)是找到問題的完整解決方案，而不僅僅是找到可能只持續(xù)兩到四個(gè)周期的初步解決方案。一種替代方法是使用通用算法來計(jì)算實(shí)際位置和目標(biāo)位置。在減輕重量方面，復(fù)合材料占據(jù)了包括波音和大型飛機(jī)在內(nèi)的飛機(jī)設(shè)計(jì)的50%。機(jī)身制造一直在尋找有效的技術(shù)來制造復(fù)合結(jié)構(gòu)，并已成功將AFP技術(shù)引入生產(chǎn)。厚壁塑料在深海應(yīng)用的壓力容器中得到了發(fā)展。這些壓力容器質(zhì)量?jī)?yōu)良，已成功通過測(cè)試。
7. 自動(dòng)化纖維鋪放（AFP）設(shè)備供應(yīng)商
國(guó)外自動(dòng)鋪帶設(shè)備供應(yīng)商有美國(guó)MAG Cincinnati公司、Automated Dynamics，西班牙 M.Torres，法國(guó) Forest-line，德國(guó)迪芬巴赫等。國(guó)內(nèi)引進(jìn)MAG的有上海飛機(jī)制造有限公司（簡(jiǎn)稱上飛）、航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱洪都）；引進(jìn)MT的有哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱哈飛）、中航沈飛股份有限公司（簡(jiǎn)稱沈飛）、中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱西飛）、航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱成飛）、江蘇恒神股份有限公司（簡(jiǎn)稱恒神）、四川明日宇航工業(yè)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱明日宇航）；引進(jìn)FL的有中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱中航復(fù)材）。自動(dòng)鋪絲設(shè)備的供應(yīng)商有美國(guó)MAG Cincinnati機(jī)器公司，Ingersoll Milling 公司，Automated Dynamics，ENTEC Composite Machine；西班牙 M.Torres；法國(guó) Forest-Line，Coriolis；北馬其頓 MikroSAM；德國(guó)BSD等。就鋪絲機(jī)技術(shù)而言：MAG 最早，Ingersoll 開發(fā)機(jī)型最多，西班牙 M.Torres機(jī)械系統(tǒng)最先進(jìn)。Coriolis 最有特色，EI 最注重實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)引進(jìn)的鋪絲機(jī)多為歐洲公司產(chǎn)品，具體如下。Coriolis（均為機(jī)器人型臥式）：上飛、中國(guó)商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心（簡(jiǎn)稱北研中心）、恒神、四川省新萬興碳纖維復(fù)合材料有限公司（簡(jiǎn)稱新萬興）、中航復(fù)材。MT：西飛（龍門）、明日宇航（龍門）、洪都（臥式）、上飛（臥式）。FL：中航復(fù)材（龍門，鋪絲頭為 Coriolis）。MikroSAM：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十三研究所（簡(jiǎn)稱航天43所）（臥式）。
8. 自動(dòng)化纖維鋪放（AFP）研究難點(diǎn)
在AFP工藝中，能夠?qū)澢拿姘?、蒙皮和整流罩進(jìn)行編程和模擬。目前主要涉及機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)。仿生制造是利用自動(dòng)化纖維鋪放技術(shù)和特定類型的纖維來制作生物結(jié)構(gòu)的過程。人類器官也可以通過AFP工藝制造，目前仍處于實(shí)施的早期開發(fā)階段。生物打印領(lǐng)域還面臨著組織工程和再生醫(yī)學(xué)的研究難題。為了確保打印的組織結(jié)構(gòu)可以長(zhǎng)期存活，需要保證工程構(gòu)造的充分血管化。這一策略的難點(diǎn)在于工藝與材料、細(xì)胞以及打印系統(tǒng)中其他元素的兼容性。
9. 未來工作
AFP（自動(dòng)化纖維鋪放）行業(yè)正處于快速發(fā)展的階段，大量的創(chuàng)新與新的里程碑不斷涌現(xiàn)。生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步使得更加復(fù)雜零件的制造成為可能。醫(yī)學(xué)移植領(lǐng)域的未來發(fā)展有66%依賴于AFP工藝，以及與此工藝兼容的新型熱固性材料和熱塑性材料。自動(dòng)化纖維鋪放技術(shù)本身也將經(jīng)歷更多變革，如用于熱固性材料和熱塑性材料的多功能頭部控制器的開發(fā)。在當(dāng)今環(huán)境中，生態(tài)復(fù)合材料的需求日益增加。因此，未來的工作將致力于天然熱固性材料的研究，重點(diǎn)受制于纖維的尺寸和體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。熱固性材料主要用于天然纖維的生產(chǎn)，包括酯化處理、醚化處理和苯甲?；幚淼裙に嚒Ｒ虼?，未來的工作將集中在天然纖維的生產(chǎn)、仿生制造以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用上。熱塑性和熱固性復(fù)合材料作為制造飛機(jī)機(jī)身的非常有效的材料，不僅可以降低成本，還具有出色的剪切應(yīng)力和改進(jìn)的機(jī)械性能。即使AFP技術(shù)已經(jīng)初具規(guī)模，復(fù)合材料領(lǐng)域的熱塑性材料開發(fā)仍處于初期階段。研究兼具熱塑性特性和熱固性材料強(qiáng)度的新型復(fù)合材料將會(huì)帶來巨大的益處。1. 陳博.國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料工藝設(shè)備發(fā)展述評(píng)之四——自動(dòng)鋪放成型[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程,2023,(S1):34-43.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.032.2. V. Dhinakaran, K. V. Surendar, M. S. Hasunfur Riyaz et al., Review on study of thermosetting and thermoplastic materials in the automated fiber placement process, Materials Today: Proceedings.