一、引言

干纖維鋪放技術(shù)的概念最早在2010年由歐洲的“Fibre Chain”計(jì)劃提出，該計(jì)劃匯集了七個(gè)歐洲國(guó)家的資源，由十八個(gè)歐洲領(lǐng)先的復(fù)合材料研究機(jī)構(gòu)共同參與。此外，作為歐洲機(jī)床行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，西班牙的DANOBAT公司目前也在積極開(kāi)發(fā)干纖維鋪放系統(tǒng)。與此同時(shí)，西班牙的MTORRES工業(yè)公司正與俄羅斯MS-21航空復(fù)合材料計(jì)劃緊密合作，共同探索將干纖維鋪放技術(shù)應(yīng)用于航空復(fù)合材料構(gòu)件制造的可能性。德國(guó)BROETJE自動(dòng)化有限公司，作為航空機(jī)械裝備領(lǐng)域的重要供應(yīng)商，也投入了巨額資金，致力于開(kāi)發(fā)干纖維鋪放設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。相比之下，由于自動(dòng)化鋪絲設(shè)備和國(guó)內(nèi)材料性能的局限，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究還停留在基礎(chǔ)探索階段。

圖1 自動(dòng)鋪放成型機(jī)設(shè)計(jì)示意圖

以前，復(fù)合材料的生產(chǎn)主要依靠工人的手工鋪放技術(shù)，這種方法不僅效率低下，而且存在精度差、成本高、材料利用率低等多重問(wèn)題，難以滿足高質(zhì)量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)需求。隨著自動(dòng)鋪絲技術(shù)（Automated Fiber Placement, AFP）的引入，人們開(kāi)始能夠智能設(shè)計(jì)并自動(dòng)化制造復(fù)合材料部件。這一技術(shù)顯著提升了生產(chǎn)效率，嚴(yán)格控制了生產(chǎn)過(guò)程，降低了人工成本，并且能夠精確控制鋪層厚度，減少空隙含量（通常小于1%）和材料報(bào)廢率（5%～20%）。然而，傳統(tǒng)的自動(dòng)鋪絲技術(shù)所使用的預(yù)浸料需要通過(guò)熱壓罐固化，這一過(guò)程成本高昂且步驟繁瑣，不利于AFP技術(shù)的廣泛采用。由于預(yù)浸料帶的寬度、工藝質(zhì)量和鋪放路徑軌跡的限制，機(jī)身框架、飛機(jī)尖角整流罩等大曲率構(gòu)件在鋪放過(guò)程中極易產(chǎn)生褶皺，甚至有些拐角或直角特征根本無(wú)法鋪放。此外，在傳統(tǒng)的預(yù)浸帶式纖維鋪放工藝中，為了防止樹(shù)脂基體交聯(lián)反應(yīng)失效，預(yù)浸帶需要在低溫下儲(chǔ)存，且儲(chǔ)存壽命僅約為6個(gè)月。同時(shí)，預(yù)浸帶在鋪放過(guò)程中，高粘度樹(shù)脂會(huì)對(duì)鋪放設(shè)備造成污染，損害設(shè)備壽命。這些問(wèn)題極大地阻礙了復(fù)合材料構(gòu)件性能的進(jìn)一步提升與應(yīng)用。

圖2 HiTape干燥單向纖維帶

液體成型（Liquid Composite Molding, LCM）技術(shù)利用干燥的纖維或織物預(yù)制體部件，隨后注入樹(shù)脂并進(jìn)行固化，展現(xiàn)出以下優(yōu)勢(shì)：高效的成型過(guò)程——與傳統(tǒng)預(yù)浸帶鋪放系統(tǒng)相比，干纖維鋪放系統(tǒng)能將復(fù)合材料的成型效率提升超過(guò)10倍，其鋪放效率高達(dá)350 kg/h，顯著提升了生產(chǎn)效率。成本效益顯著——干纖維不含樹(shù)脂基體，能在室溫下保存數(shù)月，有效降低了儲(chǔ)存成本。此外，由于無(wú)需使用熱壓罐進(jìn)行固化，干纖維和樹(shù)脂的組合比相同材料的預(yù)浸料成本低70%，并且更易于保存，大幅降低了制造過(guò)程中的成本。精確度高——干纖維鋪放技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料部件的智能設(shè)計(jì)與自動(dòng)化制造，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，提高了制造精度，滿足了高質(zhì)量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的需求。靈活性強(qiáng)——由于沒(méi)有樹(shù)脂基體的限制，干纖維更容易彎曲或剪切變形，鋪層時(shí)轉(zhuǎn)向更為靈活，適用于復(fù)雜形狀構(gòu)件的制造。設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)便——由于不含樹(shù)脂，使用干纖維進(jìn)行自動(dòng)鋪放時(shí)可以減少鋪絲頭中的樹(shù)脂堆積，延長(zhǎng)設(shè)備維護(hù)時(shí)間間隔，提高設(shè)備的可靠性。

圖3 MTorres干纖維生產(chǎn)過(guò)程

在參與干纖維研發(fā)計(jì)劃的過(guò)程中，西班牙機(jī)械制造商MTorres公司成功開(kāi)發(fā)了一條低成本且高滲透性的干纖維制備生產(chǎn)線，并且研制出了成熟的干纖維產(chǎn)品。這些產(chǎn)品包括了廣泛使用的玻璃纖維和碳纖維。以碳纖維干纖維為例，圖3(a)展示了送紗過(guò)程，其中多束50K碳纖維被牽引至干纖維生產(chǎn)線；圖3(b)展示了展寬過(guò)程，將50K碳纖維展開(kāi)至特定寬度；圖3(c)展示了定型過(guò)程，通過(guò)靜電沉積槍噴涂低溫定型劑；圖3(d)展示了復(fù)合過(guò)程，利用紅外加熱技術(shù)將高溫?zé)崴芫W(wǎng)膜與碳纖維、定型劑進(jìn)行復(fù)合；圖3(e)展示了監(jiān)測(cè)與整形過(guò)程，使用光學(xué)設(shè)備監(jiān)測(cè)干纖維的寬度、復(fù)合狀態(tài)和劃縫等，以提高后續(xù)樹(shù)脂的滲透性；圖3(f)展示了收卷過(guò)程，干纖維原型機(jī)的收卷速度為50 m/min，最高可達(dá)75 m/min，而工業(yè)設(shè)備的收卷速度可達(dá)200 m/min。

干纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)是一種精密的制造工藝，旨在精確地按照預(yù)定路徑和方向鋪設(shè)干纖維材料。在干纖維自動(dòng)鋪放的操作過(guò)程中，首先需準(zhǔn)備干纖維材料，這些材料通常以卷材或片材形式存在。隨后，自動(dòng)化設(shè)備依據(jù)預(yù)設(shè)程序控制鋪放頭沿特定軌跡移動(dòng)，確保干纖維材料均勻地鋪設(shè)于基材表面。鋪放頭的運(yùn)動(dòng)由多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)精確操控，以確保纖維鋪設(shè)方向和位置的準(zhǔn)確性。

圖4 MTorres公司的干纖維鋪放公務(wù)機(jī)機(jī)身殼體

圖5翼梁干纖維鋪放（左） ADMP成型風(fēng)電葉片(右）

為確保鋪放質(zhì)量，干纖維自動(dòng)鋪放系統(tǒng)通常集成有先進(jìn)的檢測(cè)和反饋機(jī)制。例如，激光掃描儀和視覺(jué)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)纖維的鋪設(shè)狀態(tài)，確保鋪設(shè)過(guò)程的精確性和一致性。此外，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際鋪放情況自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)材料特性和環(huán)境變化的影響。

激光加熱、高功率閃光燈加熱以及電加熱的方式相比較更傳統(tǒng)的紅外加熱更適合干纖維的自動(dòng)鋪放，激光和閃光燈加熱具有高效、溫度均勻可控、可以快速加熱和冷卻等優(yōu)點(diǎn)，而電加熱則提供了一種區(qū)別于外部加熱的發(fā)展思路，成本低、效率高。

1、鋪絲頭

圖6使用伺服紗架的鋪絲頭

為了更精確地控制與感知張力，Electroimpact公司研發(fā)了一款先進(jìn)的伺服紗架（見(jiàn)圖6），它用伺服/控制器與變速箱的集成替代了傳統(tǒng)的制動(dòng)盤(pán)。這一創(chuàng)新使得整個(gè)張力系統(tǒng)完全置于電機(jī)控制器的精確管理之下，從而能夠?qū)埩Φ奈⑿∽兓龀龈鼮殪`敏和迅速的響應(yīng)。這樣的設(shè)計(jì)適應(yīng)了在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)更低張力和更高速率的需求。

2、特種光源加熱固化設(shè)備

Electroimpact開(kāi)發(fā)的VSS二極管激光加熱系統(tǒng)可安裝在鋪絲頭附近，利用多個(gè)二極管對(duì)準(zhǔn)纖維束鋪放點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多絲束同時(shí)鋪放。激光束精確熔化熱塑性材料，提供黏性，且能快速響應(yīng)和控制加熱時(shí)間，防止過(guò)熱。H16VSS型號(hào)為16束鋪絲頭提供16個(gè)12.7 mm×12.7 mm光斑，無(wú)需光纖電纜連接。

圖7 特種光源加熱固化設(shè)備：低能電子束源、 Vss二極管激光加熱系統(tǒng) 、紫外固化源、閃光燈相對(duì)壓實(shí)輥和模具的位置

3、末端執(zhí)行器

除了通過(guò)外部輸入熱量，讓纖維具備“自我”產(chǎn)熱的能力也是一項(xiàng)創(chuàng)新概念。Helber等人利用碳纖維固有的電學(xué)屬性和電流的熱效應(yīng)，通過(guò)為特定的碳纖維絲通電產(chǎn)生熱量，激活粘結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)鋪層目標(biāo)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的末端執(zhí)行器（見(jiàn)圖8），用以取代傳統(tǒng)的壓實(shí)輥。該末端執(zhí)行器通過(guò)集成在五個(gè)分段表面的銅板實(shí)現(xiàn)電接觸，其中間分段首先與工件表面接觸，隨后兩側(cè)氣缸啟動(dòng)，將剩余的四個(gè)分段也壓緊在工件表面。當(dāng)達(dá)到所需壓力后，便連接電源對(duì)纖維進(jìn)行加熱。

圖8末端執(zhí)行器

樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（RTM）是一種在封閉模具中將干纖維預(yù)成型并注入樹(shù)脂的制造過(guò)程。其基本步驟包括制造干復(fù)合預(yù)成型、將預(yù)成型放入封閉模具、在壓力下向預(yù)成型注入低粘度液態(tài)樹(shù)脂、在高溫和壓力下在封閉模具中固化零件以及解模并清理固化后的零件。RTM工藝具有成本效益高、適合批量生產(chǎn)中等數(shù)量的產(chǎn)品、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的零件生產(chǎn)且表面質(zhì)量較好、模具成本較低等特點(diǎn)，適用于汽車(chē)、航空航天、體育用品等領(lǐng)域。高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（HP-RTM）和真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（VARTM）是RTM的衍生工藝。HP-RTM結(jié)合高壓技術(shù)和傳統(tǒng)RTM工藝，使用高壓注入非常低粘度的反應(yīng)樹(shù)脂，并通過(guò)全自動(dòng)化過(guò)程制造預(yù)成型件，生產(chǎn)過(guò)程中需要使用高達(dá)3600噸壓強(qiáng)的模具。HP-RTM的優(yōu)勢(shì)在于能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和纖維含量，同時(shí)減少孔隙率，從而提升最終產(chǎn)品的性能。VARTM利用真空輔助系統(tǒng)將液體樹(shù)脂拉入預(yù)成型件中，提高樹(shù)脂的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性，減少填充時(shí)間和樹(shù)脂浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。VARTM工藝廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體成型，如航空航天領(lǐng)域，其優(yōu)勢(shì)在于低成本、污染小、效率高，并且能夠顯著提高大尺寸制件的力學(xué)性能。

圖9液體成型工藝流程

RTM、HP-RTM和VARTM各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用領(lǐng)域。RTM因其低成本和靈活性被廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模生產(chǎn)；HP-RTM通過(guò)高壓技術(shù)提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能；而VARTM則以其高效和環(huán)保的特點(diǎn)，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型中具有顯著優(yōu)勢(shì)。選擇合適的工藝取決于具體的應(yīng)用需求和生產(chǎn)條件。

干纖維自動(dòng)鋪放-液體成型技術(shù)是一種先進(jìn)的復(fù)合材料制造工藝，它結(jié)合了干纖維鋪放和液體成型兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)首先通過(guò)自動(dòng)鋪放設(shè)備將干態(tài)的纖維材料（如碳纖維、玻璃纖維等）按照預(yù)定的路徑和角度鋪設(shè)到模具表面，然后通過(guò)注入樹(shù)脂或其他液體基體材料來(lái)浸潤(rùn)纖維，實(shí)現(xiàn)纖維與基體的結(jié)合，從而形成所需的復(fù)合材料部件。圖10呈現(xiàn)了翼梁預(yù)制體的制備過(guò)程，該過(guò)程涉及液體成型技術(shù)，并采用了干纖維自動(dòng)鋪放的工藝。

這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠制造出具有復(fù)雜形狀和高性能要求的復(fù)合材料部件，同時(shí)保持了較高的生產(chǎn)效率和較低的材料浪費(fèi)。它廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、風(fēng)能、體育器材等多個(gè)領(lǐng)域。

圖10 翼梁VARI液體成型過(guò)程

結(jié)構(gòu)應(yīng)用擴(kuò)展：液體成型技術(shù)的應(yīng)用將從次承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到主承力結(jié)構(gòu)，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)提升等關(guān)鍵性技術(shù)的逐漸突破，液體成型技術(shù)在主承力航空復(fù)合材料部件中的應(yīng)用將成為必然趨勢(shì)。

自動(dòng)化預(yù)成型與注膠模擬仿真分析：以干纖維自動(dòng)鋪放、干纖維自動(dòng)鋪縫為代表的自動(dòng)化預(yù)成型、注膠模擬仿真分析等先進(jìn)自動(dòng)化輔助技術(shù)的運(yùn)用成為一個(gè)明顯趨勢(shì)，這一趨勢(shì)將顯著提升復(fù)合材料成型的設(shè)計(jì)性、可控性和制品質(zhì)量。

智能化生產(chǎn)線建設(shè)：液體成型的低成本優(yōu)勢(shì)將伴隨著智能化生產(chǎn)線建設(shè)更加突出，智能化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理化學(xué)參數(shù)、功能指標(biāo)的在線捕獲和跟蹤監(jiān)控，對(duì)指標(biāo)偏差進(jìn)行集成分析并實(shí)時(shí)在線反饋。例如，實(shí)時(shí)數(shù)字孿生模型和基于人工智能的圖像缺陷檢測(cè)模型的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高AFP工藝的精度和效率。此外，隨著機(jī)器人化技術(shù)的發(fā)展，干纖維自動(dòng)鋪放設(shè)備將更加靈活和高效，能夠處理更多種類(lèi)的材料和復(fù)雜的成型任務(wù)。

綜上所述，干纖維自動(dòng)鋪放-液體成型技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)指向了自動(dòng)化、低成本化、智能化以及材料和工藝的專(zhuān)用化和優(yōu)化，這將推動(dòng)復(fù)合材料在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，并促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小輝,朱玉祥,張少秋,等.先進(jìn)復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2018,61(07):54-61.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2018.07.054.

[2]曹宇宸.真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型制作船殼數(shù)值模擬研究[D].煙臺(tái)大學(xué),2023.DOI:10.27437/d.cnki.gytdu.2023.000821.

[3]彭公秋,白鈺,鐘翔嶼,等.干纖維自動(dòng)鋪放液體成型復(fù)合材料技術(shù)的研究進(jìn)展[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程,2024,(03):113-120.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.017.

[4]李晨,秦田亮,賈西文,等.民機(jī)復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲液體成型工藝過(guò)程若干數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)探討[J].航空制造技術(shù),2023,66(21):46-57.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.046.

[5]黃炎,張小輝,孫朝海.干纖維自動(dòng)鋪放參數(shù)對(duì)復(fù)合材料剪切性能的影響[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2023,45(02):168-172.

[6]聶玉強(qiáng),付晨辰,彭運(yùn)松.干纖維自動(dòng)鋪放-液體成型技術(shù)進(jìn)展研究[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2023,38(04):19-26.DOI:10.19515/j.cnki.1003-1545.2023.04.011.

[7]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.

[8]Ajay Kumar Kadiyala, Keith Devlin, Stephen Lee,Evaluation of the flexural properties and failure evolution of a hybrid composite manufactured by automated dry fibre placement followed by liquid resin infusion,Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,Volume 154,2022,106764,ISSN 1359-835X,https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106764.