4.2航空航天及軍工領(lǐng)域

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)匣、燃料儲(chǔ)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?，F(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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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?；騼?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(jì)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(hào)研制：MD-2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管部件中的 13 個(gè)零件，“侏儒”導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)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。

圖15 纏繞成型中的 M51 導(dǎo)彈殼體

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(jì)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(hào)工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動(dòng)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(duì)型面規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件研制開發(fā)的，對(duì)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(shì)。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(chǔ)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(dòng)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16 多軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)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、碳纖維增強(qiáng)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(dòng)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。

圖17 某型號(hào)無人機(jī)

（來源：江蘇新?lián)P新材料股份有限公司公開轉(zhuǎn)讓說明書）

纏繞工藝在低空經(jīng)濟(jì)無人機(jī)領(lǐng)域開拓出關(guān)鍵增量市場(chǎng)。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，尤其是對(duì)輕量化、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件需求的激增，直接推動(dòng)了纏繞設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步與市場(chǎng)拓展。在無人機(jī)特別是主承力結(jié)構(gòu)件（如機(jī)翼梁、機(jī)身梁、尾撐桿等）的制造中，纏繞工藝已被廣泛應(yīng)用。例如，尾撐桿類管狀零件通常采用纏繞成型加工，而一些梁類結(jié)構(gòu)件則結(jié)合纏繞與其他工藝（如模壓）進(jìn)行制造。（張?jiān)鳎捍鼔悍ǔ尚蛷?fù)合材料在小型無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用）低空經(jīng)濟(jì)的核心載體——?dú)鋭?dòng)力eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器），因其對(duì)輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器的剛性需求，將在2027年后引爆對(duì)先進(jìn)纏繞設(shè)備的巨大需求，為纏繞設(shè)備行業(yè)帶來爆發(fā)性的新增量。這一趨勢(shì)凸顯了無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的增長不僅是纏繞工藝的新應(yīng)用場(chǎng)景，更是驅(qū)動(dòng)纏繞設(shè)備迭代升級(jí)和行業(yè)擴(kuò)容的關(guān)鍵力量。

5未來展望與戰(zhàn)略建議

未來展望

當(dāng)前復(fù)合材料纏繞設(shè)備市場(chǎng)呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長態(tài)勢(shì)，主要受三大領(lǐng)域需求驅(qū)動(dòng)：新能源汽車輕量化趨勢(shì)持續(xù)推動(dòng)碳纖維纏繞儲(chǔ)氫罐及電池殼體的應(yīng)用；氫能產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式發(fā)展帶動(dòng)IV型儲(chǔ)氫罐需求激增，預(yù)計(jì)2030年全球市場(chǎng)規(guī)模將突破百億美元；同時(shí)航空航天領(lǐng)域?qū)p量化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的需求旺盛，尤其在無人機(jī)和商業(yè)航天領(lǐng)域表現(xiàn)突出。為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求并提升競(jìng)爭(zhēng)力，技術(shù)升級(jí)聚焦三大方向：一是通過引入機(jī)器人自動(dòng)化與AI視覺檢測(cè)技術(shù)提升纏繞精度和產(chǎn)品一致性，并利用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化纏繞路徑設(shè)計(jì)以降低試錯(cuò)成本；二是發(fā)展高速纏繞技術(shù)以提高生產(chǎn)效率，滿足汽車等行業(yè)的規(guī)?；圃煨枨?；三是增強(qiáng)設(shè)備的多材料兼容性，使其能夠適配包括碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維以及熱塑性復(fù)合材料在內(nèi)的多種增強(qiáng)材料，推動(dòng)技術(shù)迭代升級(jí)。

戰(zhàn)略建議

纖維纏繞設(shè)備行業(yè)應(yīng)聚焦高增長細(xì)分市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)突破：一方面優(yōu)先布局氫能儲(chǔ)罐設(shè)備領(lǐng)域，把握IV型儲(chǔ)氫罐滲透率持續(xù)提升的明確趨勢(shì)，搶占設(shè)備需求增長先機(jī)；另一方面積極切入新能源汽車供應(yīng)鏈，與頭部電池及車身部件制造商深度合作，共同開發(fā)滿足其特殊需求的復(fù)合材料專用纏繞設(shè)備。為支撐市場(chǎng)拓展，同步大力提升設(shè)備技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力：在智能化方向，研發(fā)集成AI工藝優(yōu)化算法與在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如超聲或激光實(shí)時(shí)檢測(cè)）的智能纏繞設(shè)備；同時(shí)開發(fā)高度模塊化的設(shè)備平臺(tái)，靈活適配航天領(lǐng)域多品種、小批量的定制化生產(chǎn)需求。在材料技術(shù)方向，重點(diǎn)突破熱塑性纏繞技術(shù)——因其復(fù)合材料可回收特性，契合歐盟碳關(guān)稅等嚴(yán)苛環(huán)保法規(guī)要求，但需攻克高溫熔融纏繞的工藝核心難題。在成本優(yōu)化方面，通過采用國產(chǎn)高性能伺服電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件降低成本，并創(chuàng)新開發(fā)纖維鋪放與纏繞相結(jié)合的低成本混合工藝。