自动铺带技术在大飞机中的应用

宋兴龙

【摘 要】复合材料作为现代航空飞行器主结构用材时代已来临，采用复材整体结构作为现代大型飞机主结构部件设计已是明显的发展趋势，而用于制造复材整体结构的自动铺带机（ATL）则成为现代大型飞机制造的关键设备。本文将对自动铺带设备基本构成、配套设备及工艺、应用现状和发展趋向进行介绍和论述。

【关键词】自动铺带 复合材料 热隔膜 ATL

【中图分类号】 E926.3【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0049-01

减重是提高飞行器经济性的关键，大型飞机每减轻1Kg重量，增加的经济效益超过450美元（根据空客公司统计，结构重量每降低1%，飞机总重量可降低3%～5%，油耗可减少3%～4%）。研究表明手工铺叠复合材料效率为3磅/h，而自动铺带技术能达到15～30磅/h，手工铺叠复合材料废料量为15%～20%，而自动铺带技术只有5%左右，还有研究表明利用自动铺带技术制备的复材构件具有尺寸精度较高，内应力低等特点，是提高复合材料性能的一个重要途径。

1 自动铺带技术应用现状

国外大型军用、民用飞机中复合材料构件的比重迅速增加，空客A380用60.5吨占结构重量25%，波音787用25吨占结构重量50%，空客A350复合材料构件将占结构重量的52%。事实上，目前一些具有创新性的全复材或准全复材的无人机、直升机和商务飞机已经研制成功。航空材料专家曹春晓院士指出：飞机用材料正由铝合金时代向复合材料时代迈进，先进飞机的复合材料起点将是50%。经论证，我国大型客机C919基本型的复合材料设计用量2014年为15%，2016年达到23%，接近A380复合材料用量25%的水平。

目前我国复合材料生产线尚处于半自动人工铺放阶段，即：应用复材构件设计制造软件，生成复材构件各铺层2D轮廓数据，不需要制造样板而是直接通过数字自动剪裁机剪裁铺层片料，而后再借助激光定位系统进行人工铺层。

2 自动铺带机（ATL）结构

自动复材料带层铺机床（ATL：Automated Tape Layer）简称自动铺带机，主要用于平面型或低曲率的曲面型或者说准平面型复材构件的层铺制造。

2.1 自动铺带机机床

ATL机床多采用开放式高架龙门移动式结构设计，其整体结构非常类似於金属切削加工应用的开放式高架龙门移动结构五坐标数控铣床。

2.2 自动铺带机铺带头

ATL机床配置使用的铺带头是集复材带料输送、加热、滚压贴紧、剪切、等铺放功能于一体的复材带料铺层控制装置。铺带头一般均设计有供料卷盘、带料导向传送装置、剪切装置、滚动压紧装置、可控加热装置和激光定位装置（选配）等基本部件。西班牙Mtorres公司制造的开放型龙门移动式铺带机，设计有11个数控轴，使用75/150/300mm 标准宽度复材带料。机床C轴±185°，A轴±22.5°（爬坡角度），线性进给速度15～45m/min，定位精度±0.08mm。

（1）供料及回收装置

通过控制供料滚轴和背带回收滚轴驱动电机从而可控制复材带料层铺送料，并控制带料的张紧力。

（2）剪切装置

铺放过程中带料可被切断或剪切层所需角度，两把剪裁刀具通过B轴和V轴进行控制，可以切割出复杂形状。各种切割类型见图1。

铺带头上的滚压辊用于压实铺放的带料。通常，滚压力是可编程的。

（5）激光投影装置

Mtorres在铺带头上带有激光定位装置，可以用于小块带料手工铺贴定位或制件表面玻璃布预浸料铺贴定位。

3 热隔膜辅助成形

热隔膜成型（Hot Drape forming）是采用加热和抽真空加压的方法使用工装（模具）将板料弯曲成需要的形状，是目前自动铺带工艺最主要的辅助成型工艺。目前热隔膜成型的主流方法为正向法，即热隔膜从上而下将材料压向模具。隔膜多采用硅橡胶隔膜，硅橡胶隔膜具有耐高温、延展性好、可重复使用的优点。

自动铺带机适用于平板和较小曲度的零件，复合材料壁板上的长桁（通常为T型、工型和帽型）、角片、框、梁、肋等C形或L形复材零件由于形状限制不能直接使用ATL成型，可行的方法是先将预浸料通过自动铺带机铺成层压件，再通过热隔膜机成型，然后热压罐固化。

3.1 热隔膜机结构及工作原理

热隔膜机主要由主体框架、可移动结构、抽真空工作平台、加热装置、真空系统、控制系统6部分组成。热隔膜机结构及成形方式见图2。

①可移动结构②加热结构③加热灯④橡胶软模⑤密封装置⑥真空平台⑦零件⑧工装图2 热隔膜机设备结构

3.2 热隔膜机工作参数和工艺步骤

具体工艺参数应随不同材料而设定，以预成型温度为60±10℃的碳纤维预浸料为例，操作步骤如下：

（1）以1.5℃的升温速率进行升温，并在52℃下保温10分钟。

（2）将热隔膜机可移动结构下降合模，当零件温度达到50～70℃时保温10到37分钟。然后以1.5 mmHg/min的速率抽真空到-76mm/Hg，然后以200 mm-Hg/min的速率抽真空到-600mm/Hg。

（3）全部热电偶达到温度并保持13～40分钟后，开始降温，降温速度3. 0°C/分，并保持真空，直到温度达到或低于29℃。

（4）卸掉真空，取出零件。

结束语

自动铺带成型是复合材料自动化成型的典型代表，其具有高效、高质量、高可靠性、低成本的特点，特别适合于大尺寸和复杂构件的制造，减少拼装零件的数量，节约了制造和装配成本，并极大地降低了材料的废品率和制造工时。复合材料成型自动化是未来复合材料制造技术发展的必然趋势。

目前，我国复合材料自动化刚刚起步，ATL技术和热隔膜成形技术还处于研发阶段，与国际先进水平相比，仍存有较大差距。以我国正在启动实施大飞机重大项目为契机，借鉴国外先进制造技术，研制具有自主知识产权的成型设备，开发出完整生产成形工艺，是科研工作者的紧要任务。

参考文献

[1] 张建宝、肖军、文立伟等.自动铺带技术研究进展[J]，材料工程，2010（07）

[2] 姚俊、孙达、姚振强等.复合材料自动铺带技术现状与研究进展[J]，机械设计与研究，2011（4）