自动铺带机在大型飞机制造中的应用

复材构件飞机时代业已来临
从20世纪20年代铝合金被作为减轻飞机结构重量的首选用材开始，至今已有70多年的历史了，而如何减轻飞机结构重量，一直是飞机设计制造的永恒话题。

信息技术、材料技术和制造技术的快速发展推动现代飞机设计制造技术发生了重大变化，特别是高强度低密度的复合材料（Composites，下文简称“复材”）的出现，以及其在飞机结构件设计制造上广泛、成功的应用，不断改写着铝合金材作为现代大型飞机主结构用材的历史，复材已逐渐取代铝合金成为现代大型飞机的主结构用材。

现代大型飞机设计制造中对复材的广泛采用趋势是如此明显，可以看到，复材作为飞机主结构用材的时代已经来临。复材出现於20世纪60年代，由於其具有高比强度、高比模量、良好抗疲劳性、抗腐蚀性和隐身性能等一系列优点，得到了航宇工业界普遍认可，成为既能明显减轻航宇飞行器重量、又能提高性能的理想结构用材。其在现代军民用飞机设计制造上的应用日趋广泛，从图1可综观这一发展历程。

用於飞机复材构件制造的主要有树脂基、金属基和陶瓷基三类复材。目前应用最为广泛的是碳纤维增强型树脂基复材（CFRP：Carbon-Fiber Reinforced-Plastic），占80%以上。飞机复材构件最早在B-1/B-2轰炸机和F-16战斗机上得到应用，但其所占重量比都不超过2%-3%，後来的F/A-18E/F飞机复材构件数量已超过结构件的50%以上，而F22/A和F35则超过结构件的75%，所占重量比达24%和35%-40%，大型军用运输机A400M达35%。

20世纪80年代末，复材构件的应用日臻成熟且发展迅速，其在军机上的应用开始从非主承力构件快速延伸到主承力构件，出现了全复材机身构件，同时其应用范畴亦扩展到商用客机。从图1所示的三条应用趋势曲线可以一眼看出：商用客机广泛应用复材构件大约比军用飞机晚了10-15年时间。

发展至21世纪初，商用客机构件的设计发生了重大变化，铝合金用材重量比已从占60%的较大幅度下降到20%，复材用量也从不足10%迅速攀升至50%以上，跃升为现代大型商用客机的主结构件用材。

与此同时，高强度低密度的钛合金承力结构件获得更多采用，如图2所示。空客A380客机中复材构件所占重量比只是25%，而空客A350XWB宽体客机的这一数值已达52%，总计实现减重约7,983kg。又比如，波音777客机中复材构件所占的重量比不到15%，而波音787“梦想”则已超过50%。据预测，到2015-2020年，现代商用客机复材构件用量所占重量比将达70%-80%。

事实上，目前一些具有创新性的全复材或准全复材构件的无人机、直升机和商务飞机已经研制成功，复材构件的飞机时代已经来临。

制造复材构件的机床应运而生
复材构件在现代先进飞机上的大量应用，使得复材构件的设计制造成为现代大型飞机批量生产的瓶颈，实现高生产率自动化复材构件的制造越来越受到航空飞机制造业的关注。目前，飞机复材整体构件的制造生产主要通过以下四种铺放制造技术来达成：半自动人工铺放、自动纤维缠绕、自动带料层铺和自动纤维铺放。

半自动人工铺放：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，不需要制造铺层样板而是直接通过数字自动剪裁机剪裁铺层片料，而後再借助激光定位系统进行人工层铺。

自动纤维缠绕机床（AFW：Automated Filament Winding）：简称自动缠绕机，使用低材料费用的长纤维带，按照预定轨迹连续反复地在一个回转芯模上逐层缠绕贴铺。层间可交叉角度缠绕贴铺，但不能沿回转芯模轴向纵向（0°方位）缠绕贴铺以及局部增厚或加筋。

自动复材料带层铺机床（ATL：Automated Tape Layer）：简称自动铺带机，主要用於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。

自动纤维铺放机床（AFP：Automated Fiber Placement）：简称自动铺丝机，主要用於复杂曲面型复材构件的铺放制造。

早期飞机复材构件的制造大部分采用手工铺放，劳动强度大，材料浪费严重，生产率低下，产品质量难於保证。完全人工铺放及半自动人工铺放工艺，显然难以应对复材整体构件在现代大型飞机上日渐广泛的应用，急需解决的问题便是应用自动化铺放设备。这能有效提高生产效率、增加产量、改善制造过程的可控制性，同时减少材料浪费，降低成本并提高产品质量，从而进一步推动飞机复材构件制造设备的重大发展与创新，自动铺带机（ATL）和自动铺丝机（AFP）由此应运而生。

ATL/AFP铺放设备根据复材整体构件铺层的设计要求，通常采用将碳纤维预浸料带或预浸料纤维束逐层铺叠在模具表面、并进行在线或离线热压固化的方式。因此，复材整体构件制造技术是制造装备技术、应用软件技术和制造工艺技术的融合集成。应用CFRP进行复材整体构件制造，不仅需要研究解决共固化、共胶接和二次胶接等若干基本的复材成形工艺技术，还需要研究解决用於制造复材整体构件的下料剪裁、铺放、铣钻削修整以及无损检测等相关的关键制造装备及其应用软件。

目前，用於自动化制造复材整体构件的ATL/ AFP机床已成为现代大型飞机生产的关键制造设备之一。为此，世界一些着名数控加工机床制造商和专业复材构件加工设备制造商都纷纷推出自家设计制造的ATL/AFP机床。