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自动铺放技术

   日期:2020-05-13     来源:《复合材料件可制造性技术》    浏览:523    
核心提示:复合材料的自动化制造技术已经有了重大的进展,尤其在材料的铺贴工艺阶段。例如,波音777飞机的全复合材料尾翼采用了多种自动化工
复合材料的自动化制造技术已经有了重大的进展,尤其在材料的铺贴工艺阶段。例如,波音777飞机的全复合材料尾翼采用了多种自动化工艺,包括预浸料裁切、自动铺放技术和成形等。自动铺放技术AFP(AutomatedFiber Placement) ,是实现复合材料"低成本、高性能”的重要手段之一,在航空航天高性能复合材料结构制造中应用极为广泛,近年来发展十分迅速。AFP技术特别适于制造形状复杂的零件,铺放速度5~30m/min,最大达60m/min;精度±0.5°,±0.25mm。速度高、材料利用率高、零件质量好,生产成本低,加上大面积整体成形技术可降低成本50%。复合材料自动铺放技术主要包括自动铺带ATL(AutomatedTape-Laing)和自动铺丝ATP(AutomatedTow Placement)技术。采用自动铺放技术可以明显地降低具有复杂形状的复合材料构件的制造成本。最早的自动铺放技术研究来自复合材料机身的制造,如果采用缠绕技术制造机身时,遇到的问题是缠绕张力使凹面产生缝隙、缠绕张力使纤维产生滑移而偏离应该的位置和缠绕I艺不能有效地改变厚度。纤维铺放技术解决了上述问题,它可以在大型复杂型面上铺放和压实连续预浸纤维,纤维在芯模上铺放完全在无压力状态下进行。当铺放预浸带时,预浸带的宽度可以根据需要调整。自动铺放精度可达0.005mm,为了调解黏度,纤维预浸带可以加热或冷却。自动铺放技术已经得到广泛的应用,获得了明显降低成本的效果。
 
01.自动铺带技术简介
 
1983年第一台商用铺带机进入生产领域,F-16的80%蒙 皮件、F-22的4块机翼 壁板,面积为5.49mx 5.18m,厚度为3.8~14.2mm,重量达113kg、波音777的零件等均由自动铺带生产。自动铺带机的应用最大限度地节省时间、劳动力,速度较手工提高10倍。节省原材料,废品率仅3%~ 5%(手工为25%~ 30%)。提高制件精度、质量降低成本。一般来讲,零件尺寸越大效率越高。对于手工操作,5mx2.5m为其临界尺寸,大了反而效率降低,劳动成本大大提高,甚而超过操作寿命而制造不成。
 
自动铺带技术以带有隔离衬纸单向预浸带为原料,在铺带头中完成预定形状的切割,加热后在压辊的作用下直接铺叠到模具的表面。当预浸带铺放到模具表面上时,由铺带头将衬纸去除。当预浸带铺放完毕时,铺带头可以根据需要从不同的角度切断预浸带。自动铺带主要采用热固性树脂预浸带,也可以采用同热塑性树脂预浸带。铺放热塑性树脂预浸带时采用热压靴或激光焊接。为保证自动铺带的质量,常用线扫描和倾斜光脉冲进行在线监控并及时纠正铺带轨迹。自动铺带按铺放的功能分为平面带铺放(FTLM)和曲面带铺放(CTLM) :平面带铺放采用150mm和300mm宽的预浸带,而曲 面带铺放通常采用75mm和150mm宽的预浸带; 前者铺放效率极高,主要用于小曲率机翼壁板铺放,后者可以实现中等曲率壁板的铺放,至可以在一定范围内实现小曲率曲线轨迹铺放,适于铺放大尺寸机身等部件。

02.自动铺带设备、铺带工艺与设计
 
自动铺带机是复合材料自动铺带成形的关键。早期开发的自动铺带机较为简单,只能铺放单曲面形体,预浸带宽有限,预浸带的切割多采用气动剪,切割角度变化范围小。随着复合材料用量的增加,铺带机的需求越来越大,铺带机的及时进步越来越快。设备、程序、电脑控制软件、可靠性、易操作性等方面都有很大改进,铺放头技术已经发展到第4代。现代的铺放机功能强大,可以铺放相当复杂的双曲曲面。
 
典型的10轴龙架式自动铺带机如图3-21所示 ,铺带机的主要部分包括:一个龙门架结构,一个做平面运动的横梁,一个位于其端部的可升降的铺放头。龙门]结构可以是固定床位,也可以是开放式架结构。
 
铺带机的核心是自动铺带头,图3-22是 典型的5轴铺带头。预浸带按照程序预先切割后才进入加热器,以保证预浸带适当的黏性。预浸带通过压辊/压靴铺叠到模具表面,背衬纸自然回收。为适应双曲面铺放,面压辊/压靴可以是组合式的,靠液压/气动调节实现曲面自适性。有的铺带头还设有尾压辊以保证铺放到边缘时良好的力成形。为了提高效率,法国的Forest-line开发出双向铺带头,一方面加大储带量,另一方面减少由于铺到边界时铺带头转动回铺而浪费时间,从而大大提高生产效率。
 
自动铺带重要的工艺参数有压辊压力和预浸带加热温度及铺放速度。当带铺放到模具表面时,铺放头悬挂于工件之上,压辊施加压力于铺放表面。这在铺放突变和凹谷的时候可以减少铺放带的多余运动。铺放压力由计算机控制,当铺放150mm的宽带时,励265 ~ 1303N ;而当铺放300mm的宽带时,总压力265 ~ 2675N。预浸带的铺放温度范围由所采用的材料体系决定,一般为26 ~43℃。

03.自动铺带技术的应用
 
自动铺带技术AFP(AutomatedFiber Placement),该技术是在自动铺带和纤维缠绕基础上发展起来的,称第4代铺放机,既可铺纤维带又可铺纤维束。国波音, Cincinati Machine与Cytec共同努力于70年代中期开始研制自动铺带机,现已发展了三代自动铺带机,三代不同的铺带机的特点如表3一8所示。该技术自80年代中期研发,1989年Cincina-tiMachine设计了第一台纤维铺放机器FPM(FiberPlacementMachine),于1990年交付使用, 该设备的运用可以明显提高复合材料生产效率,降低制造成本。发达国家已经无一例外采用自动铺带技术制造航空复合材料结构件。
 
波音公司是世界上航空制造应用自动铺带技术的最主要的单位,世界现有的50余台自动铺带机中,波音公司拥有21台。20世纪80年代开始,波音公司在自动铺带技术方面投入大量的资金和人力。发展自动铺带技术生产B2轰炸机大型复合材料构件。近年来波音公司也将自动铺带技术应用于其他项目,主要包括 : NavyA6轰炸机(复合材料机翼)、F- 22战斗机(机翼和波音777民用飞机。波音777民用飞机的全复合材料尾翼,水平和垂直安定面蒙皮均采用自动铺带技术制造。
 
Vought飞机公司也是自动铺带机技术的先驱之一, 在自动铺带技术方面一直保持领先地位,目前其使用这个系统生产军用C- 17运输机水平安定面蒙皮。1998年自动铺带成形的水平安定面蒙皮首次安装在C- 17 飞机上。每架飞机上有4块蒙皮(2块上蒙皮, 2块下蒙皮),每块蒙皮大约13m长, 3.7m宽(根部),蒙皮层板在根部厚度为0.183m ,每年大约生产60件这样的蒙皮。
 
EADS一CASA是 在欧洲最早使用平面自动铺带机和曲面自动铺带机生产复合材料结构的公司,自动铺带系统位于西班牙马德里附近的llesas先进复合材料生产厂。主要生产产品有机蒙皮、尾翼、垂直/水平翼蒙皮、飞机翼梁、 增强肋等。主要包括:空客A330和A340飞机水平安定面蒙皮、A340-600尾 翼蒙皮、Dornier728 飞机的水平和垂直安定面蒙皮以及翼梁,CASA还将采用自动铺带技术生产空客A380长达16m、宽4m的安定面蒙皮,同时,空客 A319/A320/A321飞机的尾翼蒙皮也将由目前的手T铺贴改为自由铺放生产。与手工铺贴相比,CASA自动铺带机具有很高的生产效率,生产效率一般是手工铺贴的10倍。当用150mm宽预浸带作平面铺放时,生产效率是手工铺贴的22倍以上。采用自动铺带技术预浸料的利用率高达95%以上,手工铺贴预浸料利用率只有70% ~ 75%,材料利用率的提高对于降低成本也是非常重要的。
 
 
 
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