复合材料在车辆和飞机制造中的应用正在迅速扩大。这得益于其诸多优势，如重量轻、强度高、耐用性强、耐腐蚀且设计灵活。随着这些行业对复合材料部件的需求持续增长，对高速度、高精度、灵活、智能且模块化的制造技术的需求也随之增加。复合材料制造系统公司Airborne(荷兰海牙)为此提出了自动铺层(APP)的创新概念。

APP是一种机器人操作、自动化和模块化的预成型技术，可在树脂传递模塑(RTM)加工前最大限度实现复合材料部件的设计和材料自由度。该技术集成了机器人技术、智能软件和工艺优化方面的最新进展。

“APP 技术让工程师能够设计出最佳性能，摆脱手工铺层的限制，这得益于机器人和自动化软件的高精度，”英国 Airborne 公司董事总经理乔·萨默斯解释道，“自动铺层技术的发明旨在提高精度、减少浪费，并使任何形式的复合材料都能在自动化生产中制造。”

“许多复合材料以卷材形式供应，”萨默斯继续说道。“自动纤维铺放（AFP)和自动铺带(ATL)技术只能处理以窄带形式存在的少量复合材料，它们根据带状材料将复合材料转化为层压板。从单向(UD)材料的带状形式开始，通常限制了优化最终部件的空间。相反，APP 可以处理所有材料形式——不仅包括干纤维、预浸料或热塑性 UD 带，还包括非屈曲织物等纺织品，以及薄膜、金属层压板（如夹芯板用芯材）、预固化子层压板或片状均质材料。”

自动铺层(APP )工艺分解

在工艺第一阶段，APP 使用传统传送带切割机将预浸料精确切割成所需形状。随后 APP 机器人拾取预浸料，通过基于摄像头的视觉系统评估其精度：检查预浸料几何形状是否正确，验证每片切割料的切割质量是否达标，并测量预浸料在机器人末端执行器上的定位情况。

准备加工的复合材料层被定向并放置在焊接台上——软件实时调整机器人动作以确保精准定位。各层按制造二维定制层压板所需的正确顺序堆叠在焊接台上，通过超声波或热针焊接进行接合。焊接会激活干纤维材料中的粘合剂，该工艺同样适用于热塑性复合材料。预浸料无需此工序，但可集成去除离型膜或背衬纸的中间步骤。

未准备好加工的裁切层片存储在缓冲系统中，实现"非顺序"铺放。这减少了材料浪费，因为层片已为生产预先准备就绪，从而降低了运营成本并提高了可持续性。处理后的层片经焊接后，机器人将层压板精确放置在热成型机上，为 RTM工艺做准备。采用机器人修边单元对预制件外缘进行修整，确保与模具紧密贴合。

在 RTM 零件制造过程中，准备好的净形预成型件被放入刚性模具型腔，类似注塑成型所用模具。刚性模具可施加>1 巴的压差，从而提升浸渍质量，进而改善层压板质量。

闭合模腔后，预成型体被压缩至最终纤维体积含量。树脂通过一个或多个注胶口注入模腔，使部件充分浸润，随后在所需温度下固化并脱模。RTM 工艺对于复合材料部件批量生产的核心优势在于能够实现流程自动化，从而提高生产速率。

“精确的预制件对于RTM工艺尤为重要，它能确保树脂充分渗透并避免部件缺陷，”Airborne 公司首席技术官 Marcus Kremers 强调道，“作为 RTM 复合材料生产线的一部分，APP 系统可以非常精准且重复地控制复合材料制造流程，既不需要休息也无需针对精细作业进行培训，从而消除了人为因素及其给复合材料制造过程带来的变异。”

Airborne 的制造即服务（MaaS）商业模式使客户能够购买或租赁其自动化系统。APP 的可定制特性意味着客户可以定义自动化单元的功能。这提供了优化的制造解决方案，以支持汽车、航空航天和可再生能源等行业以及技术研究中心、制造公司等的各种需求。

空客赫塔菲 A350 生产线

空客公司在其西班牙赫塔菲生产基地采用Airborne 的APP技术，自动化生产A350XWB机身第19段的碳纤维增强聚合物(CFRP)后梁和检修门框预成型件。该后机身采用共固化CFRP蒙皮桁条筒体结构，尺寸为 6×5 米。梁支撑件与门框通过共注射RTM工艺集成为单一部件——包含两根纵梁、两根过梁和四个框架段——整体面积为 3 平方米。

空客A350XWB 机身第19段采用了树脂传递模塑成型的后机身梁和维护门框结构。图片来源：空客

第 19 节集成框架采用单组分 RTM6 环氧树脂和中等模量(IM)碳纤维增强材料，这些材料逐层定制，并与赫氏公司（美国康涅狄格州斯坦福德）合作开发。优化工作采用并行方法，同步开展原材料开发、结构设计、制造工艺和工业化生产方案的协同推进。

这些二维预成型件采用单向纤维、非屈曲织物和机织织物手工制成，随后通过热压成型转为三维形状，组装成梁结构后注入RTM6树脂。空客公司开发了定制化RTM成型单元，将其称为高精度RTM工艺，并指出这是制造高承载主结构件的高效方法。

空客公司在该项目中实现预成型生产自动化的主要驱动力，是通过取代包含多个步骤的手工操作来提升质量控制。这种定制化 RTM 单元的自动化技术已被空客及其一级供应商应用于多种零部件生产，不仅提高了质量、减少了浪费，更能满足日益增长的生产速率需求——例如该公司承诺到 2026 年实现每月生产 75 架 A320 飞机的目标。

为满足该计划需求，Airborne 在开发 APP 系统时面临多项挑战。首先，部件尺寸非常大。为此，Airborne 改造了空客单元，使其能处理最大 3.5 米的预制件。该项目还涉及多种铺层形状和复合材料。Airborne 配套的自动编程软件技术被用于应对这些挑战。最终，该系统采用自动拾放技术生产干纤维预制件，这在空客尚属首次。因此，空客正在对 APP 技术进行认证，并将提供支持以确保符合生产标准。

一级汽车供应商

满足汽车行业对高生产率和高质量的要求是制造机械面临的最具挑战性的任务之一。随着复合材料在汽车设计和制造中持续替代其他材料，生产铺层并将其组装成层压板和部件已成为日益关键的问题。APP 的首个汽车应用案例由帝人汽车技术公司（美国密歇根州奥本山）法国普昂塞工厂开发，用于生产高度工程化的干纤维 RTM 部件。

帝人汽车技术公司是一级汽车零部件供应商，提供采用多种技术制造的部件，包括片状模塑料(SMC)、热塑性复合材料、热固性预浸料和树脂传递模塑(RTM)。该公司引入自动化预成型工艺(APP)的驱动因素，是客户对高性能跑车整体复合材料车门的需求——该车门需具备完全的道路适用性，包括符合碰撞安全法规。

帝人汽车技术公司的 APP 系统成功生产出采用干纤维 RTM 工艺制造的完整复合材料车门。图片来源：帝人汽车技术公司

“主要挑战在于用复合材料设计和制造防撞结构，”帝人汽车技术公司研发总监马克-菲利普·托伊特甘斯表示，他负责该公司法国普昂塞工厂的研发工作。“传统复合材料车门采用金属结构实现防撞功能，要改用复合材料替代，必须对复合结构进行极其精确的预测和可重复性研究，以确保结构安全达标。”

“制造过程中每层铺层的精确定位至关重要，尤其是次表面层的纤维角度，”托伊特甘斯继续说道。“传统手工铺层工艺无法实现高精度重复性，而 APP 的每层视觉检测和机器人精准铺放可以做到。”

“另一个优势是APP可以精确切割和铺放2至300克的30多层材料，这消除了间隙和重叠的问题，而如果使用AFP（自动纤维铺放）则需要解决这些问题，”Toitgans 补充道。“AFP铺放的干纤维带或丝束有许多优点，但一个挑战是精度，特别是因为丝束本身的宽度也存在一定公差。”

如图所示，这些铺层通过叠加实现零件厚度变化，在需要增强强度的区域增加额外层数，在应力较低处则减少厚度。照片来源：帝人汽车技术公司

托伊特根指出，即使能够控制精度，仍会出现许多间隙或重叠，这些情况会影响铺覆（间隙区域可能出现褶皱）或浸润（渗透率不同）。他表示："APP 技术解决了这一难题。"车门二维定制坯料制成后，通过先进的定制 RTM 成型工艺加工为三维部件。

对于帝人汽车技术公司而言，干纤维RTM 技术是提升其复合材料技术生产速率和精确度的重要战略技术。该公司已开始采用 APP 制造工艺及设备推进未来项目。