来源：《航空制造技术》杂志 2017年第16期
整理：航空制造网
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自动铺丝技术是国外大型宽体客机制造的关键技术，具有超强的结构适应性，可以铺放更大的复合材料构件，在大型宽体客机复合材料构件的自动化成型制造中应用广泛。
01
自动铺丝技术原理
自动铺丝技术是指在多坐标自动铺丝机的控制下，铺丝头将多束预浸丝束通过放卷、导向、传输、压紧、切割、辊压等功能在压辊下集束成带，并按照计算机规划的轨迹进行铺层的自动化铺放。在铺放过程可实现预浸丝束的单独控制，实现增减丝束，并可实现转弯铺放。因此，自动铺丝具有更强的曲面适应能力，不仅可以铺放凹面、凸面，还可以实现开口、补强等变厚铺层，纤维角度偏差更小，生产效率更高。
典型铺丝设备主要由机床主体、纱架系统、铺丝头等3 部分组成。
▲铺丝机原理图
▲铺丝头原理图
自动铺丝技术的技术优势：
加工的零件尺寸没有限制。
连续快速铺放，铺放效率高。
曲面适应性强，特别适合大曲率复杂构件的铺放。
产生废料极少，材料的利用率可达95%以上。
02
自动铺丝设备
目前制造过程的铺丝机种类主要有立式铺丝机、卧式铺丝机和机械臂铺丝机。
▲立式铺丝机适合大型机身曲板结构的自动铺丝，将工装固定于工作区域，无需旋转，实现机身、机翼等较长产品的自动铺放。
▲卧式铺丝机更适合大型筒段的铺放，大型客机的机身筒体直径接近6m，需要大型旋转工装，因此铺丝头在工装的一侧进行铺放效率更高，同时也有利于超大型模具工装的进出和转运。
▲机械手臂式铺丝机更适合于产品验证或尺寸较小、形状较为复杂的复合材料构件的铺放。
根据丝束料卷和铺丝头的相对位置进行分类，可以分为分离式铺丝机和集成式铺丝机。
▲分离式铺丝机
▲集成式铺丝机
03
自动铺丝材料的制备
国外普遍采用分切宽幅预浸带进行预浸窄带材料的制备。分切过程可分为两次进行，先将宽幅预浸料进行第一次分切，并通过盘式收卷的方式，得到较窄的预浸带，这与自动铺带材料的预浸带制备并无差别；然后将一次分切后的预浸带进行二次精密分切，将预浸带切成预浸丝。
▲预浸料一次分切
▲预浸料二次分切
▲铺丝用预浸丝束
04
实例：自动铺丝技术在A350上的应用
1 机身蒙皮铺丝
空客在A350上选择了分片结构的曲板，曲板的性能可以根据所处机身位置的不同进行优化设计，同时可以通过加长曲板的长度而达到减少装配的目的。此外，分片曲板的其他好处有：更容易制造、可以使用更小直径尺寸的热压罐、成型工艺简单、技术风险小、后期维修更加容易。
2 机翼大梁铺丝
空客公司采用卧式铺丝机进行机翼大梁的生产。
▲空客A350旋转式工装
由于采用了旋转芯模，限制了大梁的成型长度，所以空客必须将30m 的大梁进行分段制造。如果整体进行旋转工装铺放，刚度很难保证。正是看到这种弊端，EI 公司为波音公司777X 项目定制了集成式大梁铺丝设备，工装固定，直接进行铺放。
▲波音777X固定式工装
3 机翼蒙皮铺丝
早期A350机翼蒙皮一直采用自动铺带技术进行铺层的自动化铺放。
▲机翼上、下蒙皮采用自动铺带技术
但是，随着铺丝技术的进步和演化，自动铺丝的优势逐渐凸现出来，特别是边缘轮廓复杂，并带有口盖、变厚铺层的机翼蒙皮，铺丝技术更胜一筹。
▲机翼上、下蒙皮采用自动铺丝技术
05
国内大型客机应用研究装备基础
由于美国和欧盟对25mm 以下带宽的铺丝设备设置了出口限制，无法引进工程化应用高端铺丝设备，导致国内开展铺丝工艺工程化应用研究受到限制。近两年，中国航空工业、中国商飞、恒神等公司引进法国Coriolis 公司铺丝设备和技术，开展铺丝工艺工程化应用研究。
值得一提的是，中国航空制造技术研究院、中航复材公司联合国内的科研力量，通过引进Coriolis 铺丝技术，集智攻关，突破了多轴联动控制技术、大跨度轻质高刚性横梁结构设计与制造等多项关键技术，研制了国内首台工程化应用级别的大型龙门自动丝束铺放设备。
▲中航复材自动铺丝机
C919 已经首飞，未来的大型客机也已经提上日程，自动化制造技术的需求非常紧迫。没有先进的大型自动铺丝装备，未来的大型客机就难以大规模应用复合材料。国内应加快研发进程，加大各项投入，引进高端自动铺丝技术和装备，同时加大材料和工艺工程化应用研究，早日将自动铺丝技术大规模应用于我国大型客机。
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