复合材料纤维铺放技术现状与研究进展

2016-03-08河北科技大学机械工程学院冯磊强

河北农机 2016年4期

河北科技大学机械工程学院　冯磊强

复合材料纤维铺放技术现状与研究进展

河北科技大学机械工程学院冯磊强

复合材料是近年来新材料技术中备受关注的种类。纤维铺放技术作为复合材料成型自动化的典型代表，已成为飞机复合材料翼面壁板技术的标准，大飞机项目已经立项，纤维技术必将成为我国提高飞机复合材料用量的一项关键技术。本文介绍了纤维铺放技术的成型原理及特点，分析了国内外的研究现状，最后展望了纤维铺放技术在我国的发展前景。

复合材料；纤维铺放；展望

1引言

先进复合材料比传统材料具有诸多优点，例如轻质量、高强度、低密度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、设计制造一体化等等。复合材料对减轻结构重量、提高经济性和可靠性具有不可替代的作用。复合材料已经广泛应用于制造领域，尤其是航空航天领域，在航空航天设备上的用量和应用部位已经成为衡量航空航天器结构先进性的重要标志之一［1］。

2纤维铺放技术的成型原理和特点

纤维铺放技术是树脂基复合材料制造技术中的一种，其工作原理是将连续的纤维丝束或纤维带通过预浸胶或树脂之后，按照设定好的路径铺放到芯模上，最后在一定温度下固化，制成所需形状的制品［2］。复合材料纤维铺放成型技术（Fiber placement FP）是自动窄带铺放成型技术（Automanted tep placement，ATP）和自动铺丝束成型技术（Automated towplacement，ATP）的总称。纤维铺放技术的成型工艺是在纤维铺放机上将平行的纤维丝束或纤维带预浸处理，通过铺放头装置将预浸过的纤维束压到需要加工的工件或芯模表面。纤维铺放与纤维缠绕和带铺放不同，它不是按照测地线在芯模或模具上布纱；纤维铺放可精确控制丝束宽度，且各丝束可单独铺放，通过切断、重续等工序控制铺放厚度的增减［3］。此外，纤维丝束是通过纤维铺放机上的铺放头压在模具上的，能保证铺放每一层紧密贴合避免出现分层现象。总结纤维铺放技术的优点有：

（1）通过铺丝头剪断丝束、重新开始等，可以对铺放厚度进行精确控制；

（2）工艺过程中铺丝头可调节施加力，实时加压密实；

（3）铺放精度高，不易出现孔隙；

（4）纤维铺放角度可以调节，不受限制；

（5）铺放材料利用率高，浪费少。

3纤维铺放技术的国内外研究现状

3.1国外纤维铺放技术的发展

纤维铺放技术首先在西方发达国家出现，早在20世纪90年代末、21世纪初，国外就已经实现了对一些工业常用异型件的轨迹规划和铺放成型，例如弯头、三通管道等。与此同时，在铺放轨迹设计理论方面也取得了不错的研究成果，研究表明铺放轨迹影响着芯模表面丝束的排线精度、芯模表面丝束的布满效果、铺放机的运行轨迹以及铺放制品的质量，因此在设计纤维铺放轨迹时，必须保证纤维丝束能够均匀紧密地铺放在芯模表面，不能出现孔隙或分层的现象。以芯模方程为研究基础，西方学者对铺放轨迹展开了更加深入的研究，提出了铺放轨迹设计方案，并对其进行了后期完善，该方案可以根据预先设定的铺放角和芯模表面的摩擦系数设计出稳定的铺放轨迹。从近年来国外学者发表的学术论文可以看出，国外目前的研究内容主要集中在铺放工艺、铺放张力、铺放角、胶温各个参数对铺放制品性能的影响。

3.2国内纤维铺放技术的发展

我国的纤维铺放技术还处于起步阶段，在对异型件的铺放布满研究领域相对于国外还比较落后，目前还不能实现在数控铺放机上对工业常用的异型件进行铺放布满，如飞机进气道、叶片、三通管等。虽然对三通管的铺放成型进行了探索性研究，但是三通管拐角部位的铺放布满问题一直未得到彻底的解决，有关技术的研究亟待加强。目前国内在研究纤维铺放轨迹后置处理方面，运用参数化铺放轨迹的后置处理方法。和国外铺放轨迹设计方案研究基础相同，参数化铺放轨迹后置处理方法也是基于芯模方程的基础上，通过出丝点轨迹方程的坐标变换来求取铺放机床运动轨迹。由于参数化铺放轨迹后置处理方法依赖于芯模方程，使得其应用范围限制在芯模方程能够表达芯模的铺放轨迹后置处理上，而无法对异型件的铺放轨迹后置进行处理实施，所以异型件铺放轨迹的后置处理问题也是我国铺放成型领域学者专家亟待研究解决的重点问题［4］。