自动铺丝机专利技术综述

肖横洋，朱 敏，李双江

(国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心，四川 成都 610213)

自动纤维丝铺放技术是20 世纪 70 年代作为对纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的一种全自动复合材料加工技术，其综合了纤维缠绕技术与自动铺带技术各自的优点，通过能够完成丝束夹紧、重送和切断功能的铺放头，按一定角度将预浸丝束铺放到制品表面，同时完成开口、局部加厚等功能，因此自动纤维丝铺放技术适用于铺放高曲率、形状复杂的型面，应用范围更广泛；铺丝头运动的灵活性和多组纤维预浸束的独立可控性，使纤维预浸束在铺放的过程中可以根据复合材料构件的需要增减纤维束的根数，而且可以准确地在芯模的特定位置自动切断和重送纤维适应边界，最大限度地利用纤维材料；同时可以通过局部纤维铺放进行加固处理，满足构件设计要求。自动纤维丝铺放技术在复合材料构件成型过程中体现出的灵活性和高效率吸引了全球很多知名飞机制造公司对其进行研究和优化，从而促进了该技术在飞机复合材料零部件制造中的应用[1-2]。

1 研究内容

本文在中文专利文摘数据库(CNABS)和德温特世界专利索引数据库(DWPI)中进行专利文献检索，经过检索式检索与简单人工筛选，最终确定截止2017年3月涉及自动铺丝机的全球专利申请共计396项。

1.1 总体专利申请状况

图1 申请量年度分布

图1显示了全球范围内以及中国范围内自动铺丝机专利申请量的年度分布情况。从图1可以看出，在全球范围内，自动铺丝机专利申请量总体呈上升趋势，第一份自动铺丝机的专利出现在1982年，其关于Boeing 公司的机械工程师Quentin Wood 提出的“AVSD(Automated Variable Strained Dispensing Head)铺丝头”雏形结构；在这份专利出现以后的很长一段时间内的自动铺丝机的专利申请量都维持在一个较低的水平，这主要是由于自动铺丝机的技术门槛较高所导致的，该阶段的专利申请主要来自于具有纤维预浸带自动铺放机研发经验的老牌企业；随着自动铺丝机技术的成熟以及相关产业的高速发展，从2004年开始，该领域的专利申请量出现了较快增长。而国内在自动铺丝机领域的研究起步较晚，虽然从1996年开始国内即出现了自动铺丝机相关的专利申请，但那些申请均是通过PCT或者巴黎公约进入中国的国外申请，直到2004年南京航空航天大学申请了一份“易于保持丝束张力稳定的三轴铺放机械手腕”的专利，国内企业和高校在自动铺丝机领域的申请量才逐渐增多。

1.2 技术来源和目标市场分布

专利申请的技术来源分布可以反映出各国企业、研究团体、个人在自动铺丝机领域的研发水平以及研发能力；而专利申请的目标市场可以反映出各国自动铺丝机以及相关产业的市场需求。从图2可以看出，来自于欧盟和美国的专利申请占据了很大的比重，这是由于欧盟和美国的航空航天事业发展较早，这些领域的发展离不开纤维复合材料的制造，正是由于这些产业的需求才促进了自动铺丝机领域的发展。欧盟和美国除了在国内申请大量关于自动铺丝机的专利外，还将目光转移到了中国、日本和韩国，可见掌握了自动铺丝机核心技术的国外企业非常重视在中国自动铺丝机行业的专利布局。随着中国航天航空事业的迅猛发展，对自动铺放设备的需求也十分迫切，因此，越来越多的企业、科研院所将研发重心投入自动铺丝机领域，开始促进国内在自动铺丝机以及相关产业的发展。

图2 技术来源(左)和目标市场(右)分布

1.3 核心专利

纤维自动铺丝机领域的主要技术包括：铺丝机整机结构、铺丝头结构、铺丝头辅助部件以及铺丝检测系统几个分支，其中铺丝头辅助部件又包括压辊部件、张力控制部件、重新定向部件等。本文通过查看专利引用频次筛选出核心专利，并对核心专利进行梳理和分析得到图3所示的核心专利图解。

图3 核心专利的技术图解

从图3可以看出，在自动铺丝机发展初期，核心专利主要集中在对铺丝头结构以及铺丝机整机机构的研发，这是由于铺丝头的结构直接决定了纤维的铺放精度、铺放速度，从而会直接影响复合纤维材料的质量和成型效率；同时，铺丝头的运动速度以及精度又是由铺丝机整机结构决定的，因此，早期的研究主要集中在这两个方面；自动铺丝机后期的研究重点则与铺丝头辅助部件和铺丝检测系统相关，这些研究的目的都是为了进一步提高铺丝过程中的精度从而使得纤维复合材料能够满足航空航天事业的需求。

1.4 重点申请人

根据对申请文件的分析梳理，得出自动铺丝机领域较为重要的申请人，主要有美国的波音公司(Boeing)、辛辛那提公司(Cincinnati)、英格索兰公司(Ingersoll)以及法国的Coriolis Composite公司、西班牙的M. Torres公司。

(1)Boeing公司成立于1916年7月15日，是全球航空航天业的领袖公司，也是世界上最大的民用和军用飞机制造商之一。“AVSD铺丝头”的概念是由波音公司的工程师于1982年首次提出的，这一概念开启了自动铺丝机领域发展的篇章，由于纤维复合材料制造对自动铺丝技术的需求，波音公司对自动铺丝机也投入了很大的研发力度，截止目前为止，波音公司在自动铺丝机领域的专利申请达到32项，其专利申请主要涉及铺丝头结构、铺丝机整机结构以及检测控制方法。

(2)Cincinnati公司是老牌的纤维自动铺带机制造商，Cincinnati机床公司在1989 年推出了第一台商品化自动铺丝机VIPER 1200，被用于V-22 Osprey军用飞4.21m长的复材后机身结构件的制造；随着制造的飞机复材构件尺寸越来越大，为满足不同尺寸曲面复材构件的铺放制造需求，Cincinnati公司先后开发了小型、中型和大型自动铺丝机的系列产品VIPER 1200/3000/4000/6000设备，截止目前为止，Cincinnati公司在自动铺丝机领域的专利申请达到21项，其专利申请主要涉及铺丝头结构、铺丝机整机结构以及铺丝头辅助部件。

(3)Ingersoll公司成立于1887年，其在CNC机床领域的丰富经验为生产自动铺丝机打下了坚实的基础，Ingersoll公司于1995年研制出了其第一台自动铺丝机，该铺丝机采用FANUC数控系统和自行开发的CPS软件，其铺丝头结构独特、特性好，适于大型产品生产。截止目前为止，Ingersoll公司在自动铺丝机领域的专利申请达到15项，其专利申请主要涉及铺丝机整机结构以及铺丝头辅助部件。

(4)Coriolis Composite公司，是开发基于商用机器人平台的自动铺丝机开发的先行者，其创新系统是十多年前开发出来的，采用标准的多关节机械手作为八轴向运动的纤维铺放系统的基础。Coriolis的AFP系统具有较轻的铺放头，因此惯性也更低，加上动力强劲的驱动电机，可以达到很高的铺放速度。截止目前为止，Coriolis公司在自动铺丝机领域的专利申请达到23项，其专利申请主要涉及铺丝头辅助部件。

(5)M.Torres公司，是另一个开发出了自动铺丝机和自动铺带机设备的机床专家，该公司早期生产的一台AFP系统被出售给了日本的川崎重工(Kawasaki Heavy Industries)，用于生产波音787的整体机身部件，该系统可以同时铺放24根0.5in(约12.70mm)宽的丝束。但该公司在自动铺丝机领域的专利申请量较少。

2 结语

本技术综述对自动铺丝机专利进行了统计分析和归纳整理，通过分析发现自动铺丝机的核心技术掌握在欧美国家，中国在自动铺丝机研制、生产和实际工业化应用基本上还处于起步阶段，和国际先进水平存在较大差距。目前自动铺丝机逐渐向小型化、简单化方面开始发展，当然实现自动铺丝机的高效率仍是各大生产厂商的关注热点，国内企业可加大在这些方面的研究力度。

[1] 徐 再，吴耀楚，田会方.FRP铺放成型技术的研究[J].玻璃钢/复合材料，2002(05):44-46.

[2] 于传浩，吴耀楚，王志辉.FRP铺放技术的机构分析[J].武汉化工学院学报，2003(02):54-56.