復合材料構件在各個領域的大量應用得益于自動成型技術在復合材料設計和制造過程的廣泛應用。自1985年以來，自動化成型技術已逐漸滲透到復合材料設計和制造的各個領域(纏繞成型、自動鋪放成型(鋪帶、鋪絲)、拉擠、編織、縫合和RTM等等)，其在推動復合材料設計和制造技術發展、降低構件制造成本中的巨大作用已達成廣泛共識。復合材料成型自動化不僅大大提高了復合材料構件的生產效率，降低了生產成本，而且通過對成型工藝參數和技術指標的精確控制，極大提高復合材料構件質量的可靠性和穩定性，并為復合材料構件制造系統的整體優化奠定了基礎。

　　l 自動鋪帶技術

　　自動鋪帶技術是歐美國家廣泛發展和應用的自動化成型技術之一，集預浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實等功能于一體，且具有工藝參數控制和質量檢測功能的集成化數控成型技術。它涉及自動鋪放裝備技術、預浸料切割技術、鋪放CAD/CAM技術、自動鋪放工藝技術、鋪放質量監控、模具技術、成本分析等多個研究方向。

　　20世紀60年代中期，復合材料自動化成型技術開始涌現，美國率先在先進復合材料制造領域開發自動鋪帶技術，并實現人工輔助鋪帶到全自動鋪帶的轉型。80年代以后，自動鋪帶技術開始廣泛應用于商業飛機的制造領域。歐美航空制造商將自動鋪帶技術廣泛應用于多種飛機型號，主要包含F-22(機翼)、Boeing 777(全復合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮)C-17(水平安定面蒙皮)、V-22(旋翼蒙皮)A330/A340(水平安定面蒙皮)和A380(安定面蒙皮、中央翼盒)等。經90年代的蓬勃發展，自動鋪帶技術在成型設備、軟件開發、鋪放工藝和原材料標準化等方面得以深入發展，并在大型飛機(Boein9787，A400M，A350XWB)得以更加廣泛的應用。

　　2 自動鋪帶技術研究

　　2.1 自動鋪帶設備

　　目前，自動鋪帶機主要分為兩類：10軸龍門式自動鋪帶機和專用自動鋪帶機。與一般復合材料自動化成型技術(拉擠、纏繞、模壓、RTM、編織等)不同，自動鋪帶機不僅要精確控制鋪帶頭運動軌跡，而且要實現鋪帶頭內部預浸帶輸送、鋪放和切割等運動，并可對預浸帶質量(寬度、夾雜、缺紗等)、預浸帶進給、切割質量、成型溫度、成型壓力和鋪帶間隙等技術指標進行精確控制。故自動鋪帶機不但需要明顯高于其他復合材料自動化設備的加工精度和運行平穩，而且需要更強大的控制功能和靈活性(多軸插補、多I/O控制點、多模擬量控制)。

　　歐美各自動鋪帶機制造商據此開發了自動鋪帶設備數控系統，并根據現有鋪帶機的不足，設計并制造各種新型鋪帶成型設備。美國Cincinnati公司采用開放式數控系統CMl00開發自動鋪帶設備;西班M-Torres公司以通用的FANUC數控系統為平臺，開發最大控制軸數為11的自動鋪帶數控系統Toerrslayup;法國Forest—line公司以Siemens840D為平臺開發自動鋪帶控制系統。Boeing公司針對現有鋪帶機鋪放效率仍顯不足的現狀，開發多鋪放頭鋪帶機，M-Torres公司則就此問題研發多帶平行鋪放鋪帶系統Forest-line公司針對鋪帶機切割效率低下的技術壁壘，研制雙頭兩步鋪帶成型統。

　　2.2 自動鋪帶CAD/CAM/CAE技術

　　自動鋪帶成型作為典型的增料加工自動化成型技術之一，其CAD/CAM技術與普通切削加工截然不同，受到更多方面的因素影響，如原材料體系、材料設計(單層材料設計)、產品結構與鋪層設計、線型設計、工藝制度設計(成型溫度、成型壓力等)、運動參數計算、成型加工與檢測、模具技術等。

　　自動鋪帶部分擺脫了纏繞成型的線型限制(不架橋、周期性)，但由于預浸帶的特性，依然受到“自然路徑”(測地線)的限制。據此，提出了基于“自然路徑”的自動鋪帶CAD/CAM求解算法，并將其成功應用到CAD/CAM軟件中。美國Cincinnati公司和西班牙M-Torres公司分別以CATIA為基礎開發自動鋪帶成型CAD/CAM軟件(模塊);法國Forest-line公司采用CIMPA SA注冊的TapeLay軟件進行CAD/CAM設計，其將自動鋪帶CAM軟件模塊集成在CATIA V5大型工程軟件中，可實現多種軌跡規劃線型比較與仿真。VISTAGY公司FiberSIM軟件可兼容多種大型工程軟件，如CATlA V4，CATIA V5，NX和Pro/ENGINEER等，其Tape Laying In-terface模塊可調用工程軟件中的鋪放模型，自動生成鋪帶代碼文件。CGTech公司開發獨立于CNC機床環境的自動鋪放編程與仿真軟件VERICUT Composite Programming and Simulati-one Suite，AF-PT/Koelrit公司熱塑性鋪帶系統得益于CGTech公司軟件解決方案，極大縮短系統開發周期。

　　2.3自動鋪帶工藝研究

　　在預浸帶鋪疊過程中，通過對預浸帶鋪放速度、鋪放溫度、鋪放壓力等因素的協調控制，使預浸帶處于鋪疊成型的工藝窗口。在保證預浸帶處于適宜的工藝窗口內的條件下，應最大程度提高預浸帶的鋪放效率。預浸帶的鋪放效率也受到成型模具復雜程度的限制。自動鋪帶成型自動鋪絲成型和手糊成型的鋪放效率與模具復雜性間的關系，如圖1所示。相對于自動鋪絲和手糊成型，自動鋪帶的成型效率最高，但其應用范圍受到雙曲面模具復雜程度的限制。

　　圖1模具復雜性對成型效率的影響

　　自動鋪帶成型以不同寬度的預浸帶(75，150，300mm)為原材料，且預浸帶可采用熱固性或熱塑性樹脂作為基體材料。其中，熱塑性鋪帶成型技術和高能束固化(原位電子束固化)技術是目前國際上自動鋪帶成型技術的研究重點。

　　熱塑性鋪帶成型技術的研究主要集中在其熱傳導模型(傳熱和結晶)理論推導和工藝參數優化研究兩個方面。R Pitchumani等研究了熱塑性鋪放成型過程，并建立理論模型，可有效描繪成型過程對層間結合和層間空隙的影響。S Turnkor等研究工藝參數對熱塑性層合構件質量的影響，并利用計算機繪出了溫度分布圖;Dirk Heider等以熱塑性鋪放技術為背景，開發在線的神經網絡工藝優化系統，可在滿足最低加工質量和質量恒定的前提下，盡可能提高鋪放速率，降低構件制造成本。X Guan和R Pitchumani研究熱塑性鋪帶成型加熱過程中熱沖擊問題，采用參數分析法分析熱傳輸過程的各種影響因素，并建立了相鄰纖維間和層間球粒狀微觀結構單元生長的動力模型，選定了適宜的工藝窗口和球粒的平均尺寸范圍。Robert C Costen等研究復合材料變厚度構件原位自動鋪帶成型技術在鋪放區域內部啟停時熱傳導過程的瞬態變化問題;Mark A Lamontia和Mark B Gruher等研究熱塑性鋪帶成型技術，并采用混合制造成型(纖維纏繞、自動鋪帶和自動鋪絲)的方法完成多種熱塑性復合材料筒段構件的制作，并對同類構件進行質量對比實驗研究。Fazil O Sonmez和Mustafa Akbulut在熱塑性鋪帶傳熱過程中引入殘余應力和非最優狀態操作對成型構件的影響因素，進一步完善了熱塑性鋪帶成型傳熱的理論模型。

　　自動鋪帶技術與電子束固化技術相結合，不僅可避免了大型復合材料構件熱壓罐固化過程，而且可避免大規模的抽真空過程，可有效降低構件的生產成本。Daniel L Goodman和Catherine A Byrne等對原位電子束固化在自動鋪帶技術中應用進行研究，指出此項技術在航空、航天以及運輸工具中的復合材料大型構件生產中極具潛力，據工廠實踐可降低成本10%～60%。

　　3 國內自動鋪帶技術發展

　　國內自動鋪帶技術研究較晚，南京航空航天大學率先開始自動鋪放技術的研制。自2004年起，南京航空航天大學已研制完成三部自動鋪帶機：小型鋪帶原理樣機、十軸中型自動鋪帶工程樣機和大型筒段專用自動鋪帶機(圖2)。

　　圖2南京航空航天大學研制的自動鋪帶機

　　南京航空航天大學設計并開發自動鋪帶機數控系統，改進部分自動鋪帶控制技術(隨動切割技術、預浸帶輸送技術和成型壓力控制技術等);驗證在可展曲面上自然路徑和測地線的等價性，提出基于曲面三角面片離散的求解算法;在此基礎上，研究平面構件和可展曲面構件(筒段和圓錐)自動鋪帶成型CAD/CAM技術，并針對開口、補強進行研究工作;針對鋪放軌跡的測地線求解問題，研究曲面測地線數值解法。

　　武漢理工大學對自動鋪帶的數控系統、成型機構和人機界面等進行研究工作，并在Pro/E，Solidworks，OpenGL軟件平臺上對其成型機理進行設計和仿真驗證。

　　天津工業大學以直升機Z8F的主旋翼大梁自動鋪帶為應用背景，開展自動鋪放成型技術的研究工作。在Pro/E工程軟件平臺上進行大梁自動鋪帶系統的機構概念設計和仿真驗證，并采用西門子840D系統實現此鋪帶系統的插補運算和控制、龍門架移動和橫梁移動的同步驅動等功能;采用其內置PLC完成鋪放設備外圍動作。

　　4結束語

　　自動鋪帶成型是復合材料自動化成型的典型代表，其具有高效、高質量、高可靠性、低成本的特點，特別適合于大尺寸和復雜構件的制造，減少了拼裝零件的數目，節約了制造和裝配成本，并極大地降低了材料的廢品率和制造工時。在國外技術封鎖、缺乏技術資料的情況下，國內自動鋪帶技術的研發工作取得階段性進展。但仍有大量的研究工作需要完成，如熱塑性鋪帶技術、高能束固化、工藝性能優化和原材料體系等方向。

　　復合材料成型自動化是未來復合材料制造技術發展的必然趨勢。如何以復合材料成型自動化研究為契機，借鑒國外先進制造技術，研制具有自主知識產權的成型設備，開發相應的成型技術，是科研工作者的緊要任務。