自动化纤维铺放（AFP）是一项具有潜力的新兴技术，能够重塑工业领域和医疗领域。取代金属的热固性和热塑性复合材料正在源源不断被开发出来。在任何使用金属的地方，复合材料都因其低成本和改良的机械性能而逐渐取而代之。航空航天工业正在利用AFP技术结合热固性材料和热塑性材料来制造设备，这不仅减轻了重量，还增加了耐用性。任何制造商的主要目标都是延长产品的使用寿命。但有时产品损坏时需要修理或更换。使用AFP技术，可以用替代复合材料修复任何材料制成的产品，成本可能比使用原有金属更低。Alliant Technology 于 20 世纪 70 年代末开发出了纤维铺放工艺（熔融成型工艺）。该公司以其经济实惠、高效的产品特性，在航空行业产生了巨大影响。AFP 是一种综合工艺，兼具纤维缠绕和 ATL 技术（自动铺带技术）的优点。可以制造圆柱形和扁平结构。AFP 以其广泛的应用和用途彻底改变了复合材料行业和航空航天工业。改进纤维铺放工艺的唯一方法是启动多个铺放单元。需要为单独的任务分配单独的工作空间。热塑性塑料是可以在加热时形成液体，在冷却时变硬的树脂。此过程可重复进行。热塑性塑料具备可逆性质，热固性塑料具备不可逆性质，他们比其他聚合物更能实现有效生产。
1. 自动纤维铺放工艺（AFP）的发展历程
制造 FRP 复合材料容器所用的第一种技术是手工铺层，用于生产低成本的复合材料部件。滚筒手工工具是一种可以减少空隙和气泡的工具，从而使纤维与树脂之间充分混合。在去除多余树脂的过程中，滚筒会增加低水平纤维体积，从而提高材料性能。手工铺层的主要缺点是工人的健康问题和安全问题，因为在铺放过程中会产生苯乙烯烟雾。手糊工艺的完美替代方案是喷射工艺，与精心构建的增强层相比，喷射工艺成本更低，原材料（如构成增强层的纤维卷轴）加工程度更低。喷射工艺不存在苯乙烯排放问题，并且它比手糊工艺更清洁，由于材料在切割枪中进行填充，因此操作员和组分之间的接触机会也更少。工会和健康组织推动了挥发性有机化合物 (VOC) 和玻璃纤维手工加工对工人健康影响的研究。通过研究影响喷射工厂工人的皮肤病，改进并创造了一项新技术。预制件制造过程可以通过机器人实施来实现高度自动化。树脂传递模塑 (RTM)、真空辅助树脂传递模塑、真空袋成型 (VBM)、树脂膜灌注、Seaman 复合树脂灌注工艺和 RTM-light 工艺可根据其是否具有两个刚性半模进行分类。RTM 是一种广泛实施的制造方法，将干燥的预制件、垫子和织物手动放置在刚性双面模具中，然后用模具将两部分牢固地夹紧。真空袋膜工艺不需要双面模具，相当于直接省下了RTM工艺的工具成本。压制成型是一种可生产大批量组件的高压成型工艺，适用于制造尼龙等复杂的纤维增强部件。压制成型的一个显著优势是它能够成型从小到大的复杂部件。纤维铺放制造工艺包括加热和压实树脂预浸料层压板，将其滚过可拆卸的心轴并用收缩胶带覆盖，然后包裹以进行加固。然后，在收缩胶带施加压力的帮助下，整个组件被固化。
2. 自动纤维铺放工艺（AFP）
20世纪80年代初是纤维缠绕和自动铺带（ATL）工艺最初发展的时期，当时这些技术存在许多限制。自动纤维铺放（AFP）工艺可以分为四个重要的子系统：该工艺包括由计算机控制的预浸料束或预浸料带的铺放，从而制备高度自动化的、高速生产的具有双曲率的层压板。芯轴的精确轮廓位置会被编程到具有多轴运动的自动纤维铺放（AFP）机器中。多个平行的纤维束会同时作为一个带状物铺放在工具的表面上。(a) 缠绕平台布置：这是最基本的机器布局，也是最流行的布局之一。对于截面变化较快的情况，缠绕机是理想的选择。(b) 移动柱轮廓：近年来这种机器轮廓非常流行。通常涉及大型机器的制作，非常适合大尺寸零件的受限曲率。(c) 高轨龙门设计：自动铺带（ATL）机器的工具轮廓也用于AFP。AFP的芯轴固定在机器的Z轴上，物料篮的供给要么安装在横梁上，要么安装在芯轴自带的支架上。(d) 机器人手臂配置：机器人手臂用作纤维输送系统。这种类型的AFP结合了旋转和线性累加系统。系统具有很大的自由度，能够生产出各种各样的零件，但代价是需要掌握复杂的连接反馈系统。由于其出色的灵活性和不断降低的成本，可靠性变得越来越高。现代纤维铺放机器结构复杂且体积可能非常庞大。大多数机器有七个运动轴（横向进给、滑架移动、手臂倾斜、芯轴旋转、芯轴手腕偏航、俯仰和滚转）。AFP机器主要设计用于制造机身组件，这些组件通常是浅壳体或管状结构。它们无法处理混合形状的应用。
3、热固性材料和热塑性材料概述
在特定温度下，热塑性材料如聚丙烯、聚苯乙烯和PVC表现出不同的流动性。热塑性材料是一种可降解的树脂，它们在温度上升到某一特定值之前能够保持其形状。在成形之前，热固性塑料和热塑性塑料具有一样的链状结构。在成形过程中，热固性塑料以热或化学聚合反应，形成交联结构。一旦反应完全，聚合物分子键结形成三维的网状结构，这些交联的键结将会阻止分子链之间的滑动，结果，热固性塑料就变成了不熔化、不溶解的固体。
4、自动化纤维铺放工艺中的缺陷
自动化工艺可以显著节省劳动力，并减少材料废料，尤其是在大规模复合材料部件制造过程中。自动化纤维铺放（AFP）工艺在生产大口径结构方面具有极大的潜力，并且适用于大规模生产，但也存在与引发缺陷相关的风险。在试样中可能出现单一间隙、重叠、半间隙/重叠以及纤维扭曲的缺陷。复杂表面上产生的间隙会显著降低纤维的机械性能。传统的限制因素与模具形状有关。压实滚轮直径和头部几何形状限制了这种技术可用于制造部件的凹模半径。这对于通常会被修剪的部件边缘不是问题；然而，在局部复合材料层叠过程中，设计师需要接受锯齿状的层压板轮廓这一现象。纤维的状态可以区分AFP技术，预浸料束以前被广泛使用。最近，一些研究人员尝试使用干纤维束，以克服胶带铺放的缺点，并增加可变刚度复合材料的设计灵活性。
5、热固性材料和热塑性材料的应用
对高强度、高刚性、良好抗疲劳性和良好耐腐蚀性的需求正在迅速增加。为了满足这一需求，连续碳纤维增强热固性复合材料登上舞台。最近，3D打印技术在增材制造方面发展迅速，包括用于改进拉伸强度的机器元件，以及适用于暴露在强腐蚀环境中的零部件，如泵的组件和钻孔时使用的部件，采矿作业中广泛应用了这些技术。在陶瓷材料中，热固性材料起着重要作用。滑动轴承、轴封、衬套、齿轮和电气应用中，聚合物被用来满足上述应用中对低重量和低成本的需求。使用热固性树脂还可以打印出与血管组织兼容的小直径血管等组织和器官。骨组织工程为骨骼修复和重建带来了希望。良好的光聚合能力可用于制造（如聚丙烯富马酸酯（PPF）、明胶材料、三亚甲基碳酸酯（TMC））等聚合物。热塑性材料是最重要的商用材料之一，占所有合成聚合物总使用量的约70%。常见的热塑性材料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和尼龙。聚丙烯制成的物品包括保鲜膜、面包包装袋、糖浆瓶、处方药瓶和塑料购物袋。固态和薄膜状聚苯乙烯用于制造坚固的食品服务容器、CD盒、电器外壳、信封窗口等多种产品。聚苯乙烯泡沫用于食品服务产品和建筑保温材料。聚氯乙烯（PVC或乙烯基）广泛应用于建筑和施工、医疗保健、电子、汽车等领域，产品包括管道和外墙板、血袋和导管、电线和电缆绝缘、挡风玻璃系统组件。尼龙是一种用途广泛的材料，服装行业是热塑性材料应用受益最大的行业。其优势体现在衬衫、基础服装、内衣、雨衣、泳装、骑行服、传送带皮带和安全带、防水布、渔网和帐篷的应用性能。
6. 自动化纤维铺放工艺的应用
自动化纤维铺放（AFP）工艺减少了材料浪费、缩短了铺放时间，提高了工人的安全性和产品标准，并且可以反复处理和制造复杂的机械零件。该工艺可以在局部增强组件的刚度和强度，并生产具有复杂载荷变化响应（如弯扭耦合）的零件。传统的手工铺层和胶带铺放方法耗时较长，且劳动强度较大。自动化方法缩短了所需时间，并提高了设置的精度。还引入了基于传感器的制造方法。纤维复合材料的粘结基于复合材料的热机械性能以及自动化纤维铺放的编程。陈旧机床可以通过使用热固性树脂的自动化纤维铺放技术进行修复。机床的主要目标是提高机械生产力和延长工具寿命。为减少机床冗余性，使用了多种方法，这些方法都非常谨慎，以避免刀头与表面发生碰撞。另一个主要目标是找到问题的完整解决方案，而不仅仅是找到可能只持续两到四个周期的初步解决方案。一种替代方法是使用通用算法来计算实际位置和目标位置。在减轻重量方面，复合材料占据了包括波音和大型飞机在内的飞机设计的50%。机身制造一直在寻找有效的技术来制造复合结构，并已成功将AFP技术引入生产。厚壁塑料在深海应用的压力容器中得到了发展。这些压力容器质量优良，已成功通过测试。
7. 自动化纤维铺放（AFP）设备供应商
国外自动铺带设备供应商有美国MAG Cincinnati公司、Automated Dynamics，西班牙 M.Torres，法国 Forest-line，德国迪芬巴赫等。国内引进MAG的有上海飞机制造有限公司（简称上飞）、航空工业江西洪都航空工业集团有限公司（简称洪都）；引进MT的有哈尔滨飞机工业集团有限责任公司（简称哈飞）、中航沈飞股份有限公司（简称沈飞）、中航西安飞机工业集团股份有限公司（简称西飞）、航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司（简称成飞）、江苏恒神股份有限公司（简称恒神）、四川明日宇航工业有限责任公司（简称明日宇航）；引进FL的有中航复合材料有限责任公司（简称中航复材）。自动铺丝设备的供应商有美国MAG Cincinnati机器公司，Ingersoll Milling 公司，Automated Dynamics，ENTEC Composite Machine；西班牙 M.Torres；法国 Forest-Line，Coriolis；北马其顿 MikroSAM；德国BSD等。就铺丝机技术而言：MAG 最早，Ingersoll 开发机型最多，西班牙 M.Torres机械系统最先进。Coriolis 最有特色，EI 最注重实际应用。国内引进的铺丝机多为欧洲公司产品，具体如下。Coriolis（均为机器人型卧式）：上飞、中国商飞北京民用飞机技术研究中心（简称北研中心）、恒神、四川省新万兴碳纤维复合材料有限公司（简称新万兴）、中航复材。MT：西飞（龙门）、明日宇航（龙门）、洪都（卧式）、上飞（卧式）。FL：中航复材（龙门，铺丝头为 Coriolis）。MikroSAM：中国航天科技集团公司第四研究院第四十三研究所（简称航天43所）（卧式）。
8. 自动化纤维铺放（AFP）研究难点
在AFP工艺中，能够对弯曲的面板、蒙皮和整流罩进行编程和模拟。目前主要涉及机械设备的生产。仿生制造是利用自动化纤维铺放技术和特定类型的纤维来制作生物结构的过程。人类器官也可以通过AFP工艺制造，目前仍处于实施的早期开发阶段。生物打印领域还面临着组织工程和再生医学的研究难题。为了确保打印的组织结构可以长期存活，需要保证工程构造的充分血管化。这一策略的难点在于工艺与材料、细胞以及打印系统中其他元素的兼容性。
9. 未来工作
AFP（自动化纤维铺放）行业正处于快速发展的阶段，大量的创新与新的里程碑不断涌现。生产技术的进步使得更加复杂零件的制造成为可能。医学移植领域的未来发展有66%依赖于AFP工艺，以及与此工艺兼容的新型热固性材料和热塑性材料。自动化纤维铺放技术本身也将经历更多变革，如用于热固性材料和热塑性材料的多功能头部控制器的开发。在当今环境中，生态复合材料的需求日益增加。因此，未来的工作将致力于天然热固性材料的研究，重点受制于纤维的尺寸和体积分数等参数。热固性材料主要用于天然纤维的生产，包括酯化处理、醚化处理和苯甲酰化处理等工艺。因此，未来的工作将集中在天然纤维的生产、仿生制造以及农业应用上。热塑性和热固性复合材料作为制造飞机机身的非常有效的材料，不仅可以降低成本，还具有出色的剪切应力和改进的机械性能。即使AFP技术已经初具规模，复合材料领域的热塑性材料开发仍处于初期阶段。研究兼具热塑性特性和热固性材料强度的新型复合材料将会带来巨大的益处。1. 陈博.国内外复合材料工艺设备发展述评之四——自动铺放成型[J].复合材料科学与工程,2023,(S1):34-43.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.032.2. V. Dhinakaran, K. V. Surendar, M. S. Hasunfur Riyaz et al., Review on study of thermosetting and thermoplastic materials in the automated fiber placement process, Materials Today: Proceedings.