自动铺丝（AFP）技术的发展趋势

自动化铺丝技术正发展为更紧凑、灵活、模块化且数字化的系统，同时具备多种材料和工艺处理能力。

AFP技术的最新发展

(左上角，顺时针方向) Addcomposites 于2023年推出了其4束AFP-X头部；Carbon Axis为其XCell AFP系统增加了纤维缠绕功能；MTorres推出了新型紧凑型eVTOL AFP头部，具备更新的在线检测（OLI）功能；M&A Dieterle为AFP新进入者提供了一系列选项，包括用于协作机器人的头部。

（来源：Addcomposites、Carbon Axis、MTorres 和 M&A Dieterle）

随着复合材料行业的不断成熟，手工叠层的多层和复杂层压板逐渐被自动铺带（ATL）和自动铺丝（AFP）技术取代。这些技术通常使用碳纤维预浸丝束（预浸无捻纱）或切割成精确宽度的单向预浸带，有时也会使用干纤维带并通过热塑性粘合剂将其固定在一起。近年来，各大企业竞相推出创新的AFP系统，不断提升工艺的精度、效率和多功能性。这些技术进步不仅加快了复杂部件的生产速度，还引入了如细丝缠绕和3D打印等集成功能，满足了市场对轻量化、高性能材料日益增长的需求，促使复合材料制造进入了一个新的发展阶段。

高角度 eVTOL 头

MTorres在其最新的AFP头部设计中，增加了针对更小、更复杂部件的铺层间隙角度，并持续升级其在线检测（OLI）系统，将整体设备效率（OEE）提升至75-85%。该系统的铺层速度可达7公斤/小时，比传统的手工铺层效率提高了5至6倍。

（来源：MTorres）

MTorres（Torres de Elorz，西班牙）成立于 1975 年，专注于为工业流程提供自动化解决方案。在过去的 25 年中，MTorres 已交付 89 个 ATL 系统，并在 16 年内交付了 70 个 AFP 系统。自 2011 年以来，该公司每两年推出一款新的 AFP 机头，包括用于热塑性复合材料（TPC-thermoplastic composites）的激光加热 AFP 机头、机头上的线轴、24 丝束机头、宽至 2 英寸的丝束，以及 2017 年推出的更加紧凑和高角度的机头。

尽管如此，2017 年推出的机头并未完全满足预期。到 2022 年，公司推出了 eVTOL 机头，具备八根丝束，角度至少为 40-45°，能够在更大的间隙下制造更小、更复杂的零件。该机头配备了伺服驱动的旋转刀具，最小切割长度为 100 毫米，并集成了在线检测（OLI），可用于龙门架或机器人。这些特点使得 eVTOL 机头能够在更加复杂的几何形状上高效运行。

MTorres 的 AFP 机头主要用于生产关键的高规格零件，特别是尺寸较大且几何结构相对简单的零件，如空客 A350 的机翼和机身、波音 787 的机翼。对于 A350，每小时的铺设量可达到 100 公斤。然而，eVTOL 机头每小时的铺设量虽仅为 5-8 公斤，但设备整体效率却非常高，达到了 85%。

传统的 AFP 设备由于需要手动检查、停机、维护以及重新装载预浸带卷轴，通常只有一半的时间用于实际铺设。MTorres 通过将线轴集成到机头中，使得操作员可以在机器外并行重新加载，借助自动机头更换装置，将总设备效率（OEE）提高至 68%。到 2019 年，随着在线检测（OLI）的添加，总设备效率进一步提升至 75-85%，相当于新型高角度 AFP 机头的铺设速度达到了 7 公斤/小时，效率是手动铺放的 5-6 倍。

这些效率指标对于波音、空客以及其他复合材料零件制造商而言尤为关键，不仅仅是为了加快铺设速度。MTorres 已经实现了每分钟 2400-4000 英寸的铺设速度，但生产率的提升并非仅仅依赖于铺设速度的加倍，而是通过增加总体运行时间内的实际铺设部分而实现的。有了在线检测（OLI），铺设速度进一步提高了 1.5 倍。到目前为止，从先进空中机动（AAM）制造商处获得的关于 eVTOL 机头的反馈表明，这种新型机头正好满足了他们的需求。

MTorres 已为 AFP 系统引入了在线检测（OLI）功能，且计划将此技术扩展至 1、2 和 4 条胶带的 ATL 系统，以提升高速生产的效果。OLI 系统的硬件配置经过标准化，包括位于滚筒后方的激光线投射装置，该装置将激光投射到复合材料铺层上，随后通过相机测量激光的高度，并利用带有反射镜的光学系统进行三角测量，从而计算胶带的高度。关键技术在于内部开发的软件，能够精确呈现所需的所有数据。该方法类似于 2017 年的方法，但在技术上实现了显著进步，如同在滚筒后方布置了大量轮廓仪，而非仅仅一个。

MTorres的新型eVTOL头部与其在线检查（OLI）系统兼容，该系统具备人机界面（HMI）功能，用户可以通过这一界面轻松查看缺陷和铺层位置（如图所示）。这一集成设计显著提升了操作的直观性和效率。

此外，该系统能够实时监控并检测铺层中的缺陷和异物碎片（FOD）。每条胶带的位置都会被测量，并与 CAD 数据进行比对，当铺层超出公差范围时，系统会即时警示操作员，并记录数据以确保零件符合规格要求。操作员通过人机界面（HMI）能够轻松查看阈值图或跳跃图，而无需费力寻找黑色铺层中的每一层。此类图表能够展示层的位置、间隙、重叠、FOD和缺陷测量结果，以更为直观的方式为操作人员提供详细的铺放信息。

此外，通过铺层位置数据，可以获得高度图，显示UD碳纤维胶带的典型0.2毫米高度。系统在此高度范围内进行了多次测量，在Z轴上实现了0.03毫米的测量精度，在Y轴上达到了0.07毫米，而在X轴或机器移动轴上则达到了0.4毫米的精度。凭借这些海量数据，进行大数据分析成为可能，目前已开始看到这一技术对市场产生的显著积极影响。

Addcomposite（位于芬兰埃斯波）于2018年推出了其即插即用的AFP-XS头模块，该模块可无缝集成到任何现有机械臂中，并且在发展过程中取得了显著的进展。除了传统的热固性预浸料和干纤维应用外，该系统还支持热塑性胶带、胶带缠绕，以及集成过程控制、仿真、在线缺陷检测和有限元分析（FEA）软件的互操作性，所有这些都能够在专门开发的Addpath软件中运行。此外，该系统还提供了1束、2束和4束纤维的放置选项。2022年，Addcomposites展示了来自合作伙伴IND集团（位于加拿大舍布鲁克）的AFP-XS头戴式协作机器人，2023年，该公司推出了用于复杂零部件高速生产的4束AFP-X系统。Addcomposites的首席执行官普拉金·卢塔达（Pravin Luthada）透露，2023年公司共发出了12个AFP系统，并将其销往中国、沙特阿拉伯、澳大利亚、新加坡，预计很快还会向印度市场交付。

Addcomposite的AFP-XS头部现已升级为支持细丝系统，进一步提升了其应用范围。AFP技术以其在精确放置预浸胶带方面的卓越性能而闻名，能够在任意位置进行切割和重新启动，并具备高度精确的纤维方向控制能力，同时在加工过程中能够施加热量和压力，从而制造出具有先进机械性能的复杂几何结构。与此同时，细丝缠绕技术则擅长高速生产圆柱体和管道，该过程中丝束被拉伸至旋转芯轴上，芯轴通过缠绕眼引导来确定缠绕模式，主动张力控制则确保了高机械性能的压实效果。Addcomposites的新系统结合了AFP的战略性纤维放置和缠绕的批量材料放置，为复合材料的制造提供了更高效的解决方案。

自动切换：AFP、细丝缠绕和3D打印。Addcomposites的自动切换功能能够通过其AFP-XS头（顶部）在AFP和细丝缠绕之间进行快速切换，同时还可以通过同一个机器人和软件平台，利用其新的SCF3D头（底部）进行3D打印。这种集成设计使得多种制造工艺可以在单一系统中实现。

此外，Addcomposites还推出了用于连续纤维3D打印的SCF3D打印头（结构连续纤维/细丝3D），其打印速度可达3-6公斤/小时。这一打印头采用基于挤出的熔融颗粒制造（FGF）技术，还能够打印含有短切纤维或无增强材料的聚合物（9公斤/小时）。该系统配备了定向加热和压实压路机，使连续纤维的体积分数达到40%。卢塔达表示，公司并非专注于航空航天结构件，而是旨在以可持续的方式扩大各行业的自动化复合材料生产。他指出，公司已经实现了喷头之间的自动切换功能，因此现在用户可以在同一平台上切换用于AFP和细丝缠绕的AFP-XS喷头，以及用于连续纤维3D打印的SCF3D喷头。这个统一的平台使得用户可以3D打印储罐内衬，细丝缠绕第一层，然后选择性地用热塑性胶带进行加固，甚至可以在需要时切换到热固性胶带。

Carbon Axis（位于法国拉罗谢尔）由帕维尔·佩罗泰（Pavel Perrotey）和基埃米·阿维拉·莫里（Chiemi Avila Mori）于2018年创立，专注于生产用于制造尺寸小于1×0.5×0.5米零件的机器人工作站XCell。该公司还推出了更大尺寸的XCell-M，约为2.5×1.5米，并配备了升级版的XPlace2 AFP头部。阿维拉·莫里指出，这些系统的模块化设计使得标准紧凑型机器具备了多样化的选项，能够处理热固性、热塑性和干纤维带。此外，该系统还能够集成细丝缠绕头部和轴，以及用于修剪预成型件的超声波切割装置。

XCell是一款紧凑型一体式设备，具有多种选项，只需通过一个统一的软件界面操作，用户便可轻松从热固性塑料加工（使用红外加热器）切换到热塑性塑料加工（使用热风枪）。这种设计大大简化了操作流程，提高了系统的灵活性和适用性。

集成刀具更换器使得不同工艺之间的切换更加高效。此外，系统还可以配置第二个AFP头，以便放置多种材料。例如，一个头部可以用于碳纤维，另一个则用于玻璃纤维，机器将自动在两者之间切换，以完成编程的铺放操作。Carbon Axis的机器设计已充分考虑到这些选项的支持，因此可以根据需求的变化随时进行功能扩展。根据阿维拉·莫里的描述，标准的XCell机器使用带有红外加热器的热固性预浸料来进行加工。如果需要加工低熔点的热塑性材料，如聚酰胺（PA）和聚丙烯（PP），只需将加热源更换为热空气枪，温度可高达300°C。此外，该机器还可以包含一个温度可达120°C的加热板，以便粘合第一层。但目前不加工PEEK或PEKK材料，因为激光加热会显著增加成本和安全要求。公司希望保持操作的简单性，使XCell作为一个整体系统进行运输，用户只需完成简单安装即可开始操作。

1998年，科氏复合材料公司（位于法国魁北克）为空客公司展示了其首台自动纤维铺设（AFP）机器。到2010年，科里奥利AFP公司为赛峰公司制造航空发动机短舱，并在2014年开始为空中客车公司生产结构复合材料零件。科氏集团（法国洛里昂）在全球范围内已部署了超过100台AFP系统，并于2018年收购了细丝缠绕公司MF Tech（法国阿根坦）。2022年，科里奥利复合材料公司推出了其C1.2机器，该设备相比于广受欢迎的C1型号，具备更紧凑的机头，适用于直径为1米的凹形模具，并能够应对45°斜坡的问题。C1.2的铺放工作大于1.5米/秒，达到了更高的速度。

C1.2的筒子架可容纳最多15公斤的材料筒子，较传统系统增加了三倍的容量，还可使用重量高达800克/平方米的丝束预浸料，比典型的220/280克/平方米材料更厚，从而进一步提升生产率。该系统标配三个红外线灯用于高速热固性预浸料铺层，而干纤维和热塑性材料则仅需一个激光器。此外，系统还提高了压实压力，以减少原位固结过程中的孔隙率。

C1.2 AFP、CPico和MF Tech系统：C1.2紧凑型AFP系统能够进行复杂的高级铺放操作（顶图），而CPico则将单束AFP头与FFF（熔丝制造）和FGF（熔融颗粒制造）3D打印相结合（中间图）。目前，MF Tech的业务已整合到科里奥利的运营中，为机器人缠绕和混合系统提供了新的应用可能性（底部图）。

对于3D打印，CPico系统支持熔融丝制造（FFF）和热塑性颗粒的熔融颗粒制造（FGF）挤出。该系统可兼容所有市售的长丝用于FFF打印头，同时FGF打印头可使用增强了短切纤维（含量可达35%）的颗粒。两个打印头均设计用于高温聚合物的原位固结，例如聚芳基酮（PAEK）系列材料，其结晶度高且孔隙率小于1%，从而实现高级复合材料级的机械性能。

在机器人细丝缠绕方面，2023年，MF Tech的业务已并入科里奥利工厂。科里奥利复合材料公司首席商务官马修·杜普瓦（Matthieu Dupuis）表示：“目前市场对细丝缠绕的需求非常大，主要应用于氢气储罐，也包括在管道和导管领域。我们现在在同一个地方集成了机器人AFP和细丝缠绕的所有专业技术，并结合了两家公司的资源和支持团队。如果客户需要一台同时具备AFP和细丝缠绕功能的机器，我们可以实现。我们的实验室配备了所有相关设备，用于原型开发和演示。我们已经与新团队合作，成功制造并交付了三台新的机器人缠绕机。”

杜普瓦进一步指出：“公司正积极准备未来的发展，特别是在热塑性复合材料领域，结合了缠绕、AFP、增材制造以及这些和其他工艺的混合技术。我们正在将这些模块集成在一起，以满足各种需求。公司正在寻求技术突破，灵活性和服务能力是关键。”

新的AFP供应商的加入正在扩大复合材料市场，从而创造了更多的发展机会。Addcomposites、Carbon Axis和MTorres等公司纷纷出新，结合了细丝缠绕和3D打印等多种功能，显著提高了生产效率和材料利用率。MTorres的新型eVTOL头部和升级的在线检测系统（OLI）大幅提升了整体设备效率，而科里奥利复合材料公司通过C1.2系统和与MF Tech的整合，为机器人缠绕和混合系统提供了新的可能性。市场上的AFP供应商正在相互补充，从小型低成本设备到大规模生产解决方案，满足了不同客户的需求。虽然竞争激烈，但各公司共同推动了复合材料尤其是热塑性复合材料的应用潜力，使得市场蓬勃发展。多样化的技术选择和模块化设计不仅降低了生产成本，还赋予了制造商更大的灵活性和发展空间。

参考资料：Gardiner, G. (2024). The next evolution in AFP. CompositesWorld.