干纤维自动铺放-液体成型技术综述

一、引言

干纤维铺放技术的概念最早在2010年由欧洲的“Fibre Chain”计划提出，该计划汇集了七个欧洲国家的资源，由十八个欧洲领先的复合材料研究机构共同参与。此外，作为欧洲机床行业的领军企业，西班牙的DANOBAT公司目前也在积极开发干纤维铺放系统。与此同时，西班牙的MTORRES工业公司正与俄罗斯MS-21航空复合材料计划紧密合作，共同探索将干纤维铺放技术应用于航空复合材料构件制造的可能性。德国BROETJE自动化有限公司，作为航空机械装备领域的重要供应商，也投入了巨额资金，致力于开发干纤维铺放设备及相关技术。相比之下，由于自动化铺丝设备和国内材料性能的局限，国内在这一领域的研究还停留在基础探索阶段。

图1 自动铺放成型机设计示意图

以前，复合材料的生产主要依靠工人的手工铺放技术，这种方法不仅效率低下，而且存在精度差、成本高、材料利用率低等多重问题，难以满足高质量复合材料结构件的生产需求。随着自动铺丝技术（Automated Fiber Placement, AFP）的引入，人们开始能够智能设计并自动化制造复合材料部件。这一技术显著提升了生产效率，严格控制了生产过程，降低了人工成本，并且能够精确控制铺层厚度，减少空隙含量（通常小于1%）和材料报废率（5%～20%）。然而，传统的自动铺丝技术所使用的预浸料需要通过热压罐固化，这一过程成本高昂且步骤繁琐，不利于AFP技术的广泛采用。由于预浸料带的宽度、工艺质量和铺放路径轨迹的限制，机身框架、飞机尖角整流罩等大曲率构件在铺放过程中极易产生褶皱，甚至有些拐角或直角特征根本无法铺放。此外，在传统的预浸带式纤维铺放工艺中，为了防止树脂基体交联反应失效，预浸带需要在低温下储存，且储存寿命仅约为6个月。同时，预浸带在铺放过程中，高粘度树脂会对铺放设备造成污染，损害设备寿命。这些问题极大地阻碍了复合材料构件性能的进一步提升与应用。

图2 HiTape干燥单向纤维带

液体成型（Liquid Composite Molding, LCM）技术利用干燥的纤维或织物预制体部件，随后注入树脂并进行固化，展现出以下优势：高效的成型过程——与传统预浸带铺放系统相比，干纤维铺放系统能将复合材料的成型效率提升超过10倍，其铺放效率高达350 kg/h，显著提升了生产效率。成本效益显著——干纤维不含树脂基体，能在室温下保存数月，有效降低了储存成本。此外，由于无需使用热压罐进行固化，干纤维和树脂的组合比相同材料的预浸料成本低70%，并且更易于保存，大幅降低了制造过程中的成本。精确度高——干纤维铺放技术实现了复合材料部件的智能设计与自动化制造，严格控制生产过程，提高了制造精度，满足了高质量复合材料结构件的需求。灵活性强——由于没有树脂基体的限制，干纤维更容易弯曲或剪切变形，铺层时转向更为灵活，适用于复杂形状构件的制造。设备维护简便——由于不含树脂，使用干纤维进行自动铺放时可以减少铺丝头中的树脂堆积，延长设备维护时间间隔，提高设备的可靠性。

图3 MTorres干纤维生产过程

在参与干纤维研发计划的过程中，西班牙机械制造商MTorres公司成功开发了一条低成本且高渗透性的干纤维制备生产线，并且研制出了成熟的干纤维产品。这些产品包括了广泛使用的玻璃纤维和碳纤维。以碳纤维干纤维为例，图3(a)展示了送纱过程，其中多束50K碳纤维被牵引至干纤维生产线；图3(b)展示了展宽过程，将50K碳纤维展开至特定宽度；图3(c)展示了定型过程，通过静电沉积枪喷涂低温定型剂；图3(d)展示了复合过程，利用红外加热技术将高温热塑网膜与碳纤维、定型剂进行复合；图3(e)展示了监测与整形过程，使用光学设备监测干纤维的宽度、复合状态和划缝等，以提高后续树脂的渗透性；图3(f)展示了收卷过程，干纤维原型机的收卷速度为50 m/min，最高可达75 m/min，而工业设备的收卷速度可达200 m/min。

干纤维自动铺放技术是一种精密的制造工艺，旨在精确地按照预定路径和方向铺设干纤维材料。在干纤维自动铺放的操作过程中，首先需准备干纤维材料，这些材料通常以卷材或片材形式存在。随后，自动化设备依据预设程序控制铺放头沿特定轨迹移动，确保干纤维材料均匀地铺设于基材表面。铺放头的运动由多轴联动控制系统精确操控，以确保纤维铺设方向和位置的准确性。

图4 MTorres公司的干纤维铺放公务机机身壳体

图5翼梁干纤维铺放（左） ADMP成型风电叶片(右）

为确保铺放质量，干纤维自动铺放系统通常集成有先进的检测和反馈机制。例如，激光扫描仪和视觉系统能够实时监测纤维的铺设状态，确保铺设过程的精确性和一致性。此外，系统能够根据实际铺放情况自动调整参数，以适应材料特性和环境变化的影响。

激光加热、高功率闪光灯加热以及电加热的方式相比较更传统的红外加热更适合干纤维的自动铺放，激光和闪光灯加热具有高效、温度均匀可控、可以快速加热和冷却等优点，而电加热则提供了一种区别于外部加热的发展思路，成本低、效率高。

1、铺丝头

图6使用伺服纱架的铺丝头

为了更精确地控制与感知张力，Electroimpact公司研发了一款先进的伺服纱架（见图6），它用伺服/控制器与变速箱的集成替代了传统的制动盘。这一创新使得整个张力系统完全置于电机控制器的精确管理之下，从而能够对张力的微小变化做出更为灵敏和迅速的响应。这样的设计适应了在生产过程中对更低张力和更高速率的需求。

2、特种光源加热固化设备

Electroimpact开发的VSS二极管激光加热系统可安装在铺丝头附近，利用多个二极管对准纤维束铺放点，实现多丝束同时铺放。激光束精确熔化热塑性材料，提供黏性，且能快速响应和控制加热时间，防止过热。H16VSS型号为16束铺丝头提供16个12.7 mm×12.7 mm光斑，无需光纤电缆连接。

图7 特种光源加热固化设备：低能电子束源、 Vss二极管激光加热系统 、紫外固化源、闪光灯相对压实辊和模具的位置

3、末端执行器

除了通过外部输入热量，让纤维具备“自我”产热的能力也是一项创新概念。Helber等人利用碳纤维固有的电学属性和电流的热效应，通过为特定的碳纤维丝通电产生热量，激活粘结剂，实现铺层目标。他们设计了一种新型的末端执行器（见图8），用以取代传统的压实辊。该末端执行器通过集成在五个分段表面的铜板实现电接触，其中间分段首先与工件表面接触，随后两侧气缸启动，将剩余的四个分段也压紧在工件表面。当达到所需压力后，便连接电源对纤维进行加热。

图8末端执行器

树脂传递模塑成型工艺（RTM）是一种在封闭模具中将干纤维预成型并注入树脂的制造过程。其基本步骤包括制造干复合预成型、将预成型放入封闭模具、在压力下向预成型注入低粘度液态树脂、在高温和压力下在封闭模具中固化零件以及解模并清理固化后的零件。RTM工艺具有成本效益高、适合批量生产中等数量的产品、可以实现复杂形状的零件生产且表面质量较好、模具成本较低等特点，适用于汽车、航空航天、体育用品等领域。高压树脂传递模塑成型工艺（HP-RTM）和真空辅助树脂传递模塑成型工艺（VARTM）是RTM的衍生工艺。HP-RTM结合高压技术和传统RTM工艺，使用高压注入非常低粘度的反应树脂，并通过全自动化过程制造预成型件，生产过程中需要使用高达3600吨压强的模具。HP-RTM的优势在于能够提高复合材料的力学性能和纤维含量，同时减少孔隙率，从而提升最终产品的性能。VARTM利用真空辅助系统将液体树脂拉入预成型件中，提高树脂的流动性和浸润性，减少填充时间和树脂浪费，提高生产效率。VARTM工艺广泛应用于大型复杂结构的整体成型，如航空航天领域，其优势在于低成本、污染小、效率高，并且能够显著提高大尺寸制件的力学性能。

图9液体成型工艺流程

RTM、HP-RTM和VARTM各有其独特的优势和适用领域。RTM因其低成本和灵活性被广泛应用于中大规模生产；HP-RTM通过高压技术提高了复合材料的力学性能；而VARTM则以其高效和环保的特点，在大型复杂结构的成型中具有显著优势。选择合适的工艺取决于具体的应用需求和生产条件。

干纤维自动铺放-液体成型技术是一种先进的复合材料制造工艺，它结合了干纤维铺放和液体成型两种技术的优点。该技术首先通过自动铺放设备将干态的纤维材料（如碳纤维、玻璃纤维等）按照预定的路径和角度铺设到模具表面，然后通过注入树脂或其他液体基体材料来浸润纤维，实现纤维与基体的结合，从而形成所需的复合材料部件。图10呈现了翼梁预制体的制备过程，该过程涉及液体成型技术，并采用了干纤维自动铺放的工艺。

这种技术的优势在于能够制造出具有复杂形状和高性能要求的复合材料部件，同时保持了较高的生产效率和较低的材料浪费。它广泛应用于航空航天、汽车、风能、体育器材等多个领域。

图10 翼梁VARI液体成型过程

结构应用扩展：液体成型技术的应用将从次承力结构扩展到主承力结构，随着纤维体积分数提升等关键性技术的逐渐突破，液体成型技术在主承力航空复合材料部件中的应用将成为必然趋势。

自动化预成型与注胶模拟仿真分析：以干纤维自动铺放、干纤维自动铺缝为代表的自动化预成型、注胶模拟仿真分析等先进自动化辅助技术的运用成为一个明显趋势，这一趋势将显著提升复合材料成型的设计性、可控性和制品质量。

智能化生产线建设：液体成型的低成本优势将伴随着智能化生产线建设更加突出，智能化技术可实现对物理化学参数、功能指标的在线捕获和跟踪监控，对指标偏差进行集成分析并实时在线反馈。例如，实时数字孪生模型和基于人工智能的图像缺陷检测模型的应用，可以进一步提高AFP工艺的精度和效率。此外，随着机器人化技术的发展，干纤维自动铺放设备将更加灵活和高效，能够处理更多种类的材料和复杂的成型任务。

综上所述，干纤维自动铺放-液体成型技术的未来发展趋势指向了自动化、低成本化、智能化以及材料和工艺的专用化和优化，这将推动复合材料在更广泛领域的应用，并促进产业的升级发展。

参考文献：

[1]张小辉,朱玉祥,张少秋,等.先进复合材料自动铺丝技术研究进展[J].航空制造技术,2018,61(07):54-61.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2018.07.054.

[2]曹宇宸.真空辅助树脂传递模塑成型制作船壳数值模拟研究[D].烟台大学,2023.DOI:10.27437/d.cnki.gytdu.2023.000821.

[3]彭公秋,白钰,钟翔屿,等.干纤维自动铺放液体成型复合材料技术的研究进展[J].复合材料科学与工程,2024,(03):113-120.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.017.

[4]李晨,秦田亮,贾西文,等.民机复合材料自动铺丝液体成型工艺过程若干数字孪生关键技术探讨[J].航空制造技术,2023,66(21):46-57.DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.21.046.

[5]黄炎,张小辉,孙朝海.干纤维自动铺放参数对复合材料剪切性能的影响[J].沈阳工业大学学报,2023,45(02):168-172.

[6]聂玉强,付晨辰,彭运松.干纤维自动铺放-液体成型技术进展研究[J].材料开发与应用,2023,38(04):19-26.DOI:10.19515/j.cnki.1003-1545.2023.04.011.

[7]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.

[8]Ajay Kumar Kadiyala, Keith Devlin, Stephen Lee,Evaluation of the flexural properties and failure evolution of a hybrid composite manufactured by automated dry fibre placement followed by liquid resin infusion,Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,Volume 154,2022,106764,ISSN 1359-835X,https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106764.