简述自动纤维铺放和纤维缠绕技术的最新进展（上）

自动纤维铺放 (AFP) 和纤维缠绕 (FM) 的最新进展推动了技术理解的稳步提升，从而能够生产出更精确、成本和材料效率更高的铺层，为新应用铺平了道路。AFP 是从自动铺带技术 (ATL) 发展而来的技术，它不仅可以模拟手动铺放过程，还可以实现定制纤维和丝束对齐，从而提供负载优化的图案、堆叠顺序和零件结构，从而提高机械性能并显著减少浪费。纤维缠绕向自动机器人纤维缠绕的演变使该技术能够制造建筑中高度复杂的轻质结构。在这篇简短的评论中，介绍和讨论了两种自动纤维对齐技术的最新发展，包括主要优点和所用材料。关于 ATL 和 AFP 工艺，还考虑了非航空航天应用的发展。除了简要概述新的铺放技术外，还报告了定制纤维铺放 (TFP) 在干纤维铺放领域的进展。最后，介绍了建筑领域中自由形式和无芯纤维缠绕（CFW）的新型机器人纤维缠绕应用。

1.引言

自动铺带 (ATL) 和自动纤维铺放 (AFP) 已成为先进复合材料制造领域的关键技术，彻底改变了高性能复合材料结构的生产方式。同样，纤维缠绕也已发展成为制造大量旋转对称复合材料结构的关键技术。这些自动化工艺与传统的手工方法相比具有许多优势，大大提高了复合材料制造的效率、精度和可重复性。由于所有这些原因，通过铺带、纤维铺放和纤维缠绕技术生产部件在过去几年中越来越受欢迎。这些优势加上现有材料和技术的最新发展，促使这些技术扩展到航空航天、风能、汽车、体育和休闲以及最近的建筑等众多应用领域。

ATL 和 AFP 的主要优势之一在于它们能够在放置胶带和纤维时实现无与伦比的精度和一致性。自动化消除了与手工劳动相关的可变性，确保每层都以最高的精度定位。这对于需要高度结构完整性和性能的应用尤其重要。此外，自动化放置过程可以优化材料的使用，最大限度地减少浪费，并确保高效使用昂贵的原材料。精确控制纤维的方向和放置的能力可以根据特定的结构要求定制材料特性和堆叠顺序。

在成本方面，这两种技术都减少了对手工劳动的依赖，与手工铺层相比，显著减少了生产时间，降低了由于操作员疲劳而导致错误的风险，并确保了整个制造过程中质量的一致性。

ATL 和 AFP 的起源可以追溯到 20 世纪后期，当时航空航天业寻求创新解决方案来满足对轻质高强度材料日益增长的需求。自动铺带技术最初发展的动力来自于飞机复合材料部件对高效制造工艺的需求。20 世纪 80 年代，自动铺带系统开始受到关注，早期应用主要集中在航空航天部件的制造。这些系统利用计算机控制的龙门机械将复合带精确地铺设到平坦或略微弯曲的模具上，逐层创建大型结构。ATL 在速度和精度方面的优势很快就显现出来，这促使了进一步的研究和开发。在 ATL 成功的基础上，20 世纪 90 年代出现了 AFP 系统，通过引入铺设连续纤维而不是较短的带段的能力，扩展了自动化工艺的能力。AFP 系统允许以各种方向和复杂的几何形状沉积纤维，从而能够在曲面上创建具有定制机械性能的层压板。随着航空航天工业继续采用这些自动化技术，机器人、材料和软件的进步进一步完善了这两个系统的功能。Yadav 等人表示，集成先进的传感器和实时监控系统（如热成像、轮廓测量和机器视觉）可提高制造过程的可靠性和质量控制，确保在航空航天工业等安全关键行业中生产出质量稳定的高性能复合结构。

从龙门系统上的大型复杂铺放头到小型机器人系统，再到定制纤维铺放（TFP）中纺织机的使用，这些发展降低了整体系统成本，并为高性能航空复合材料以外的新应用铺平了道路。

与此同时，自 20 世纪 80 年代以来，人们开始采用数控湿法纤维缠绕技术，利用具有一个或两个旋转轴的缠绕机将张紧的连续单纤维沉积在旋转对称心轴上。在过去的几十年里，制造设备的复杂性和自由度得到了提高，克服了平面结构的几何限制。三维缠绕的最新方法提供了更大的灵活性并优化了配筋，从而产生了轻量化连接技术和自由形式晶格或壳结构，这些结构在建筑中使用。此外，这些技术已被提议作为复合刚架结构和未来的空间应用。

近年来，高度自动化制造技术与精确、适应性强的纤维排列相结合的应用已经超出了航空航天领域，包括汽车、风能和建筑等领域。向这些行业的扩展主要基于机器和工艺的发展，提高了制造更复杂零件的能力。这所需的进步包括开发上述技术的新材料，以及改进制造可变纤维架构通过开发拖曳转向和 3D 缠绕功能来改善结构性能。因此，这篇文章将重点介绍这些内容，并提供一个简短的发展概述。

2 .纤维铺放技术

2.1自动铺带和自动纤维铺放的一般定义和概述

自动铺带系统通常安装在龙门系统上，包括材料储存、加热区、压实辊和用于储存底纸的卷轴（图 1（A））。最先进的 ATL 系统设计用于处理宽度为 75、150 或 300 毫米的预浸料。材料储存通常安装在铺层头附近，这会增加重量，并且需要移动龙门系统。

在每个铺层路径的开始处，系统将预定长度的增强织物附着到基材上。随后，ATL 系统加速到其指定的铺层速度并分配预定长度的材料。在整个铺层过程中，硅胶辊施加定义的压缩力并压实胶带。此外，ATL 系统主动管理胶带和底纸的张力，降低底纸破裂的风险，提高层对齐精度并促进在弯曲几何形状上的铺层。在每个铺层路径的末尾，ATL 系统减速并使用旋转或夹紧刀片自动切割胶带。最小路径长度由硅胶辊的夹点和切割系统之间的距离定义，并定义零件尺寸的下限。因此，顺序铺层程序逐层重复，直到完成一层。完成一层后，铺层头或工具表面旋转以适应不同的纤维方向，并重复该过程，直到所有层都按照层手册放置。

可以识别出两种不同的自动胶带铺设配置：轮廓胶带铺放机，用于将材料铺设到轮廓工具表面（例如机翼蒙皮）上；扁平胶带铺放机（FTL），用于将胶带定位到平坦工具表面上。近年来，FTL 配置（例如 FILL MULTILAYER）也已用于热塑性胶带材料的自动沉积。然而，由于所用增强材料的宽度和系统架构的固有限制，ATL 工艺的适用性仅限于复杂程度较低的组件。ATL 在平面层压板生产和随后的热悬垂成型方面特别受到关注。这种高速层压板堆叠和确定的三维成型的结合提供了一种有竞争力的制造路线。目前，最先进的 ATL 系统大多与随后的热压罐固化相结合，广泛应用于各种大型航空航天结构的自动化生产，包括机翼蒙皮、垂直和水平尾翼以及 A380 的中央翼盒或空客 A350 上壳机身蒙皮部分。即使自动纤维铺放可以被认为是 ATL 工艺的演变，因为它扩展了工艺窗口、组件复杂性并且与液态树脂灌注相结合时成本较低，但 AFP 最初的设计是为了克服纤维缠绕技术的局限性。与纤维缠绕工艺不同，AFP 头直接与工具表面接触，并且以最小的张力和确定的压实压力施加材料。与使用单块宽预浸料织物相比，AFP 工艺采用多条单独的丝束或狭缝带，它们汇聚在铺放头内，随后作为基材部署。单个丝束可以从（气候调节的）纱架柜输送到铺层头，也可以直接储存在铺层头上。增强材料从材料供应处传送到压实辊，在压实辊上施加加热和压实力，将材料压实到基材或模具表面上，以最大限度地减少层压板内的空隙（图1（B））。热气炬、二极管激光器、红外辐射器或脉冲宽带发射器可用作加热源。

每条丝束以不同的速度驱动，在铺层过程中可以单独停止、切割和重新启动。以单独的速度操纵丝束的可能性有助于在复杂几何形状上进行铺层，并能够进行丝束转向和曲线放置。单独丝束控制还允许 AFP 通过引入或移除单独丝束来动态改变材料带宽。然而，最先进的 AFP 系统仅限于低面积重量材料（例如 HEXCEL HiTape 126 gsm；1/4），这使得它们的适用范围主要局限于航空航天工业。

图1.纤维铺放头示意图（A）ATL，（B）AFP。

AFP 是一种生产无缺陷复合材料层压板的复杂制造工艺。其质量取决于许多工艺参数的正确选择，例如进料速率、固化/熔化温度、压实力和铺层速度，这些参数适用于不同的制造阶段（如开始、铺放过程和结束）。因此，识别 AFP 中加工引起的缺陷及其对最终产品质量的影响至关重要。

ATL 和 AFP 之间的显著差异在于可处理的材料宽度。在 AFP 制造中，典型的胶带宽度为1/4”（6.35 毫米）和1/2”（12.7 毫米），多条带同时输送，形成一条带。目前的 AFP 系统通常处理 12、24 或 32 条单独的丝束。

AFP 铺层过程中采用的纤维材料可分为预浸渍丝束或 Towpregs、预浸料分条带、干纤维和热塑性带。如前所述，热塑性材料最近引起了人们的关注，因为它们具有可回收性、可修复性和形成组件接头的能力等优点，使其在各种工业应用中具有吸引力。尽管热塑性复合材料制造具有多种优势，但也需要考虑高加工温度、原位固结 AFP 层压板的低层间剪切强度以及狭窄加工窗口旁边的材料成本。因此，预浸料分条带仍然是航空航天结构生产中使用的主要织物，尽管干纤维铺放 (DFP) 和热塑性结构的制造越来越受到关注。由于 DFP 过程中干织物缺乏粘性，因此使用辅助粘合剂系统将织物固定在基材上，并实现层间足够的粘附性。在自动纤维沉积过程中，通常使用不同的反应性和非反应性增粘剂。多位作者研究了粘合剂体系对浸渍行为、树脂流变性和纤维增强塑料 (FRP) 部件的机械性能影响。这些研究表明，反应性和非反应性增粘剂都会影响复合材料的性能，因此需要谨慎使用这些助剂。虽然粘合剂材料和热固性树脂的充分选择和组合可以被视为一项挑战，但它也提供了新的机会，例如自由牵引和树脂材料选择，特别是在小批量生产和原型设计方面。

近年来，AFP 技术有了显著的改进，催生了新技术，拓宽了其功能和适用性。连续丝束剪切利用非浸渍织物的剪切变形，最大限度地减少铺层过程中工艺引起的缺陷，而高级铺层技术旨在缩小 AFP 和 ATL 工艺之间的差距。此外，连续湿式铺层工艺专注于生产高纵横比的结构，如潮汐涡轮机的转子叶片。

自动纤维铺放系统的最新发展强调了使 AFP 技术更容易被更广阔的市场所接受的目标，特别是针对中小型企业和研究机构。为了实现这种可及性，供应商正在积极努力降低与 AFP 技术相关的投资成本。这涉及到实施不太复杂的 AFP 铺放头，减少集成传感器的数量和在线质量检测系统，以减少平均故障间隔时间 (MTBF)。CROSSLAYER 技术就是一个例子。正如 Grisin 等人所表明的，采用这样的进步，可以实现高工艺可靠性、最少材料浪费和卓越预制件质量之间的平衡。作者指出，这些新颖的 AFP 技术可以在产品开发以及中小型生产系列中发挥重要作用。

尽管如此，现有的带材最初是为了适应高端 AFP 系统及其各自的客户而开发和推出的，因为 AFP 加工过程中使用的丝束和带的输入质量在实现高性能复合材料部件方面起着重要作用。因此，纤维铺展和预处理对复合材料铺层的精度和效率有显著贡献。铺展技术涉及单个纤维或丝束的受控铺展，以在基材上实现最佳覆盖和排列，确保分布均匀，并最大限度地减少最终复合结构中的空隙。然而，随着新的 AFP 供应商进入市场，以及有关带材的新兴需求（如可持续生物基材料和定制带材）的出现，对新型预处理系统的需求日益增长。

虽然 AFP 通常与平面复合结构（例如平板或具有更复杂几何形状的组件）的制造相关，但它也将其功能扩展到圆柱形结构的制造，例如飞机机身部分。

2.2.定制光纤铺放技术 (TFP)

定制纤维铺放 (TFP) 是一种自动化纺织制造技术，用于连续干增强纤维的可变轴向排列，是自 20 世纪 80 年代末以来不断发展的 AFP 技术的一个子集。多年来，该技术在不同应用领域取得了重大成功，例如 A350 航空窗框的加固、自行车刹车杆的生产以及高应力叶片转子的制造。

丝束材料通常使用多头刺绣机沿预定的纤维路径自动铺设，并使用细缝纫线通过锯齿形针脚固定在基材上。通过精确计算的丝束放置，可以最佳地利用纤维的各向异性强度和刚度潜力，因为纤维在纵向上受到精确的应力，因此可以传递最大的力此外，壁厚可以局部变化，具体取决于彼此叠加的丝束数量。

TFP 工艺适用于多种材料。虽然通常使用玻璃或碳纤维织物或面纱作为刺绣底布，但也可以使用热塑性薄膜或纸张。如今，可以通过高架送料装置直接加工增强线，例如厚度高达 3500 tex 的玻璃、芳纶、玄武岩或碳纤维。虽然这会将原始自由纤维旋转限制在最大 720°，但与直接安装在针头前方的缝纫头线轴送入的丝束相比，它提高了纤维质量，并通过消除了重新卷绕的需要而缩短了加工时间。将丝束固定到位的细缝纫线通常由热塑性材料制成，例如多丝聚酯，根据稍后将在 FRP 复合材料中使用的基质系统对其进行优化和选择，因为线的粗细和材料会影响后续的机械性能。

关于热塑性 TFP 复合材料结构的制造，混合纱线的放置，增强材料和热塑性长丝之间的混合长丝纱线混合物为此类材料打开了新窗口。结合大批量注塑工艺，将功能元件添加到固结的承载长纤维 TFP 结构上，建立了热塑性复合材料结构的新制造路线。

理想情况下，TFP 组件具有复杂的轮廓，这些轮廓很难用扁平的半成品实现，并且会导致大量浪费。组件表面的几何尺寸通常小于半平方米。采用 TFP 图案的预成型可分为三种策略，如图 2所示。在最广泛的预成型中，组件所需的所有增强纤维都通过 TFP 铺设在基材上，因此基材与结构无关（图 2（A））。在第二种方法中（图 2（B）），将增强纤维应用于结构相关的载体材料，例如无卷曲织物或 AFP 单向预制件层压板，以映射特定的负载路径或局部加固。第三种方法是将 TFP 结合到 FRP 组件中，并使用 TFP 缝合预制件来加固负载至关重要的区域（图 2（C））。TFP 预制件插入件主要用于承重区域，其中 TFP 预制件的适应性纤维几何形状可最佳地分配负载，并通过增加结构来减少承重负载。

图2.TFP策略概览：（A）全面TFP强化，（B）应用TFP强化，（C）TFP作为局部强化。

据报道，TFP 的主要优势是能够将干燥的 2D TFP 预制件成型并悬垂成 3D 几何形状，从而扩大了 TFP 应用的设计空间，从 2D 平面到 3D 壳体复合结构。由于纤维与纤维、纤维与基材以及纤维与缝合线之间的摩擦和滑移决定了成型和悬垂行为，因此必须仔细选择和优化缝合基材、缝合线、纤维、定义的纤维取向和叠加的丝束数量以及缝合长度和宽度等工艺参数，以获得所需的悬垂效果。另一方面，这种依赖关系可专门用于调整局部摩擦特性，从而通过局部确定缝合密度（缝合长度和缝合线）来调整 TFP 预制件的成型和悬垂效果。

据报道，TFP 技术在 AFP 类中具有最高的拖曳转向能力，可以提高结构性能，例如提高抗屈曲性和缺口敏感性。尤其是裸眼拉伸性能的改善，不同的作者也进行了报道。

近年来，机器生产率的提高源于新的控制系统，该系统允许机器以最大速度在编程直线的两端之间运行，同时将丝束固定在放置长度的最后一厘米。为了进一步实现工业化和工艺改进，集成用于检测纤维错位、间隙和丝束波动等缺陷的无损监测系统将是有益的，但目前尚未有报道。一方面，高动态旋转纤维引导装置和机器主杆之间的空间有限，这使得集成这种在线系统具有挑战性；另一方面，离线系统只能测量顶层，每当放置的丝束铺设在已经放置的丝束上时都需要中断工艺，导致机器长时间停机。必须证明这种针对潜在缺陷的监测系统是否会进一步改进 TFP 技术及其产品，还是只会增加工艺复杂性和成本。

最后，随着仿生设计理念的出现以及变刚度层压板结构优化的各种方法的出现，TFP 制造技术能力与结构力学和数值分析之间的滞后差距正在缩小，在汽车、体育和休闲以及建筑领域的应用也在不断发展。然而，与编织物和非卷曲织物等更标准的模型相比，复杂的 TFP 材料建模还不够成熟，无法在早期采用者之外进行广泛的市场推广和接受。

参考文献：

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