自動纖維鋪放 (AFP) 和纖維纏繞 (FM) 的最新進展推動了技術(shù)理解的穩(wěn)步提升，從而能夠生產(chǎn)出更精確、成本和材料效率更高的鋪層，為新應(yīng)用鋪平了道路。AFP 是從自動鋪帶技術(shù) (ATL) 發(fā)展而來的技術(shù)，它不僅可以模擬手動鋪放過程，還可以實現(xiàn)定制纖維和絲束對齊，從而提供負(fù)載優(yōu)化的圖案、堆疊順序和零件結(jié)構(gòu)，從而提高機械性能并顯著減少浪費。纖維纏繞向自動機器人纖維纏繞的演變使該技術(shù)能夠制造建筑中高度復(fù)雜的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這篇簡短的評論中，介紹和討論了兩種自動纖維對齊技術(shù)的最新發(fā)展，包括主要優(yōu)點和所用材料。關(guān)于 ATL 和 AFP 工藝，還考慮了非航空航天應(yīng)用的發(fā)展。除了簡要概述新的鋪放技術(shù)外，還報告了定制纖維鋪放 (TFP) 在干纖維鋪放領(lǐng)域的進展。最后，介紹了建筑領(lǐng)域中自由形式和無芯纖維纏繞（CFW）的新型機器人纖維纏繞應(yīng)用。

1.引言

自動鋪帶 (ATL) 和自動纖維鋪放 (AFP) 已成為先進復(fù)合材料制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，徹底改變了高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方式。同樣，纖維纏繞也已發(fā)展成為制造大量旋轉(zhuǎn)對稱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。這些自動化工藝與傳統(tǒng)的手工方法相比具有許多優(yōu)勢，大大提高了復(fù)合材料制造的效率、精度和可重復(fù)性。由于所有這些原因，通過鋪帶、纖維鋪放和纖維纏繞技術(shù)生產(chǎn)部件在過去幾年中越來越受歡迎。這些優(yōu)勢加上現(xiàn)有材料和技術(shù)的最新發(fā)展，促使這些技術(shù)擴展到航空航天、風(fēng)能、汽車、體育和休閑以及最近的建筑等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

ATL 和 AFP 的主要優(yōu)勢之一在于它們能夠在放置膠帶和纖維時實現(xiàn)無與倫比的精度和一致性。自動化消除了與手工勞動相關(guān)的可變性，確保每層都以最高的精度定位。這對于需要高度結(jié)構(gòu)完整性和性能的應(yīng)用尤其重要。此外，自動化放置過程可以優(yōu)化材料的使用，最大限度地減少浪費，并確保高效使用昂貴的原材料。精確控制纖維的方向和放置的能力可以根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)要求定制材料特性和堆疊順序。

在成本方面，這兩種技術(shù)都減少了對手工勞動的依賴，與手工鋪層相比，顯著減少了生產(chǎn)時間，降低了由于操作員疲勞而導(dǎo)致錯誤的風(fēng)險，并確保了整個制造過程中質(zhì)量的一致性。

ATL 和 AFP 的起源可以追溯到 20 世紀(jì)后期，當(dāng)時航空航天業(yè)尋求創(chuàng)新解決方案來滿足對輕質(zhì)高強度材料日益增長的需求。自動鋪帶技術(shù)最初發(fā)展的動力來自于飛機復(fù)合材料部件對高效制造工藝的需求。20 世紀(jì) 80 年代，自動鋪帶系統(tǒng)開始受到關(guān)注，早期應(yīng)用主要集中在航空航天部件的制造。這些系統(tǒng)利用計算機控制的龍門機械將復(fù)合帶精確地鋪設(shè)到平坦或略微彎曲的模具上，逐層創(chuàng)建大型結(jié)構(gòu)。ATL 在速度和精度方面的優(yōu)勢很快就顯現(xiàn)出來，這促使了進一步的研究和開發(fā)。在 ATL 成功的基礎(chǔ)上，20 世紀(jì) 90 年代出現(xiàn)了 AFP 系統(tǒng)，通過引入鋪設(shè)連續(xù)纖維而不是較短的帶段的能力，擴展了自動化工藝的能力。AFP 系統(tǒng)允許以各種方向和復(fù)雜的幾何形狀沉積纖維，從而能夠在曲面上創(chuàng)建具有定制機械性能的層壓板。隨著航空航天工業(yè)繼續(xù)采用這些自動化技術(shù)，機器人、材料和軟件的進步進一步完善了這兩個系統(tǒng)的功能。Yadav 等人表示，集成先進的傳感器和實時監(jiān)控系統(tǒng)（如熱成像、輪廓測量和機器視覺）可提高制造過程的可靠性和質(zhì)量控制，確保在航空航天工業(yè)等安全關(guān)鍵行業(yè)中生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)。

從龍門系統(tǒng)上的大型復(fù)雜鋪放頭到小型機器人系統(tǒng)，再到定制纖維鋪放（TFP）中紡織機的使用，這些發(fā)展降低了整體系統(tǒng)成本，并為高性能航空復(fù)合材料以外的新應(yīng)用鋪平了道路。

與此同時，自 20 世紀(jì) 80 年代以來，人們開始采用數(shù)控濕法纖維纏繞技術(shù)，利用具有一個或兩個旋轉(zhuǎn)軸的纏繞機將張緊的連續(xù)單纖維沉積在旋轉(zhuǎn)對稱心軸上。在過去的幾十年里，制造設(shè)備的復(fù)雜性和自由度得到了提高，克服了平面結(jié)構(gòu)的幾何限制。三維纏繞的最新方法提供了更大的靈活性并優(yōu)化了配筋，從而產(chǎn)生了輕量化連接技術(shù)和自由形式晶格或殼結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在建筑中使用。此外，這些技術(shù)已被提議作為復(fù)合剛架結(jié)構(gòu)和未來的空間應(yīng)用。

近年來，高度自動化制造技術(shù)與精確、適應(yīng)性強的纖維排列相結(jié)合的應(yīng)用已經(jīng)超出了航空航天領(lǐng)域，包括汽車、風(fēng)能和建筑等領(lǐng)域。向這些行業(yè)的擴展主要基于機器和工藝的發(fā)展，提高了制造更復(fù)雜零件的能力。這所需的進步包括開發(fā)上述技術(shù)的新材料，以及改進制造可變纖維架構(gòu)通過開發(fā)拖曳轉(zhuǎn)向和 3D 纏繞功能來改善結(jié)構(gòu)性能。因此，這篇文章將重點介紹這些內(nèi)容，并提供一個簡短的發(fā)展概述。

2 .纖維鋪放技術(shù)

2.1自動鋪帶和自動纖維鋪放的一般定義和概述

自動鋪帶系統(tǒng)通常安裝在龍門系統(tǒng)上，包括材料儲存、加熱區(qū)、壓實輥和用于儲存底紙的卷軸（圖 1（A））。最先進的 ATL 系統(tǒng)設(shè)計用于處理寬度為 75、150 或 300 毫米的預(yù)浸料。材料儲存通常安裝在鋪層頭附近，這會增加重量，并且需要移動龍門系統(tǒng)。

在每個鋪層路徑的開始處，系統(tǒng)將預(yù)定長度的增強織物附著到基材上。隨后，ATL 系統(tǒng)加速到其指定的鋪層速度并分配預(yù)定長度的材料。在整個鋪層過程中，硅膠輥施加定義的壓縮力并壓實膠帶。此外，ATL 系統(tǒng)主動管理膠帶和底紙的張力，降低底紙破裂的風(fēng)險，提高層對齊精度并促進在彎曲幾何形狀上的鋪層。在每個鋪層路徑的末尾，ATL 系統(tǒng)減速并使用旋轉(zhuǎn)或夾緊刀片自動切割膠帶。最小路徑長度由硅膠輥的夾點和切割系統(tǒng)之間的距離定義，并定義零件尺寸的下限。因此，順序鋪層程序逐層重復(fù)，直到完成一層。完成一層后，鋪層頭或工具表面旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同的纖維方向，并重復(fù)該過程，直到所有層都按照層手冊放置。

可以識別出兩種不同的自動膠帶鋪設(shè)配置：輪廓膠帶鋪放機，用于將材料鋪設(shè)到輪廓工具表面（例如機翼蒙皮）上；扁平膠帶鋪放機（FTL），用于將膠帶定位到平坦工具表面上。近年來，F(xiàn)TL 配置（例如 FILL MULTILAYER）也已用于熱塑性膠帶材料的自動沉積。然而，由于所用增強材料的寬度和系統(tǒng)架構(gòu)的固有限制，ATL 工藝的適用性僅限于復(fù)雜程度較低的組件。ATL 在平面層壓板生產(chǎn)和隨后的熱懸垂成型方面特別受到關(guān)注。這種高速層壓板堆疊和確定的三維成型的結(jié)合提供了一種有競爭力的制造路線。目前，最先進的 ATL 系統(tǒng)大多與隨后的熱壓罐固化相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于各種大型航空航天結(jié)構(gòu)的自動化生產(chǎn)，包括機翼蒙皮、垂直和水平尾翼以及 A380 的中央翼盒或空客 A350 上殼機身蒙皮部分。即使自動纖維鋪放可以被認(rèn)為是 ATL 工藝的演變，因為它擴展了工藝窗口、組件復(fù)雜性并且與液態(tài)樹脂灌注相結(jié)合時成本較低，但 AFP 最初的設(shè)計是為了克服纖維纏繞技術(shù)的局限性。與纖維纏繞工藝不同，AFP 頭直接與工具表面接觸，并且以最小的張力和確定的壓實壓力施加材料。與使用單塊寬預(yù)浸料織物相比，AFP 工藝采用多條單獨的絲束或狹縫帶，它們匯聚在鋪放頭內(nèi)，隨后作為基材部署。單個絲束可以從（氣候調(diào)節(jié)的）紗架柜輸送到鋪層頭，也可以直接儲存在鋪層頭上。增強材料從材料供應(yīng)處傳送到壓實輥，在壓實輥上施加加熱和壓實力，將材料壓實到基材或模具表面上，以最大限度地減少層壓板內(nèi)的空隙（圖1（B））。熱氣炬、二極管激光器、紅外輻射器或脈沖寬帶發(fā)射器可用作加熱源。

每條絲束以不同的速度驅(qū)動，在鋪層過程中可以單獨停止、切割和重新啟動。以單獨的速度操縱絲束的可能性有助于在復(fù)雜幾何形狀上進行鋪層，并能夠進行絲束轉(zhuǎn)向和曲線放置。單獨絲束控制還允許 AFP 通過引入或移除單獨絲束來動態(tài)改變材料帶寬。然而，最先進的 AFP 系統(tǒng)僅限于低面積重量材料（例如 HEXCEL HiTape 126 gsm；1/4），這使得它們的適用范圍主要局限于航空航天工業(yè)。

圖1.纖維鋪放頭示意圖（A）ATL，（B）AFP。

AFP 是一種生產(chǎn)無缺陷復(fù)合材料層壓板的復(fù)雜制造工藝。其質(zhì)量取決于許多工藝參數(shù)的正確選擇，例如進料速率、固化/熔化溫度、壓實力和鋪層速度，這些參數(shù)適用于不同的制造階段（如開始、鋪放過程和結(jié)束）。因此，識別 AFP 中加工引起的缺陷及其對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響至關(guān)重要。

ATL 和 AFP 之間的顯著差異在于可處理的材料寬度。在 AFP 制造中，典型的膠帶寬度為1/4”（6.35 毫米）和1/2”（12.7 毫米），多條帶同時輸送，形成一條帶。目前的 AFP 系統(tǒng)通常處理 12、24 或 32 條單獨的絲束。

AFP 鋪層過程中采用的纖維材料可分為預(yù)浸漬絲束或 Towpregs、預(yù)浸料分條帶、干纖維和熱塑性帶。如前所述，熱塑性材料最近引起了人們的關(guān)注，因為它們具有可回收性、可修復(fù)性和形成組件接頭的能力等優(yōu)點，使其在各種工業(yè)應(yīng)用中具有吸引力。盡管熱塑性復(fù)合材料制造具有多種優(yōu)勢，但也需要考慮高加工溫度、原位固結(jié) AFP 層壓板的低層間剪切強度以及狹窄加工窗口旁邊的材料成本。因此，預(yù)浸料分條帶仍然是航空航天結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中使用的主要織物，盡管干纖維鋪放 (DFP) 和熱塑性結(jié)構(gòu)的制造越來越受到關(guān)注。由于 DFP 過程中干織物缺乏粘性，因此使用輔助粘合劑系統(tǒng)將織物固定在基材上，并實現(xiàn)層間足夠的粘附性。在自動纖維沉積過程中，通常使用不同的反應(yīng)性和非反應(yīng)性增粘劑。多位作者研究了粘合劑體系對浸漬行為、樹脂流變性和纖維增強塑料 (FRP) 部件的機械性能影響。這些研究表明，反應(yīng)性和非反應(yīng)性增粘劑都會影響復(fù)合材料的性能，因此需要謹(jǐn)慎使用這些助劑。雖然粘合劑材料和熱固性樹脂的充分選擇和組合可以被視為一項挑戰(zhàn)，但它也提供了新的機會，例如自由牽引和樹脂材料選擇，特別是在小批量生產(chǎn)和原型設(shè)計方面。

近年來，AFP 技術(shù)有了顯著的改進，催生了新技術(shù)，拓寬了其功能和適用性。連續(xù)絲束剪切利用非浸漬織物的剪切變形，最大限度地減少鋪層過程中工藝引起的缺陷，而高級鋪層技術(shù)旨在縮小 AFP 和 ATL 工藝之間的差距。此外，連續(xù)濕式鋪層工藝專注于生產(chǎn)高縱橫比的結(jié)構(gòu)，如潮汐渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片。

自動纖維鋪放系統(tǒng)的最新發(fā)展強調(diào)了使 AFP 技術(shù)更容易被更廣闊的市場所接受的目標(biāo)，特別是針對中小型企業(yè)和研究機構(gòu)。為了實現(xiàn)這種可及性，供應(yīng)商正在積極努力降低與 AFP 技術(shù)相關(guān)的投資成本。這涉及到實施不太復(fù)雜的 AFP 鋪放頭，減少集成傳感器的數(shù)量和在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)，以減少平均故障間隔時間 (MTBF)。CROSSLAYER 技術(shù)就是一個例子。正如 Grisin 等人所表明的，采用這樣的進步，可以實現(xiàn)高工藝可靠性、最少材料浪費和卓越預(yù)制件質(zhì)量之間的平衡。作者指出，這些新穎的 AFP 技術(shù)可以在產(chǎn)品開發(fā)以及中小型生產(chǎn)系列中發(fā)揮重要作用。

盡管如此，現(xiàn)有的帶材最初是為了適應(yīng)高端 AFP 系統(tǒng)及其各自的客戶而開發(fā)和推出的，因為 AFP 加工過程中使用的絲束和帶的輸入質(zhì)量在實現(xiàn)高性能復(fù)合材料部件方面起著重要作用。因此，纖維鋪展和預(yù)處理對復(fù)合材料鋪層的精度和效率有顯著貢獻(xiàn)。鋪展技術(shù)涉及單個纖維或絲束的受控鋪展，以在基材上實現(xiàn)最佳覆蓋和排列，確保分布均勻，并最大限度地減少最終復(fù)合結(jié)構(gòu)中的空隙。然而，隨著新的 AFP 供應(yīng)商進入市場，以及有關(guān)帶材的新興需求（如可持續(xù)生物基材料和定制帶材）的出現(xiàn)，對新型預(yù)處理系統(tǒng)的需求日益增長。

雖然 AFP 通常與平面復(fù)合結(jié)構(gòu)（例如平板或具有更復(fù)雜幾何形狀的組件）的制造相關(guān)，但它也將其功能擴展到圓柱形結(jié)構(gòu)的制造，例如飛機機身部分。

2.2.定制光纖鋪放技術(shù) (TFP)

定制纖維鋪放 (TFP) 是一種自動化紡織制造技術(shù)，用于連續(xù)干增強纖維的可變軸向排列，是自 20 世紀(jì) 80 年代末以來不斷發(fā)展的 AFP 技術(shù)的一個子集。多年來，該技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大成功，例如 A350 航空窗框的加固、自行車剎車桿的生產(chǎn)以及高應(yīng)力葉片轉(zhuǎn)子的制造。

絲束材料通常使用多頭刺繡機沿預(yù)定的纖維路徑自動鋪設(shè)，并使用細(xì)縫紉線通過鋸齒形針腳固定在基材上。通過精確計算的絲束放置，可以最佳地利用纖維的各向異性強度和剛度潛力，因為纖維在縱向上受到精確的應(yīng)力，因此可以傳遞最大的力此外，壁厚可以局部變化，具體取決于彼此疊加的絲束數(shù)量。

TFP 工藝適用于多種材料。雖然通常使用玻璃或碳纖維織物或面紗作為刺繡底布，但也可以使用熱塑性薄膜或紙張。如今，可以通過高架送料裝置直接加工增強線，例如厚度高達(dá) 3500 tex 的玻璃、芳綸、玄武巖或碳纖維。雖然這會將原始自由纖維旋轉(zhuǎn)限制在最大 720°，但與直接安裝在針頭前方的縫紉頭線軸送入的絲束相比，它提高了纖維質(zhì)量，并通過消除了重新卷繞的需要而縮短了加工時間。將絲束固定到位的細(xì)縫紉線通常由熱塑性材料制成，例如多絲聚酯，根據(jù)稍后將在 FRP 復(fù)合材料中使用的基質(zhì)系統(tǒng)對其進行優(yōu)化和選擇，因為線的粗細(xì)和材料會影響后續(xù)的機械性能。

關(guān)于熱塑性 TFP 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造，混合紗線的放置，增強材料和熱塑性長絲之間的混合長絲紗線混合物為此類材料打開了新窗口。結(jié)合大批量注塑工藝，將功能元件添加到固結(jié)的承載長纖維 TFP 結(jié)構(gòu)上，建立了熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的新制造路線。

理想情況下，TFP 組件具有復(fù)雜的輪廓，這些輪廓很難用扁平的半成品實現(xiàn)，并且會導(dǎo)致大量浪費。組件表面的幾何尺寸通常小于半平方米。采用 TFP 圖案的預(yù)成型可分為三種策略，如圖 2所示。在最廣泛的預(yù)成型中，組件所需的所有增強纖維都通過 TFP 鋪設(shè)在基材上，因此基材與結(jié)構(gòu)無關(guān)（圖 2（A））。在第二種方法中（圖 2（B）），將增強纖維應(yīng)用于結(jié)構(gòu)相關(guān)的載體材料，例如無卷曲織物或 AFP 單向預(yù)制件層壓板，以映射特定的負(fù)載路徑或局部加固。第三種方法是將 TFP 結(jié)合到 FRP 組件中，并使用 TFP 縫合預(yù)制件來加固負(fù)載至關(guān)重要的區(qū)域（圖 2（C））。TFP 預(yù)制件插入件主要用于承重區(qū)域，其中 TFP 預(yù)制件的適應(yīng)性纖維幾何形狀可最佳地分配負(fù)載，并通過增加結(jié)構(gòu)來減少承重負(fù)載。

圖2.TFP策略概覽：（A）全面TFP強化，（B）應(yīng)用TFP強化，（C）TFP作為局部強化。

據(jù)報道，TFP 的主要優(yōu)勢是能夠?qū)⒏稍锏?2D TFP 預(yù)制件成型并懸垂成 3D 幾何形狀，從而擴大了 TFP 應(yīng)用的設(shè)計空間，從 2D 平面到 3D 殼體復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于纖維與纖維、纖維與基材以及纖維與縫合線之間的摩擦和滑移決定了成型和懸垂行為，因此必須仔細(xì)選擇和優(yōu)化縫合基材、縫合線、纖維、定義的纖維取向和疊加的絲束數(shù)量以及縫合長度和寬度等工藝參數(shù)，以獲得所需的懸垂效果。另一方面，這種依賴關(guān)系可專門用于調(diào)整局部摩擦特性，從而通過局部確定縫合密度（縫合長度和縫合線）來調(diào)整 TFP 預(yù)制件的成型和懸垂效果。

據(jù)報道，TFP 技術(shù)在 AFP 類中具有最高的拖曳轉(zhuǎn)向能力，可以提高結(jié)構(gòu)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，不同的作者也進行了報道。

近年來，機器生產(chǎn)率的提高源于新的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許機器以最大速度在編程直線的兩端之間運行，同時將絲束固定在放置長度的最后一厘米。為了進一步實現(xiàn)工業(yè)化和工藝改進，集成用于檢測纖維錯位、間隙和絲束波動等缺陷的無損監(jiān)測系統(tǒng)將是有益的，但目前尚未有報道。一方面，高動態(tài)旋轉(zhuǎn)纖維引導(dǎo)裝置和機器主桿之間的空間有限，這使得集成這種在線系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性；另一方面，離線系統(tǒng)只能測量頂層，每當(dāng)放置的絲束鋪設(shè)在已經(jīng)放置的絲束上時都需要中斷工藝，導(dǎo)致機器長時間停機。必須證明這種針對潛在缺陷的監(jiān)測系統(tǒng)是否會進一步改進 TFP 技術(shù)及其產(chǎn)品，還是只會增加工藝復(fù)雜性和成本。

最后，隨著仿生設(shè)計理念的出現(xiàn)以及變剛度層壓板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各種方法的出現(xiàn)，TFP 制造技術(shù)能力與結(jié)構(gòu)力學(xué)和數(shù)值分析之間的滯后差距正在縮小，在汽車、體育和休閑以及建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷發(fā)展。然而，與編織物和非卷曲織物等更標(biāo)準(zhǔn)的模型相比，復(fù)雜的 TFP 材料建模還不夠成熟，無法在早期采用者之外進行廣泛的市場推廣和接受。

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