復合材料數字化制造技術研究

劉春儒?程妍

摘 要：結合目前航空復合材料的研制生產情況，進行復合材料數字化制造技術研究，以推進復合材料技術應用發展。研究的主要內容包括：復合材料數字化制造技術軟件平臺構建；復合材料數字化制造設備應用；復合材料數字化制造技術管理等。通過技術研究工作使復合材料數字化制造技術的平臺搭起來、設備用起來、技術管起來，提高了復合材料制造技術水平，推動了復合材料的應用發展。

關鍵詞：數字化；軟件平臺；鋪層數控剪裁；鋪層激光投影定位；自動鋪帶

復合材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、利于整體成型等優點，已成為航空四大結構材料之一，其用量已成航空結構先進性的重要標志。隨著復合材料應用的日益廣泛，復合材料成型技術也得到了高速發展，數字化技術就是其重要發展方向之一，自動剪裁、投影定位、自動鋪帶、自動鋪絲等先進的數字化技術實現了批量應用，如波音公司的B787機身就大量采用了復合材料自動鋪放技術。目前國內這方面還處于起步階段，只是在個別項目上進行了相關試驗，還存在很多問題。 復合材料數字化制造技術的應用研究，主要包括復合材料數字化制造技術軟件平臺的構建；復合材料數字化制造設備的應用，打通復合材料數字化生產線；復合材料工程數據、制造數據、設備應用的集成、傳遞、協同。

一、復合材料數字化制造技術軟件平臺的構建

復合材料制件有其自身的材料、結構以及工藝特點，復合材料制件除了要設計表達形位、尺寸信息，還要設計表達鋪層輪廓、角度以及芯材等復合材料特有的信息。前期基于二位圖紙或CATIA 機加模塊建立的三維數模，無法生成鋪層數據，無法適應數字化設備的應用，不利于數字化技術的發展。所以應采用先進的復合材料專用設計、工藝軟件進行建模和三維標注，為復合材料數字化制造技術的應用搭建軟件平臺。

1.制造數據集、程序的建立（基于FIBERSIM軟件）

FIBERSIM軟件為專用的復合材料設計軟件，具備建立復合材料特有的鋪層、芯材等信息的功能，同時可以通過采用FIBERSIM軟件的功能模塊，建立復合材料數字化制造的數據集和程序。

2.制造數據集、程序的建立（基于CATIA CPD軟件）

CATIA CPD 軟件同樣是目前比較常用的復合材料設計、工藝軟件，具備建立復合材料特有的鋪層、芯材等信息的功能，同時可以通過采用輔助軟件（TRUNEST、TRULASER、TORLAY等），可以建立復合材料數字化制造的數據集和程序。

二、復合材料數字化制造技術的應用

1.鋪層數控剪裁技術

鋪層數控剪裁技術，是由工程數據集生成復合材料鋪層的展開數據，并且按材料（預浸料）幅寬、鋪層的角度對鋪層展開數據予以分割，然后將數據輸入數控剪裁設備，從而實現復合材料鋪層的數控剪裁。

2.鋪層激光投影定位技術

鋪層激光投影定位技術是將零件數模中鋪層輪廓及定位軸線的三維信息轉化為點陣格式，采用激光系統逐點快速掃描成線，以在鋪疊過程中對鋪層進行定位。在激光投影定位過程中，首先激光投影定位儀按工裝數據對工裝靶點進行掃描校準，確定坐標系，保證投影文件在空間的投影位置與工裝相吻合。

3.自動鋪帶技術

自動鋪帶技術與傳統人工鋪層工藝相比，在勞動量、生產效率、制造精度、生產成本等方面均具有很大優勢，切實地實現了復合材料機械化、數字化制造，給復合材料制造技術帶來了跨越式發展。自動鋪帶工藝是在復合材料設計數模的基礎上，采用專用的編程軟件生成數控鋪疊程序，通過自動鋪帶設備實現數字化鋪疊。實現過程即將預浸料采用多軸的數控設備，通過剪裁、加熱、滾壓等裝置，完成預浸料在成型工裝上的自動化鋪疊。

三、復合材料數字化制造技術規范管理

復合材料數字化制造技術與數控機械加工不同，是減量、增量的混合加工，具有明顯的專業特點。目前國內復合材料數字化技術沒能實現普遍應用，相關的工程數據、制造數據以及設備的協同、管理還不夠健全和完善。

1.制造信息的集成

基于復合材料制件設計/制造專業軟件的復合材料數模可以直接生成制造數據，所以設計制造要高度一體化。復合材料在并行協同數字化研制過程中，設計定義與制造技術緊密結合，設計、材料、工藝高度一體化，包括方案設計、材料選擇、鋪層排列、實體建模、鋪層展開直到可制造性分析和文檔自動生成等一系列過程。

2.標準標注

復合材料數模既要表達制件的結構信息，同時又要能準確生成制造數據，以避免無法生成制造數據或生成錯誤制造數據。另一方面，采用復合材料設計/制造專業軟件進行復合材料制件數模的三維標注時，應與制造部門積極溝通交流，對復合材料數模的標注方法，制定統一的標準規定，以達到統一規范，避免制造過程中對設計信息理解的混亂、錯漏。

3.數據管理

復合材料數字化制造技術與數控機械加工不同，是減量、增量的混合加工，具有明顯的專業特點。在復合材料數字化技術應用發展的同時，建立、完善相關的技術管理規定，對復合材料的制造數據、程序制定相關的管理辦法，明確存儲、更改、評審等相關要求，使復合材料的制造數據、程序管理規范化，在技術改進的同時，進行改立改進，以保證制件的制造質量。

4.數據、工裝、設備的協同

復合材料數字化技術目前還處于發展階段，建模軟件多種多樣，對工裝、設備的要求也不統一，在復合材料數字化技術研究過程中，常常出現數據、工裝、設備匹配性不好，造成數據無法應用，技術推行困難。所以在發展復合材料數字化技術時，同時一定要注意數據、工裝、設備的協同，保證數據、工裝、設備的匹配，保證數據傳遞清晰，制造工藝流暢。

四、結語

隨著復合材料應用的日益廣泛，復合材料成型技術也得到了高速發展，數字化技術就是其重要發展方向之一。要結合航空產品的研制發展，大力推進復合材料數字化制造技術的應用發展，平臺搭起來，設備用起來，技術管起來。

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