复合材料数字化制造技术研究

刘春儒?程妍

摘 要：结合目前航空复合材料的研制生产情况，进行复合材料数字化制造技术研究，以推进复合材料技术应用发展。研究的主要内容包括：复合材料数字化制造技术软件平台构建；复合材料数字化制造设备应用；复合材料数字化制造技术管理等。通过技术研究工作使复合材料数字化制造技术的平台搭起来、设备用起来、技术管起来，提高了复合材料制造技术水平，推动了复合材料的应用发展。

关键词：数字化；软件平台；铺层数控剪裁；铺层激光投影定位；自动铺带

复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、利于整体成型等优点，已成为航空四大结构材料之一，其用量已成航空结构先进性的重要标志。随着复合材料应用的日益广泛，复合材料成型技术也得到了高速发展，数字化技术就是其重要发展方向之一，自动剪裁、投影定位、自动铺带、自动铺丝等先进的数字化技术实现了批量应用，如波音公司的B787机身就大量采用了复合材料自动铺放技术。目前国内这方面还处于起步阶段，只是在个别项目上进行了相关试验，还存在很多问题。 复合材料数字化制造技术的应用研究，主要包括复合材料数字化制造技术软件平台的构建；复合材料数字化制造设备的应用，打通复合材料数字化生产线；复合材料工程数据、制造数据、设备应用的集成、传递、协同。

一、复合材料数字化制造技术软件平台的构建

复合材料制件有其自身的材料、结构以及工艺特点，复合材料制件除了要设计表达形位、尺寸信息，还要设计表达铺层轮廓、角度以及芯材等复合材料特有的信息。前期基于二位图纸或CATIA 机加模块建立的三维数模，无法生成铺层数据，无法适应数字化设备的应用，不利于数字化技术的发展。所以应采用先进的复合材料专用设计、工艺软件进行建模和三维标注，为复合材料数字化制造技术的应用搭建软件平台。

1.制造数据集、程序的建立（基于FIBERSIM软件）

FIBERSIM软件为专用的复合材料设计软件，具备建立复合材料特有的铺层、芯材等信息的功能，同时可以通过采用FIBERSIM软件的功能模块，建立复合材料数字化制造的数据集和程序。

2.制造数据集、程序的建立（基于CATIA CPD软件）

CATIA CPD 软件同样是目前比较常用的复合材料设计、工艺软件，具备建立复合材料特有的铺层、芯材等信息的功能，同时可以通过采用辅助软件（TRUNEST、TRULASER、TORLAY等），可以建立复合材料数字化制造的数据集和程序。

二、复合材料数字化制造技术的应用

1.铺层数控剪裁技术

铺层数控剪裁技术，是由工程数据集生成复合材料铺层的展开数据，并且按材料（预浸料）幅宽、铺层的角度对铺层展开数据予以分割，然后将数据输入数控剪裁设备，从而实现复合材料铺层的数控剪裁。

2.铺层激光投影定位技术

铺层激光投影定位技术是将零件数模中铺层轮廓及定位轴线的三维信息转化为点阵格式，采用激光系统逐点快速扫描成线，以在铺叠过程中对铺层进行定位。在激光投影定位过程中，首先激光投影定位仪按工装数据对工装靶点进行扫描校准，确定坐标系，保证投影文件在空间的投影位置与工装相吻合。

3.自动铺带技术

自动铺带技术与传统人工铺层工艺相比，在劳动量、生产效率、制造精度、生产成本等方面均具有很大优势，切实地实现了复合材料机械化、数字化制造，给复合材料制造技术带来了跨越式发展。自动铺带工艺是在复合材料设计数模的基础上，采用专用的编程软件生成数控铺叠程序，通过自动铺带设备实现数字化铺叠。实现过程即将预浸料采用多轴的数控设备，通过剪裁、加热、滚压等装置，完成预浸料在成型工装上的自动化铺叠。

三、复合材料数字化制造技术规范管理

复合材料数字化制造技术与数控机械加工不同，是减量、增量的混合加工，具有明显的专业特点。目前国内复合材料数字化技术没能实现普遍应用，相关的工程数据、制造数据以及设备的协同、管理还不够健全和完善。

1.制造信息的集成

基于复合材料制件设计/制造专业软件的复合材料数模可以直接生成制造数据，所以设计制造要高度一体化。复合材料在并行协同数字化研制过程中，设计定义与制造技术紧密结合，设计、材料、工艺高度一体化，包括方案设计、材料选择、铺层排列、实体建模、铺层展开直到可制造性分析和文档自动生成等一系列过程。

2.标准标注

复合材料数模既要表达制件的结构信息，同时又要能准确生成制造数据，以避免无法生成制造数据或生成错误制造数据。另一方面，采用复合材料设计/制造专业软件进行复合材料制件数模的三维标注时，应与制造部门积极沟通交流，对复合材料数模的标注方法，制定统一的标准规定，以达到统一规范，避免制造过程中对设计信息理解的混乱、错漏。

3.数据管理

复合材料数字化制造技术与数控机械加工不同，是减量、增量的混合加工，具有明显的专业特点。在复合材料数字化技术应用发展的同时，建立、完善相关的技术管理规定，对复合材料的制造数据、程序制定相关的管理办法，明确存储、更改、评审等相关要求，使复合材料的制造数据、程序管理规范化，在技术改进的同时，进行改立改进，以保证制件的制造质量。

4.数据、工装、设备的协同

复合材料数字化技术目前还处于发展阶段，建模软件多种多样，对工装、设备的要求也不统一，在复合材料数字化技术研究过程中，常常出现数据、工装、设备匹配性不好，造成数据无法应用，技术推行困难。所以在发展复合材料数字化技术时，同时一定要注意数据、工装、设备的协同，保证数据、工装、设备的匹配，保证数据传递清晰，制造工艺流畅。

四、结语

随着复合材料应用的日益广泛，复合材料成型技术也得到了高速发展，数字化技术就是其重要发展方向之一。要结合航空产品的研制发展，大力推进复合材料数字化制造技术的应用发展，平台搭起来，设备用起来，技术管起来。

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