劉春儒?程妍

摘 要：結(jié)合目前航空復(fù)合材料的研制生產(chǎn)情況，進(jìn)行復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)研究，以推進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。研究的主要內(nèi)容包括：復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺構(gòu)建；復(fù)合材料數(shù)字化制造設(shè)備應(yīng)用；復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)管理等。通過技術(shù)研究工作使復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的平臺搭起來、設(shè)備用起來、技術(shù)管起來，提高了復(fù)合材料制造技術(shù)水平，推動(dòng)了復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；軟件平臺；鋪層數(shù)控剪裁；鋪層激光投影定位；自動(dòng)鋪帶

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕、利于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空四大結(jié)構(gòu)材料之一，其用量已成航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，復(fù)合材料成型技術(shù)也得到了高速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)就是其重要發(fā)展方向之一，自動(dòng)剪裁、投影定位、自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲等先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，如波音公司的B787機(jī)身就大量采用了復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)。目前國內(nèi)這方面還處于起步階段，只是在個(gè)別項(xiàng)目上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，還存在很多問題。 復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用研究，主要包括復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺的構(gòu)建；復(fù)合材料數(shù)字化制造設(shè)備的應(yīng)用，打通復(fù)合材料數(shù)字化生產(chǎn)線；復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、設(shè)備應(yīng)用的集成、傳遞、協(xié)同。

一、復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺的構(gòu)建

復(fù)合材料制件有其自身的材料、結(jié)構(gòu)以及工藝特點(diǎn)，復(fù)合材料制件除了要設(shè)計(jì)表達(dá)形位、尺寸信息，還要設(shè)計(jì)表達(dá)鋪層輪廓、角度以及芯材等復(fù)合材料特有的信息。前期基于二位圖紙或CATIA 機(jī)加模塊建立的三維數(shù)模，無法生成鋪層數(shù)據(jù)，無法適應(yīng)數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用，不利于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。所以應(yīng)采用先進(jìn)的復(fù)合材料專用設(shè)計(jì)、工藝軟件進(jìn)行建模和三維標(biāo)注，為復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用搭建軟件平臺。

1.制造數(shù)據(jù)集、程序的建立（基于FIBERSIM軟件）

FIBERSIM軟件為專用的復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件，具備建立復(fù)合材料特有的鋪層、芯材等信息的功能，同時(shí)可以通過采用FIBERSIM軟件的功能模塊，建立復(fù)合材料數(shù)字化制造的數(shù)據(jù)集和程序。

2.制造數(shù)據(jù)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(fù)合材料設(shè)計(jì)、工藝軟件，具備建立復(fù)合材料特有的鋪層、芯材等信息的功能，同時(shí)可以通過采用輔助軟件（TRUNEST、TRULASER、TORLAY等），可以建立復(fù)合材料數(shù)字化制造的數(shù)據(jù)集和程序。

二、復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用

1.鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)

鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)，是由工程數(shù)據(jù)集生成復(fù)合材料鋪層的展開數(shù)據(jù)，并且按材料（預(yù)浸料）幅寬、鋪層的角度對鋪層展開數(shù)據(jù)予以分割，然后將數(shù)據(jù)輸入數(shù)控剪裁設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料鋪層的數(shù)控剪裁。

2.鋪層激光投影定位技術(shù)

鋪層激光投影定位技術(shù)是將零件數(shù)模中鋪層輪廓及定位軸線的三維信息轉(zhuǎn)化為點(diǎn)陣格式，采用激光系統(tǒng)逐點(diǎn)快速掃描成線，以在鋪疊過程中對鋪層進(jìn)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(shù)據(jù)對工裝靶點(diǎn)進(jìn)行掃描校準(zhǔn)，確定坐標(biāo)系，保證投影文件在空間的投影位置與工裝相吻合。

3.自動(dòng)鋪帶技術(shù)

自動(dòng)鋪帶技術(shù)與傳統(tǒng)人工鋪層工藝相比，在勞動(dòng)量、生產(chǎn)效率、制造精度、生產(chǎn)成本等方面均具有很大優(yōu)勢，切實(shí)地實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料機(jī)械化、數(shù)字化制造，給復(fù)合材料制造技術(shù)帶來了跨越式發(fā)展。自動(dòng)鋪帶工藝是在復(fù)合材料設(shè)計(jì)數(shù)模的基礎(chǔ)上，采用專用的編程軟件生成數(shù)控鋪疊程序，通過自動(dòng)鋪帶設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鋪疊。實(shí)現(xiàn)過程即將預(yù)浸料采用多軸的數(shù)控設(shè)備，通過剪裁、加熱、滾壓等裝置，完成預(yù)浸料在成型工裝上的自動(dòng)化鋪疊。

三、復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)規(guī)范管理

復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)與數(shù)控機(jī)械加工不同，是減量、增量的混合加工，具有明顯的專業(yè)特點(diǎn)。目前國內(nèi)復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)沒能實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用，相關(guān)的工程數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)以及設(shè)備的協(xié)同、管理還不夠健全和完善。

1.制造信息的集成

基于復(fù)合材料制件設(shè)計(jì)/制造專業(yè)軟件的復(fù)合材料數(shù)?？梢灾苯由芍圃鞌?shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)制造要高度一體化。復(fù)合材料在并行協(xié)同數(shù)字化研制過程中，設(shè)計(jì)定義與制造技術(shù)緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)、材料、工藝高度一體化，包括方案設(shè)計(jì)、材料選擇、鋪層排列、實(shí)體建模、鋪層展開直到可制造性分析和文檔自動(dòng)生成等一系列過程。

2.標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)注

復(fù)合材料數(shù)模既要表達(dá)制件的結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)又要能準(zhǔn)確生成制造數(shù)據(jù)，以避免無法生成制造數(shù)據(jù)或生成錯(cuò)誤制造數(shù)據(jù)。另一方面，采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)/制造專業(yè)軟件進(jìn)行復(fù)合材料制件數(shù)模的三維標(biāo)注時(shí)，應(yīng)與制造部門積極溝通交流，對復(fù)合材料數(shù)模的標(biāo)注方法，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以達(dá)到統(tǒng)一規(guī)范，避免制造過程中對設(shè)計(jì)信息理解的混亂、錯(cuò)漏。

3.數(shù)據(jù)管理

復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)與數(shù)控機(jī)械加工不同，是減量、增量的混合加工，具有明顯的專業(yè)特點(diǎn)。在復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，建立、完善相關(guān)的技術(shù)管理規(guī)定，對復(fù)合材料的制造數(shù)據(jù)、程序制定相關(guān)的管理辦法，明確存儲、更改、評審等相關(guān)要求，使復(fù)合材料的制造數(shù)據(jù)、程序管理規(guī)范化，在技術(shù)改進(jìn)的同時(shí)，進(jìn)行改立改進(jìn)，以保證制件的制造質(zhì)量。

4.數(shù)據(jù)、工裝、設(shè)備的協(xié)同

復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，建模軟件多種多樣，對工裝、設(shè)備的要求也不統(tǒng)一，在復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)研究過程中，常常出現(xiàn)數(shù)據(jù)、工裝、設(shè)備匹配性不好，造成數(shù)據(jù)無法應(yīng)用，技術(shù)推行困難。所以在發(fā)展復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)時(shí)，同時(shí)一定要注意數(shù)據(jù)、工裝、設(shè)備的協(xié)同，保證數(shù)據(jù)、工裝、設(shè)備的匹配，保證數(shù)據(jù)傳遞清晰，制造工藝流暢。

四、結(jié)語

隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，復(fù)合材料成型技術(shù)也得到了高速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)就是其重要發(fā)展方向之一。要結(jié)合航空產(chǎn)品的研制發(fā)展，大力推進(jìn)復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，平臺搭起來，設(shè)備用起來，技術(shù)管起來。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳祥寶，中國材料進(jìn)展，2009-06.

[2] Gillespie E M.Quieter production line for Boeing 787 [EB/OL].[2007-05-19].

[3] 陳利平，航空制造技術(shù)，2009-01.

[4] 林勝，世界制造技術(shù)與裝備市場，2009-06.

[5] Truden AE.Luby SC.Fibersim：desin for manufacturing of laminated composite parts at sikorsky aircraft [J].Journal of the American Helicopter Society 1995-2.