復合材料數(shù)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(chǎn)情況，進行復合材料數(shù)字化制造技術研究，以推進復合材料技術應用發(fā)展。研究的主要內(nèi)容包括：復合材料數(shù)字化制造技術軟件平臺構建；復合材料數(shù)字化制造設備應用；復合材料數(shù)字化制造技術管理等。通過技術研究工作使復合材料數(shù)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(fā)展。

關鍵詞：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(yōu)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(fā)展，數(shù)字化技術就是其重要發(fā)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(shù)字化技術實現(xiàn)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(nèi)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(shù)字化制造技術的應用研究，主要包括復合材料數(shù)字化制造技術軟件平臺的構建；復合材料數(shù)字化制造設備的應用，打通復合材料數(shù)字化生產(chǎn)線；復合材料工程數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、設備應用的集成、傳遞、協(xié)同。

一、復合材料數(shù)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(shù)模，無法生成鋪層數(shù)據(jù)，無法適應數(shù)字化設備的應用，不利于數(shù)字化技術的發(fā)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(shù)字化制造技術的應用搭建軟件平臺。

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(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(shù)字化制造的數(shù)據(jù)集和程序。

二、復合材料數(shù)字化制造技術的應用

1.鋪層數(shù)控剪裁技術

鋪層數(shù)控剪裁技術，是由工程數(shù)據(jù)集生成復合材料鋪層的展開數(shù)據(jù)，并且按材料（預浸料）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)控剪裁設備，從而實現(xiàn)復合材料鋪層的數(shù)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(shù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)人工鋪層工藝相比，在勞動量、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，切實地實現(xiàn)了復合材料機械化、數(shù)字化制造，給復合材料制造技術帶來了跨越式發(fā)展。自動鋪帶工藝是在復合材料設計數(shù)模的基礎上，采用專用的編程軟件生成數(shù)控鋪疊程序，通過自動鋪帶設備實現(xiàn)數(shù)字化鋪疊。實現(xiàn)過程即將預浸料采用多軸的數(shù)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(shù)字化制造技術規(guī)范管理

復合材料數(shù)字化制造技術與數(shù)控機械加工不同，是減量、增量的混合加工，具有明顯的專業(yè)特點。目前國內(nèi)復合材料數(shù)字化技術沒能實現(xiàn)普遍應用，相關的工程數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)以及設備的協(xié)同、管理還不夠健全和完善。

1.制造信息的集成

基于復合材料制件設計/制造專業(yè)軟件的復合材料數(shù)模可以直接生成制造數(shù)據(jù)，所以設計制造要高度一體化。復合材料在并行協(xié)同數(shù)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(shù)模既要表達制件的結構信息，同時又要能準確生成制造數(shù)據(jù)，以避免無法生成制造數(shù)據(jù)或生成錯誤制造數(shù)據(jù)。另一方面，采用復合材料設計/制造專業(yè)軟件進行復合材料制件數(shù)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(shù)模的標注方法，制定統(tǒng)一的標準規(guī)定，以達到統(tǒng)一規(guī)范，避免制造過程中對設計信息理解的混亂、錯漏。

3.數(shù)據(jù)管理

復合材料數(shù)字化制造技術與數(shù)控機械加工不同，是減量、增量的混合加工，具有明顯的專業(yè)特點。在復合材料數(shù)字化技術應用發(fā)展的同時，建立、完善相關的技術管理規(guī)定，對復合材料的制造數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)、程序管理規(guī)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(zhì)量。

4.數(shù)據(jù)、工裝、設備的協(xié)同

復合材料數(shù)字化技術目前還處于發(fā)展階段，建模軟件多種多樣，對工裝、設備的要求也不統(tǒng)一，在復合材料數(shù)字化技術研究過程中，常常出現(xiàn)數(shù)據(jù)、工裝、設備匹配性不好，造成數(shù)據(jù)無法應用，技術推行困難。所以在發(fā)展復合材料數(shù)字化技術時，同時一定要注意數(shù)據(jù)、工裝、設備的協(xié)同，保證數(shù)據(jù)、工裝、設備的匹配，保證數(shù)據(jù)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(fā)展，數(shù)字化技術就是其重要發(fā)展方向之一。要結合航空產(chǎn)品的研制發(fā)展，大力推進復合材料數(shù)字化制造技術的應用發(fā)展，平臺搭起來，設備用起來，技術管起來。

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