復(fù)合材料預(yù)制體成形制造工藝與裝備研究

單忠德 劉 陽(yáng) 范聰澤 汪 俊

1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，2100162.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京，100084

0 引言

與二維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比，三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有層間性能好、抗沖擊性能強(qiáng)、抗剪切性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、熱防護(hù)系統(tǒng)、飛機(jī)剎車片等關(guān)鍵構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[5-9]。三維復(fù)合材料構(gòu)件由預(yù)制體和基體兩部分組成。首先利用復(fù)合成形技術(shù)將纖維制備成立體結(jié)構(gòu)預(yù)制體，再通過(guò)化學(xué)氣相滲透(chemical vapor infiltration，CVI)、先驅(qū)體浸漬裂解(precursor infiltration pyrolysis，PIP)、樹脂傳遞模塑(resin transfer molding，RTM)等技術(shù)將基體浸漬到預(yù)制體之中，最終制備出完整的三維復(fù)合材料構(gòu)件[10-11]。

航空航天領(lǐng)域用三維復(fù)合材料構(gòu)件存在尺寸大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、內(nèi)在致密化等迫切需求，如喉襯和擴(kuò)散段一體化整體成形可進(jìn)一步減少連接件數(shù)量、減小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。為制造出高性能的三維復(fù)合材料預(yù)制體，本文主要分析了三維機(jī)織、三維編織、三維縫合、柔性導(dǎo)向三維織造等復(fù)合材料構(gòu)件成形工藝的發(fā)展現(xiàn)狀和裝備研制情況[12-15]。為解決三維復(fù)合材料構(gòu)件尺寸成形精度控制難度大、預(yù)制體致密化程度低、產(chǎn)品一致性差等難題，亟需開展高性能復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化精確成形制造技術(shù)與裝備基礎(chǔ)研究，發(fā)展多結(jié)構(gòu)、多材料、多功能的高性能復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化、數(shù)字化高質(zhì)量制造技術(shù)，以更好地滿足航空航天高端裝備制造和重大工程建設(shè)需求。

1 三維機(jī)織

1.1 三維機(jī)織工藝

三維機(jī)織是基于傳統(tǒng)的二維機(jī)織原理改進(jìn)得到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件一體化成形工藝。通過(guò)設(shè)計(jì)多組經(jīng)紗、緯紗和捆綁紗的機(jī)織規(guī)則，實(shí)現(xiàn)高性能纖維在層間的相互交織，得到復(fù)合材料三維預(yù)制體構(gòu)件[16]。

三維機(jī)織預(yù)制體可以分為三向正交預(yù)制體和三維角聯(lián)鎖預(yù)制體，其中三維角聯(lián)鎖預(yù)制體又可以分為層間角聯(lián)鎖預(yù)制體和貫穿角聯(lián)鎖預(yù)制體。三向正交預(yù)制體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)中無(wú)纖維彎曲，力學(xué)性能好。三向正交預(yù)制體包括經(jīng)紗、填充紗、z向紗三種，如圖1a所示，三者相互垂直交錯(cuò)形成預(yù)制體宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)，作為捆綁紗線的z向紗將纖維固定成完整織物[17]。利用斜向紗捆綁層間的經(jīng)紗和填充紗，形成完整的層間角聯(lián)鎖預(yù)制體，如圖1b所示，三維織造過(guò)程中，經(jīng)紗沿設(shè)備水平方向前進(jìn)，斜向紗的攜紗器隨之升降，斜向紗相對(duì)經(jīng)紗做“之”字形運(yùn)動(dòng)，最終斜向紗與填充紗以固定的角度交錯(cuò)排布。圖1c展示的貫穿角聯(lián)鎖預(yù)制體同樣包括斜向紗、經(jīng)紗和填充紗，每根斜向紗都以固定的方向從預(yù)制體表面直達(dá)其底面，所有斜向紗均固定相同數(shù)目的經(jīng)紗和填充紗[18-21]。

(a) 三向正交預(yù)制體

為提高高性能預(yù)制體的成形質(zhì)量和成形效率，學(xué)者們開展了多種成形工藝方法的研究。FUKUTA等[22]提出了一種專用機(jī)織方法，如圖2所示，穿過(guò)孔板的經(jīng)紗水平排列，邊紗針和引紗管的織造工序交替進(jìn)行，使得緯紗和捆綁紗線形成紗線圈，最終獲得三向正交復(fù)合材料預(yù)制體，它的特點(diǎn)是不需要形成梭口的工序，豎直方向上的紗線波動(dòng)排布主要通過(guò)引紗管來(lái)實(shí)現(xiàn)。KHOKAR等[23-24]提出了一種Noobing(non-interlacing，orienting orthogonally and binding，無(wú)纖維交織、正交排列捆綁)織造方法，如圖3所示，該方法中的z向纖維首先穿過(guò)孔板形成陣列，x方向的導(dǎo)紗器則沿著預(yù)制體周向直線方向運(yùn)動(dòng)，將纖維織造于z向纖維陣列中間，接著y方向的導(dǎo)紗器沿著與x方向垂直的方向做直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)紗器不僅具有引緯功能，還可以實(shí)現(xiàn)打緊緯紗，各組導(dǎo)紗器同時(shí)運(yùn)動(dòng)，顯著提高了設(shè)備的成形效率。WEINBERG等[25]提出了一種工序較為簡(jiǎn)單的三向正交預(yù)制體制備方法，如圖4所示，豎直方向上的紗線穿過(guò)上孔板和下孔板，x、y方向的鋼扣分別穿過(guò)z向纖維陣列，利用鋼扣的緊固形成陣列梭口，然后利用梳齒分別平行引入x、y方向的紗線，同時(shí)松開鋼扣使梭口關(guān)閉，梳齒交替向下孔板移動(dòng)并重復(fù)上述循環(huán)過(guò)程，最終形成三個(gè)方向垂直的交織結(jié)構(gòu)。

圖2 三向正交復(fù)合材料預(yù)制體織造原理和設(shè)備[22]Fig.2 Principle and equipment for weaving of 3D orthogonal composite preforms[22]

(a) 成形方法示意圖

1.上孔板 2.張緊機(jī)構(gòu) 3.z向紗 4.鋼扣 5.梳齒 6.下孔板圖4 利用梳齒實(shí)現(xiàn)的三向正交預(yù)制體制備方法[25]Fig.4 3D orthogonal preform preparation method by using comb teeth[25]

不同于生產(chǎn)三向正交預(yù)制體的專用設(shè)備，制備三維角聯(lián)鎖預(yù)制體的設(shè)備具有一定通用性，既可以成形三維角聯(lián)鎖預(yù)制體，又可以生產(chǎn)三向正交預(yù)制體，提高了預(yù)制體參數(shù)可調(diào)節(jié)性。

MOHAMED等[26]提出了三維多劍桿織造方法，如圖5所示，通過(guò)綜框升降裝置形成多層經(jīng)紗梭口，引緯劍攜多組填充紗穿過(guò)經(jīng)紗梭口，捆綁紗線穿過(guò)多組經(jīng)紗、填充紗形成復(fù)合材料三維預(yù)制體，所提方法可用于制造異形截面的復(fù)合材料預(yù)制體。DEEMEY等[27]研發(fā)了圖6所示的三維預(yù)制體機(jī)織設(shè)備，其原理是利用多臂式梭口控制裝置和三個(gè)剛性劍桿系統(tǒng)控制纖維結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)三向正交預(yù)制體、三維角聯(lián)鎖預(yù)制體的一體化成形，多劍桿系統(tǒng)可大幅提高設(shè)備成形效率。

(1)用在光桿動(dòng)詞前時(shí)，“就”表示將要發(fā)生，而且表示快或用的時(shí)間短；“才”表示剛發(fā)生，而且發(fā)生的晚或用得時(shí)間長(zhǎng)。

圖5 三維多劍桿織造方法原理圖[26]Fig.5 Schematic diagram of three-dimensional multi rapier weaving method[26]

圖6 帶有多臂式梭口控制的三維機(jī)織設(shè)備[27]Fig.6 3D weaving machine with dobby shuttle control[27]

1.2 三維機(jī)織裝備

為滿足復(fù)合材料三維預(yù)制體的發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)研制出了商業(yè)化三維機(jī)織設(shè)備。英國(guó)Optima 3D公司開發(fā)了Series 500三維織機(jī)[28]，如圖7所示，通過(guò)數(shù)字化控制系統(tǒng)和新型纖維穿梭系統(tǒng)提高了設(shè)備成形參數(shù)和工序的可調(diào)控性，能夠?qū)崿F(xiàn)多種異形截面復(fù)合材料三維預(yù)制體的快速生產(chǎn)。德國(guó)DORNIER公司基于DORNIER Weft Saver(DWS)系統(tǒng)開發(fā)了三維織機(jī)，利用無(wú)導(dǎo)鉤的剛性劍桿引緯方式降低了纖維的摩擦損耗，通過(guò)提花機(jī)控制梭口高度可實(shí)現(xiàn)厚度大于25 mm的三維機(jī)織預(yù)制體的高效率制備[29]。瑞士St?ubli公司研發(fā)了Unival 100提花織機(jī)[30]，如圖8所示，該設(shè)備擁有512～15 360個(gè)執(zhí)行器以控制相當(dāng)數(shù)量的經(jīng)紗，能夠?qū)胃?jīng)紗進(jìn)行獨(dú)立控制，可靈活調(diào)節(jié)織造工藝參數(shù)，能夠制備厚度大于50 mm、寬度為1 m的復(fù)合材料三維預(yù)制體。東華大學(xué)開發(fā)了多劍桿引緯的三維織機(jī)，提高了設(shè)備成形效率，可實(shí)現(xiàn)三向正交、三維角聯(lián)鎖等復(fù)合材料預(yù)制體的制備[31]。武漢紡織大學(xué)研制出了新型全自動(dòng)三維織機(jī)，可制備出厚度3～50 mm、寬度200～1000 mm的復(fù)合材料三維預(yù)制體[32]。

圖7 Optima 3D公司開發(fā)的Series 500三維織機(jī)[28]Fig.7 3D weaving loom Series 500 developed by Optima 3D，Inc.[28]

圖8 St?ubli公司研發(fā)的Unival 100提花織機(jī)[30]Fig.8 Jacquard loom Unival 100 developed by St?ubli，Inc.[30]

2 三維編織

2.1 三維編織工藝

與傳統(tǒng)的二維編織相比，三維編織增加了紗線系統(tǒng)的數(shù)目[33]，預(yù)制體內(nèi)部纖維在平面內(nèi)和厚度方向上相互交織，以形成完整的復(fù)合材料三維預(yù)制體。根據(jù)三維編織工藝和設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)改變編織底盤中攜紗器的陣列形狀、攜紗器所載紗線細(xì)度和運(yùn)動(dòng)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)變截面、異形截面復(fù)合材料三維預(yù)制體的近凈成形[34-35]。

三維編織按照織造工藝可以分成四步法編織、二步法編織和旋轉(zhuǎn)法編織[36]。Quadrax Advanced Materials公司率先提出了四步法編織工藝[37]，每行和每列的攜紗器交替運(yùn)動(dòng)形成矩陣，每個(gè)攜紗器單獨(dú)控制一根編織紗線，編織路徑如圖9a所示，該編織工藝包含4個(gè)編織工序，攜紗器運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，且基于四步法編織工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)三維編織設(shè)備的自動(dòng)化是相對(duì)困難的。杜邦公司開發(fā)了二步法編織工藝[38]，將攜紗器陣列中的紗線分成兩組，分別是軸紗和編織紗，如圖9b所示，軸紗沿著預(yù)制體成形方向呈直線分布，編織紗通過(guò)張緊力作用將軸紗緊固形成穩(wěn)定的復(fù)合材料三維預(yù)制體。相比四步法編織工藝，二步法編織工藝中攜紗器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，同時(shí)軸向纖維占比較高，可以制備出多種異形截面預(yù)制體，但打緊邊紗會(huì)導(dǎo)致成形速度降低，難以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。旋轉(zhuǎn)法編織工藝的原理如圖9c所示，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪組件的轉(zhuǎn)動(dòng)，多組攜紗器之間交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)從而制備出三維編織預(yù)制體。相比四步法編織工藝和二步法編織工藝，旋轉(zhuǎn)法編織工藝在成形速度上具有顯著優(yōu)勢(shì)[39]，目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的高效三維編織機(jī)以旋轉(zhuǎn)編織機(jī)為主。

(a) 四步法編織工藝

2.2 三維編織裝備

美國(guó)3TEX公司研制了一種全自動(dòng)旋轉(zhuǎn)三維編織機(jī)[40]，如圖10所示，該編織機(jī)擁有576個(gè)攜紗器和144個(gè)角形齒輪，可通過(guò)攜紗器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維預(yù)制體在矩形平臺(tái)上的編織成形。針對(duì)陶瓷纖維等易脆斷纖維難以在傳統(tǒng)的三維編織機(jī)上一體化成形的問(wèn)題，亞琛工業(yè)大學(xué)基于工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳統(tǒng)的三維編織設(shè)備進(jìn)行了數(shù)字化重建，提高了設(shè)備的成形穩(wěn)定性和成形速度，該設(shè)備能夠編織出脆性較高的氧化鋁、碳化硅等陶瓷纖維[41]。德國(guó)Herzog公司研發(fā)了徑向三維編織機(jī)[42]，如圖11所示，該設(shè)備通過(guò)角輪傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)攜紗器運(yùn)動(dòng)，編織機(jī)直徑可達(dá)6 m，且配合大量攜紗器組件可顯著增大預(yù)制體軸向尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋁、碳化硅等陶瓷纖維一體化復(fù)合成形，所制備的復(fù)雜形狀復(fù)合材料三維預(yù)制體可應(yīng)用于航空航天和汽車領(lǐng)域。我國(guó)的高校和企業(yè)在三維編織成形工藝和設(shè)備方面也取得了重大突破。天津工業(yè)大學(xué)較早在三維編織技術(shù)領(lǐng)域開展了研究，已成功研制出大型三維編織機(jī)，該成形機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制編織工序和節(jié)拍[43]。徐州恒輝公司開發(fā)了將機(jī)器人作為牽引裝置的三維編織機(jī)，如圖12所示，通過(guò)添加軸向不動(dòng)紗來(lái)實(shí)現(xiàn)三維四向、三維五向碳纖維復(fù)合材料預(yù)制體的制備。北京柏瑞鼎公司研發(fā)了大型三維旋轉(zhuǎn)編織機(jī)[44]，如圖13所示，針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件形性特征個(gè)性化定制編織平臺(tái)，通過(guò)矩形編織模塊單元組合來(lái)實(shí)現(xiàn)T形、π形等三維預(yù)制體的復(fù)合成形。

圖11 Herzog公司徑向三維編織機(jī)[42]Fig.11 Radial 3D braiding machine from Herzog，Inc.[42]

圖12 徐州恒輝公司研制的三維編織機(jī)Fig.12 3D braiding machine developed by Xuzhou Henghui，Inc.

圖13 北京柏瑞鼎公司研發(fā)的模塊化三維編織機(jī)[44]Fig.13 Modular 3D braiding machine developed by Beijing 3D Braiding，Inc.[44]

3 三維縫合

3.1 三維縫合工藝

三維縫合工藝是按一定規(guī)則鋪放二維復(fù)合材料預(yù)制體或復(fù)合材料層合板，然后利用縫合紗線將其固定成為復(fù)合材料三維預(yù)制體的工藝[45]，如圖14所示。三維縫合工藝可以有效提高復(fù)合材料構(gòu)件的損傷容限特性和層間斷裂韌性，凱夫拉纖維具有較低的纖維密度、較強(qiáng)的斷裂韌性和抗磨損性，是三維縫合工藝中常用的一種縫合線材料[46]。

圖14 復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體的多軸向縫合成形過(guò)程[45]Fig.14 Multi-axial stitching process for complex structural composite preforms[45]

按照縫合紗線的排布方式可以將縫合工藝分為雙邊縫合法和單邊縫合法。如圖15所示，雙邊縫合法是從織物的兩面進(jìn)行縫合，可按縫合軌跡分為鎖式縫合法、改進(jìn)的鎖式縫合法、鏈?zhǔn)娇p合法[47]。其中采用鎖式縫合法時(shí)，表面和底面的縫合線分別形成線圈，兩組線圈在預(yù)制體中間部位交織，會(huì)造成復(fù)合材料應(yīng)力集中的問(wèn)題。采用改進(jìn)的鎖式縫合法時(shí)，縫合線在厚度方向上完全穿過(guò)預(yù)制體，避免了應(yīng)力集中問(wèn)題，提高了復(fù)合材料的層間斷裂韌性。采用鏈?zhǔn)娇p合法時(shí)，縫合線同樣完全穿過(guò)預(yù)制體，但是存在多處彎曲，并且執(zhí)行機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜。復(fù)合材料三維預(yù)制體具有一定的厚度，使得雙邊縫合法成形設(shè)備受到限制，為此德國(guó)Altin公司對(duì)傳統(tǒng)的雙邊縫合法進(jìn)行了改進(jìn)，并開發(fā)了單邊縫合法[48]。如圖16所示，單邊縫合法通過(guò)兩個(gè)縫合針和一根縫合紗線來(lái)完成，普通縫合針帶著縫合紗線穿過(guò)預(yù)制體，勾線針將普通縫合針上的縫線勾回并形成線圈，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料三維預(yù)制體的層間固定。單邊縫合的兩個(gè)縫合針都在預(yù)制體的上表面移動(dòng)，底面無(wú)需額外的縫合單元，從而克服了雙邊縫合的技術(shù)缺陷[49-50]。

(a) 鎖式縫合方法

圖16 單邊縫合法示意圖Fig.16 Schematic diagram of one side stitching process

3.2 三維縫合裝備

20世紀(jì)80年代末，NASA提出了先進(jìn)復(fù)合材料縫合技術(shù)研究計(jì)劃，并且聯(lián)合波音公司研發(fā)了由計(jì)算機(jī)控制的三維縫合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了28 m長(zhǎng)的復(fù)合材料機(jī)翼壁板縫合，有效提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的整體性并且降低了材料制備成本[51]。傳統(tǒng)的縫合設(shè)備在制備復(fù)雜曲面的復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)因受設(shè)備自由度限制而存在困難，為此，德國(guó)KSL公司基于六自由度機(jī)器人開發(fā)了以KL500、KL504為代表的三維縫合裝備[52-53]，如圖17所示，機(jī)器人的運(yùn)用提高了復(fù)合材料三維預(yù)制體的成形精度，可制備出變曲面復(fù)合材料三維預(yù)制體，該裝備縫合步長(zhǎng)為2～10 mm，縫合速度高達(dá)每分鐘500 針，預(yù)制體縫合厚度可達(dá)20 mm，顯著提高了成形速度和成形質(zhì)量，增大了成形尺寸。為進(jìn)一步提高成形精度，并且適應(yīng)更復(fù)雜曲面的成形制造，亞琛工業(yè)大學(xué)研制出了基于并聯(lián)機(jī)器人的單邊縫合設(shè)備[54-55]，如圖18所示，并聯(lián)機(jī)器人顯著提高了設(shè)備靈活性，縫合速度可達(dá)每分鐘1000 針，極大地提高了復(fù)合材料三維預(yù)制體的成形效率。

圖17 KSL公司開發(fā)的基于六自由度機(jī)器人的三維縫合裝備[52-53]Fig.17 Six-degree-of-freedom robot-based 3D stitching equipment developed by KSL，Inc.[52-53]

圖18 亞琛工業(yè)大學(xué)研發(fā)的基于并聯(lián)機(jī)器人的三維縫合設(shè)備[55]Fig.18 Parallel robot-based 3D stitching device developed by RWTH Aachen University[55]

4 柔性導(dǎo)向三維織造

4.1 柔性導(dǎo)向三維織造工藝

柔性導(dǎo)向三維織造是一種新興的復(fù)合材料三維預(yù)制體成形工藝，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制體近凈成形，是一種材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化復(fù)合制造方法[56-58]。柔性導(dǎo)向三維織造原理如圖19所示，首先對(duì)零件CAD模型進(jìn)行數(shù)字化分層從而得到織造層的幾何參數(shù)，然后根據(jù)分層信息生成數(shù)字化導(dǎo)向陣列模板，通過(guò)織造層的幾何參數(shù)、數(shù)字化導(dǎo)向陣列模板參數(shù)、構(gòu)件尺寸結(jié)構(gòu)規(guī)劃高性能纖維的織造路徑，具體過(guò)程為：織造針將纖維沿著第一層的規(guī)劃路徑織造于導(dǎo)向陣列之中，纖維以導(dǎo)向棒為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交織，完成第一個(gè)織造層后，織造針會(huì)上升至一定的高度并進(jìn)行下一層的織造，逐層織造直至完成整個(gè)預(yù)制體的織造工序。纖維織造完成后，利用高性能纖維替換導(dǎo)向棒，可得到完全由高性能纖維組成的復(fù)合材料三維預(yù)制體，并通過(guò)RTM、CVI、PIP等浸漬技術(shù)得到最終的三維復(fù)合材料構(gòu)件[59-60]。

圖19 柔性導(dǎo)向三維織造成形工藝原理圖Fig.19 Schematic diagram of flexible oriented 3D woven forming process

針對(duì)柔性導(dǎo)向三維織造過(guò)程中因?qū)蜿嚵凶冃味鴮?dǎo)致的預(yù)制體宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤的問(wèn)題，中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院提出了分段式三維織造方法，有效控制了三維織造三向正交結(jié)構(gòu)預(yù)制體的導(dǎo)向陣列變形程度，提高了成形精度和預(yù)制體致密化程度(纖維體積分?jǐn)?shù))。此外，該院還揭示了導(dǎo)向陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律，通過(guò)減小導(dǎo)向棒直徑、間距的方式同樣提高了復(fù)合材料三維預(yù)制體的體積分?jǐn)?shù)[61]。

4.2 柔性導(dǎo)向三維織造裝備

針對(duì)大型、變截面、高密度構(gòu)件制造難的問(wèn)題，機(jī)械科學(xué)研究總院創(chuàng)建了纖維織造路徑自動(dòng)生成、纖維張緊力調(diào)控等算法模型，發(fā)明了纖維低損傷輸送、導(dǎo)向陣列自動(dòng)排布、多向織造等關(guān)鍵系統(tǒng)及裝置，研制出了3D-CFW500S、1000S等系列化柔性導(dǎo)向單針三維織造成形裝備，如圖20所示，該裝備實(shí)現(xiàn)了纖維多角度、低損傷自動(dòng)化織造，最大成形尺寸為1000 mm×1000 mm×500 mm，織造速度為150 mm/s[4]。機(jī)械科學(xué)研究總院還建立了纖維層間致密化壓實(shí)、多機(jī)構(gòu)協(xié)同織造等算法模型，發(fā)明了多束多向自動(dòng)送絲、細(xì)長(zhǎng)密集導(dǎo)向陣列精確控制、自動(dòng)化壓實(shí)等關(guān)鍵裝置，研制出了3D-CFW240M、1000M等系列化數(shù)字化柔性導(dǎo)向多針三維織造成形裝備，如圖21所示，該裝備突破了層間致密度精確控制、長(zhǎng)路徑窄間隙多纖維同步鋪放、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)防變形控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了纖維層壓實(shí)與導(dǎo)向陣列變形約束一體化，設(shè)備外形尺寸為15 m×15 m×4 m，單向織造纖維速度為500 m/min，x/y方向一次送絲420束，z向纖維面密度為每平方米17.3萬(wàn)根。

圖20 復(fù)合材料三維預(yù)制體數(shù)字化柔性導(dǎo)向單針織造成形裝備Fig.20 Digital flexible oriented single-needle 3D woven equipment for 3D composite preform

圖21 數(shù)字化柔性導(dǎo)向多針織造成形裝備Fig.21 Digital flexible oriented multi-needle 3D woven equipment

5 復(fù)合材料預(yù)制體成形制造技術(shù)分析

(1)三維機(jī)織技術(shù)的工藝步驟簡(jiǎn)單、成本低，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形截面預(yù)制體的近凈成形，有效減少?gòu)?fù)合材料構(gòu)件余量。三維機(jī)織成形的三向正交預(yù)制體沒(méi)有纖維交織，高性能纖維直線度較高，層間密度分布均勻，在力學(xué)性能和透波性能上表現(xiàn)優(yōu)異。三維機(jī)織成形的三維角聯(lián)鎖預(yù)制體中經(jīng)向和緯向纖維互相交織，層間性能強(qiáng)，工藝參數(shù)易于調(diào)節(jié)。目前三維機(jī)織技術(shù)仍存在生產(chǎn)效率低以及自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化程度低等問(wèn)題，成形效率和穩(wěn)定性有待提高。此外，三維機(jī)織設(shè)備尚缺少基于多源傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有關(guān)成形缺陷控制理論方面的研究較少，成形過(guò)程中纖維損傷需進(jìn)一步降低。

(2)三維編織技術(shù)中纖維在平面、層間方向相互交織，從而形成了不分層的整體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。盡管三維編織技術(shù)在成形效率上有所提高，但成形設(shè)備中缺乏機(jī)器視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，成形的三維預(yù)制體中纖維磨損明顯，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件力學(xué)性能下降。此外，三維編織機(jī)可承載的攜紗器數(shù)量有限，限制了成形預(yù)制體的厚度、寬度等關(guān)鍵尺寸，使得大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的成形困難。

(3)三維縫合技術(shù)的工藝步驟簡(jiǎn)單，是一種極具潛力的低成本復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)。三維縫合技術(shù)改善了構(gòu)件的層間力學(xué)性能，適用于制備復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的大尺寸復(fù)合材料預(yù)制體。在該技術(shù)中，縫合針穿過(guò)預(yù)制體時(shí)容易產(chǎn)生纖維損傷，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能下降。此外，由于縫合針的剛度限制，使得縫合技術(shù)難以制備厚度尺寸較大的復(fù)合材料三維預(yù)制體。

(4)柔性導(dǎo)向三維織造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜復(fù)合材料三維預(yù)制體的近凈成形，包括變截面預(yù)制體成形織造，能夠顯著減少?gòu)?fù)合材料構(gòu)件余量，提高構(gòu)件成形效率。此外，柔性導(dǎo)向三維織造成形參數(shù)可調(diào)控性強(qiáng)，可以充分發(fā)揮多種纖維材料以及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的物理特性優(yōu)勢(shì)，根據(jù)復(fù)合材料的性能設(shè)計(jì)需求，可制備出結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料預(yù)制體。纖維在成形過(guò)程中處于線性排布，纖維張力導(dǎo)致的材料磨損程度較低，織造完成后纖維力學(xué)性能的下降幅度不明顯，是一種高質(zhì)量預(yù)制體成形方法。為了滿足更大成形件的制造需求，需要進(jìn)一步提升柔性導(dǎo)向三維織造裝備的數(shù)字化、智能化水平，開發(fā)更大尺寸的柔性導(dǎo)向三維織造裝備。

6 總結(jié)與展望

三維復(fù)合材料構(gòu)件是高端裝備制造領(lǐng)域的一種新型先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)件，顯著提高了傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限特性，發(fā)展復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)并且實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件近凈成形對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化具有深遠(yuǎn)影響。綜合國(guó)內(nèi)外預(yù)制體成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及航空航天、國(guó)防軍工對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的迫切需求，復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)主要有以下三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：

(1)復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)向整體化制造、設(shè)計(jì)制造一體化方向發(fā)展。隨著大型飛機(jī)、運(yùn)載火箭等高端裝備運(yùn)載能力的日益提高，為了滿足輕量化需求，復(fù)合材料在高端裝備中的用量占比逐步提高。復(fù)合材料構(gòu)件整體化制造可以大幅減少機(jī)身結(jié)構(gòu)中的緊固件數(shù)量，進(jìn)一步減小飛機(jī)質(zhì)量并且延長(zhǎng)飛機(jī)使用壽命。應(yīng)研制出纖維/樹脂混編復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造一體化成形裝備，集成多機(jī)器人協(xié)同控制、工藝參數(shù)閉環(huán)控制、機(jī)器視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)三維復(fù)合材料構(gòu)件宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)受控三維編織一體化成形和增材制造。

(2)復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)向低成本、高效率方向發(fā)展。美國(guó)空軍曾提出低成本復(fù)合材料研究計(jì)劃，在提高復(fù)合材料構(gòu)件性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究低成本制造工藝，提高復(fù)合材料成形效率。濕法成形技術(shù)使復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中得到了批量應(yīng)用，應(yīng)用范圍從次結(jié)構(gòu)件發(fā)展到主結(jié)構(gòu)件，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于高端裝備對(duì)高性能復(fù)合材料的需求量大，復(fù)合材料三維預(yù)制體低成本制造技術(shù)尤為關(guān)鍵，研究低成本、高效率的復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)可以有效提高復(fù)合材料在我國(guó)高端裝備中的使用比例。

(3)復(fù)合材料三維預(yù)制體成形技術(shù)向結(jié)構(gòu)功能一體化、制造評(píng)價(jià)一體化方向發(fā)展。隨著飛行器性能的快速提高，單一功能復(fù)合材料構(gòu)件難以滿足尖端武器裝備對(duì)材料的苛刻需求。除力學(xué)性能以外，還要求復(fù)合材料具有導(dǎo)電、磁性、吸波、阻燃、防熱等物理性能，如兼有承力和吸波雙重功能的結(jié)構(gòu)吸波材料已應(yīng)用于隱身飛機(jī)。開發(fā)多材質(zhì)、多功能的復(fù)合材料三維預(yù)制體有助于突破高端武器裝備的性能極限。

我國(guó)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件高效率、高質(zhì)量、低成本、柔性化的制造需求越來(lái)越迫切，復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)與成形面臨更大挑戰(zhàn)，亟需開展大型、高性能復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化精確成形裝備研究。復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備主要向以下三個(gè)方面發(fā)展：

(1)復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備向大型化方向發(fā)展。復(fù)合材料構(gòu)件被廣泛應(yīng)用到高端裝備領(lǐng)域，遵循從非承力構(gòu)件到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)，先進(jìn)復(fù)合材料逐步向大型化方向發(fā)展，一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)利用復(fù)合材料制備飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼。研究大型化復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備能夠拓展復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用范圍，從而提高復(fù)合材料構(gòu)件在高端裝備中的使用比例。通過(guò)實(shí)現(xiàn)大型三維復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化成形裝備的規(guī)?；瘧?yīng)用，可解決高性能三維復(fù)合材料構(gòu)件批量、快速、低成本的生產(chǎn)難題。

(2)復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備向結(jié)構(gòu)性能可定制化方向發(fā)展。復(fù)合材料具有材料-結(jié)構(gòu)-性能一體化的特點(diǎn)，復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)件性能具有顯著影響。針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件使用環(huán)境以及邊界條件等物理因素，應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料性能定制，從而提高先進(jìn)復(fù)合材料的使用效能，推動(dòng)成形裝備向結(jié)構(gòu)性能可定制化方向發(fā)展。

(3)復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已采用自動(dòng)化復(fù)合成形裝備制備復(fù)合材料三維預(yù)制體，大幅提高了預(yù)制體的成形質(zhì)量和成形效率，拓寬了復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。我國(guó)在復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備上已取得顯著進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定的差距，我國(guó)急需突破這類制造裝備的技術(shù)瓶頸。高性能復(fù)合材料三維預(yù)制體成形裝備在自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化上有很大的發(fā)展空間，在基礎(chǔ)理論方法、關(guān)鍵工藝技術(shù)和系統(tǒng)裝備方面需要?jiǎng)?chuàng)新攻關(guān)，應(yīng)突破大型復(fù)雜三維復(fù)合材料預(yù)制體多材質(zhì)、多工藝數(shù)字化復(fù)合成形技術(shù)瓶頸，開發(fā)出大型復(fù)雜復(fù)合材料預(yù)制體數(shù)字化三維織造成形裝備以及織造-縫合一體化復(fù)合成形裝備。