在航空航天領(lǐng)域，輕量化與高性能結(jié)構(gòu)件的需求日益迫切。熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)纖維鋪放（AFP）與纖維纏繞協(xié)同制造技術(shù)的出現(xiàn)，為這一挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新解決方案。該技術(shù)通過(guò)整合AFP的高精度纖維鋪放與纖維纏繞的高效成型能力，實(shí)現(xiàn)了航空航天結(jié)構(gòu)件的智能成型突破。

技術(shù)原理與核心優(yōu)勢(shì)

AFP技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械臂，將預(yù)浸漬纖維絲束或熱塑性膠帶精確鋪放在模具表面，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的定制化鋪層。纖維纏繞技術(shù)則利用旋轉(zhuǎn)心軸與纖維輸送系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，將連續(xù)纖維以特定角度纏繞在心軸上，形成高強(qiáng)度、輕量化的結(jié)構(gòu)。兩者的協(xié)同制造，通過(guò)共享機(jī)器人平臺(tái)與多工藝工具頭，實(shí)現(xiàn)了工藝的無(wú)縫切換。

該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于纖維取向的精準(zhǔn)控制與生產(chǎn)效率的顯著提升。AFP技術(shù)可實(shí)現(xiàn)±0.5毫米的鋪放精度，纖維轉(zhuǎn)向功能可生成基于應(yīng)力的路徑模式，優(yōu)化載荷分布。纖維纏繞技術(shù)則以500-1000毫米/秒的速度處理對(duì)稱結(jié)構(gòu)，與AFP的200-500毫米/秒鋪放速度形成互補(bǔ)。通過(guò)工藝分配優(yōu)化，生產(chǎn)周期可縮短80-85%，材料利用率提高22%。

航空航天結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新應(yīng)用

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙制造中，AFP-纏繞協(xié)同技術(shù)已實(shí)現(xiàn)大型蒙皮與沖壓成形帽形加強(qiáng)筋的集成制造。通過(guò)AFP鋪設(shè)復(fù)雜曲面蒙皮，結(jié)合纖維纏繞技術(shù)制造高強(qiáng)度環(huán)形框架，最終通過(guò)感應(yīng)焊接將各部件連接成整體結(jié)構(gòu)。該工藝減少了傳統(tǒng)鉚接工藝的應(yīng)力集中問(wèn)題，使結(jié)構(gòu)重量減輕15%，疲勞壽命延長(zhǎng)3倍。

對(duì)于運(yùn)載火箭低溫燃料箱，該技術(shù)展現(xiàn)出更大的應(yīng)用潛力。采用鋁鋰內(nèi)襯與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）外覆層的混合結(jié)構(gòu)，其中80%的對(duì)稱區(qū)域通過(guò)纖維纏繞制造，剩余20%的復(fù)雜接頭采用AFP局部增強(qiáng)。與全纏繞設(shè)計(jì)相比，質(zhì)量減輕28%；與僅使用AFP的工藝相比，生產(chǎn)速度提升45%。該結(jié)構(gòu)在-183℃至82℃的極端溫度下仍保持優(yōu)異的力學(xué)性能，滿足航天器發(fā)射與在軌運(yùn)行的嚴(yán)苛要求。

智能成型的技術(shù)突破

智能成型的關(guān)鍵在于工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化與缺陷的在線檢測(cè)。AFP-纏繞協(xié)同系統(tǒng)通過(guò)集成非測(cè)地線路徑規(guī)劃算法與機(jī)器視覺(jué)反饋，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。在AFP與纏繞過(guò)渡區(qū)域，系統(tǒng)可自動(dòng)切換張力、熱量與鋪放參數(shù)，確保纖維取向的連續(xù)性與層間結(jié)合強(qiáng)度。多物理場(chǎng)模擬模塊可預(yù)測(cè)混合鋪層的殘余應(yīng)力與變形風(fēng)險(xiǎn)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次成型成功率超過(guò)92%。

針對(duì)熱塑性材料的加工特性，系統(tǒng)采用雙激光原位固結(jié)技術(shù)，在AFP-纏繞過(guò)渡期間保持380-420℃的固結(jié)溫度，并通過(guò)紅外預(yù)熱與主動(dòng)冷卻控制聚醚醚酮/碳纖維層壓板的結(jié)晶過(guò)程。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)熱塑性材料加工中易出現(xiàn)的空隙與分層問(wèn)題，使層間剪切強(qiáng)度提升40%。

環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)價(jià)值

AFP-纏繞協(xié)同制造技術(shù)的環(huán)境效益顯著。通過(guò)在聚酰胺6纏繞纖維中摻入30%的再研磨材料，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了廢棄物的循環(huán)利用。對(duì)于報(bào)廢結(jié)構(gòu)件，通過(guò)熱脫粘技術(shù)可實(shí)現(xiàn)混合接頭的拆解，使碳纖維與樹(shù)脂基體的回收率分別達(dá)到95%與85%。在某型飛機(jī)垂尾的制造中，該技術(shù)使生產(chǎn)能耗降低30%，二氧化碳排放減少25%。

經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面，生命周期成本分析顯示，與維護(hù)單獨(dú)的AFP與纏繞系統(tǒng)相比，協(xié)同系統(tǒng)在5年內(nèi)可節(jié)省50-60%的成本。其占地面積減少100%，操作員培訓(xùn)時(shí)間縮短40%，使中小型制造企業(yè)也能承擔(dān)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。在某型無(wú)人機(jī)機(jī)翼的制造中，該技術(shù)使單件制造成本降低22%，交付周期縮短60%。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著數(shù)字孿生與人工智能技術(shù)的融入，AFP-纏繞協(xié)同制造將向更高水平的智能化邁進(jìn)。通過(guò)建立工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)性能的數(shù)字映射關(guān)系，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自主優(yōu)化。多材料同軸沉積技術(shù)將使碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂纏繞與玻璃纖維/聚醚酮酮AFP鋪放同步進(jìn)行，進(jìn)一步拓展設(shè)計(jì)自由度。移動(dòng)混合系統(tǒng)的研發(fā)，將使機(jī)器人AFP與便攜式纏繞單元的結(jié)合成為可能，滿足現(xiàn)場(chǎng)維修與應(yīng)急制造的需求。

AFP-纏繞協(xié)同制造技術(shù)正推動(dòng)航空航天結(jié)構(gòu)件制造向更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。其智能成型能力不僅滿足了輕量化與高性能的需求，更為復(fù)合材料的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，該領(lǐng)域有望在未來(lái)十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)合年增長(zhǎng)率35%的突破，為航空航天工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供核心支撐。