在國內(nèi)，我國自60年代就開始研制復(fù)合材料纏繞設(shè)備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設(shè)計院、航天一院703所、航天四院43所、哈工大以及華中科技大學(xué)等單位先后研制出不同的復(fù)合材料纏繞成型設(shè)備。西工大通過自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機(jī)（見圖4），工作效率高，纏繞出的制品達(dá)到型號工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動機(jī)噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關(guān)鍵配套設(shè)備。但是，上述纏繞成型設(shè)備基本上都是針對型面規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件研制開發(fā)的，對于諸如大飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、風(fēng)電葉片等大型非規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無法實現(xiàn)纏繞成型。

西工大自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機(jī)

1.2 帶纏繞成型的應(yīng)用

帶纏繞成型技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用主要是葉片、機(jī)艙和導(dǎo)流罩的纏繞成型。葉片作為風(fēng)力發(fā)電裝置最關(guān)鍵、最核心的部分，其材料和制造工藝將決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能和功率，也決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本。針對復(fù)合材料風(fēng)電葉片的纏繞成型，德國、丹麥、美國等風(fēng)能資源利用較好的國家在大型葉片的材料體系、外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝裝備等方面作了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。據(jù)報道，現(xiàn)今世界上最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量為5MW，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3m。丹麥的LM公司為此裝備配套纏繞出了61.5m長的復(fù)合材料葉片，單片葉片的重量接近18t，成為世界最大的復(fù)合材料葉片“巨人”。這一實例成功地體現(xiàn)了材料、結(jié)構(gòu)和工藝三者的完美結(jié)合。

作為可再生的清潔能源之一，我國已經(jīng)開始注重風(fēng)能的開發(fā)和利用。在國家科技攻關(guān)項目和863項目的共同支持下，我國已基本掌握了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及復(fù)合材料葉片的設(shè)計和制造技術(shù)；“十五”期間，將完成MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制，為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)參與常規(guī)能源市場競爭奠定基礎(chǔ)。據(jù)最近的資料報道，到2020年，我國將投資2000億元用于風(fēng)力發(fā)電建設(shè)，新增風(fēng)力發(fā)電能力將達(dá)3000MW，并要求風(fēng)力發(fā)電裝備本土化。為此，國內(nèi)的一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在加緊研究開發(fā)1.5MW風(fēng)力發(fā)電裝備和與之配套的大型復(fù)合材料葉片。國家對可再生清潔能源的支持，為復(fù)合材料風(fēng)電葉片纏繞成型技術(shù)提供了難得的發(fā)展機(jī)會。
2 、帶鋪放成型技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

2.1帶鋪放成型的研究現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)70年代開始研究帶鋪放成型技術(shù)，并取得了很大進(jìn)展，已開發(fā)出復(fù)合材料帶鋪放成型設(shè)備，如美國Vought飛機(jī)公司的大型CTLM鋪放機(jī)，該系統(tǒng)有2個鋪放頭，可同時鋪放2個不同部位，Vought公司目前正使用此系統(tǒng)生產(chǎn)軍用C-17運輸機(jī)的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲最早使用平面自動鋪帶機(jī)和曲面自動鋪帶機(jī)生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的公司，與手工鋪貼相比，CASA自動鋪帶機(jī)具有很高的生產(chǎn)效率，一般是手工鋪貼的10倍。當(dāng)用150mm寬預(yù)浸膠布帶作平面鋪放時，生產(chǎn)效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術(shù)方面投入大量資金和人力，發(fā)展自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B2轟炸機(jī)大型復(fù)合材料構(gòu)件。近年來，波音公司也將自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用于其他項目，主要包括Navy A6轟炸機(jī)（復(fù)合材料機(jī)翼）、F-22戰(zhàn)斗機(jī)（機(jī)翼）和波音777民用飛機(jī)。波音777民用飛機(jī)的全復(fù)合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術(shù)制造。

目前，帶鋪放成型技術(shù)在我國尚處于起步階段，國內(nèi)復(fù)雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主，其生產(chǎn)效率低、鋪層質(zhì)量不穩(wěn)定、材料利用率低、制造周期長、費用高，難以實現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，制約了我國航空航天制造技術(shù)的發(fā)展和水平的提高。由于復(fù)合材料帶鋪放成型技術(shù)對軍工事業(yè)和國防事業(yè)有著重大意義，歐美發(fā)達(dá)國家對我國嚴(yán)密封鎖，并限制高檔、精密和敏感復(fù)合材料成型工藝裝備對我國的出口，使我國無法走“引進(jìn)、消化、吸收”的捷徑。國內(nèi)科研院所和企業(yè)一直致力于帶鋪放成型技術(shù)的研究，以打破發(fā)達(dá)國家對我國的技術(shù)壟斷，促進(jìn)國防、航空航天事業(yè)的發(fā)展。

2.2 帶鋪放成型的應(yīng)用

美國航空制造商大量應(yīng)用帶鋪放成型技術(shù)生產(chǎn)B1、B2轟炸機(jī)的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼、波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運輸機(jī)的水平安定面蒙皮等。歐洲生產(chǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件包括：A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。
我國大飛機(jī)工程已經(jīng)立項，復(fù)合材料規(guī)劃用量初期要達(dá)到15%，后期將隨著材料與設(shè)計制造技術(shù)的成熟逐步擴(kuò)大，最終的上限可能接近甚至超過現(xiàn)有波音787的復(fù)合材料用量水平[10]，帶鋪放成型技術(shù)是保證大飛機(jī)項目順利實施的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于現(xiàn)階段復(fù)合材料用量15% 的目標(biāo)，翼面壁板類構(gòu)件將成為主導(dǎo)。對于20年研制周期的大飛機(jī)計劃，為進(jìn)一步提高飛機(jī)性能，加大復(fù)合材料用量勢在必行，復(fù)合材料機(jī)身鋪放技術(shù)將成為后期的關(guān)鍵技術(shù)。

帶纏繞、帶鋪放成型技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術(shù)呈現(xiàn)出多工藝復(fù)合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用日益增多、成型設(shè)備與機(jī)器人結(jié)合化、熱塑性樹脂基復(fù)合材料逐漸增多及新型固化技術(shù)不斷應(yīng)用的發(fā)展趨勢。
  
    （1）將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結(jié)合，提高帶纏繞成型的工藝適應(yīng)性。

由于帶鋪放可進(jìn)行任意角度纏繞，還可在凹形表面纏繞，克服了纏繞工藝的不足；若將其與帶纏繞工藝結(jié)合起來，可解決某些結(jié)構(gòu)類管狀構(gòu)件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學(xué)性能，已用于汽車司機(jī)駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結(jié)合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學(xué)行為。

（2）將帶鋪放成型與電子束固化技術(shù)結(jié)合是目前研究的熱點[3]。

電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能源，是重要的低成本制造技術(shù)。傳統(tǒng)電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化，要求電子束的能量高（3~10MeV），不僅使加速器投資巨大，并且輻射防護(hù)的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐層電子束固化”的思想，完成一層鋪疊后即實施電子束固化，只需0.5MeV電子束能量，并可以獲得良好的力學(xué)性能。帶鋪放成型與電子束固化技術(shù)結(jié)合的研究逐漸進(jìn)入實用階段。
（3）為帶纏繞、帶鋪放成型設(shè)備配備精密張力控制系統(tǒng)，以提高制品成型精度。

在纏繞、鋪放成型過程中，張力與制品的強(qiáng)度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關(guān)系，對制品性能影響極大。國內(nèi)方面，西工大、哈工大等均在精密張力控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量研究工作，并取得階段性成果；國外方面，法國已開發(fā)出一種用于粗紗的張力控制系統(tǒng)。

（4）CAD/CAM技術(shù)在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應(yīng)用日益增多。

CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結(jié)合，有助于縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、減少廢品率、提高制品的質(zhì)量，提高自動化水平及生產(chǎn)柔性。國內(nèi)外均有一些實用化的軟件問世，但與傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)相比，復(fù)合材料成型CAD/CAM技術(shù)的研究才剛剛起步，研究成果有限。

（5）將纏繞、鋪放成型設(shè)備與機(jī)器人相結(jié)合，增強(qiáng)成型設(shè)備的柔性及適用范圍。

機(jī)器人用于帶纏繞、帶鋪放成型，具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點，尤其適合小型復(fù)雜構(gòu)件的纏繞、鋪放成型，如不對稱構(gòu)件和雙凹面構(gòu)件等。歐美及加拿大正在研究開發(fā)機(jī)器人纏繞機(jī)，如比利時Leuven天主教大學(xué)用一臺PUMA-762機(jī)器人與兩軸數(shù)控纏繞機(jī)聯(lián)接，纏繞出多種零件 ；加拿大OTTAWA大學(xué)也用機(jī)器人成功纏繞了T 形管；德國AACHEN工業(yè)大學(xué)建成了一個復(fù)合材料柔性制造單元，己成功生產(chǎn)出機(jī)床主軸、飛機(jī)機(jī)身等零件。

（6）熱固性樹脂基復(fù)合材料成型向熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型方向發(fā)展。

據(jù)統(tǒng)計，從1994年以來，熱塑性復(fù)合材料是同期熱固性復(fù)合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復(fù)合材料良好的機(jī)械性能、耐溫性能、介電常數(shù)及可循環(huán)性來解釋，尤其是它的可回收、可重復(fù)利用及不污染環(huán)境的特性適應(yīng)了當(dāng)今材料環(huán)保的發(fā)展方向。國外已有杜邦、帝國化學(xué)、BASF和德國凱瑟斯路登大學(xué)等多家大公司和科研機(jī)構(gòu)對熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝進(jìn)行了研究和生產(chǎn)。國內(nèi)有北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國防科技重點試驗室等少數(shù)機(jī)構(gòu)對熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行了纏繞試驗，并對制品性能進(jìn)行了初步分析。目前國內(nèi)這種工藝尚處于初步開發(fā)的階段，發(fā)展空間較大。