自動化纖維鋪放（AFP）是一項具有潛力的新興技術，能夠重塑工業領域和醫療領域。取代金屬的熱固性和熱塑性復合材料正在源源不斷被開發出來。在任何使用金屬的地方，復合材料都因其低成本和改良的機械性能而逐漸取而代之。航空航天工業正在利用AFP技術結合熱固性材料和熱塑性材料來制造設備，這不僅減輕了重量，還增加了耐用性。任何制造商的主要目標都是延長產品的使用壽命。但有時產品損壞時需要修理或更換。使用AFP技術，可以用替代復合材料修復任何材料制成的產品，成本可能比使用原有金屬更低。Alliant Technology 于 20 世紀 70 年代末開發出了纖維鋪放工藝（熔融成型工藝）。該公司以其經濟實惠、高效的產品特性，在航空行業產生了巨大影響。AFP 是一種綜合工藝，兼具纖維纏繞和 ATL 技術（自動鋪帶技術）的優點。可以制造圓柱形和扁平結構。AFP 以其廣泛的應用和用途徹底改變了復合材料行業和航空航天工業。改進纖維鋪放工藝的唯一方法是啟動多個鋪放單元。需要為單獨的任務分配單獨的工作空間。熱塑性塑料是可以在加熱時形成液體，在冷卻時變硬的樹脂。此過程可重復進行。熱塑性塑料具備可逆性質，熱固性塑料具備不可逆性質，他們比其他聚合物更能實現有效生產。
1. 自動纖維鋪放工藝（AFP）的發展歷程
制造 FRP 復合材料容器所用的第一種技術是手工鋪層，用于生產低成本的復合材料部件。滾筒手工工具是一種可以減少空隙和氣泡的工具，從而使纖維與樹脂之間充分混合。在去除多余樹脂的過程中，滾筒會增加低水平纖維體積，從而提高材料性能。手工鋪層的主要缺點是工人的健康問題和安全問題，因為在鋪放過程中會產生苯乙烯煙霧。手糊工藝的完美替代方案是噴射工藝，與精心構建的增強層相比，噴射工藝成本更低，原材料（如構成增強層的纖維卷軸）加工程度更低。噴射工藝不存在苯乙烯排放問題，并且它比手糊工藝更清潔，由于材料在切割槍中進行填充，因此操作員和組分之間的接觸機會也更少。工會和健康組織推動了揮發性有機化合物 (VOC) 和玻璃纖維手工加工對工人健康影響的研究。通過研究影響噴射工廠工人的皮膚病，改進并創造了一項新技術。預制件制造過程可以通過機器人實施來實現高度自動化。樹脂傳遞模塑 (RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑、真空袋成型 (VBM)、樹脂膜灌注、Seaman 復合樹脂灌注工藝和 RTM-light 工藝可根據其是否具有兩個剛性半模進行分類。RTM 是一種廣泛實施的制造方法，將干燥的預制件、墊子和織物手動放置在剛性雙面模具中，然后用模具將兩部分牢固地夾緊。真空袋膜工藝不需要雙面模具，相當于直接省下了RTM工藝的工具成本。壓制成型是一種可生產大批量組件的高壓成型工藝，適用于制造尼龍等復雜的纖維增強部件。壓制成型的一個顯著優勢是它能夠成型從小到大的復雜部件。纖維鋪放制造工藝包括加熱和壓實樹脂預浸料層壓板，將其滾過可拆卸的心軸并用收縮膠帶覆蓋，然后包裹以進行加固。然后，在收縮膠帶施加壓力的幫助下，整個組件被固化。
2. 自動纖維鋪放工藝（AFP）
20世紀80年代初是纖維纏繞和自動鋪帶（ATL）工藝最初發展的時期，當時這些技術存在許多限制。自動纖維鋪放（AFP）工藝可以分為四個重要的子系統：該工藝包括由計算機控制的預浸料束或預浸料帶的鋪放，從而制備高度自動化的、高速生產的具有雙曲率的層壓板。芯軸的精確輪廓位置會被編程到具有多軸運動的自動纖維鋪放（AFP）機器中。多個平行的纖維束會同時作為一個帶狀物鋪放在工具的表面上。(a) 纏繞平臺布置：這是最基本的機器布局，也是最流行的布局之一。對于截面變化較快的情況，纏繞機是理想的選擇。(b) 移動柱輪廓：近年來這種機器輪廓非常流行。通常涉及大型機器的制作，非常適合大尺寸零件的受限曲率。(c) 高軌龍門設計：自動鋪帶（ATL）機器的工具輪廓也用于AFP。AFP的芯軸固定在機器的Z軸上，物料籃的供給要么安裝在橫梁上，要么安裝在芯軸自帶的支架上。(d) 機器人手臂配置：機器人手臂用作纖維輸送系統。這種類型的AFP結合了旋轉和線性累加系統。系統具有很大的自由度，能夠生產出各種各樣的零件，但代價是需要掌握復雜的連接反饋系統。由于其出色的靈活性和不斷降低的成本，可靠性變得越來越高。現代纖維鋪放機器結構復雜且體積可能非常龐大。大多數機器有七個運動軸（橫向進給、滑架移動、手臂傾斜、芯軸旋轉、芯軸手腕偏航、俯仰和滾轉）。AFP機器主要設計用于制造機身組件，這些組件通常是淺殼體或管狀結構。它們無法處理混合形狀的應用。
3、熱固性材料和熱塑性材料概述
在特定溫度下，熱塑性材料如聚丙烯、聚苯乙烯和PVC表現出不同的流動性。熱塑性材料是一種可降解的樹脂，它們在溫度上升到某一特定值之前能夠保持其形狀。在成形之前，熱固性塑料和熱塑性塑料具有一樣的鏈狀結構。在成形過程中，熱固性塑料以熱或化學聚合反應，形成交聯結構。一旦反應完全，聚合物分子鍵結形成三維的網狀結構，這些交聯的鍵結將會阻止分子鏈之間的滑動，結果，熱固性塑料就變成了不熔化、不溶解的固體。
4、自動化纖維鋪放工藝中的缺陷
自動化工藝可以顯著節省勞動力，并減少材料廢料，尤其是在大規模復合材料部件制造過程中。自動化纖維鋪放（AFP）工藝在生產大口徑結構方面具有極大的潛力，并且適用于大規模生產，但也存在與引發缺陷相關的風險。在試樣中可能出現單一間隙、重疊、半間隙/重疊以及纖維扭曲的缺陷。復雜表面上產生的間隙會顯著降低纖維的機械性能。傳統的限制因素與模具形狀有關。壓實滾輪直徑和頭部幾何形狀限制了這種技術可用于制造部件的凹模半徑。這對于通常會被修剪的部件邊緣不是問題；然而，在局部復合材料層疊過程中，設計師需要接受鋸齒狀的層壓板輪廓這一現象。纖維的狀態可以區分AFP技術，預浸料束以前被廣泛使用。最近，一些研究人員嘗試使用干纖維束，以克服膠帶鋪放的缺點，并增加可變剛度復合材料的設計靈活性。
5、熱固性材料和熱塑性材料的應用
對高強度、高剛性、良好抗疲勞性和良好耐腐蝕性的需求正在迅速增加。為了滿足這一需求，連續碳纖維增強熱固性復合材料登上舞臺。最近，3D打印技術在增材制造方面發展迅速，包括用于改進拉伸強度的機器元件，以及適用于暴露在強腐蝕環境中的零部件，如泵的組件和鉆孔時使用的部件，采礦作業中廣泛應用了這些技術。在陶瓷材料中，熱固性材料起著重要作用。滑動軸承、軸封、襯套、齒輪和電氣應用中，聚合物被用來滿足上述應用中對低重量和低成本的需求。使用熱固性樹脂還可以打印出與血管組織兼容的小直徑血管等組織和器官。骨組織工程為骨骼修復和重建帶來了希望。良好的光聚合能力可用于制造（如聚丙烯富馬酸酯（PPF）、明膠材料、三亞甲基碳酸酯（TMC））等聚合物。熱塑性材料是最重要的商用材料之一，占所有合成聚合物總使用量的約70%。常見的熱塑性材料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和尼龍。聚丙烯制成的物品包括保鮮膜、面包包裝袋、糖漿瓶、處方藥瓶和塑料購物袋。固態和薄膜狀聚苯乙烯用于制造堅固的食品服務容器、CD盒、電器外殼、信封窗口等多種產品。聚苯乙烯泡沫用于食品服務產品和建筑保溫材料。聚氯乙烯（PVC或乙烯基）廣泛應用于建筑和施工、醫療保健、電子、汽車等領域，產品包括管道和外墻板、血袋和導管、電線和電纜絕緣、擋風玻璃系統組件。尼龍是一種用途廣泛的材料，服裝行業是熱塑性材料應用受益最大的行業。其優勢體現在襯衫、基礎服裝、內衣、雨衣、泳裝、騎行服、傳送帶皮帶和安全帶、防水布、漁網和帳篷的應用性能。
6. 自動化纖維鋪放工藝的應用
自動化纖維鋪放（AFP）工藝減少了材料浪費、縮短了鋪放時間，提高了工人的安全性和產品標準，并且可以反復處理和制造復雜的機械零件。該工藝可以在局部增強組件的剛度和強度，并生產具有復雜載荷變化響應（如彎扭耦合）的零件。傳統的手工鋪層和膠帶鋪放方法耗時較長，且勞動強度較大。自動化方法縮短了所需時間，并提高了設置的精度。還引入了基于傳感器的制造方法。纖維復合材料的粘結基于復合材料的熱機械性能以及自動化纖維鋪放的編程。陳舊機床可以通過使用熱固性樹脂的自動化纖維鋪放技術進行修復。機床的主要目標是提高機械生產力和延長工具壽命。為減少機床冗余性，使用了多種方法，這些方法都非常謹慎，以避免刀頭與表面發生碰撞。另一個主要目標是找到問題的完整解決方案，而不僅僅是找到可能只持續兩到四個周期的初步解決方案。一種替代方法是使用通用算法來計算實際位置和目標位置。在減輕重量方面，復合材料占據了包括波音和大型飛機在內的飛機設計的50%。機身制造一直在尋找有效的技術來制造復合結構，并已成功將AFP技術引入生產。厚壁塑料在深海應用的壓力容器中得到了發展。這些壓力容器質量優良，已成功通過測試。
7. 自動化纖維鋪放（AFP）設備供應商
國外自動鋪帶設備供應商有美國MAG Cincinnati公司、Automated Dynamics，西班牙 M.Torres，法國 Forest-line，德國迪芬巴赫等。國內引進MAG的有上海飛機制造有限公司（簡稱上飛）、航空工業江西洪都航空工業集團有限公司（簡稱洪都）；引進MT的有哈爾濱飛機工業集團有限責任公司（簡稱哈飛）、中航沈飛股份有限公司（簡稱沈飛）、中航西安飛機工業集團股份有限公司（簡稱西飛）、航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司（簡稱成飛）、江蘇恒神股份有限公司（簡稱恒神）、四川明日宇航工業有限責任公司（簡稱明日宇航）；引進FL的有中航復合材料有限責任公司（簡稱中航復材）。自動鋪絲設備的供應商有美國MAG Cincinnati機器公司，Ingersoll Milling 公司，Automated Dynamics，ENTEC Composite Machine；西班牙 M.Torres；法國 Forest-Line，Coriolis；北馬其頓 MikroSAM；德國BSD等。就鋪絲機技術而言：MAG 最早，Ingersoll 開發機型最多，西班牙 M.Torres機械系統最先進。Coriolis 最有特色，EI 最注重實際應用。國內引進的鋪絲機多為歐洲公司產品，具體如下。Coriolis（均為機器人型臥式）：上飛、中國商飛北京民用飛機技術研究中心（簡稱北研中心）、恒神、四川省新萬興碳纖維復合材料有限公司（簡稱新萬興）、中航復材。MT：西飛（龍門）、明日宇航（龍門）、洪都（臥式）、上飛（臥式）。FL：中航復材（龍門，鋪絲頭為 Coriolis）。MikroSAM：中國航天科技集團公司第四研究院第四十三研究所（簡稱航天43所）（臥式）。
8. 自動化纖維鋪放（AFP）研究難點
在AFP工藝中，能夠對彎曲的面板、蒙皮和整流罩進行編程和模擬。目前主要涉及機械設備的生產。仿生制造是利用自動化纖維鋪放技術和特定類型的纖維來制作生物結構的過程。人類器官也可以通過AFP工藝制造，目前仍處于實施的早期開發階段。生物打印領域還面臨著組織工程和再生醫學的研究難題。為了確保打印的組織結構可以長期存活，需要保證工程構造的充分血管化。這一策略的難點在于工藝與材料、細胞以及打印系統中其他元素的兼容性。
9. 未來工作
AFP（自動化纖維鋪放）行業正處于快速發展的階段，大量的創新與新的里程碑不斷涌現。生產技術的進步使得更加復雜零件的制造成為可能。醫學移植領域的未來發展有66%依賴于AFP工藝，以及與此工藝兼容的新型熱固性材料和熱塑性材料。自動化纖維鋪放技術本身也將經歷更多變革，如用于熱固性材料和熱塑性材料的多功能頭部控制器的開發。在當今環境中，生態復合材料的需求日益增加。因此，未來的工作將致力于天然熱固性材料的研究，重點受制于纖維的尺寸和體積分數等參數。熱固性材料主要用于天然纖維的生產，包括酯化處理、醚化處理和苯甲酰化處理等工藝。因此，未來的工作將集中在天然纖維的生產、仿生制造以及農業應用上。熱塑性和熱固性復合材料作為制造飛機機身的非常有效的材料，不僅可以降低成本，還具有出色的剪切應力和改進的機械性能。即使AFP技術已經初具規模，復合材料領域的熱塑性材料開發仍處于初期階段。研究兼具熱塑性特性和熱固性材料強度的新型復合材料將會帶來巨大的益處。1. 陳博.國內外復合材料工藝設備發展述評之四——自動鋪放成型[J].復合材料科學與工程,2023,(S1):34-43.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20210928.032.2. V. Dhinakaran, K. V. Surendar, M. S. Hasunfur Riyaz et al., Review on study of thermosetting and thermoplastic materials in the automated fiber placement process, Materials Today: Proceedings.