自動纖維鋪放 (AFP) 和纖維纏繞 (FM) 的最新進展推動了技術理解的穩步提升，從而能夠生產出更精確、成本和材料效率更高的鋪層，為新應用鋪平了道路。AFP 是從自動鋪帶技術 (ATL) 發展而來的技術，它不僅可以模擬手動鋪放過程，還可以實現定制纖維和絲束對齊，從而提供負載優化的圖案、堆疊順序和零件結構，從而提高機械性能并顯著減少浪費。纖維纏繞向自動機器人纖維纏繞的演變使該技術能夠制造建筑中高度復雜的輕質結構。在這篇簡短的評論中，介紹和討論了兩種自動纖維對齊技術的最新發展，包括主要優點和所用材料。關于 ATL 和 AFP 工藝，還考慮了非航空航天應用的發展。除了簡要概述新的鋪放技術外，還報告了定制纖維鋪放 (TFP) 在干纖維鋪放領域的進展。最后，介紹了建筑領域中自由形式和無芯纖維纏繞（CFW）的新型機器人纖維纏繞應用。

1.引言

自動鋪帶 (ATL) 和自動纖維鋪放 (AFP) 已成為先進復合材料制造領域的關鍵技術，徹底改變了高性能復合材料結構的生產方式。同樣，纖維纏繞也已發展成為制造大量旋轉對稱復合材料結構的關鍵技術。這些自動化工藝與傳統的手工方法相比具有許多優勢，大大提高了復合材料制造的效率、精度和可重復性。由于所有這些原因，通過鋪帶、纖維鋪放和纖維纏繞技術生產部件在過去幾年中越來越受歡迎。這些優勢加上現有材料和技術的最新發展，促使這些技術擴展到航空航天、風能、汽車、體育和休閑以及最近的建筑等眾多應用領域。

ATL 和 AFP 的主要優勢之一在于它們能夠在放置膠帶和纖維時實現無與倫比的精度和一致性。自動化消除了與手工勞動相關的可變性，確保每層都以最高的精度定位。這對于需要高度結構完整性和性能的應用尤其重要。此外，自動化放置過程可以優化材料的使用，最大限度地減少浪費，并確保高效使用昂貴的原材料。精確控制纖維的方向和放置的能力可以根據特定的結構要求定制材料特性和堆疊順序。

在成本方面，這兩種技術都減少了對手工勞動的依賴，與手工鋪層相比，顯著減少了生產時間，降低了由于操作員疲勞而導致錯誤的風險，并確保了整個制造過程中質量的一致性。

ATL 和 AFP 的起源可以追溯到 20 世紀后期，當時航空航天業尋求創新解決方案來滿足對輕質高強度材料日益增長的需求。自動鋪帶技術最初發展的動力來自于飛機復合材料部件對高效制造工藝的需求。20 世紀 80 年代，自動鋪帶系統開始受到關注，早期應用主要集中在航空航天部件的制造。這些系統利用計算機控制的龍門機械將復合帶精確地鋪設到平坦或略微彎曲的模具上，逐層創建大型結構。ATL 在速度和精度方面的優勢很快就顯現出來，這促使了進一步的研究和開發。在 ATL 成功的基礎上，20 世紀 90 年代出現了 AFP 系統，通過引入鋪設連續纖維而不是較短的帶段的能力，擴展了自動化工藝的能力。AFP 系統允許以各種方向和復雜的幾何形狀沉積纖維，從而能夠在曲面上創建具有定制機械性能的層壓板。隨著航空航天工業繼續采用這些自動化技術，機器人、材料和軟件的進步進一步完善了這兩個系統的功能。Yadav 等人表示，集成先進的傳感器和實時監控系統（如熱成像、輪廓測量和機器視覺）可提高制造過程的可靠性和質量控制，確保在航空航天工業等安全關鍵行業中生產出質量穩定的高性能復合結構。

從龍門系統上的大型復雜鋪放頭到小型機器人系統，再到定制纖維鋪放（TFP）中紡織機的使用，這些發展降低了整體系統成本，并為高性能航空復合材料以外的新應用鋪平了道路。

與此同時，自 20 世紀 80 年代以來，人們開始采用數控濕法纖維纏繞技術，利用具有一個或兩個旋轉軸的纏繞機將張緊的連續單纖維沉積在旋轉對稱心軸上。在過去的幾十年里，制造設備的復雜性和自由度得到了提高，克服了平面結構的幾何限制。三維纏繞的最新方法提供了更大的靈活性并優化了配筋，從而產生了輕量化連接技術和自由形式晶格或殼結構，這些結構在建筑中使用。此外，這些技術已被提議作為復合剛架結構和未來的空間應用。

近年來，高度自動化制造技術與精確、適應性強的纖維排列相結合的應用已經超出了航空航天領域，包括汽車、風能和建筑等領域。向這些行業的擴展主要基于機器和工藝的發展，提高了制造更復雜零件的能力。這所需的進步包括開發上述技術的新材料，以及改進制造可變纖維架構通過開發拖曳轉向和 3D 纏繞功能來改善結構性能。因此，這篇文章將重點介紹這些內容，并提供一個簡短的發展概述。

2 .纖維鋪放技術

2.1自動鋪帶和自動纖維鋪放的一般定義和概述

自動鋪帶系統通常安裝在龍門系統上，包括材料儲存、加熱區、壓實輥和用于儲存底紙的卷軸（圖 1（A））。最先進的 ATL 系統設計用于處理寬度為 75、150 或 300 毫米的預浸料。材料儲存通常安裝在鋪層頭附近，這會增加重量，并且需要移動龍門系統。

在每個鋪層路徑的開始處，系統將預定長度的增強織物附著到基材上。隨后，ATL 系統加速到其指定的鋪層速度并分配預定長度的材料。在整個鋪層過程中，硅膠輥施加定義的壓縮力并壓實膠帶。此外，ATL 系統主動管理膠帶和底紙的張力，降低底紙破裂的風險，提高層對齊精度并促進在彎曲幾何形狀上的鋪層。在每個鋪層路徑的末尾，ATL 系統減速并使用旋轉或夾緊刀片自動切割膠帶。最小路徑長度由硅膠輥的夾點和切割系統之間的距離定義，并定義零件尺寸的下限。因此，順序鋪層程序逐層重復，直到完成一層。完成一層后，鋪層頭或工具表面旋轉以適應不同的纖維方向，并重復該過程，直到所有層都按照層手冊放置。

可以識別出兩種不同的自動膠帶鋪設配置：輪廓膠帶鋪放機，用于將材料鋪設到輪廓工具表面（例如機翼蒙皮）上；扁平膠帶鋪放機（FTL），用于將膠帶定位到平坦工具表面上。近年來，FTL 配置（例如 FILL MULTILAYER）也已用于熱塑性膠帶材料的自動沉積。然而，由于所用增強材料的寬度和系統架構的固有限制，ATL 工藝的適用性僅限于復雜程度較低的組件。ATL 在平面層壓板生產和隨后的熱懸垂成型方面特別受到關注。這種高速層壓板堆疊和確定的三維成型的結合提供了一種有競爭力的制造路線。目前，最先進的 ATL 系統大多與隨后的熱壓罐固化相結合，廣泛應用于各種大型航空航天結構的自動化生產，包括機翼蒙皮、垂直和水平尾翼以及 A380 的中央翼盒或空客 A350 上殼機身蒙皮部分。即使自動纖維鋪放可以被認為是 ATL 工藝的演變，因為它擴展了工藝窗口、組件復雜性并且與液態樹脂灌注相結合時成本較低，但 AFP 最初的設計是為了克服纖維纏繞技術的局限性。與纖維纏繞工藝不同，AFP 頭直接與工具表面接觸，并且以最小的張力和確定的壓實壓力施加材料。與使用單塊寬預浸料織物相比，AFP 工藝采用多條單獨的絲束或狹縫帶，它們匯聚在鋪放頭內，隨后作為基材部署。單個絲束可以從（氣候調節的）紗架柜輸送到鋪層頭，也可以直接儲存在鋪層頭上。增強材料從材料供應處傳送到壓實輥，在壓實輥上施加加熱和壓實力，將材料壓實到基材或模具表面上，以最大限度地減少層壓板內的空隙（圖1（B））。熱氣炬、二極管激光器、紅外輻射器或脈沖寬帶發射器可用作加熱源。

每條絲束以不同的速度驅動，在鋪層過程中可以單獨停止、切割和重新啟動。以單獨的速度操縱絲束的可能性有助于在復雜幾何形狀上進行鋪層，并能夠進行絲束轉向和曲線放置。單獨絲束控制還允許 AFP 通過引入或移除單獨絲束來動態改變材料帶寬。然而，最先進的 AFP 系統僅限于低面積重量材料（例如 HEXCEL HiTape 126 gsm；1/4），這使得它們的適用范圍主要局限于航空航天工業。

圖1.纖維鋪放頭示意圖（A）ATL，（B）AFP。

AFP 是一種生產無缺陷復合材料層壓板的復雜制造工藝。其質量取決于許多工藝參數的正確選擇，例如進料速率、固化/熔化溫度、壓實力和鋪層速度，這些參數適用于不同的制造階段（如開始、鋪放過程和結束）。因此，識別 AFP 中加工引起的缺陷及其對最終產品質量的影響至關重要。

ATL 和 AFP 之間的顯著差異在于可處理的材料寬度。在 AFP 制造中，典型的膠帶寬度為1/4”（6.35 毫米）和1/2”（12.7 毫米），多條帶同時輸送，形成一條帶。目前的 AFP 系統通常處理 12、24 或 32 條單獨的絲束。

AFP 鋪層過程中采用的纖維材料可分為預浸漬絲束或 Towpregs、預浸料分條帶、干纖維和熱塑性帶。如前所述，熱塑性材料最近引起了人們的關注，因為它們具有可回收性、可修復性和形成組件接頭的能力等優點，使其在各種工業應用中具有吸引力。盡管熱塑性復合材料制造具有多種優勢，但也需要考慮高加工溫度、原位固結 AFP 層壓板的低層間剪切強度以及狹窄加工窗口旁邊的材料成本。因此，預浸料分條帶仍然是航空航天結構生產中使用的主要織物，盡管干纖維鋪放 (DFP) 和熱塑性結構的制造越來越受到關注。由于 DFP 過程中干織物缺乏粘性，因此使用輔助粘合劑系統將織物固定在基材上，并實現層間足夠的粘附性。在自動纖維沉積過程中，通常使用不同的反應性和非反應性增粘劑。多位作者研究了粘合劑體系對浸漬行為、樹脂流變性和纖維增強塑料 (FRP) 部件的機械性能影響。這些研究表明，反應性和非反應性增粘劑都會影響復合材料的性能，因此需要謹慎使用這些助劑。雖然粘合劑材料和熱固性樹脂的充分選擇和組合可以被視為一項挑戰，但它也提供了新的機會，例如自由牽引和樹脂材料選擇，特別是在小批量生產和原型設計方面。

近年來，AFP 技術有了顯著的改進，催生了新技術，拓寬了其功能和適用性。連續絲束剪切利用非浸漬織物的剪切變形，最大限度地減少鋪層過程中工藝引起的缺陷，而高級鋪層技術旨在縮小 AFP 和 ATL 工藝之間的差距。此外，連續濕式鋪層工藝專注于生產高縱橫比的結構，如潮汐渦輪機的轉子葉片。

自動纖維鋪放系統的最新發展強調了使 AFP 技術更容易被更廣闊的市場所接受的目標，特別是針對中小型企業和研究機構。為了實現這種可及性，供應商正在積極努力降低與 AFP 技術相關的投資成本。這涉及到實施不太復雜的 AFP 鋪放頭，減少集成傳感器的數量和在線質量檢測系統，以減少平均故障間隔時間 (MTBF)。CROSSLAYER 技術就是一個例子。正如 Grisin 等人所表明的，采用這樣的進步，可以實現高工藝可靠性、最少材料浪費和卓越預制件質量之間的平衡。作者指出，這些新穎的 AFP 技術可以在產品開發以及中小型生產系列中發揮重要作用。

盡管如此，現有的帶材最初是為了適應高端 AFP 系統及其各自的客戶而開發和推出的，因為 AFP 加工過程中使用的絲束和帶的輸入質量在實現高性能復合材料部件方面起著重要作用。因此，纖維鋪展和預處理對復合材料鋪層的精度和效率有顯著貢獻。鋪展技術涉及單個纖維或絲束的受控鋪展，以在基材上實現最佳覆蓋和排列，確保分布均勻，并最大限度地減少最終復合結構中的空隙。然而，隨著新的 AFP 供應商進入市場，以及有關帶材的新興需求（如可持續生物基材料和定制帶材）的出現，對新型預處理系統的需求日益增長。

雖然 AFP 通常與平面復合結構（例如平板或具有更復雜幾何形狀的組件）的制造相關，但它也將其功能擴展到圓柱形結構的制造，例如飛機機身部分。

2.2.定制光纖鋪放技術 (TFP)

定制纖維鋪放 (TFP) 是一種自動化紡織制造技術，用于連續干增強纖維的可變軸向排列，是自 20 世紀 80 年代末以來不斷發展的 AFP 技術的一個子集。多年來，該技術在不同應用領域取得了重大成功，例如 A350 航空窗框的加固、自行車剎車桿的生產以及高應力葉片轉子的制造。

絲束材料通常使用多頭刺繡機沿預定的纖維路徑自動鋪設，并使用細縫紉線通過鋸齒形針腳固定在基材上。通過精確計算的絲束放置，可以最佳地利用纖維的各向異性強度和剛度潛力，因為纖維在縱向上受到精確的應力，因此可以傳遞最大的力此外，壁厚可以局部變化，具體取決于彼此疊加的絲束數量。

TFP 工藝適用于多種材料。雖然通常使用玻璃或碳纖維織物或面紗作為刺繡底布，但也可以使用熱塑性薄膜或紙張。如今，可以通過高架送料裝置直接加工增強線，例如厚度高達 3500 tex 的玻璃、芳綸、玄武巖或碳纖維。雖然這會將原始自由纖維旋轉限制在最大 720°，但與直接安裝在針頭前方的縫紉頭線軸送入的絲束相比，它提高了纖維質量，并通過消除了重新卷繞的需要而縮短了加工時間。將絲束固定到位的細縫紉線通常由熱塑性材料制成，例如多絲聚酯，根據稍后將在 FRP 復合材料中使用的基質系統對其進行優化和選擇，因為線的粗細和材料會影響后續的機械性能。

關于熱塑性 TFP 復合材料結構的制造，混合紗線的放置，增強材料和熱塑性長絲之間的混合長絲紗線混合物為此類材料打開了新窗口。結合大批量注塑工藝，將功能元件添加到固結的承載長纖維 TFP 結構上，建立了熱塑性復合材料結構的新制造路線。

理想情況下，TFP 組件具有復雜的輪廓，這些輪廓很難用扁平的半成品實現，并且會導致大量浪費。組件表面的幾何尺寸通常小于半平方米。采用 TFP 圖案的預成型可分為三種策略，如圖 2所示。在最廣泛的預成型中，組件所需的所有增強纖維都通過 TFP 鋪設在基材上，因此基材與結構無關（圖 2（A））。在第二種方法中（圖 2（B）），將增強纖維應用于結構相關的載體材料，例如無卷曲織物或 AFP 單向預制件層壓板，以映射特定的負載路徑或局部加固。第三種方法是將 TFP 結合到 FRP 組件中，并使用 TFP 縫合預制件來加固負載至關重要的區域（圖 2（C））。TFP 預制件插入件主要用于承重區域，其中 TFP 預制件的適應性纖維幾何形狀可最佳地分配負載，并通過增加結構來減少承重負載。

圖2.TFP策略概覽：（A）全面TFP強化，（B）應用TFP強化，（C）TFP作為局部強化。

據報道，TFP 的主要優勢是能夠將干燥的 2D TFP 預制件成型并懸垂成 3D 幾何形狀，從而擴大了 TFP 應用的設計空間，從 2D 平面到 3D 殼體復合結構。由于纖維與纖維、纖維與基材以及纖維與縫合線之間的摩擦和滑移決定了成型和懸垂行為，因此必須仔細選擇和優化縫合基材、縫合線、纖維、定義的纖維取向和疊加的絲束數量以及縫合長度和寬度等工藝參數，以獲得所需的懸垂效果。另一方面，這種依賴關系可專門用于調整局部摩擦特性，從而通過局部確定縫合密度（縫合長度和縫合線）來調整 TFP 預制件的成型和懸垂效果。

據報道，TFP 技術在 AFP 類中具有最高的拖曳轉向能力，可以提高結構性能，例如提高抗屈曲性和缺口敏感性。尤其是裸眼拉伸性能的改善，不同的作者也進行了報道。

近年來，機器生產率的提高源于新的控制系統，該系統允許機器以最大速度在編程直線的兩端之間運行，同時將絲束固定在放置長度的最后一厘米。為了進一步實現工業化和工藝改進，集成用于檢測纖維錯位、間隙和絲束波動等缺陷的無損監測系統將是有益的，但目前尚未有報道。一方面，高動態旋轉纖維引導裝置和機器主桿之間的空間有限，這使得集成這種在線系統具有挑戰性；另一方面，離線系統只能測量頂層，每當放置的絲束鋪設在已經放置的絲束上時都需要中斷工藝，導致機器長時間停機。必須證明這種針對潛在缺陷的監測系統是否會進一步改進 TFP 技術及其產品，還是只會增加工藝復雜性和成本。

最后，隨著仿生設計理念的出現以及變剛度層壓板結構優化的各種方法的出現，TFP 制造技術能力與結構力學和數值分析之間的滯后差距正在縮小，在汽車、體育和休閑以及建筑領域的應用也在不斷發展。然而，與編織物和非卷曲織物等更標準的模型相比，復雜的 TFP 材料建模還不夠成熟，無法在早期采用者之外進行廣泛的市場推廣和接受。

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