数字化制造助力复合材料“起飞”
■ 沈阳飞机工业（集团）有限公司 蒲永伟 王乾
目前，先进复合材料在飞机上的使用量已成为衡量飞机制造技术水平的标志，大型飞机中先进复合材料从70年代的零用量到现在波音B787 50%的使用量。未来航空工业领域要求复合材料构件向着变厚度、复杂截面、大厚度大尺寸方向发展，而传统的制造工艺无法满足新的复合材料的加工需求。如何在外部封锁相关技术下，开发出符合先进复合材料数字化制造的系列化技术是行业需要探索的问题。复合材料数字化制造要实现设计、工艺、生产、装配全流程的信息交互，提高复合材料主承力构件在飞机上的应用，真正意义上推广普及，才能综合提高我国复合材料技术，推动航空、航天工业的发展。
数字化制造取得长足进步
在传统复合材料的制造过程中，设计、制造流程完全依靠工程师的经验和反复试错，产品成型质量则依靠于工人的熟练程度和经验。因此数字化制造下的复合材料制造通过产品数字化设计、模拟装配流程、数据库管理优化，同时结合制造和支持过程的并行化工程，能够改变传统的设计和制造方式，使复合材料制造过程发生质的变化。
自20世纪90年代起，发达国家一方面通过降低复合材料原料成本和提高生产效率来控制复合材料构件成本，另一方面通过提高复合材料制件的质量减少维修成本和延长使用寿命来占据国际复合材料领域的市场份额。
国内复合材料起步较晚，自动化成型技术引进不到30年。从2004年我国南京航空航天大学试制小型铺带机成功，到中航工业制造所制造的大型复合材料自动铺带机。仅仅10余年，国内各大高校及科研单位已在关键技术上获得突破。在国产某型号大飞机的复合材料构件生产中，沈阳飞机工业(集团)有限公司通过使用数字化生产装备改变原有生产方式将效率提高数倍。通过应用复合材料数字化制造，国产C919大型飞机将复合材料构件成功应用在中央油箱、压力隔板和尾翼等位置，替代了传统铝合金材料，使复合材料占比高达12%。中航工业下属单位以及高校、科研单位已经广泛使用CATIA和FiberSIM等数字化平台进行复合材料的设计和制造，将构件的三维实体模型生成需要的二维数据用于下料或者定位。
经过数十年的发展，我国在复合材料数字化制造上已经取得了长足进步，但与西方发达国家相比还有差距。虽然很多单位已开始使用自动化设备和数字化设计平台，但是各个系统孤立不能传递数据，数字化应用规模和设计思路仍发展缓慢，尤其在整体产品的设计制造上，数字化程度不高。
数字化技术需相互协调
我国的复合材料制件在逐渐淘汰了早期传统手工为主的工艺后开始大量使用数字化技术。数字化制造主要呈现的特征有：第一，自动铺带、铺丝等大型设备的开发应用，以及和热隔膜成型技术相结合；第二，激光投影仪等设备应用实现制造的精准性；第三，CATIA和FiberSIM等数字化专用设计软件提高制造效率；第四，复合材料翻转工装、成套工装的应用改善成型质量。
复合材料的数字化制造必须依托数字化设计、数字化工艺、数字化工装和数字化制造整个系统的相互协调和统一，不能只停留在孤立系统的进展上，同时采用自动铺带、热隔膜成型、激光定位铺层、复合材料液体成型等先进制造工艺和设备，才能保证复合材料制件的成型精度、产品质量和效率。
1.热隔膜成型技术与自动铺带技术
自动铺带技术（ATL）改变了传统预浸料主要采用手工铺贴的工艺，大幅提高了复合材料的生产效率，改善了成品稳定性不高的问题。自动铺带技术主要适用于小曲率的蒙皮等构件制造，自动丝束铺放（ATP）技术将自动铺带和纤维缠绕技术结合，可以用于大曲率复杂构件的制造。随着复合材料制件要求的提高，原有技术难以实现大尺寸梁结构的制造。热隔膜成型技术的出现，提高了生产效率，保证了预成型质量。热隔膜成型技术主要可分为两部分：将预浸料通过自动铺带机制作合适尺寸的平板件；将平板件铺放在热隔膜间，在真空负压和红外加热下，平板件与模具贴合，制成预成型体。热隔膜成型方法应用广泛，热塑性和热固性树脂材料均可使用，相对于树脂转移成型（RTM）和手工方式，热隔膜技术的产品强度和表面粗糙度都更好。在波音777、空客A340-400等民用大飞机上，热隔膜成型技术已经开始逐步取代传统复合材料构件工艺。
2.激光铺层定位技术
在复合材料的制造过程中，预浸料的铺层是其他工序的基础。传统手工铺层方式不仅工作效率低，而且误差大。尤其在承力构件上，复合材料铺层数过多会导致构件质量不稳定。现代航空工业中自动铺带技术已广泛应用于复合材料构件的制造，但目前先进复合材料构件正向曲率大、外形复杂的方向发展，铺层就需要依靠激光投影设备。激光铺层系统通过扫描工装边界确定铺层范围，在工作范围内建立坐标系，计算机根据激光铺层系统的数据建立扫描投影文件，设计人员可根据实际情况选择投影在模具上的位置，与传统的铺贴试样相比，激光铺层的数字化模拟效率极高。
中航工业下属沈飞复合材料中心、哈飞复合材料厂等为了适应我国复合材料发展要求都成套引进了激光铺层定位系统，国内高校西北工业大学在激光铺层系统上也做了很多基础研究，并且成功改进了西飞公司的激光铺层设备。但是国内自行研发设计的激光铺层设备还未见报道，还需要继续钻研国内引进的激光铺层技术，为今后能制造拥有自主知识产权的相关设备奠定基础。
3.数字化设计和制造
数字化设计制造的软件包括制造工艺之前的仿真软件COMSOL、MSC.Marc等，设计制造软件CATIA、FiberSIM等，产品实际应用过程中也可以应用结构分析软件ANSYS、Nastran、Patran等。
航空航天工业中复合材料构件成形过程中有超过八成要通过热压罐工艺来最终成形，但是在热压罐系统内存在温度、压力、真空、冷却等复杂工况很难保证产品质量。通过应用复合能场的仿真软件COMSOL建立复合材料复杂壁板固化压实仿真模型，可实现固化工艺的有限元模拟计算，为实际工艺设置提供理论依据。
专用软件CATIA和FiberSIM可完成复合材料构件的工艺和制造的数字化信息传递，使设计制造效率提高，设计直观性提高。FiberSIM软件可以模拟复合材料的铺贴过程，帮助设计人员直观发现问题，有效减少2/3的铺放时间，减少1/4的材料浪费。在自动铺带过程中，以CATIA的CPD模块嵌入第三方软件，按照实际铺贴设计模拟仿真铺层过程。或者通过FiberSIM定义铺层的材料、方向、顺序和定位等。同时通过第三方软件实现CPD向CPM的转换，进一步将设计制造的数据传递到激光投影设备中，用于激光定位。
复合材料构件成型实际应用中会遇到各种复杂环境，应用有限元软件ANSYS、MSC.Marc等针对不同要求结构进行仿真，针对飞机机翼在循环作用力下的疲劳特性或者一般静载荷的层压薄壁件、复合材料损伤等。
4.工装数字化技术
工艺装备是复合材料制造过程中的又一重要组成部分。工装的设计制造直接关系到复合材料成型的质量，开展工装的数字化研究，从设计上减少对制件的影响对于产品的成型成性和生产效率至关重要。数字化环境下的工装设计还应考虑复合材料大型复杂结构件的柔性制造和柔性支撑等问题。针对大型长桁、蒙皮和复杂隔框等构件工装，要建立设计资源库不仅缩短研发周期、提高质量，而且方便管理和积累经验。成都飞机工业(集团)有限公司在对国产某型号飞机装配过程中，统一工装坐标系，减少了装配过程中的误差，大幅缩短了工装设计周期。
传统小型飞机的制造周期相对较短，而目前我国急需开展例如C919等大型国产飞机的工装设计，工装设计中出现建模不规范等问题将直接导致最后无法装配，另外还需要大量的柔性化工装，针对几何形状相似的结构件运用数字化工装设计来快速地制造相类似的工装。同时大型机翼壁板、机身M形壁板等复杂结构件脱模对模具结构有特殊要求，迫切需要设计相应翻工装和柔性支撑模具。在产品装配中如何保证坐标系统一，大部件之间关键位置的协调以及组件的保形，需要更深入的研究。
控成本提产量乃关键所在
应用数字化制造复合材料将成为控制成本和提高制件产量的关键。以中航工业通用飞机公司自主研发的领航150飞机为例，依托复合材料构件的数字化设计制造，每架整机的成本节约费用6万元以上。国产直九直升机垂尾蒙皮应用数字化制造生产线，对比传统设计方法，原材料节省20%，设计周期缩短15%。波音787的翼身整流罩的数字化设计后制造周期缩短30%。为了减少飞机重量进而降低燃油损耗，未来的复合材料结构件将代替大部分金属材料，复合材料数字化生产将成为航空业高效、低成本量产的关键。
复合材料数字化制造可以提高产品成型质量和稳定性。早期大型壁板以传统手工方式加工成型，精度低装配误差大。数字化改造后，不仅提高了产品的成型质量，而且保证了零件的一致性，产品质量稳定。同时数字化加工使Nomex蜂窝夹层材料在国产直九等先进战机上的覆盖面积提升，蜂窝面板也从单一平面发展到大曲率复杂形状，充分发挥复合材料比强度高的优点。随着复合材料构件向大型复杂结构发展，传统手工技术越来越难以满足成型精度的要求，而且难以将结构设计数字化，转成为技术资料进行推广，更难从经验转变成理论。数字化制造的推广应用显得更为重要迫切。
目前，复合材料数字化制造正向智能控制方向发展。传统大型承力构件固化工艺的制造基于材料规范与经验，在真实热压罐中固化成型构件的单一制造流程。并且大型构件制造成本极其昂贵，制造过程涉及环节复杂，统工艺路线依赖事先设定好的温度和压力周期，不能对生产中可能出现的各种偏离制造工艺窗口的因素做出实时反应，造成制造周期与成本的巨大浪费。如果实现智能控制，一方面，构建虚拟的热压罐分析系统，通过对制件固化过程热、力、流、化学等多场耦合仿真，实现固化过程参数的预测；另一方面，基于对制件在真实热压罐系统固化参数的在线监测，实现对构件关键区域过程信息的实时采集。将二者导入优化专家系统库，对比分析过程参数与制造工艺窗口的偏离程度，通过可控外场干预及工艺方案的实时修正等实现固化成型制造能场的调控，并将其同时反馈到虚拟及真实热压固化过程，进入下一时刻的过程监测与工艺优化。图1是复合材料数字化制造流程图。