在科技逐步发展之下，复合材料在航空制造领域中的应用范围进一步拓展，不仅可应用于次承力结构，现已在机翼、机身等主承力结构中得到了广泛应用，可有效降低飞机总重，或实现制造材料用量的节约。复合材料应用量大增的境况中，各种先进的复合材料制造设备逐渐应用于这一过程，如自动铺放设备、自动缝合设备等，推进了航空制造领域的发展进程。
1.自动化铺放设备及其应用分析
1.1自动铺带机及其应用情况
1.1.1自动铺带机的类型
自动铺带机诞于上世纪六十年代的美国，其可对手工铺放的质效起到大幅提升作用。之后历经二十年左右的发展，自动铺带机才开始应用于飞机制造领域，如波音777民用飞机的尾翼、军用V-22飞机的旋翼蒙皮便是应用自动铺带机制造而成。自动铺带机主要有两种类型，一是平板式自动铺带机，其上安装了四个联动轴，适用于平板制造，也可应用于小曲率机翼壁板的生产制造环节。二是曲面式自动铺带机，其联动轴共有五个，主要应用于单曲面中等曲率壁板加工制造过程当中。
1.1.2自动铺带机的结构组成
自动铺带机由台架系统（平行轨道、横梁及立杆）和铺带头组成，分为单架式和双架式。其中铺带头作为自动铺带设备的核心部件，集两套3轴切割系统、预浸带输送控制系统、预浸料加热系统、预浸料成型压力控制系统、带料调整（间隙控制）系统、铺带头安全防撞系统等子控制系统于一体，实现了预浸带切割、输送和铺放等运动功能，以及铺带头运动相应的保护功能和预浸带质量检测功能。
1.1.3自动铺带机的工作方式
自动铺带系统按预浸带的切割和铺叠实施方式可分为“一步法”和“两步法”两种工作方式。两者在同一铺带头上完成即为“一步法”，预浸带的切割和铺叠分开实施，即不在同一头上完成则为“两步法”。这两种方法都能满足一般产品的加工要求，在复合材料自动铺带成型过程中，“一步法”自动铺带仍占主导地位；对于复杂形状铺层，“两步法”比“一步法”更容易实施，且铺放效率较高，但“两步法”较“一步法”的设备价格较高。
1.1.4自动铺带机在国际上的应用
目前，美国及欧洲等国的自动铺带机发展较为成熟，且在航空复合材料结构件制造方面应用率较高。世界上最大的自动铺带机诞生于日本，由三菱公属研发生产，其尺寸为40m×8m，每分钟可铺设60m。西班牙公司研制出了安装了11个联动轴的自动铺带机，法国的自动铺带机有双向铺带头。当前自动铺带机的最大宽度已达到30cm，每小时可铺带1.3-20.4kg。与手工铺叠相比，效率是其几十倍左右。Charger型自动铺带机由马格·辛辛那提公司研发而成，此设备可进行7.5cm、15cm及30cm三种不同规格的无纬预浸带的铺设。此机型安装了CNC10轴龙门型系统，可对25°锐角的特型铺层进行铺设，且可自动完成预浸带下料及压实作业。该系统应用了独特的侧面加载头，可提供快速、简单更换30cm宽、Φ65cm直径铺放压辊功能，用于生产A320/A330等机型的机翼桁条、梁、尾翼蒙皮、机身蒙皮及机腹整流罩等。此公司除了生产通用型自动铺带机外，还研制出了平面铺带机及小型平面铺带机，在长平面构件、长窄平面构件中均可应用，可应用于大梁、剪切带及蒙皮加工等环节。
1.2纤维丝束铺放机及其应用情况
1.2.1纤维丝束铺放机
纤维丝束铺放设备最早由美国研发，其是基于自动铺带技术，将纤维缠绕技术融入其中研发而成的，在复合材料机身结构制造中较为适用。上世纪八十年代，第一台纤维丝束铺放机研发而成并投入使用。自动丝束铺放是在模具上铺放预浸丝束，在自动铺带的基础之上，铺丝头的压辊将数根预浸丝束压在模具的表面，并集成为一条宽度可变的预浸带，然后再加热软化并进行压实定型，宽度的变化由程序来控制,预浸丝束根数自动调整。对应不同曲率的不同需求，自动丝束铺放机可适应0.32-2.54cm宽的预浸丝束。
1.2.2纤维丝束铺放机的应用优势
相较于自动铺带机而言，自动丝束铺放机可根据构件型面进行纱束根数的增加或减少，可以构件形状为依据实现纱束的自动切割，从而使之与边界相符，并且不会产生较多废料，不必利用隔离衬纸，且可进行局部加厚操作，可自动完成加筋或开口补强等操作，具备更高的铺放轨迹自由度，铺放角度也可自由调节，在大曲率复杂构件成型加工中较为适用。
1.2.3纤维丝束铺放机的结构组成及应用
典型的自动丝束铺放机有7个运动轴及由计算机控制的12-32个丝束输送轴；丝束是指0.3cm或0.6cm的预浸丝束。铺丝头把预浸丝束独立输送并将其压实、切割，每一根预浸丝束从丝束筒上抽出，通过预浸丝输送系统到达铺丝头，在铺丝头集束后铺放到模具表面。自动丝束铺放机机型已从Viper1200、Viper3000升级到Viper6000。Viper6000自动丝束铺放机能操作达86180kg的心轴，可以铺放并控制的纤维束由24个增到32个丝束，能对32条丝束或窄带进行供料、夹持、下料及铺放，可铺多种零件，具有高敏捷性和准确性，由于采用单侧纱架，还具有操作友好性。目前，沃特飞机公司用其来生产波音787的机身段，空客A350XWB机身的92%便是用Viper制造而成。
2.复合材料缝合设备及其应用情况分析
自动缝合技术是指利用缝合的方式增强复合材料与铺层平面垂直方向的强度。缝合过程虽会对铺层平面的纤维产生一定损伤，但可提升复合材料的强度、减少其分层问题的出现，且可节约螺栓及铆接件使用量，可降低飞机总重，也可使复合材料的层间损伤容限进一步提升。经过多年发展，复合材料缝合设备经过了工业缝合机向基于计算机控制的大型缝合机的演变，缝合速度更快、质量更佳，并可实现更大规模的缝合，单曲面预成形体及复杂曲面预制体均可有效缝合。德国将机器人技术应用于自动缝合设备研发当中，通过六自由度机器人可实现多种不同方式的缝合。一是锁式缝合，二是改进后的锁式缝合，三是链式缝合。自动缝合设备缝合时，应用的是双针单边缝合技术，可实现0.2-1cm的缝合步长调整，可对2cm厚的复合材料进行缝合，每毫米可缝合500针。空客公司的A380机型的尾部压力仓壁便是采用此种3D缝合机器人缝合而成，整个组件的重量仅为250kg。美国研制了一种长度为28m的自动缝合机，主要在复合材料机翼壁板制造中应用，可降低机体总重的四分之一左右，与铝合金壁板相比，可节约五分之一的制造成本。
结语：采用先进的自动化铺放设备进行飞机复合材料构件的制备，并采用自动缝合方法提高其损伤容限，是现代飞机复合材料制造技术发展的重要方向。因此，我国企业急需通过引进和研制先进的自动化铺带、铺丝设备及缝合设备，以此提高我国复合材料自动化制造设备水平，从而为军民用飞机的型号研制打下坚实的基础。
参考文献：
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[2]姚福林,李亮玉,岳建锋,等.复合材料单边缝合机械手线迹稳定成型技术研究[J].机械工程学报,2016,52(13):60-67.
