近年來，隨著環(huán)保及降低燃油消耗的呼聲不斷高漲，在航空領(lǐng)域的飛機(jī)制造中，正在越來越多地使用復(fù)合材料。與金屬材料相比，在機(jī)械強(qiáng)度相同的情況下，復(fù)合材料的重量更輕。

空客A350是復(fù)合材料應(yīng)用的一個(gè)典型先驅(qū)案例。在空客A350飛機(jī)中，其中一半以上的主要結(jié)構(gòu)是由復(fù)合材料制成的。隨之而來的，自然是需要一種高效且可重復(fù)的方式，來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型復(fù)合材料部件。同時(shí)，在其他行業(yè)，如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片制造領(lǐng)域，也在出現(xiàn)類似的生產(chǎn)需求。

自動(dòng)纖維鋪設(shè)（AFP）工藝能夠滿足上述生產(chǎn)要求。法國Cailabs公司根據(jù)法國復(fù)合材料公司Coriolis Composites的技術(shù)規(guī)格要求，開發(fā)出了一款緊湊型激光加熱的纖維鋪設(shè)頭，該鋪設(shè)頭已經(jīng)集成到了AFP設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大型復(fù)合材料部件的生產(chǎn)。

AFP是什么？

圖1：用于制造彎曲部件的自動(dòng)化纖維鋪設(shè)（AFP）設(shè)備。

AFP是一種增材制造方式，其通過在模具上連續(xù)鋪設(shè)纖維帶，來生產(chǎn)復(fù)合材料部件（見圖1）。纖維帶通過機(jī)械臂從卷軸上輸送到模具腔或復(fù)合材料鋪層上，鋪層之間有足夠的凝結(jié)力以確保層間的粘合。在制造過程中，通常需要對(duì)纖維帶和基材進(jìn)行加熱。有些設(shè)備可以同時(shí)放置多條纖維帶，并且不同的纖維帶可以在不同的位置獨(dú)立切割。

制造復(fù)合材料部件的模具有兩種：公模和母模。這種自動(dòng)化纖維鋪設(shè)的生產(chǎn)方式適用于熱固性、熱塑性樹脂纖維以及干纖維等不同類型的材料。此外，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，這種生產(chǎn)方式不需要高壓爐，預(yù)浸料纖維直接固化在模具上，干纖維可以通過低壓轉(zhuǎn)移的方式注入到樹脂內(nèi)。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，自動(dòng)纖維鋪設(shè)技術(shù)擁有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于曲率半徑不大的曲面，機(jī)械臂可以在復(fù)雜幾何形狀的模具上鋪設(shè)纖維帶。此外，自動(dòng)鋪設(shè)方法的重復(fù)性高，并且還可以優(yōu)化鋪層的長度，減少材料損失。

用激光加熱復(fù)合材料

對(duì)于聚合溫度為200°C的熱固性樹脂，可以用紅外燈加熱。而對(duì)于熱塑性樹脂，其需要更高的加工溫度（300~ 400°C之間），因此紅外燈的加熱功率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。盡管加熱溫度較高，但熱塑性樹脂具有可回收和再加工的特性，因此其使用量正在逐步增長。鑒于此，激光就成為了一種加熱熱塑性樹脂帶的合適解決方案；激光能以定向方式在選定區(qū)域給熱塑性樹脂加熱，在保證加工速度的同時(shí)，還能提供足夠的功率密度。

對(duì)激光束整形不僅可以與加熱區(qū)域的幾何形狀相匹配，而且還可以提高層間的粘合質(zhì)量。事實(shí)上，Mazumdar和Hoa的研究表明，激光功率是影響粘合質(zhì)量的最主要因素，其影響比重大約占到79%。

研發(fā)激光纖維鋪設(shè)頭

Cailabs公司專門為Coriolis Composites公司的C-Solo AFP設(shè)備開發(fā)了一套激光束整形方案（見圖2）。CoriolisComposites公司通過設(shè)計(jì)和制造AFP設(shè)備，專門從事復(fù)合材料的自動(dòng)化生產(chǎn)。Cailabs公司開發(fā)的激光頭，基于多平面光轉(zhuǎn)換（MPLC）技術(shù)，將激光束整形為Coriolis Composites公司要求的矩形。矩形光束的能量分布均勻，從長寬兩個(gè)維度看，都具備類似頂帽的形狀。

圖2：Coriolis公司的C-solo機(jī)械臂，機(jī)械臂左邊是Cailabs公司研發(fā)的纖維鋪設(shè)頭。

除了光束整形功能，激光頭還必須滿足嚴(yán)格的尺寸和重量要求。激光頭模塊越緊湊，就越能縮小機(jī)械臂的尺寸，從而增加曲面鋪層的能力。此外，由于激光頭安裝在機(jī)械臂的移動(dòng)部件上，因此重量越輕越好。

降低激光頭的重量，可以減少機(jī)械臂的慣性以實(shí)現(xiàn)更精確、更快速的定位。Cailabs公司研發(fā)的這款激光頭外觀非常緊湊，總尺寸為127mm×94mm    ×70mm，重量僅1kg（而這其中還有一半是連接器的重量）。在一些航空應(yīng)用中，母模通常比公模更受歡迎，而這款緊湊型激光頭能與小曲率半徑的母模相適配。

激光頭在高功率條件下的穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證，冷卻系統(tǒng)在3min內(nèi)使光學(xué)元件降到了可接受的穩(wěn)定溫度（見圖3）。此外，該光學(xué)整形模塊景深比較大，超過±15mm。并且在這個(gè)景深范圍內(nèi)，整形后的光束形狀都是矩形的，類似頂帽形狀。甚至在超過景深范圍時(shí)，形狀尺寸的變化幅度也只有±3%。還在不同的工作距離下（長達(dá)295mm）進(jìn)行了高功率測(cè)試。

圖3：在瞬時(shí)工作狀態(tài)下（激光開啟），透鏡溫度隨時(shí)間的變化圖。

結(jié)論

因此，Cailabs公司提供的解決方案符合Coriolis Composites公司C-Solo設(shè)備的集成規(guī)格。光束整形模塊通過LLK-D連接器與Laserline LDM 6000-100半導(dǎo)體激光器（900~1080nm）連接，輸出功率達(dá)6kW，并與機(jī)器的機(jī)械接口及其冷卻系統(tǒng)集成（見圖4）。

圖4：光模塊安裝在C-solo機(jī)械臂上，準(zhǔn)備進(jìn)行纖維鋪設(shè)。

為了使空間更加緊湊，在光束整形模組輸出端增加了一個(gè)17.5°偏角的厚棱鏡，使光束傾斜輸出，從而使設(shè)備及整形系統(tǒng)更加緊湊。

結(jié)構(gòu)緊湊的激光頭模塊，可以在2D表面上，在380°C的溫度下，以1.2m/s的速度鋪設(shè)1.5英寸寬的熱塑性樹脂帶，這就為在具有雙曲率的凹形或凸形面板上進(jìn)行復(fù)合材料的鋪層鋪平了道路。激光頭模塊結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，可以提供穩(wěn)定、堅(jiān)固、靈活和精確的加熱過程。整形后的激光強(qiáng)度的均勻性，也確保了復(fù)合材料成型的質(zhì)量，保證各層之間具有更好的粘合力和內(nèi)聚力。此外，高質(zhì)量的激光整形也防止了樹脂滴漏現(xiàn)象。