在航空航天领域，轻量化与高性能结构件的需求日益迫切。热塑性复合材料自动纤维铺放（AFP）与纤维缠绕协同制造技术的出现，为这一挑战提供了创新解决方案。该技术通过整合AFP的高精度纤维铺放与纤维缠绕的高效成型能力，实现了航空航天结构件的智能成型突破。
技术原理与核心优势
AFP技术通过计算机控制的机械臂，将预浸渍纤维丝束或热塑性胶带精确铺放在模具表面，可实现复杂几何形状的定制化铺层。纤维缠绕技术则利用旋转心轴与纤维输送系统的协同运动，将连续纤维以特定角度缠绕在心轴上，形成高强度、轻量化的结构。两者的协同制造，通过共享机器人平台与多工艺工具头，实现了工艺的无缝切换。
该技术的核心优势在于纤维取向的精准控制与生产效率的显著提升。AFP技术可实现±0.5毫米的铺放精度，纤维转向功能可生成基于应力的路径模式，优化载荷分布。纤维缠绕技术则以500-1000毫米/秒的速度处理对称结构，与AFP的200-500毫米/秒铺放速度形成互补。通过工艺分配优化，生产周期可缩短80-85%，材料利用率提高22%。
航空航天结构件的创新应用
在航空发动机短舱制造中，AFP-缠绕协同技术已实现大型蒙皮与冲压成形帽形加强筋的集成制造。通过AFP铺设复杂曲面蒙皮，结合纤维缠绕技术制造高强度环形框架，最终通过感应焊接将各部件连接成整体结构。该工艺减少了传统铆接工艺的应力集中问题，使结构重量减轻15%，疲劳寿命延长3倍。
对于运载火箭低温燃料箱，该技术展现出更大的应用潜力。采用铝锂内衬与碳纤维增强复合材料（CFRP）外覆层的混合结构，其中80%的对称区域通过纤维缠绕制造，剩余20%的复杂接头采用AFP局部增强。与全缠绕设计相比，质量减轻28%；与仅使用AFP的工艺相比，生产速度提升45%。该结构在-183℃至82℃的极端温度下仍保持优异的力学性能，满足航天器发射与在轨运行的严苛要求。
智能成型的技术突破
智能成型的关键在于工艺参数的实时优化与缺陷的在线检测。AFP-缠绕协同系统通过集成非测地线路径规划算法与机器视觉反馈，实现工艺参数的动态调整。在AFP与缠绕过渡区域，系统可自动切换张力、热量与铺放参数，确保纤维取向的连续性与层间结合强度。多物理场模拟模块可预测混合铺层的残余应力与变形风险，使复杂结构的一次成型成功率超过92%。
针对热塑性材料的加工特性，系统采用双激光原位固结技术，在AFP-缠绕过渡期间保持380-420℃的固结温度，并通过红外预热与主动冷却控制聚醚醚酮/碳纤维层压板的结晶过程。该技术克服了传统热塑性材料加工中易出现的空隙与分层问题，使层间剪切强度提升40%。
环境效益与经济价值
AFP-缠绕协同制造技术的环境效益显著。通过在聚酰胺6缠绕纤维中掺入30%的再研磨材料，系统实现了废弃物的循环利用。对于报废结构件，通过热脱粘技术可实现混合接头的拆解，使碳纤维与树脂基体的回收率分别达到95%与85%。在某型飞机垂尾的制造中，该技术使生产能耗降低30%，二氧化碳排放减少25%。
经济价值方面，生命周期成本分析显示，与维护单独的AFP与缠绕系统相比，协同系统在5年内可节省50-60%的成本。其占地面积减少100%，操作员培训时间缩短40%，使中小型制造企业也能承担先进复合材料结构件的生产。在某型无人机机翼的制造中，该技术使单件制造成本降低22%，交付周期缩短60%。
未来发展趋势
随着数字孪生与人工智能技术的融入，AFP-缠绕协同制造将向更高水平的智能化迈进。通过建立工艺参数与结构性能的数字映射关系，系统可实现制造过程的自主优化。多材料同轴沉积技术将使碳纤维/环氧树脂缠绕与玻璃纤维/聚醚酮酮AFP铺放同步进行，进一步拓展设计自由度。移动混合系统的研发，将使机器人AFP与便携式缠绕单元的结合成为可能，满足现场维修与应急制造的需求。
AFP-缠绕协同制造技术正推动航空航天结构件制造向更高效、更可持续的方向发展。其智能成型能力不仅满足了轻量化与高性能的需求，更为复合材料的大规模工业化应用开辟了新路径。随着技术的持续创新，该领域有望在未来十年内实现复合年增长率35%的突破，为航空航天工业的转型升级提供核心支撑。
