在航空航天装备向 “高推重比、长续航、高精度” 深度升级的背景下，碳纤维、芳纶纤维等高性能复合材料构件已成为飞机机翼、火箭箭体、卫星承力结构的核心载体。这类高端复材构件对成型精度、力学性能一致性、制造效率的要求达到严苛级别，传统 “人工铺层 + 热压罐固化” 的生产模式存在效率低、废品率高、成本居高不下等痛点，难以满足航空航天装备规模化、高质量的制造需求。航空航天高端复材构件自动化生产技术通过 “纤维铺放智能化、成型工艺一体化、固化过程精准化” 的全流程创新，实现了复材构件从 “手工定制” 到 “自动化量产” 的跨越，大幅提升了构件性能与生产效率，为航空航天装备的性能跃升奠定了核心制造基础。
一、航空航天高端复材构件的制造痛点与自动化需求
航空航天高端复材构件（如飞机大型机翼壁板、火箭贮箱箱底、卫星桁架）的服役环境极端，需承受高温、高压、强辐射、交变载荷等考验，其制造需满足三大核心要求：一是高精度，构件尺寸精度误差需控制在 ±0.1mm 以内，纤维铺层角度偏差≤±0.5°，确保气动外形与结构承载的稳定性；二是高性能一致性，批次间力学性能偏差需≤±3%，避免因局部性能缺陷引发装备失效；三是高效率低成本，传统工艺单块大型构件的制造周期长达数天甚至数周，成本占装备总制造成本的 30%-40%，需通过自动化技术实现降本增效。
传统生产模式的痛点恰恰与这些需求相悖，形成了三大核心瓶颈：其一，纤维铺放依赖人工，人工铺层效率仅为每分钟 0.5-1 米，且易因操作失误导致纤维褶皱、错位，影响构件力学性能，废品率高达 10%-15%；其二，成型工艺碎片化，构件需经过预浸料裁切、铺层、模具组装等多道工序，工件多次转移易造成变形，且难以成型复杂曲面、变厚度的一体化结构；其三，固化过程能耗高周期长，传统热压罐固化需在高温高压环境下持续数小时至数十小时，单台热压罐的能耗相当于百台家用空调，且固化均匀性差，易出现树脂富集、孔隙率超标等缺陷。
在此背景下，自动化生产技术成为破解航空航天高端复材构件制造瓶颈的必然选择，其核心在于实现 “纤维铺放 - 成型 - 固化” 的全流程自动化闭环控制，消除人工干预与工序碎片化带来的性能波动与效率损耗。
二、纤维铺放自动化：智能化装备与路径规划的双重突破
纤维铺放是复材构件制造的源头工序，其自动化程度直接决定构件的基础性能。自动铺丝（AFP）与自动铺带（ATL）技术是当前航空航天复材构件纤维铺放的核心自动化装备，通过 “装备性能升级 + 路径规划智能化” 的双重创新，实现了复杂构件的高精度、高效率铺放。
（一）智能化铺放装备：多自由度协同与在线监测
新一代自动铺丝 / 铺带装备突破了传统单机器人的局限，采用多机器人协同铺放系统，配备 6-8 自由度工业机器人与高精度铺放头，可实现对复杂曲面构件（如火箭贮箱箱底的椭球形结构）的全覆盖铺放。铺放头集成了纤维输送、切割、压实等功能，能够根据构件曲面曲率实时调整铺放速度与压实压力：在曲率较大的区域，降低铺放速度至 0.5-1m/min，提升压实压力至 5-8MPa，确保纤维与模具紧密贴合；在平缓区域，提升铺放速度至 2-3m/min，兼顾生产效率。
同时，装备集成在线质量监测模块，通过激光扫描、视觉识别与红外测温技术，实时监测纤维铺层的厚度、角度、张力状态：激光测厚仪可精准识别铺层厚度偏差，当偏差超过阈值时，系统自动调整铺放头的纤维出料量；视觉识别系统可检测纤维褶皱、错位等缺陷，识别准确率达 99% 以上；红外测温仪实时监测预浸料的温度，确保其粘性处于最佳状态，避免因温度过高或过低导致的铺层脱落。监测数据实时反馈至控制系统，实现铺放过程的闭环调整，铺层角度偏差控制在 ±0.3° 以内，较人工铺层精度提升 10 倍以上。
（二）路径规划智能化：数字孪生驱动的仿生优化
纤维铺放路径的规划直接影响构件的力学性能，传统路径规划依赖经验公式，难以匹配复杂构件的载荷分布需求。自动化路径规划技术基于数字孪生与有限元仿真，构建 “构件 - 载荷 - 铺层” 的关联模型，实现铺放路径的仿生优化。
首先，通过三维扫描获取构件模具的精准模型，结合装备的运动学参数，在虚拟空间构建数字孪生体；其次，输入构件的服役载荷数据（如机翼的气动载荷、火箭的推力载荷），通过有限元仿真分析构件的应力分布，确定核心承力区域与非承力区域；最后，根据应力分布结果优化铺放路径：在核心承力区域，采用 0°/90° 正交铺层，提升纤维的承载效率，纤维体积分数控制在 60%-65%；在非承力区域，采用 ±45° 斜纹铺层，提升构件的抗扭性能，同时适当降低纤维体积分数以减轻重量。这种仿生优化路径使构件的比强度提升 20%-30%，抗疲劳寿命提升 1-2 倍。
此外，路径规划系统支持 “一键生成” 与 “快速迭代”，当构件设计方案变更时，系统可在 1 小时内完成新路径的规划与仿真验证，较传统人工规划效率提升 50 倍以上，大幅缩短新产品的研发周期。
三、成型工艺自动化：一体化成型破解工序碎片化难题
传统复材构件成型需经过 “预浸料裁切 - 人工铺层 - 模具组装 - 树脂灌注” 等多道工序，工序碎片化导致构件易变形、生产周期长。自动化成型技术通过高压树脂传递模塑（HP-RTM）、拉编缠一体化成型等工艺的自动化升级，实现了复材构件的 “一次成型”，大幅提升了生产效率与构件质量。
（一）HP-RTM 自动化成型：高压灌注与精准控料的协同
HP-RTM 工艺是航空航天大型复材构件的主流自动化成型技术，其核心在于 “自动化树脂灌注 + 模具精准控温”，实现树脂对纤维预制体的充分浸润。自动化 HP-RTM 系统集成了树脂计量泵、高压灌注阀、多分区温控模具等核心设备，通过 PLC 系统实现全流程自动化控制：首先，自动铺放完成的纤维预制体被送入模具并自动合模；其次，树脂计量泵按照预设比例精准混合树脂与固化剂，混合精度误差≤±1%；随后，高压灌注阀以 10-20MPa 的压力将树脂注入模具，确保树脂快速填充纤维预制体的孔隙，孔隙率降至 0.5% 以下；最后，模具的多分区温控系统将温度梯度控制在 ±2℃以内，实现树脂的均匀固化，避免因温度不均导致的构件翘曲变形。
自动化 HP-RTM 工艺的成型周期较传统手糊工艺缩短 80% 以上，以飞机机翼壁板为例，成型周期从传统的 48 小时缩短至 6-8 小时，且构件的力学性能一致性显著提升，批次间拉伸强度偏差≤±2%。同时，系统配备在线树脂粘度监测仪，实时调整树脂温度与灌注压力，确保不同批次构件的成型质量稳定。
（二）拉编缠一体化成型：复杂承力构件的高效制造
针对火箭箭体、卫星桁架等复杂承力构件，拉编缠一体化成型技术实现了 “纤维拉伸 - 编织 - 缠绕 - 成型” 的连续自动化生产。该技术通过专用自动化装备，将连续纤维经拉伸调直后，送入编织机构形成三维编织预制体，再通过缠绕机构将预制体缠绕至模具表面，最后经树脂浸渍与固化成型。整个过程无需人工干预，纤维的拉伸张力、编织密度、缠绕角度均可通过系统精准调控：针对火箭箭体的抗压缩需求，缠绕角度控制在 ±15°，提升环向承载能力；针对卫星桁架的抗扭需求，编织密度提升至 80% 以上，增强结构的抗扭刚度。
拉编缠一体化成型工艺可制造直径 0.5-5m 的大型构件，且构件为一体化结构，无拼接缝，抗冲击性能较传统拼接构件提升 40%-50%。同时，该工艺的材料利用率达 95% 以上，较传统工艺提升 30%，大幅降低了原料损耗。
四、固化过程自动化：精准控温与非热压罐技术的创新
固化是复材构件性能形成的关键工序，传统热压罐固化存在能耗高、周期长、均匀性差等问题。自动化固化技术通过多分区精准控温系统与微波固化、电子束固化等非热压罐技术的应用，实现了固化过程的高效化、精准化。
（一）多分区精准控温固化：提升构件固化均匀性
针对大型复材构件的固化需求，自动化固化系统采用多分区梯度温控技术，将固化炉或热压罐划分为多个独立温控区域，每个区域配备独立的加热装置与温度传感器，温度控制精度达 ±1℃。通过预设的固化曲线，系统可实现不同区域的梯度升温、保温与降温：在构件厚壁区域，延长保温时间，确保树脂充分固化；在薄壁区域，加快降温速度，避免过度固化导致的构件脆性增加。
同时，系统集成超声 C 扫与红外热成像检测技术，实时监测构件内部的固化状态：超声 C 扫可识别内部未固化的树脂富集区，红外热成像可检测构件表面的温度分布。当检测到固化不均时，系统自动调整对应区域的温度参数，确保构件整体固化度偏差≤±3%，较传统单一温控固化的均匀性提升 5 倍以上。
（二）非热压罐固化技术：节能降本的核心突破
微波固化与电子束固化等非热压罐技术是自动化固化的重要发展方向，可大幅降低能耗与固化周期。微波固化技术利用微波的介电加热特性，使树脂分子产生高频振动，实现快速均匀固化，固化周期较热压罐缩短 70%-80%，能耗降低 60% 以上。电子束固化技术则利用高能电子束照射树脂，引发树脂的聚合反应，固化过程无需加热，可在常温下完成，且固化后的构件残余应力低，尺寸稳定性优异。
目前，微波固化技术已应用于卫星天线反射面等小型高精度构件的制造，固化周期从传统的 24 小时缩短至 2 小时，构件的尺寸精度误差控制在 ±0.05mm 以内；电子束固化技术则在火箭发动机喷管衬套等耐高温构件中实现试点应用，固化后的构件耐温性达 1500℃以上，满足极端服役环境的要求。
五、自动化生产技术的应用价值与未来趋势
（一）应用价值：性能与效率的双重跃升
航空航天高端复材构件自动化生产技术的突破，带来了显著的性能与效率提升：在性能层面，构件的孔隙率降至 0.5% 以下，力学性能一致性偏差≤±3%，抗疲劳寿命提升 1-2 倍，完全满足航空航天装备的严苛要求；在效率层面，生产周期较传统工艺缩短 60%-80%，单条自动化生产线的年产能可达数千件，满足装备规模化制造需求；在成本层面，人工成本降低 70% 以上，能耗降低 50% 以上，综合制造成本降低 30%-40%，推动高端复材构件从 “小众定制” 走向 “批量生产”。
典型应用案例包括：某飞机制造企业采用自动化 AFP+HP-RTM 工艺生产机翼壁板，构件重量较铝合金减轻 45%，生产周期从 48 小时缩短至 8 小时，年产能提升至 2000 件以上；某航天企业采用拉编缠一体化成型技术生产火箭箭体，构件的抗压缩强度提升 30%，制造成本降低 35%，已成功应用于新一代运载火箭。
（二）未来发展趋势：智能化与绿色化深度融合
未来，航空航天高端复材构件自动化生产技术将朝着智能化、绿色化、多功能集成的方向演进：一是智能化升级，结合 AI 算法与数字孪生技术，实现生产过程的自主决策与预测性维护，通过分析生产数据优化工艺参数，进一步提升构件性能与生产效率；二是绿色化发展，推广生物基树脂与再生碳纤维的应用，结合非热压罐固化技术，实现全流程低碳生产，构件的全生命周期碳足迹降低 50% 以上；三是多功能集成，在自动化生产过程中嵌入传感器、柔性电子元件等，实现 “结构 - 功能” 一体化构件的制造，如在卫星桁架中集成温度、应力传感器，提升装备的智能化水平。
航空航天高端复材构件自动化生产技术通过纤维铺放、成型、固化全流程的技术创新，彻底破解了传统生产模式的效率与性能瓶颈，实现了构件的高精度、高效率、高质量制造。该技术的推广应用，不仅推动了航空航天复材产业的规模化发展，更助力航空航天装备实现轻量化、高性能化升级，为新一代飞机、火箭、卫星的研发与量产提供了核心制造支撑。随着智能化与绿色化技术的持续迭代，自动化生产技术将成为航空航天复材制造的核心引擎，引领产业向更高质量、更高效率的方向发展。
