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图为机器人式自动铺丝机。 受访单位供图
【出奇“制”胜】
盛夏时节，万物繁茂。
7月12日，北京。中国航空制造技术研究院(以下简称“航空工业制造院”)一个科研现场，大型复合材料自动铺放成型设备研制项目团队带头人冯长征正与技术人员一起，对即将交付的几台机器人式自动铺丝机，进行调试测验。
自动铺丝机可量体定制新型大飞机，主要用于飞机大型、复杂复合材料构件的铺放制造，如飞机机身、尾锥等。
2005年，航空工业制造院开启自主研发复合材料构件自动化成型装备之旅。2022年10月，航空工业制造院向航空主机厂交付新一代机器人式自动铺丝机。经验证，技术水平比肩世界先进，打破了这项技术长期受制于人的困境，实现了“材料+工艺+设备+软件”技术体系全链条贯通。
不能被自动铺丝技术与装备“卡脖子”
轻量化，是飞机先进性的重要标志之一。
“自重越轻，有效载荷越多，机动性也越强。”冯长征说。
飞机减重，离不开碳纤维复合材料。
每根碳纤维直径约5微米，相当于一根头发丝的十二分之一。虽细，却十分“强壮”。用碳纤维制成的复合材料，强度是钛合金的两三倍、铝合金的4倍以上。
采用碳纤维，飞机重量将减轻三成。
自动铺丝机中的“丝”，即指碳纤维丝束。
先进飞机，复合材料结构设计复杂，关键部件制造汇聚各种工艺。
在航空工业制造院项目总师孙年俊的记忆里，十几年前，用碳纤维复合材料造飞机部件，都是靠工人手工铺叠，遇到大型构件、复杂构件就犯难。
“一层一层铺叠，做成一个飞机构件形状。一层0.13毫米，一个飞机复合材料构件最厚要40毫米。”孙年俊说，手工铺叠低效、精度差、材料浪费大。
“20世纪七八十年代，欧美国家成功研发出复合材料自动铺放设备，从自动铺带机，再到自动铺丝机，新型飞机复合材料构件实现自动化生产。”孙年俊说。
作为新飞机量产的关键技术，自动铺丝机技术与装备一直被国外垄断并实行技术封锁。
不能被“卡脖子”!航空工业制造院技术人员下定决心，加快自主研制铺丝机。
“这是我们的使命。”航空工业制造院院长李志强说。
然而，面对这片几乎空白的领域，如何加快国产铺丝机自主研发？
14年，走出一条自主研发之路
自动铺丝技术是一块难啃的“硬骨头”。“这是一项综合技术，涉及材料、工艺、设备及软件，协同精准度误差不能超过0.01毫米。”孙年俊说。
本世纪初，国内企业曾陆续引进几套自动铺带机。“铺带机早于铺丝机，主要用于结构变化小的飞机零部件铺放。”冯长征说。
引进的设备，适用性并不好，稍有改动，就无法使用。后续维护不仅要支付高昂的费用，还要看国外专家的脸色。
自主创新是航空强国的必由之路。
自2005年起，航空工业制造院技术人员从有限的资料着手，自主研制自动铺带机。
“整台设备数千个零部件，相互配合差之毫厘就是失败。我们反复对比、验算不同的材料、程序和工艺，不断进行相互适配的参数试验，终于在3年后造出了自己的工程样机，并陆续实现工程化应用。”冯长征说。
2009年，航空工业制造院又将眼光瞄向自动铺丝机。
因构件异形，铺放的丝束必须随时变形。“因此，丝束送进裁断、不等宽均匀铺放丝束，是研制自动铺丝机最大的难题。”孙年俊说。
“先找准粘合剂，即预浸料，将‘丝’粘在一起，制成1500米长的预浸丝束；在保证高速长距铺放时，按设计精准裁剪，使不等宽的丝束不变形。”冯长征说。
风雨十载。2019年，技术人员相继攻克了“丝束送进裁断以及铺放的张力、温度、压力、精度”关键技术。
前后14年，他们成功走出一条自主研发之路。
3年，成功应用于飞机制造
2019年，为适应国产飞机量产的迫切需求，航空工业制造院大力实施管理创新，整合各专业课题组，搭建起一支独立的铺丝机研发团队。
完成工程化应用，艰辛一如既往。
已交付的铺丝机，在“丝束送进裁断”工序中，有一个关键工具——裁刀。
裁刀十分袖珍，长18毫米、宽8毫米、厚0.8毫米，大小约为小手指甲盖的一半。
为研发这把袖珍裁刀，团队技术骨干马志涛足足耗时两年。
不同于一块平板，飞机大曲率异形构件，表面凹凸不平、薄厚不一。
“要达到设计要求，必须对高速铺放的预浸丝束设置裁断程序，快速实行‘裁’或‘不裁’。”孙年俊说。
这好比弹奏一支乐曲。同一时刻，按与不按哪个琴键，必须根据“乐谱”瞬间决断。
铺放速度每分钟30米，同一时刻，毫秒级内，十几把裁刀要按各自的指令舞出自己的动作。裁慢、裁错、“藕断丝连”、不同步、跟不上铺放速度……哪个环节出问题，都会导致停机，造成铺放质量缺陷。难!
选什么材质的刀？硬度多少合适？断的方式是裁、剪还是斩？动作响应多少毫秒？种种难题接踵而至。
“针对一个个难啃的骨头，我们进行的计算、试验常以数千次计。”马志涛说。
一次次失败，一次次重来。
历经两年攻坚，匹配丝束裁切参数的裁刀最终研发成功。前面丝束裁断后，后续丝束重复送达精度达±2毫米。
一把袖珍裁刀，仅是研制铺丝机六大难题中的一关。
“3年来，研发团队先后解决了铺丝设备位置失准、速度失恒、张力失稳、断丝失离(分而不离)、算法失灵等多个难题，终于让我们自主研制的高端自动铺丝机能够成功应用于飞机制造。”孙年俊说。
看着科研现场内即将交付的自动铺丝机，李志强信心满怀地说：“我们将持续提升航空制造装备技术，始终心系国之大者，实现更多高端装备自主化、国产化。”
