克莱姆森复合材料中心引入四丝束AFP-X自动纤维铺放系统

自动纤维铺放（Automated Fiber Placement，AFP）不仅涉及复合材料的自动铺放，如何把设计、路径规划、制造、检测以及生产数据连接起来，也正在成为AFP研究的重要方向。

美国克莱姆森复合材料中心（Clemson Composites Center，CCC）近期在Clemson University International Center for Automotive Research（CU-ICAR）启用了新的实验室，并配置了一套AddComposites AFP-X自动纤维铺放单元。

这套设备采用四丝束AFP铺放头，并与KUKA六轴工业机器人结合，可在复杂几何表面铺放1/4英寸窄带复合材料。

对于CCC来说，新设备并不只是增加一套AFP制造能力，更重要的是建立一个能够开展工艺优化、自动化检测和智能制造研究的平台。

四丝束AFP铺放头结合六轴工业机器人

新系统的核心是一套AddComposites AFP-X自动纤维铺放单元。

AFP-X配置四丝束自动纤维铺放头，由KUKA六轴工业机器人控制铺放运动，可以将1/4英寸，也就是约6.35毫米宽的窄带复合材料铺放到复杂几何表面。

AFP与传统人工铺层的重要区别之一，就是材料铺放路径可以通过自动化设备进行控制。

当复合材料结构具有曲面或者较复杂的几何形状时，机器人需要按照规划路径移动铺放头，使窄带材料沿指定位置和方向铺放。

此次采用六轴工业机器人，也使CCC能够围绕复杂曲面上的AFP制造开展进一步研究。

不过，原始资料没有说明该系统能够加工的具体材料体系，也没有公布铺放速度、压实力、加热方式、丝束独立控制方式以及铺放精度数据，因此这些参数目前不宜进一步推测。

1/4英寸窄带用于复杂几何结构铺放

此次系统使用的一个重要材料规格是1/4英寸slit tape，也就是约6.35毫米宽的窄带复合材料。

在AFP制造中，连续纤维复合材料首先需要转换成适合铺放头使用的窄带材料，再由设备按照规划路径逐层完成铺放。

相较于更宽的材料形式，窄带可以用于适应曲率变化和更加复杂的铺放路径。

CCC此次配置的四丝束铺放头能够同时处理多条1/4英寸窄带，使研究团队能够围绕AFP路径规划和复杂几何结构制造开展实验。

这也说明，AFP制造并不是只有铺放设备本身。

从前端材料准备，到铺放路径规划，再到机器人运动控制和最终检测，各个环节都会影响整个自动化制造过程。

研究重点从AFP铺放延伸到整个制造流程

CCC表示，新系统将用于与工业界和学术合作伙伴共同开展研究，重点包括工艺优化、自动化检测以及智能制造。

其中一个明确目标，是缩小AFP在几个制造阶段之间存在的衔接差距：

设计、工艺规划、制造和检测。

传统复合材料制造过程中，这些环节可能分别使用不同的软件、设备和数据系统。如果设计信息不能准确传递到工艺规划，或者制造数据无法与最终检测结果建立联系，就很难完整分析缺陷究竟在哪一个阶段产生。

因此，CCC希望通过新的AFP平台，将这些阶段进一步连接起来。

对于AFP研究来说，这意味着关注点已经不仅是“能否按照路径把材料铺下来”，而是进一步研究设计数据如何转化为制造路径、实际铺放过程如何记录，以及检测结果如何重新反馈到制造环节。

数字孪生成为智能制造研究重点

CCC研究团队还将智能制造作为这一平台的重要研究方向，其中尤其关注数字孪生（digital twinning）。

新的AFP系统能够与开源以及商业工具进行集成，用于制造数据的收集和分析。

这为数字孪生研究提供了基础。

在AFP制造过程中，如果能够持续记录设备运行和实际铺放过程中的数据，就可以进一步研究数字模型与真实制造过程之间的对应关系。

对于研究团队来说，这种数据连接能够用于分析设计、工艺规划、制造和检测之间的关系，而不是把每一个阶段独立研究。

不过，目前公布的信息主要说明该设备具备支持数字孪生研究的数据集成能力，并没有披露CCC已经建立了完整的AFP数字孪生系统，因此现阶段更准确的说法是：这套设备将作为其数字孪生研究的平台之一。

自动化检测也是AFP研究的一部分

除了工艺优化和数字孪生，自动化检测同样被列入新实验室的研究方向。

对于AFP制造而言，铺放过程中可能需要关注材料位置和制造状态，并将制造结果与设计及工艺规划进行比较。

CCC希望利用新的研究平台进一步连接制造与检测阶段，从而研究更加完整的AFP制造流程。

这与其数字孪生研究方向具有直接联系：只有制造过程和检测结果都能够形成数据，研究人员才有条件分析实际制造状态与预期结果之间的差异。

因此，新实验室所关注的并不是单一AFP设备性能，而是围绕AFP建立从设计到检测的研究环境。

AFP-X同时用于复合材料人才培养

除了科研项目，这套AFP设备还将用于学生培养。

CCC表示，学生可以通过该平台与工业合作伙伴开展项目，同时获得操作工业级自动化设备的实际经验。

这对于AFP领域具有一定现实意义。

自动纤维铺放涉及复合材料、机械、机器人、自动化控制、工艺规划以及质量检测等多个专业方向。相比单纯学习复合材料铺层理论，直接接触工业机器人和AFP铺放系统，可以帮助学生理解连续纤维复合材料从数字设计走向实际制造的过程。

CCC主任Ramy Harik表示，新系统将帮助团队继续研究其所定义的AFP关键问题，同时培养未来高性能制造领域所需要的人才。

从自动铺放走向数据连接

从这次实验室建设来看，CCC对AFP的研究重点已经不局限于自动化铺放本身。

四丝束AFP-X铺放头和KUKA六轴机器人提供了实际制造平台，而工艺优化、自动化检测和数字孪生则进一步把研究范围延伸到整个AFP制造链。

对于自动纤维铺放来说，设备能够按照路径铺放连续纤维材料只是制造过程的一部分。

如何让设计数据进入工艺规划，如何记录真实铺放过程，如何自动检测制造结果，以及如何利用这些数据重新优化工艺，同样决定了AFP能否形成更加完整的自动化制造体系。

CCC此次引入的新平台，正是围绕这些环节展开后续研究。