董九志，耿爭(zhēng)言，王立文，陳云軍，蔣秀明

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.西安航天復(fù)合材料研究所， 西安 710025；3.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

復(fù)合材料因具有高強(qiáng)度重量比、良好的耐腐蝕性和優(yōu)良的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中[1]，在航空航天、船舶、橋梁建筑、汽車等領(lǐng)域也得到廣泛的重視。然而，傳統(tǒng)的復(fù)合材料預(yù)制體容易發(fā)生層間損壞（分層），通常是由于不同方向?qū)影逯g的高層間應(yīng)力不同和層間應(yīng)力的主要傳遞介質(zhì)是樹脂基體引起的[2]。傳統(tǒng)的預(yù)制體大多采用手工鋪層的方法，在生產(chǎn)制備過程中需要大量的勞動(dòng)力，因此層壓板的制造也需要昂貴的成本。預(yù)制體在受到?jīng)_擊后，容易產(chǎn)生分層的問題，降低了材料的完整性，縫合技術(shù)是提高預(yù)制體復(fù)合材料抗分層性的有效方法之一。本文介紹了復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)的成型工藝和特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外各種單邊縫合技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，探究單邊縫合技術(shù)在復(fù)合材料Z向增強(qiáng)中的研究現(xiàn)狀，并對(duì)復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 單邊縫合技術(shù)的特點(diǎn)

復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)是一種制造Z向增強(qiáng)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的技術(shù)，制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件具有良好的機(jī)械性能，特別是在抗分層和沖擊損傷耐受性方面。此外，這些類型的增強(qiáng)材料有可能以較低的成本開發(fā)具有高強(qiáng)度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[3]，同時(shí)適合在具有高平面外應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)合材料中進(jìn)行Z向增強(qiáng)[4]。早期的縫合研究主要集中在傳統(tǒng)縫紉機(jī)上，使用兩條互鎖縫線完成Z向增強(qiáng)[5–6]。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)宇航局的縫合機(jī)翼計(jì)劃證明了采用Z向增強(qiáng)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)技術(shù)制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件對(duì)于抗磨損非常有效[7]，但是專用縫合設(shè)備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在增強(qiáng)件兩側(cè)進(jìn)行互鎖成型，因此該方案需要極高的縫紉機(jī)開發(fā)費(fèi)用。

傳統(tǒng)的雙邊縫紉技術(shù)無法解決大型零件、加強(qiáng)筋和法蘭周圍加工的問題，相比而言，單邊縫合是一種較好的選擇。由于雙面機(jī)器框架結(jié)構(gòu)的限制，在連接結(jié)構(gòu)尺寸大或有一定曲率預(yù)制體的場(chǎng)合中，傳統(tǒng)的縫紉技術(shù)均不能滿足需求。另外對(duì)于一些需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縫合的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件，通常需要使用移動(dòng)式的單面縫合設(shè)備。針對(duì)這些使用需求，需使用縫合頭在一側(cè)工作的方式，這種縫紉工藝被稱為單邊縫合工藝。

縫合過程主要是通過縫紉單元將高抗拉強(qiáng)度紗線 （如玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉纖維）對(duì)未固化的預(yù)浸料層壓板或干織物層進(jìn)行縫合?？p合技術(shù)有時(shí)用于增強(qiáng)預(yù)浸料層壓板，但未固化樹脂的黏性會(huì)增加縫紉難度，導(dǎo)致一些面內(nèi)纖維的斷裂和扭曲，這種損傷會(huì)對(duì)層壓板的機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響 （楊氏模量、強(qiáng)度和抗疲勞性等降低10%～20%），因此縫合技術(shù)主要用于縫制干織物預(yù)制件，然后再通過樹脂將其固化成復(fù)合材料[8]?？p合技術(shù)既可以用于增強(qiáng)平面結(jié)構(gòu)件或一定曲率的結(jié)構(gòu)件，也可用于局部區(qū)域或搭接接頭的結(jié)構(gòu)件增強(qiáng)上。縫合技術(shù)在制備飛機(jī)主要的結(jié)構(gòu)件中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，縫線比機(jī)械緊固件更輕，在搭接區(qū)域具有更均勻的應(yīng)力狀態(tài)，特別是通過單邊縫合技術(shù)將織物增強(qiáng)材料（縱梁預(yù)制件）連接到大型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，大大降低了生產(chǎn)成本。目前已經(jīng)采用縫合的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有搭接接頭、角接頭、翼梁接頭、T型和J型加強(qiáng)筋，這些都證明了單邊縫合技術(shù)是一種可以替代傳統(tǒng)的黏合劑黏結(jié)或者鉚釘連接的可靠方法。

與其他三維增強(qiáng)技術(shù) （三維編織、3D針織、Z–pin增強(qiáng)技術(shù)等） 相比，單邊縫合技術(shù)具有操作靈活性高、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)。雖然三維編織技術(shù)在紡織行業(yè)已有多年經(jīng)驗(yàn)積累，但是為其開發(fā)的專用設(shè)備昂貴且復(fù)雜，而且半成品缺乏靈活性 （機(jī)器參數(shù)不靈活），很難適應(yīng)某些工作條件[9]。在一些預(yù)成型錐體的增強(qiáng)件中，三維編織往往會(huì)造成不必要的纖維浪費(fèi)，而且在45°或者變曲率連接中很難完成增強(qiáng)，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此，縫合技術(shù)是一種更合適的增強(qiáng)方法。

為了避免用縫合針刺穿纖維和基體，縫線的引入通常在纖維干燥時(shí)或當(dāng)基體未滲入纖維時(shí)進(jìn)行。它是一種通過在厚度方向上引入纖維達(dá)到避免分層的工藝。為了避免嚴(yán)重的纖維斷裂，通過縫合過程將干燥的預(yù)成型坯轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)制體?？p合的預(yù)制體制成后一般通過樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）成型工藝來完成灌注成型，此時(shí)的復(fù)合材料已包含全厚度增強(qiáng)[10]。在復(fù)合材料增強(qiáng)技術(shù)中使用縫合工藝的優(yōu)點(diǎn)在于它們提供閉合牽引力，減少作用在裂紋尖端的拉伸應(yīng)變[11]。另外，許多制造問題阻礙了層壓板在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，例如機(jī)翼等結(jié)構(gòu)不是作為單個(gè)整體結(jié)構(gòu)制成，而是需要由大量的小尺寸復(fù)合材料部件（如蒙皮板、加強(qiáng)筋和縱梁）制成。二維層壓板較差的抗沖擊損傷性和較低的全厚度特性 （抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度等）阻礙了其應(yīng)用。雖然通過使用增韌樹脂或纖維交錯(cuò)層可以在一定程度上改善這些性能，但這些解決方案通常造價(jià)昂貴，并且不能克服與層壓板制造相關(guān)的一些問題[12]。

目前大量的研究和應(yīng)用都已證明通過縫合技術(shù)可以抑制分層和阻止損傷現(xiàn)象，消除復(fù)合板中大量緊固件的需求。無須鉆孔的優(yōu)勢(shì)避免了孔隙周圍的應(yīng)力集中，消除了飛機(jī)整個(gè)生命周期中檢查孔的需求。縫合技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)也可應(yīng)用于傳統(tǒng)的旋翼飛機(jī)、航天器和其他將重量和全厚度強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)考慮因素的結(jié)構(gòu)中[13]?？p合預(yù)制體可分為改善預(yù)制體結(jié)構(gòu)性能與處理預(yù)制體的安裝兩個(gè)主要應(yīng)用。

復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)基于不同的原理具有不同的分類方式，目前已知的單邊縫合技術(shù)主要有簇絨 （Tufting）、單邊雙針單線（OSS）、單邊雙針雙線 （ITA）和盲縫（Blind stitch）技術(shù)，如圖1所示。

圖1 單邊縫合技術(shù)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of one-sided stitching technology

2 單邊縫合技術(shù)的分類

2.1 簇絨縫合技術(shù)

簇絨縫合技術(shù)代表了最簡(jiǎn)單的單邊縫合技術(shù)，與其他根據(jù)鏈?zhǔn)骄€跡成型原理縫合工藝不同，簇絨縫合是所有已知單面縫合工藝中唯一不依靠打結(jié)形成線環(huán)的縫合技術(shù)，如圖2（a）所示。簇絨縫合的原理是帶有縫線的簇絨針插入預(yù)制體中 （簇絨針可以垂直于預(yù)制件表面或傾斜插入）[14]，在簇絨針退回的過程中依靠縫線和預(yù)制件的摩擦或由織物底層輔助材料提供的保持力，使得縫線能夠在預(yù)制件底部形成未打結(jié)的線環(huán)，如圖2（b）所示。

圖2 簇絨縫合工藝Fig.2 Tufting stitching process

簇絨縫合技術(shù)通過帶線槽的空心針進(jìn)行縫合，不會(huì)在復(fù)合材料的表面產(chǎn)生張力，避免了纖維剪切和卷曲方面的問題[15]，如圖3所示[16]。線環(huán)依靠預(yù)制體和縫線之間的自然摩擦停留在預(yù)制體中，沒有打結(jié)或互鎖（線環(huán)超過預(yù)制件的深度并停留在預(yù)制件底部）。該技術(shù)只需要縫線接觸一次預(yù)制件，非常適合局部增強(qiáng)和全厚度增強(qiáng)。

圖3 一側(cè)帶線槽的簇絨專用針[16]Fig.3 Tufting special needle with wire groove on one-side[16]

此前簇絨縫合技術(shù)僅用于地毯和保暖服裝制造，現(xiàn)在也用于縱梁、曲率預(yù)制體和聲學(xué)材料制造中，已成為最有效的全厚度增強(qiáng)技術(shù)之一。簇絨縫合技術(shù)由德國(guó)宇航中心 （DLR）的結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所開發(fā)，該研究所還與德國(guó)阿爾滕堡的KSL GmbH（凱爾曼特種機(jī)械制造有限責(zé)任公司）合作開發(fā)了能在CNC單元上運(yùn)行的簇絨縫合頭，如圖4所示[17]。這種縫合頭可以通過松散且?guī)缀鯚o張力的刺入系統(tǒng)來形成線環(huán)，不會(huì)因?yàn)榫€張力削弱材料自身的機(jī)械性能，在DLR和KSL GmbH開發(fā)過程中，曲軸60 mm升程允許縫制厚的預(yù)制體，一個(gè)較小的“壓緊”裝置能夠縫合難以接近的區(qū)域，如機(jī)翼外殼上安裝的縱梁等。由于沒有縫線的張力，此方法還可進(jìn)行斜線縫合。最初的縫合設(shè)備采用單電機(jī)控制，其縫合速度可達(dá)500針/min，縫合厚度可達(dá)5 mm。KSL公司開發(fā)的RS520縫合頭采用三電機(jī)獨(dú)立控制，縫合厚度可達(dá)10 mm，在使用耐磨性優(yōu)良的凱芙拉縫線時(shí)，縫合效率也能達(dá)到1000針/min[14]。

圖4 簇絨縫合頭[17]Fig.4 Tufting stitching head[17]

這種單邊縫合技術(shù)用于在非平面方向上有針對(duì)性地增強(qiáng)預(yù)制體，也可應(yīng)用于泡沫芯上或周圍固定增強(qiáng)織物中。在采用這種方式連接的預(yù)制件時(shí)，由于線環(huán)缺乏互鎖的配合，需要采取特殊措施防止縫合的增強(qiáng)件因搬運(yùn)而再次分離。簇絨縫合增強(qiáng)的預(yù)制體也存在一定的問題，這是由于簇絨工藝中線環(huán)以非常低的張力縫合導(dǎo)致部分線環(huán)沒有縫線預(yù)緊力導(dǎo)致，出現(xiàn)各個(gè)接縫處的張力不足現(xiàn)象，影響線跡的一致性。另外，在實(shí)際生產(chǎn)過程中由于縫線和預(yù)制體的摩擦力很難達(dá)到紗線和增強(qiáng)織物的摩擦力水平，線環(huán)在沒有輔助材料的情況下很難留在材料中。

2.2 OSS縫合技術(shù)

OSS縫合技術(shù)是一種僅需從一側(cè)刺入預(yù)制件的縫合技術(shù)，其成環(huán)的關(guān)鍵是鉤線針鉤取出下一個(gè)線環(huán)來系住線環(huán)，避免了縫合預(yù)制體缺陷及損壞現(xiàn)象。該技術(shù)主要通過不同作用的兩根針來完成縫合，縫合過程是通過一個(gè)傾斜的引線針與垂直于織物表面的鉤線針共同作用于織物表面完成的。在整個(gè)過程中，引線針和鉤線針沿兩個(gè)相交的軸向方向往復(fù)移動(dòng)，兩個(gè)軸所跨越的平面垂直于接縫的方向。引線針相對(duì)于縫料傾斜45°，鉤線針垂直于縫料表面，使兩軸的交點(diǎn)位于縫合預(yù)制體的下方[18]，如圖5所示。線跡的形成過程：引線針首先穿過預(yù)制體并通過下死點(diǎn)在向上運(yùn)動(dòng)開始時(shí)形成線環(huán)，此時(shí)鉤線針完成刺入縫料的動(dòng)作，并穿過線環(huán)將線環(huán)鉤取輸送到材料的頂部，此時(shí)引線針和鉤線針都位于預(yù)制體的上方，接著，縫紉頭按設(shè)定的針距移動(dòng)，此時(shí)完成一個(gè)循環(huán)。與其他縫合方式不同，雖然雙針的配合發(fā)生在縫料的底部，但縫線的互鎖發(fā)生在縫料頂部，這是由于縫合頭向前移動(dòng)一個(gè)針距后，鉤線針從上個(gè)鉤取到預(yù)制體頂部的線環(huán)中穿過以此來形成線跡的互鎖導(dǎo)致的。

圖5 OSS縫合線跡示意圖[18]Fig.5 Schematic diagram of OSS stitching[18]

該縫合工藝的線跡穩(wěn)定性受縫線張力及雙針形狀的影響較大。保持縫線張力不僅取決于挑線裝置，還取決于縫合裝置導(dǎo)線元件的摩擦力。此外，縫線的彎曲剛度也會(huì)影響雙針處線環(huán)的形成，線環(huán)的形成還取決于預(yù)制體和縫線材料之間的摩擦力。引線針的形狀決定能否形成被鉤線針鉤取的線環(huán)，引線針的一側(cè)應(yīng)有加工的過線槽來保證縫合線與縫合的材料幾乎沒有接觸。在引線針的另一側(cè)縫合線能被縫合的材料壓在針上，由于摩擦縫線在返回過程中，一側(cè)的線會(huì)被輕微地夾住，當(dāng)針向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)形成線環(huán)?？p線的抗拉強(qiáng)度在縫合過程和縫合強(qiáng)度中很重要，必須能夠承受縫合過程中摩擦力和機(jī)械負(fù)載?？p合針的針尖、幾何形狀和縫合材料的特性都會(huì)影響針的穿刺力。面線和底線的張力對(duì)于高質(zhì)量的縫合過程至關(guān)重要，張力的大小很大程度上決定了循環(huán)的形成?？p合的過程中縫合針直徑的選擇也至關(guān)重要，直徑過大會(huì)導(dǎo)致材料性能的損失，相反則會(huì)導(dǎo)致針的形態(tài)發(fā)生變化，甚至?xí)霈F(xiàn)縫線斷裂的問題。在縫制碳纖維預(yù)制體中，由于穿孔導(dǎo)致纖維方向錯(cuò)亂，可以清楚地看到縫合接縫上方和下方的接縫位置各個(gè)穿孔周圍碳纖維的交錯(cuò)的現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械性能的下降，如圖6所示[19]。

圖6 接縫處碳纖維方向交錯(cuò)[19]Fig.6 Disordered direction of carbon fiber at the seam[19]

OSS縫合技術(shù)的專利最早由德國(guó)阿爾滕堡的Altin sewing technology GmbH申請(qǐng)[20]，由KSA GmbH＆Co.KG（KSA 兩合公司）進(jìn)一步開發(fā)并獲得專利[21]，目前美國(guó)和歐洲以及亞洲的主要飛機(jī)、船舶零部件制造商和研究所都已經(jīng)訂購(gòu)了此類機(jī)器人縫合系統(tǒng)，縫合頭縫合的材料厚度最高可達(dá)20 mm，針距可設(shè)置為2～10 mm，針跡速度在很大程度上取決于縫料及縫合線，在使用凱芙拉縫線時(shí)速度高達(dá)500針/min，縫合頭帶有自動(dòng)剪線裝置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，如圖7所示。

圖7 OSS機(jī)器人縫合系統(tǒng)Fig.7 OSS robotic stitching system

法國(guó)貢比涅技術(shù)大學(xué)Bigaud等[22]分析了與未縫合的碳/環(huán)氧樹脂T型接頭相比，通過OSS縫合并在RTM工藝上成型的樣品具有更好的應(yīng)變能力和抗分層韌性，而且縫合T型接頭顯示出更高的極限強(qiáng)度（提高25%）和極限強(qiáng)度后的載荷恢復(fù)能力（提高19%）。法蘭西學(xué)院研究中心Song等[23]研究表明了采用OSS縫合技術(shù)的結(jié)構(gòu)件接縫在排水和提高增強(qiáng)材料的預(yù)浸能力方面起著重要的作用。

這種縫合方式非常適用于縫合“T型”、“L型”和“H型”結(jié)構(gòu)件，如圖8所示。此外，由于該縫合技術(shù)引線針縫合角度可調(diào)，為結(jié)構(gòu)件的增強(qiáng)和紗線分布提供了一定的靈活性，兩根針提供了預(yù)制體不同方向的三維增強(qiáng)。同時(shí)，OSS縫合技術(shù)也作為一種優(yōu)良的預(yù)制體連接技術(shù)使用。

圖8 OSS縫合加強(qiáng)筋Fig.8 OSS stitching stiffener

2.3 ITA縫合技術(shù)

ITA縫合技術(shù)是目前已知4種單邊縫合工藝中縫合速度最快的，由兩根針攜帶兩根縫紉線進(jìn)行，兩根針交替進(jìn)入預(yù)制體中，并進(jìn)行耦合的升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，第2針從第1針的線環(huán)中穿過，針沿著不對(duì)稱的八字耦合曲線運(yùn)動(dòng)，基本線跡結(jié)構(gòu)如圖9所示。縫合過程按照以下步驟進(jìn)行： （1）在縫合運(yùn)動(dòng)中機(jī)針1穿過下死點(diǎn)并在此過程中形成一個(gè)線環(huán)； （2）針2通過縫合運(yùn)動(dòng)在預(yù)制體上方向前移動(dòng)，刺入織物中并穿過線環(huán)； （3）針2抓住線環(huán)后，針1移出織物； （4）針1再次以相反的角色刺入織物，穿過針2線環(huán)，以此達(dá)到線跡的互鎖。每根針由一個(gè)扁平的導(dǎo)向齒輪驅(qū)動(dòng)，針尖的耦合曲線為兩根針的不同大小環(huán)的八字形。該技術(shù)的難點(diǎn)在于兩根針的運(yùn)動(dòng)應(yīng)通過補(bǔ)償機(jī)制同步，補(bǔ)償機(jī)制補(bǔ)償因針齒輪不均勻運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力。

圖9 ITA縫合線跡示意圖Fig.9 Schematic diagram of ITA stitching

ITA縫合技術(shù)原型機(jī)構(gòu)如圖10所示，兩根縫合針進(jìn)行八字形的推壓和傾斜運(yùn)動(dòng)，起到交替成環(huán)的作用，最終的縫合線跡如圖11所示。

圖10 ITA縫合機(jī)構(gòu)Fig.10 ITA stitching mechanism

圖11 ITA縫合線跡Fig.11 ITA stitching

ITA雙針雙線鏈?zhǔn)娇p合技術(shù)是由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所（ITA）開發(fā)的單面縫合工藝[24]，因此該工藝通常稱為ITA縫合。在亞琛工業(yè)大學(xué)齒輪技術(shù)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究所與ITA的合作下，目前正在進(jìn)一步開發(fā)更高針跡速度和穩(wěn)定性的單面ITA縫紉工藝。目前開發(fā)的第3代ITA縫合技術(shù)的進(jìn)步在于安裝空間和重量顯著減少 （<13 kg），與上代相比，縫合速度提高了4倍。在使用滌綸縫線時(shí)可以達(dá)到1400針/min，并且具有出色的縫合外觀和成型質(zhì)量。Uwe等[25]的研究表明，與未縫合的層壓板相比，ITA縫合實(shí)現(xiàn)的層間損傷容限提高了5倍以上。

傾斜的縫紉線 （與縫料平面呈大約45°）可以比垂直接縫更好地傳遞剪切應(yīng)力。此外，高效的縫紉速度、較低的縫線消耗和優(yōu)良線跡的一致性都是該縫合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)所在。

2.4 盲縫技術(shù)

盲縫技術(shù)是一種不需要在材料底面留有任何自由空間的單邊縫合工藝，其針跡是由彎曲的針和材料上側(cè)的夾線器（也稱為線圈捕捉器）共同作用完成的。

彎針攜帶縫線刺入或穿過預(yù)制體，在彎針出口處形成的線環(huán)由夾線器保持。彎針退出預(yù)制體后縫紉頭向前移動(dòng)一個(gè)針距，彎針再次刺入預(yù)制體并穿過該線環(huán)，夾線器松開該線環(huán)，彎針的返回運(yùn)動(dòng)形成新的線環(huán)，然后由夾線器抓住并保持住形成下一個(gè)針跡?？p紉方向既可以沿彎針插入方向進(jìn)行，也可以垂直于彎針插入方向。當(dāng)彎針向后移動(dòng)時(shí)，線環(huán)是由縫紉線、縫紉材料和縫紉針之間的摩擦形成的。針的運(yùn)動(dòng)平面相對(duì)于縫合頭移動(dòng)平面傾斜，彎針處的接縫和夾線器處的線跡處于平行且相鄰的位置，線跡如圖12所示。

圖12 盲縫線跡示意圖Fig.12 Schematic diagram of blind stitching

為了利用這一優(yōu)勢(shì)制造增強(qiáng)預(yù)制體，KSL GmbH開發(fā)了一種無須支架即可完成這種線跡的技術(shù)[25]，使用這項(xiàng)技術(shù)無須從兩側(cè)接觸材料即可縫制額外的加強(qiáng)層。根據(jù)同樣的原則，英國(guó)漢普郡國(guó)家航空航天公共有限公司和法國(guó)巴黎國(guó)家航空航天公司也沿用了這個(gè)預(yù)成型方法[26–28]。

由于該技術(shù)中的彎針不一定要穿透預(yù)制體材料，所以該技術(shù)非常適用于預(yù)制體的局部增強(qiáng)或預(yù)制體的一側(cè)未留有自由空間的縫合環(huán)境。

3 國(guó)內(nèi)復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)的研究已經(jīng)有10多年，包括預(yù)制體性能和技術(shù)理論研究，然而目前我國(guó)單邊縫合技術(shù)的設(shè)備仍然處于試驗(yàn)階段，與國(guó)際上擁有先進(jìn)復(fù)合材料成型裝備技術(shù)的國(guó)家相比，還有很大的提升空間。經(jīng)過國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)國(guó)外技術(shù)的學(xué)習(xí)和自身不斷地研究探索，我國(guó)在復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合設(shè)備的研發(fā)上也取得了一定的成就。

航空工業(yè)北京航空制造工程研究所率先從國(guó)外引進(jìn)當(dāng)時(shí)最新一代的復(fù)合材料專用縫合設(shè)備[29]，可用于多種形式預(yù)制體的縫合，如圖13所示。2008年，天津工業(yè)大學(xué)楊旭等[30–31]為解決異型縫合受空間限制的問題，應(yīng)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種單面雙針縫合機(jī)構(gòu)。姜海珍等[32]開發(fā)出一種基于視覺的預(yù)制體縫合機(jī)器人視覺跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了縫合機(jī)器人自動(dòng)跟蹤接縫和自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡的智能化縫合功能。武漢理工大學(xué)丁鋒等[33]設(shè)計(jì)出臥式機(jī)床式的單邊縫合裝置，其縫合頭采用雙凸輪式的單面雙針縫合。2015年，天津工業(yè)大學(xué)姚福林等[34–35]采用矢量法建立了復(fù)合材料單邊縫合設(shè)備各個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，并調(diào)試出能進(jìn)行二維織物層間增強(qiáng)以及成型三維空間形狀預(yù)制體的縫合設(shè)備，如圖14所示。南京航空航天大學(xué)潘杰等[36]通過多軸聯(lián)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)縫合樣機(jī)。武漢理工大學(xué)田會(huì)方等[37–38]結(jié)合單邊縫合和雙邊縫合技術(shù)中的優(yōu)點(diǎn)，提出了旋梭式單邊雙線縫合技術(shù)，并研究出變角度單邊縫合設(shè)備中雙針夾角為45°～60°時(shí)，裝置能滿足縫合需求。南京航空航天大學(xué)封橋橋等[39]針對(duì)非全厚度增強(qiáng)設(shè)計(jì)了單邊彎針縫合設(shè)備，解決了復(fù)合材料預(yù)制體半厚度增強(qiáng)和較大曲率變化增強(qiáng)的大型預(yù)制體增強(qiáng)問題，該單邊彎針縫合頭如圖15所示。天津工業(yè)大學(xué)Dong等[40]根據(jù)現(xiàn)有OSS縫合工藝存在丟鉤的問題，設(shè)計(jì)了具有軌跡疊加功能的撥線機(jī)構(gòu) （圖16），使線跡的穩(wěn)定性更佳可靠。對(duì)于ITA縫合方式，國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

圖13 國(guó)內(nèi)第1臺(tái)復(fù)合材料縫合設(shè)備[29]Fig.13 The first composite stitching equipment in China[29]

圖14 單邊縫合機(jī)械手系統(tǒng)[35]Fig.14 Manipulator system of one-sided stitching[35]

圖15 單邊彎針縫合頭[39]Fig.15 One-sided curved needle stitching head[39]

圖16 軌跡疊加功能的撥線機(jī)構(gòu)[40]Fig.16 Threading mechanism with trajectory superimposing function[40]

4 展望

由于很難對(duì)所加工的產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證，導(dǎo)致復(fù)合材料預(yù)制體單邊縫合技術(shù)的發(fā)展受到一定限制，影響單邊縫合技術(shù)的發(fā)展因素有： （1）縫合降低平面內(nèi)的機(jī)械性能； （2）縫合參數(shù)對(duì)材料性能的影響未完全了解； （3）特定環(huán)境下會(huì)加速自身的退化，導(dǎo)致自身性能過早失效； （4）通過計(jì)算的方法無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)強(qiáng)度和疲勞特征；（5）縫合復(fù)合材料的環(huán)境老化和耐久性尚未完全了解； （6）單邊縫合設(shè)備處于開發(fā)階段，技術(shù)封鎖，設(shè)備昂貴。

雖然前人已進(jìn)行了一定的研究，但尚未形成指導(dǎo)設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此加大對(duì)以上因素的研究將會(huì)更好地推動(dòng)單邊縫合技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用?？p合過程的結(jié)果取決于設(shè)備的選擇、被縫合材料的特征和縫紉參數(shù) （縫紉密度、縫紉線、縫紉方式等）。為了獲得良好的縫合質(zhì)量，對(duì)單邊縫合技術(shù)還需加強(qiáng)以下研究。

（1）開發(fā)適用于各種縫線的張力系統(tǒng)。

（2）提高產(chǎn)品的一致性，使縫線在織物中不會(huì)出現(xiàn)扭曲或方向錯(cuò)亂的問題。

（3）提高設(shè)備產(chǎn)品可靠性，使維修方便，滿足產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

（4）對(duì)于縫合技術(shù)本身而言，針的刺入可能導(dǎo)致特定的局部損傷，從而使平面內(nèi)的機(jī)械性能降低 （如拉伸、剪切、壓縮性能等），這主要取決于縫合技術(shù)本身和應(yīng)用的參數(shù)。需優(yōu)化縫合預(yù)制件（最大限度地提高損傷容限和減少平面內(nèi)屬性的降低），開發(fā)具有高生產(chǎn)率和一致性的預(yù)制件制造工藝和質(zhì)量水平。

（5）縫合過程中縫線和被縫合材料的磨損在預(yù)期范圍內(nèi)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件性能發(fā)揮最大化。

（6）工藝參數(shù) （針跡速度、線跡密度、線跡花樣、線跡類型、線跡方法、針的類型、紗線張力、層壓類型、機(jī)械參數(shù)等）與結(jié)構(gòu)件性能的聯(lián)系未能形成良好的統(tǒng)一，未來應(yīng)通過不斷地試驗(yàn)研究，建立準(zhǔn)確的縫合參數(shù)對(duì)材料性能影響的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步確定能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)。