纤维缠绕设备行业研究（下）

4.2航空航天及军工领域

飞机复合材料构件的自动化成型工艺主要包括纤维丝缠绕、纤维带缠绕和纤维丝铺放三种类型。由于缠绕制品的高强度、耐高温、耐腐蚀等性能，目前缠绕制品在航空领域可用于雷达罩、发动机机匣、燃料储箱、飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，还可应用于小型飞机与直升机机身、机翼、桨叶、起落架等结构的成型。现代大型喷气客机上众多的高压气瓶都是采用复合材料缠绕成型工艺制造的。

在航天领域，缠绕成型技术主要应用于神舟飞船承力构件、卫星结构、返回舱、空间系统、复合材料压力容器、固体火箭发动机壳体等方面的制造。在国防军工领域，缠绕成型技术主要应用于大型导弹复合材料发射筒、鱼雷发射管、姿控系统、枪架、火箭发射筒、轨道炮身管等。

先进复合材料的缠绕、铺放成型是固体火箭发动机壳体，大飞机机身、机翼，风电叶片等核心部件的关键制造技术，对我国重大项目的实施和航空航天事业的发展有着举足轻重的作用。多年来，我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术一直面临“卡脖子”难题，2022年4月2日，由星火机床集团公司联合武汉理工大学研发的国家重点项目，多轴联动复合材料数控缠绕设备正式交付委托方。由此，长期依赖国外的复合材料缠绕设备“卡脖子”难题得以彻底解决，星火机床集团公司也全面实现了关键核心技术自主可控的重大突破。

复合材料作为一种先进材料，具有非常广阔的发展空间。先进复合材料具有质量轻、比强度高、耐高温和耐腐蚀等一系列优点，被广泛应用到航空航天、国防装备及能源开发等领域，并推动了相关工业领域的快速发展。复合材料的广泛应用，在很大程度上取决于复合材料的成型工艺。其中，缠绕和铺放技术是近年来发展快、有效的技术。

缠绕技术是指在控制张力和预定线型的条件下，将预浸胶纤维或布带连续地缠绕在相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化成一定形状制品的方法。

带缠绕成型技术随着计算机技术、信息技术、控制技术的发展，在功能方面不断扩大。从国外来看，美国已将带缠绕成型工艺应用于型号研制：MD-2 固体火箭发动机喷管部件中的 13 个零件，“侏儒”导弹的发动机喷管都是通过缠绕成型；欧洲、日本也在航天器、武器研制等领域广泛地应用带缠绕成型工艺：欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管，法国 M51 导弹的壳体，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器喷管都在使用缠绕成型的复合材料。

图15 缠绕成型中的 M51 导弹壳体

在国内，我国自60年代就开始研制复合材料缠绕设备及其成型工艺。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及华中科技大学等单位先后研制出不同的复合材料缠绕成型设备。西工大通过自主研发的多功能布带数控缠绕机，工作效率高，缠绕出的制品达到型号工艺要求，成为能够满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的关键配套设备。但是，上述缠绕成型设备基本上都是针对型面规则的回转体零件研制开发的，对于诸如大飞机的机翼、机身、风电叶片等大型非规则复杂结构件无法实现缠绕成型。

随着复合材料相关技术的发展，带缠绕、铺放成型技术呈现出多工艺复合化、成型设备精密化、CAD/CAM技术应用日益增多、成型设备与机器人结合化、热塑性树脂基复合材料逐渐增多及新型固化技术不断应用的发展趋势。经过 40 余年的研究与发展，我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术的研究和应用已初具规模，但仍然面临着国外技术的严密封锁与技术储备的严重不足。由星火机床集团公司联合武汉理工大学研发的多轴联动复合材料数控缠绕设备正式交付委托方。由此，长期依赖国外的复合材料缠绕设备“卡脖子”难题得以彻底解决。

图16 多轴联动复合材料数控缠绕设备

这次交付用户的设备是国家重点项目关键设备，是集新工艺、新材料制造技术、自动控制技术等为一体的智能化高新技术产品，能够完成各种非金属玻璃纤维、碳纤维增强复合材料产品的筒形、球形、锥形等形状的缠绕加工生产。该设备主要有自动化程度高、精度高、可靠性强等特点，突破了国内很多的技术瓶颈，解决了国内（技术）卡脖子问题，填补了国内空白。

图17 某型号无人机

（来源：江苏新扬新材料股份有限公司公开转让说明书）

缠绕工艺在低空经济无人机领域开拓出关键增量市场。无人机产业的快速发展，尤其是对轻量化、高强度结构件需求的激增，直接推动了缠绕设备技术的进步与市场拓展。在无人机特别是主承力结构件（如机翼梁、机身梁、尾撑杆等）的制造中，缠绕工艺已被广泛应用。例如，尾撑杆类管状零件通常采用缠绕成型加工，而一些梁类结构件则结合缠绕与其他工艺（如模压）进行制造。（张元明：袋压法成型复合材料在小型无人机机体结构中的应用）低空经济的核心载体——氢动力eVTOL（电动垂直起降飞行器），因其对轻质高压储氢容器的刚性需求，将在2027年后引爆对先进缠绕设备的巨大需求，为缠绕设备行业带来爆发性的新增量。这一趋势凸显了无人机产业的增长不仅是缠绕工艺的新应用场景，更是驱动缠绕设备迭代升级和行业扩容的关键力量。

5未来展望与战略建议

未来展望

当前复合材料缠绕设备市场呈现强劲增长态势，主要受三大领域需求驱动：新能源汽车轻量化趋势持续推动碳纤维缠绕储氢罐及电池壳体的应用；氢能产业爆发式发展带动IV型储氢罐需求激增，预计2030年全球市场规模将突破百亿美元；同时航空航天领域对轻量化复合材料结构件的需求旺盛，尤其在无人机和商业航天领域表现突出。为应对市场需求并提升竞争力，技术升级聚焦三大方向：一是通过引入机器人自动化与AI视觉检测技术提升缠绕精度和产品一致性，并利用数字孪生技术优化缠绕路径设计以降低试错成本；二是发展高速缠绕技术以提高生产效率，满足汽车等行业的规模化制造需求；三是增强设备的多材料兼容性，使其能够适配包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维以及热塑性复合材料在内的多种增强材料，推动技术迭代升级。

战略建议

纤维缠绕设备行业应聚焦高增长细分市场实现突破：一方面优先布局氢能储罐设备领域，把握IV型储氢罐渗透率持续提升的明确趋势，抢占设备需求增长先机；另一方面积极切入新能源汽车供应链，与头部电池及车身部件制造商深度合作，共同开发满足其特殊需求的复合材料专用缠绕设备。为支撑市场拓展，同步大力提升设备技术竞争力：在智能化方向，研发集成AI工艺优化算法与在线质量监测系统（如超声或激光实时检测）的智能缠绕设备；同时开发高度模块化的设备平台，灵活适配航天领域多品种、小批量的定制化生产需求。在材料技术方向，重点突破热塑性缠绕技术——因其复合材料可回收特性，契合欧盟碳关税等严苛环保法规要求，但需攻克高温熔融缠绕的工艺核心难题。在成本优化方面，通过采用国产高性能伺服电机及运动控制系统等关键部件降低成本，并创新开发纤维铺放与缠绕相结合的低成本混合工艺。