先进复合材料制造技术

2015-11-21苏霞

橡塑技术与装备 2015年24期

关键词：制件热压成型

苏霞

（中航飞机西安飞机分公司，陕西西安 710089）

先进复合材料制造技术

Advanced composites manufacturing technology

苏霞

（中航飞机西安飞机分公司，陕西西安 710089）

复合材料由于其轻质高强高模量，优异的疲劳性能、耐久性和良好的损伤容限，已成为各类军民航空装备的关键材料，复合材料的用量已成为衡量现代飞机先进性的重要标志之一。复合材料制造技术也逐渐向自动化、专业化、单元化、低成本方向发展。本文主要介绍先进复合材料制造技术。

复合材料；自动铺放；液体成型；热隔膜辅助成型；拉挤成型

复合材料自20世纪60年代中期问世以来，在飞机结构上的应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路，复合材料制造技术也经历了“面向减重”、“面向设计”、“面向制造”、“面向买得起”四个发展历程。以美国为主导的美、欧等世界航空发达国家，进行了一系列国家级的专题研究计划，如美国ACEE、ACT、CAI、AvSP计划，欧洲TANGO、ALCAS计划，取得大量的研究成果，推动了复合材料制造技术飞速发展，为复合材料在飞机上的大面积应用奠定了基础。

1 热压罐固化技术

热压罐固化技术是航空复合材料结构件制造的主流工艺，目前已形成完整技术体系，热压罐制造技术生产的制件具有纤维体积含量高、力学性能可靠等优点。其主要缺点在于热压罐设备生产耗能大以及热压罐本身采购成本高，随着复合材料料的大幅度应用，飞机结构的整体化设计，复合材料制件尺寸不断增加，为了满足大制件热压罐固化的需求，热压罐的三维尺寸也在不断加大。目前世界上最大的热压罐是ASC公司生产的用于制造波音787复合材料机身段的热压罐。该热压罐作业区面积为9 m×23 m，容积2 214 m3，提供的最大压力为1.02 MPa，最高使用温度为232 ℃，重量达500 t以上。

2 非热压罐固化技术（Out of Autoclave，OoA）

复合材料非热压罐固化（OoA）技术避免使用热压罐，是真空压力下，固化炉内或室温下的固化的一种技术，非热压罐固化技术在过去一直备受争议，认为其制件力学性能有所下降，如波音787有些制件经历了由非热压罐固化到热压罐固化的反复。但是目前越来越多的制造商认为非热压罐固化确实会使制件纤维体积含量有所下降，但其影响甚小，而且非热压罐固化综合成本效益高，因此非热压罐固化技术发展空间较大，目前非热压罐固化包括低温固化材料体系、低温固化树脂技术、电子束固化技术等。美国空军实验室在先进复合材料货运飞机（ACCA）上验证用了非热压罐复合材料（MTM45-1）成型大型整体结构件的可行性。2009年6月2日ACCA的成功首飞标志着非热压罐固化技术在复未来航空产品的大量应用又向前迈出了实质性的一步。

3 自动铺放技术

为提高航空复合材料制件的高质量和高制造效率，自动化制造技术及其能力进一步得到了提升，自动铺带机（Automated Tape Laying，ATL）与自动铺丝机（Automated Fiber Placement，AFP）应用而生，目前已成为现代先进大型飞机制造的关键设备。最初由飞机制造商波音公司联合设备生产商CinCinate Machine和Cytec公司共同开发，于1970年代开始研制自动铺带机，并早于1983年投入生产使用，他们从铺窄带（7.62 cm）到铺宽带（30.48 cm）再到铺曲面，目前已研发生产了3代铺带机，F-16的80%的蒙皮件，F-22的机翼壁板，B777、B787零件等均采用自动铺放设备。近年来，由于大尺寸复合材料制件制造的迫切需求，进一步推动了ATL/AFP机床的发展和应用。

3.1 自动铺带技术

自动铺带技术用来铺放不同带宽的预浸料，适合铺放形状相对比较简单的复合材料构件。自动铺带机分为平板式和曲面两种，自动铺带系统按预浸带切割和铺叠方式可分为“一步法”和“两步法”两种工作方式，目前自动铺带机在美国和欧洲应用已经十分普遍，自动铺带最大宽度可达到300 mm，铺带速度达1.3~20.4 kg/h，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。目前最大的自动铺带机尺寸为40 m×8 m，铺设速度可达60 m/min。波音787翼面及翼盒构件均采用自动铺带技术制造。不同制造商生产的自动铺带机略有不同，A350采用“TORRES LAYUP”11轴的龙门式高速铺带机，可铺300 mm、150 mm和75 mm的宽带，铺带头内装有预浸带缺陷检测系统。自动铺带机现已发展到第三代，铺带时可自动加热，逐层压实，并带有激光控制铺带定位系统。A350碳纤维机身壁板的自动铺带如图1所示。

图1 A350碳纤维机身壁板的自动铺层加工

3.2 自动铺丝技术

自动铺丝技术是在纤维缠绕成型技术和自动铺带技术的基础上发展起来的，自动铺丝机与自动铺带机相比，其主要优点在于能够自动切纱适应边界，可铺局部加强，可变角度铺放，适应于大曲率机身和复杂曲面成型。目前铺丝速度可达6.8~11.3 kg/h，最高可达23 kg/h。格·辛辛那提公司生产的品牌Viper铺放机，已从Viper1200、Viper3000升级到Viper6000，其纤维铺放系统采用先进的计算机控制，可铺放不同厚度、高度及结构的多种制件，而且废料量只有2%。其中最新型号是Viper6000能操作86 180 kg的芯轴，可以铺放并控制的丝束由24束增加到32个纤维束，使铺层带宽从7.6 cm增到10.2 cm，其铺放速度达到30 m/min，精度±1.3 mm。目前沃特飞机公司采用这种铺放机生产波音787的机身段，可铺放直径6.5 m、长17 m的工件。如图2所示。

图2 B787机身桶段自动铺丝

4 热隔膜辅助成型技术

热隔膜辅助成型技术原是一种为热塑性复合材料开发的成型工艺，后来逐渐应用于热固性复合材料制件预成型。

由于热隔膜辅助成型技术与自动铺放技术相结合，充分利用了自动铺带技术优点，使得成型梁、长桁等复合材料构件的效率大大提高。热隔膜成型技术已在B777长桁、V—22长桁和A400M机翼前梁等大型构件中得到成功应用，并且为了A400机翼大梁制造，美国Aeroform公司专门为其设计制造了20多米的热隔膜成型设备。热隔膜辅助成型技术在成型过程中层间纤维不易滑动、R区不易产生皱褶的，非常适用于制造“C”形截面梁及长桁等制件。在ALCAS计划中，这种成型方法已被誉为加工飞机前梁的一种典型工艺方法。

5 拉挤成型技术

拉挤成型技术主要用来制造R区填充物和复合材料型材，其工艺原理是将已润湿的树脂胶液的连续纤维束或带在牵引力的作用下，通过成型模成型，可生产不同形状的填充物或可通过固化连续生产出长度不受限制的复合型材。拉挤成型技术经过不断发展改进，已从开始的等截面发展到截面形状可变面积不变的拉挤制品。拉挤成型由于纤维按纵向排列，其制品拉伸强度和弯曲强度较高，而且生产效率高，易于控制，产品质量稳定，但是也由于具有明显的方向性，其横向强度差，只限于生产型材和R区填充物。日本JAMCO公司采用先进拉挤技术为空客A310、A320及A330的巨大垂直尾翼生产了加强板和简支梁。A380的支撑双层舱客机的上层地板也是采用JAMCO公司提供的拉挤成型设备制造的。

6 复合材料液体成型技术

液体成型技术是一种低成本复合材料制造方法。复合材料液体成型术是以树脂转移成型（RTM，Resin transfer molding）为主体，包括各种派生的RTM技术，大约有25~30种之多，其中以RTM、真空辅助成型（VARI，Vacuum Assisted Resin Infusion）和树脂膜熔渗成型（RFI，Resin Film Infusion）技术为代表的复合材料低成本液体成型技术，引起人们的广泛关注，成为当前国际复合材料领域研究与发展的主流。液态成型工艺里程碑式的成果是2014年俄罗斯研制成功的MS-21单通道客机。该客机采用液体工艺成型制造机翼主承力件，将促进复合材料构件制造从热压罐成型向液体成型的变革。

6.1 RTM成型技术

RTM成型工艺的基本原理是将纤维增强材料，铺放到封闭模具的模腔内，用压力将树脂混合胶液注入模腔，并浸透纤维增强材料，然后固化，脱模成型为制件。1996年美国防务预研局率先开展了高强度主承力构件的低成本RTM制造技术研究，从而使RTM成型技术逐渐获得了应用。A380上舱门连接件、副翼梁、中央翼盒的5个工字梁、襟翼导轨面板、悬挂接头以及机身框等采用RTM技术制造。F—35垂危采用RTM成型技术制造，如图3所示，该制件长3.65 m，重90 kg，减少紧固件1 000余个。RTM技术的优点是产品尺寸精确、损伤容限高、孔隙率小、整体化，可用于生产的复杂结构的制件，比如接头、波纹梁等。

图3 F35垂尾

6.2 VARl成型技术

VARI成型技术主要特点是使用单面模具，基本工艺原理是将纤维预成型体放置在模具上，在一个真空作用下使液态树脂在预成型体内流动并浸润纤维，再经升温固化、冷却脱模成型为制件。VARI应用最典型的制件是A400M运输机的货舱门，该制件由欧洲防务公司研制，于2007年成功应用，如图4所示，该舱门尺寸7 m×4 m，数根长桁与外蒙皮整体固化，零件整体性提高，省却了大量的装配工时，据统计约减少了3 000个装配工时。VARI成型技术优点是采用单面模具，其全工艺过程都是在室温、真空条件下完成的，因此不需要热压罐，省却了热压罐及配套设备的投入。

图4 A400货运舱门

6.3 RFl成型技术

RFI成型技术工艺原理是将树脂预先制成树脂膜，裁切成相应的尺寸放在成型模具上，再覆盖上纤维预成型体，然后进行制袋封装，通过加热使树脂膜熔融，在一定的真空压力下，熔融的树脂浸渍纤维并填充满整个纤维预成型体的空隙，再经升温固化、冷却脱模成型为制件。早在20世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）率先进行RFI工艺及其树脂膜研究，到90年代，Mc Donnell Dougl公司就用RFI工艺制造出商业运输机的机翼结构。随后美国航空航天局和波音公司也利用该工艺成功制造出了13 m长的商用飞机机翼蒙皮。A380后压力框采用RFI成型技术制造，如图5所示，该制件尺寸6.2 m×5.5 m×1.6 m，15个泡沫加筋。RFI作为液体模塑成型技术的一种，除了具有其它工艺（RTM、VARI等）所具有的制造成本低的优点外还在大尺寸制件、加筋结构制件的制造方面具有一定的优势。