目前,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝較多,可以適用不同結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造,但考慮到航空領(lǐng)域尤其是民用飛機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本,
改進(jìn)固化工藝以減少時(shí)間、降低成本迫在眉睫??焖俪尚图夹g(shù)(Rapid?。校颍铮簦铮簦穑椋睿纾┦且环N基于離散、堆積成型
原理的新型制造方法,是一種低成本快速成型技術(shù),常見的有模壓快速成型技術(shù)、液體成型技術(shù)、熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)等。
1、模壓快速成型技術(shù)
模壓快速成型技術(shù)是將預(yù)先鋪貼好的預(yù)浸料毛壞放置在模壓模具中,合模之后通過升溫加壓使得毛壞密實(shí)固化的工藝方法,模壓成型
速率快、制品尺寸準(zhǔn)確、成型質(zhì)量穩(wěn)定均一,結(jié)合自動(dòng)化技術(shù),可實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在民用航空領(lǐng)域的批量化、自動(dòng)化、低
成本制造。
1.1 模壓快速固化預(yù)浸料特點(diǎn)及性能
(1)樹脂體系具備良好的粘度-溫度特性;
(2)預(yù)浸料具有較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期及操作壽命;
(3)較寬的工藝窗口,可以實(shí)現(xiàn)較寬溫度范圍內(nèi)的固化要求,能夠滿足預(yù)浸料模壓工藝;
(4)較高的反應(yīng)活性,固化時(shí)間在30min以內(nèi);
(5)樹脂與增強(qiáng)體具有較好的界面匹配性
美國(guó)2015年提出的RAPM計(jì)劃,旨在將復(fù)合材料的成型時(shí)間控制在30min以內(nèi),Solvay公司開發(fā)的CYCOMEP2750環(huán)氧樹脂體系就
是該計(jì)劃的主要材料之一。通過模壓成型制備的各類零件。
此外,美國(guó)東麗復(fù)合材料公司于2021年也宣布推出Toray2700預(yù)浸料體系,能夠在5min以內(nèi)完成固化,用于制造翼肋和蜂窩板。國(guó)
內(nèi)模壓快速成型技術(shù)起步較晚,且大多集中在汽車等民用領(lǐng)域,中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司劉賓賓使用ACTECH?1201/SYT45預(yù)
浸料體系通過模壓成型工藝制備了典型車身零部件加強(qiáng)梁,單件加強(qiáng)梁零部件快速模壓成型時(shí)間≤8.5min,表面質(zhì)量滿足制造驗(yàn)收
技術(shù)要求。
2、液體成型技術(shù)
液體成型技術(shù)(LCM)是指先將干纖維預(yù)制體鋪放于閉合模具型腔中,合模后將液體樹脂注射人模腔中,在壓力作用下樹脂流動(dòng)并
浸潤(rùn)纖維的一系列復(fù)合材料成型技術(shù),相比于熱壓罐成型工藝有很多優(yōu)點(diǎn),例如,適用于尺寸精度高、外形復(fù)雜的零件制造;制造
成本低、操作簡(jiǎn)單。特別是近些年發(fā)展起來的高壓RTM工藝(HP-RTM),通過縮減注射時(shí)間,有望將航空結(jié)構(gòu)件制造時(shí)間控制
在幾十分鐘內(nèi),實(shí)現(xiàn)高纖維含量、高性能的零件制造。
2.1 液體成型樹脂體系特點(diǎn)及性能
(1)良好的粘溫特性,注射溫度下具備較低的粘度;
(2)與增強(qiáng)纖維形成良好的界面,可快速充滿型腔;
(3)有良好的固化反應(yīng)特性,固化收縮率低,成型后制件內(nèi)部無微裂紋。
2.2 液體成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
國(guó)外在低成本液體成型技術(shù)開展了很多技術(shù)研究及工程應(yīng)用,GKN公司使用RTM工藝一體化成型了17m長(zhǎng)的C形后緣翼
國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料液體成型技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用方面也開展了一定研究和探索工作。主要研究機(jī)構(gòu)有中航復(fù)材、商飛公司、成飛
公司等。中航復(fù)材使用BA9914材料體系成型了帽型加筋壁板及大尺寸加筋壁板典型件,該結(jié)構(gòu)件的纖維體積含量達(dá)到了
58%以上,驗(yàn)證了VARI工藝對(duì)提高復(fù)合材料纖維含量的可行性。
航空工業(yè)成飛的羅維等人針對(duì)一種含縱橫加筋及局部翻邊結(jié)構(gòu)特征的機(jī)身次承力框結(jié)構(gòu)的整體化RTM成型工藝方法進(jìn)行
了研究,采用全(0°/90°)鋪層方案和面注膠方式成功制備了內(nèi)部質(zhì)量合格、力學(xué)性能與熱壓罐成型工藝相當(dāng)?shù)膹?fù)合材
料整體隔框
3、熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)
近年來,熱塑性復(fù)合材料已成為國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),因其具有高抗沖擊性、高韌性、高損傷容限以及
良好的耐熱性等優(yōu)點(diǎn)。通過熱塑性復(fù)合材料焊接可以大幅降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的鉚釘和螺栓連接數(shù)量,可大幅提高生產(chǎn)效
率、降低生產(chǎn)成本。據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)一級(jí)供應(yīng)商Airframer Collins?。粒澹颍铮螅穑幔悖鍒?bào)道,與金屬和熱固性復(fù)合材料組件
相比,非熱壓罐成型的可焊接熱塑性結(jié)構(gòu)有可能將制造周期縮短80%。
3.1 熱塑性復(fù)合材料體系特點(diǎn)及性能
與熱固性復(fù)合材料相比,熱塑性復(fù)合材料有如下特點(diǎn):
(1) 具有可焊接特性,通用性強(qiáng),焊接時(shí)間短,可以應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料的連接;
(2)韌性好,耐疲勞,損傷容限高;
(3) 存儲(chǔ)和操作壽命長(zhǎng),可長(zhǎng)期使用;
(4)生產(chǎn)效率高,通常僅需數(shù)秒到幾分鐘;
(5)可回收利用,對(duì)環(huán)境友好。
目前,航空領(lǐng)域常用的熱塑性樹脂體系主要有PEEK、PEKK、PPS 等。國(guó)外開發(fā)較早,并已成熟應(yīng)用,國(guó)內(nèi)起步較晚,但也
實(shí)現(xiàn)了航空級(jí)?。茫疲校校雍停茫疲校牛牛税宀牡闹苽?。
高效率、低成本已是未來復(fù)合材料成型工藝的新發(fā)展方向,也是我國(guó)航空復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和綠色航空的必由之路。
國(guó)內(nèi)在此類成型技術(shù)的工藝原理、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等領(lǐng)域取得了一定成果,但還存在一定差距,結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展,提出以下建議:
1、模壓快速成型技術(shù)尤其在航空結(jié)構(gòu)小零件的應(yīng)用及制造有很大優(yōu)勢(shì),未來需要重點(diǎn)研究快速固化模壓樹脂體系及預(yù)浸料,
固化時(shí)間要小于30min,材料工藝性良好,滿足自動(dòng)鋪放等自動(dòng)化生產(chǎn)需求,還需具備優(yōu)異的耐溫性和力學(xué)性能,滿足航空
主次承力結(jié)構(gòu)需求;
另一方面,要建立模壓自動(dòng)化生產(chǎn)線,通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料出庫(kù)、下料設(shè)備、成型設(shè)備、轉(zhuǎn)移設(shè)備、切割設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備
等的集成,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上料、機(jī)械臂取件轉(zhuǎn)移、產(chǎn)品切割打孔、無損檢測(cè)等功能,配合報(bào)警系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),保證自動(dòng)化生
產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、安全性和可靠性;
小尺寸零件預(yù)制體的快速鋪貼成型,可以通過熱隔膜成型、機(jī)械熱成型等實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料平板毛壞的賦形,重點(diǎn)研究模具溫度、壓實(shí)
速率對(duì)預(yù)制體成型質(zhì)量的影響,抑制纖維扭轉(zhuǎn)和褶皺的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)快速鋪貼。
2、液體成型技術(shù)的發(fā)展首先還是先進(jìn)樹脂體系的開發(fā),要求注射溫度下具有較低的粘度,通常小于10Pa·S,且具備較高的玻璃
化轉(zhuǎn)變溫度和優(yōu)異的濕熱性能,韌性和損傷容限滿足航空主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用;
另一方面是開發(fā)干纖維自動(dòng)鋪放技術(shù),如M21S機(jī)翼通過ADFP干纖維自動(dòng)鋪放預(yù)成型有效提高了最終制件的纖維體積含量,實(shí)現(xiàn)
RTM結(jié)構(gòu)件由次承力逐漸轉(zhuǎn)為主承力結(jié)構(gòu);
成型過程中還可以通過固化過程仿真、工藝過程數(shù)值模擬、固化變形仿真及控制、壓力傳遞等模擬手段監(jiān)測(cè),采用PAM-RTM等軟
件針對(duì)不同樹脂反應(yīng)體系選擇合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述,對(duì)固化過程中熱量傳遞、樹脂流動(dòng)填充、纖維密實(shí)、氣泡產(chǎn)生遷移進(jìn)行實(shí)
時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)及多尺度下的耦合計(jì)算,提高產(chǎn)品合格率。
3、隨著國(guó)際越來越多的飛機(jī)型號(hào)成功應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料及其焊接技術(shù),驗(yàn)證了熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造的可行性。
目前,有望在未來國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)上看到熱塑性復(fù)合材料的身影。因此,我國(guó)函需建立完整的技術(shù)體系,填補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)空白,繼續(xù)解決
熱塑性復(fù)合材料體系的開發(fā)、成型工藝規(guī)范的制定、形成各類材料標(biāo)準(zhǔn)及焊接工藝規(guī)范,建立焊接及焊縫質(zhì)量的評(píng)價(jià)方案及標(biāo)準(zhǔn)、開
發(fā)連續(xù)自動(dòng)化焊接設(shè)備等。
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