復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自動(dòng)化制造技術(shù)

    國(guó)外采用的自動(dòng)化制造技術(shù)主要有自動(dòng)鋪帶、絲束自動(dòng)鋪放等技術(shù)，是大型復(fù)合材料壁板及復(fù)合材料機(jī)身筒體制造的唯一手段，此外這些高效自動(dòng)化技術(shù)顯著提高了復(fù)合材料生產(chǎn)效率和制件內(nèi)部質(zhì)量，降低了成本，使復(fù)合材料性能最優(yōu)化和低成本并存成為可能。

自動(dòng)鋪帶技術(shù)

    自動(dòng)鋪帶技術(shù)用于大尺寸中小曲率的壁板構(gòu)件的鋪層，與手工鋪放相比，質(zhì)量穩(wěn)定，制造成本降低30%~50﹪，并可成形超大尺寸復(fù)合材料制件。在自動(dòng)鋪帶機(jī)上實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶裁剪、定位、鋪疊、輥壓等工序連續(xù)自動(dòng)完成。

    此項(xiàng)技術(shù)在歐美已經(jīng)成熟，鋪帶機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、CAD/CAM軟件、鋪放工藝技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造。如B1、B2轟炸機(jī)的機(jī)翼蒙皮，NavyA6轟炸機(jī)機(jī)翼蒙皮，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼蒙皮，波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮，波音787機(jī)翼蒙皮等，A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的機(jī)翼蒙皮和安定面蒙皮，A350機(jī)翼蒙皮和中央翼盒，A400M機(jī)翼蒙皮和機(jī)翼大梁等均采用了自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造。

自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)

    自動(dòng)鋪絲技術(shù)和纏繞技術(shù)相比，解決了復(fù)雜構(gòu)型纏繞時(shí)難以解決的架橋和滑移的瓶頸問(wèn)題，滿足各種復(fù)雜旋轉(zhuǎn)體鋪疊要求。

     自動(dòng)鋪絲技術(shù)和自動(dòng)鋪帶技術(shù)相比，解決了自動(dòng)鋪帶在鋪疊帶臺(tái)階的翼面、小曲率半徑的凹面難以解決的瓶頸問(wèn)題，滿足各種復(fù)雜內(nèi)形結(jié)構(gòu)的壁板的鋪疊要求。

    自動(dòng)鋪絲技術(shù)是在自動(dòng)鋪帶技術(shù)和纖維纏繞技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，自動(dòng)鋪絲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀整體結(jié)構(gòu)件三維軌跡的連續(xù)絲束鋪放，可以根據(jù)運(yùn)行軌跡當(dāng)?shù)氐匿伕矊挾茸赃m應(yīng)地調(diào)整絲束寬度，實(shí)現(xiàn)帶凸面、凹面及臺(tái)階、變厚、拐角等復(fù)雜內(nèi)型曲面結(jié)構(gòu)的鋪放。

    自動(dòng)鋪絲設(shè)備主要由鋪絲頭、鋪絲頭支座、模具支架、預(yù)浸紗架以及張力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件組成。

    國(guó)外自動(dòng)鋪絲設(shè)備有兩種結(jié)構(gòu)，立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)。臥式結(jié)構(gòu)更適用于封閉的筒體復(fù)合材料構(gòu)件的鋪疊， 立式結(jié)構(gòu)更適合于大型機(jī)身類壁板復(fù)合材料構(gòu)件的鋪疊。

    自動(dòng)鋪絲技術(shù)在航空領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，具有代表性的有V-22飛機(jī)的后機(jī)身、F-22和F35均采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)制造復(fù)合材料S形進(jìn)氣道、B787的機(jī)身段、A380后機(jī)身。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)液體成形技術(shù)

    復(fù)合材料結(jié)構(gòu)液體成形方法主要應(yīng)用于除機(jī)翼主承力翼面、機(jī)身主承力筒體外的復(fù)雜、次承力大型整體結(jié)構(gòu)成型。

    液體成形技術(shù)主要包括預(yù)制體制備縫合技術(shù)和樹(shù)脂轉(zhuǎn)移技術(shù)：RTM、RFI及VARI。

預(yù)制體制備縫合技術(shù)

    預(yù)制體制備技術(shù)指采用織物縫合的方法制成零件結(jié)構(gòu)的骨架的技術(shù)。預(yù)制體制備是液體轉(zhuǎn)移成形技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？p合預(yù)制體采用縫紉機(jī)對(duì)鋪貼好的織物進(jìn)行縫合，增強(qiáng)織物的縱向連接，滿足復(fù)合材料抗沖擊的要求，采用縫紉的方法連接各零件的疊層塊，形成結(jié)構(gòu)的預(yù)制體。

    縫合設(shè)備的選用：對(duì)于平板件和曲率小的結(jié)構(gòu)件采用龍門(mén)式縫合設(shè)備；對(duì)于帶有復(fù)雜外形的結(jié)構(gòu)件采用機(jī)械手縫合設(shè)備。

RTM成形技術(shù)

    RTM成形方法即樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成形方法，其工藝過(guò)程是：首先在模具型腔內(nèi)鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的纖維增強(qiáng)預(yù)成形體，然后利用真空或注射裝置提供壓力將專用樹(shù)脂注入到閉合的模腔內(nèi)，直至整個(gè)型腔內(nèi)的纖維增強(qiáng)預(yù)成形體完全被浸潤(rùn)，最后進(jìn)行固化成形和脫模。

    RTM成形模具技術(shù)：模具由對(duì)合模和芯模塊成，模具的型面精度和安裝位置的精度是保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形和內(nèi)形的基礎(chǔ)。對(duì)合模應(yīng)具有足夠的剛度，在注射過(guò)程中和固化時(shí)不允許變形，以滿足產(chǎn)品形狀及內(nèi)部質(zhì)量要求。模具上的注膠孔和溢膠孔應(yīng)根據(jù)樹(shù)脂流場(chǎng)設(shè)計(jì)來(lái)配置。

    RTM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于次承力結(jié)構(gòu)如艙門(mén)和檢查口蓋，目前已應(yīng)用于垂尾級(jí)整體結(jié)構(gòu)制造。

VARI成形技術(shù)

    VARI即真空輔助樹(shù)脂滲透成形技術(shù)是在RTM成形工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的另一種成形技術(shù)。適用于大型復(fù)合材料制件成形的低成本工藝方法。對(duì)預(yù)制體進(jìn)行抽真空，排除纖維預(yù)成形體內(nèi)的氣體后，再在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂的流動(dòng)和對(duì)纖維的滲透，通過(guò)溢出多余的樹(shù)脂控制樹(shù)脂含量，并帶走樹(shù)脂中裹入的氣泡，最后在室溫或加熱條件下進(jìn)行固化成形。VARI成形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件空隙含量一般比層壓板結(jié)構(gòu)件孔隙率低。

    VARI成形工藝由于樹(shù)脂的流動(dòng)僅靠真空牽引遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RTM的注射壓力，因此成形時(shí)，要求樹(shù)脂粘度更低，流動(dòng)路徑更短。

    VARI成形技術(shù)適用于制造室溫和中溫成形的特大型復(fù)合材料構(gòu)件，。

RFI成形技術(shù)

    RFI成形工藝即樹(shù)脂膜滲透成形，是復(fù)合材料液體成形工藝的一種。其主要原理是在預(yù)制體與模具之間按結(jié)構(gòu)的要求鋪設(shè)樹(shù)脂膜，固化過(guò)程中樹(shù)脂膜受熱熔化，在真空及壓力作用下樹(shù)脂液體滲透到預(yù)制體相應(yīng)部位并完成固化成形。

    RFI成形工藝與其它傳統(tǒng)復(fù)合材料成形工藝的本質(zhì)區(qū)別就在于RFI工藝?yán)w維∕樹(shù)脂的浸潤(rùn)是由低粘度的樹(shù)脂在增強(qiáng)材料中滲透并排除增強(qiáng)材料織構(gòu)中的氣體和基體樹(shù)脂中的氣體而完成纖維∕樹(shù)脂的浸潤(rùn)。

    RFI技術(shù)已用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造，如A380的機(jī)翼后緣和后壓力隔框，波音787機(jī)身的大部分隔框，GEnx的風(fēng)扇機(jī)匣等。

    國(guó)外高性能碳纖維和高韌性樹(shù)脂的發(fā)展及復(fù)合材料的成形方法和自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，值得借鑒。