复合材料低成本制造

复合材料低成本制造

近年来，大型复合材料零件借助自动铺丝铺带等工艺

和设备实现了低成本制造，展现出优于金属材料构件的性

价比，并在飞机大型构件的制造中取代了金属材料。

但是，对于军用飞机而言，大约80%的机身零件重量

不到10公斤，由于复合材料目前仅在重量大于10公斤的

零件制造中较有优势，所以这部分小型零件的绝大多数还

是采用金属材料制造。

针对这种情况，美国国防部高级研究计划局(DARPA)

于2015年推出了“可剪裁原材料与成形”(TFF)计划，旨在

实现重量小于10公斤复材构件的快速低成本制造。该项

目包括两个子项目：一是材料开发°希望开发出通用的具

有高力学性能和金属成形能力的短纤维材料，目前这部分

工作已完成；二是成形制造。由波音公司牵头开发“快速

高性能制造”技术，即RAPM项目。该项目成果在2019

年的SAMPE峰会上波音公司进行了展示，不过正式成果

将于2020年秋季发布。

以下就让我们来具体分析一下RAPM子项目的进展

情况：

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图1复材零件商业化后的成本趋势

（根据以往生产和试验数据生成的成本趋势曲线）

一、RAPM项目概况

RAPM项目由波音公司牵头，参与方除了航空航天领

域的公司外，还包括材料供应商索尔维复合材料公司、热

塑性复合材料结构专家ATC制造技术公司、德国SGL

Carbon公司和温度控制专家英国SurfaceGeneration公司

等，后两家公司多与汽车相关。

项目设置目的是为了更好地了解复合材料以及工艺

的成本状况，希望用汽车制造的效率达到飞机要求的性能。

波音公司有意向把复材零件成形时间控制在30分钟以内，

通过高效工作降低成本，从而达到可以和铝合金竞争的目

的。

波音公司联合了工业界一些重要的合作伙伴，从3个

方面开展RAPM项目研究：

•与HITCO碳纤维公司和SGL复材公司一起试验树

脂灌注技术

•与索尔维、FIBERDYNAMICS公司以及

REINHOLD公司试验热固性预浸料成形技术

•与ATC公司和TXV公司试验热塑性成形技术

试验分两个阶段完成第一个阶段为“制造开发”阶段,

比较三种主要工艺和三类不同形状的零件，如壁板、肋条

以及C形段等，摸索工艺参数；第二个阶段是“挑战和转

移”阶段，用第一阶段的成果制造可与铝合金竞争的零件。

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图2第一阶段的3种工艺和3类不同形状的零件（壁

板、肋条以及C形段）

图4英国SurfaceGeneration公司'加热和成形规范控

制系统"（PtFS）

材料方面RAPM项目中没有使用TuFF项目开发的短

纤维材料，而是使用了汽车用有机纤维和航空级预浸料、

环氧树脂、热塑性树脂以及短纤维的混合材料等，所以试

验结果不仅适用于军工，而是整个复材制造领域。

二、RAPM项目试验过程

第一种工艺：树脂灌注RTM工艺

SGL公司为第一项工艺选用汽车用的材料，采用

HP-RTM和C-RTM工艺先摸索出工艺参数，然后在第一

阶段的基础上采用低成本的LPRTM做出了带凹槽的对

比零件。该零件带有两个凹槽：一个5cm的长方形凹槽和

一个10cm的从矩形向V形的过渡凹槽。该零件使用了低

成本的Raku-TOOL、手动夹具以及铝合金的成形模具。

图5使用LPRTM树脂灌注成形的带凹槽的对比零

件

对比零件检测结果显示固化完全，纤维排列整齐，质

量很高。该零件纤维体积含量49.5%,零件铺层数只有目

前预浸料工艺的1/3,手工劳动量降低了90%0

同时，为了测试模具和工艺的适用性，波音公司也用

航空级的树脂和纤维使用LPRTM制造了对比零件，这些

零件也全部通过了无损检测。

第二种工艺热固性预浸料成形

针对热固性预制件在压力下易产生褶皱的问题，索尔

维公司对工艺进行了完善，使用弹簧框工具对预制件施加

张力。另外，为了提高生产效率，索尔维公司还尝试了批

量固化的办法，尽量减少零件在模具上的时间，当零件固

化15〜30分钟形成稳定之后便撤掉模具，然后就批量固化。

图6弹簧框模压（弹簧框（上）和零件（下））

利用第一阶段的成果，波音公司使用PtFS系统、以

及抽真空与树脂密封积成在一起的P20钢模具成形了一

组波形件。该波形件层厚6.3mm,曲率12.7mm,使用中

等模量的碳纤维带准同向铺层，零件纤维含量59-63%,

空隙率为0-0.6%。

图7波音公司成形的热固性波形件

第三种工艺热塑性肋条以及C形段的气囊成形

为了解决热塑性成形温度过高造成的零件不贴膜等

问题，波音公司试验了一种新的气囊工具。该气囊安装在

压力机上，随着压力机上下移动。气囊内充氤气，在高温

下膨胀后挤压零件，可辅助对零件施加水平方向的压力，

弥补预制件因不贴膜造成的未完全固结等缺陷。波音公司

采用该方法制造了肋条以及C形段预制坯。C形段预制坯

由ATC公司进行了最终的冲压成形。

图8C形段从热塑性毛坯到零件的冲压成形

三、RAPM项目结论

RAPM项目要到2020年秋季才会正式结束，随后将

公布更多的结果。到目前为止，根据对真实零件的试验结

果表明，3种工艺对于小型复材零件都具有较好的成形能

力，使用这几种工艺成形的复材零件在成本方面可以与铝

合金竞争。如图9所示，树脂灌注和热塑性零件与铝合金

相比，不仅减轻了重量而且材料以及成形时间等经常性成

本也降低了（不考虑非经常性基础设施的成本）；热固性

波形组件与铝合金相比成本增加了7%,不过考虑到减轻

的重量这也还在设计范围内，今后还需在模具以及成形时

间上下功夫。

当然，在试验过程中也积累了大量的经验教训。比如

放置垫块防止其在加压过程中滑动的方法、以及优化零件

形状，以便能最大限度地提高质量以及降低模具成本等。

同时，项目也指出了两种降低成本的方法：一是对零件的

半径、曲率、转角等标准化；二是减少热塑性预固化的时

间。索尔维公司目前正在申请一项“变压膜”的专利，可为

预成形提供静压，减少固结时间。

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