復合材料結(jié)構(gòu)自動化制造技術(shù)

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

自動鋪帶技術(shù)

    自動鋪帶技術(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合材料制件。在自動鋪帶機上實現(xiàn)預浸帶裁剪、定位、鋪疊、輥壓等工序連續(xù)自動完成。

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

自動絲束鋪放技術(shù)

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

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

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

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

    國外自動鋪絲設(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合材料構(gòu)件的鋪疊， 立式結(jié)構(gòu)更適合于大型機身類壁板復合材料構(gòu)件的鋪疊。

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

復合材料結(jié)構(gòu)液體成形技術(shù)

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

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

預制體制備縫合技術(shù)

    預制體制備技術(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合預制體采用縫紉機對鋪貼好的織物進行縫合，增強織物的縱向連接，滿足復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)的預制體。

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

RTM成形技術(shù)

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

    RTM成形模具技術(shù)：模具由對合模和芯模塊成，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)。對合模應(yīng)具有足夠的剛度，在注射過程中和固化時不允許變形，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)樹脂流場設(shè)計來配置。

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

VARI成形技術(shù)

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

    VARI成形工藝由于樹脂的流動僅靠真空牽引遠遠小于RTM的注射壓力，因此成形時，要求樹脂粘度更低，流動路徑更短。

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

RFI成形技術(shù)

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

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

    RFI技術(shù)已用于飛機和發(fā)動機復合材料結(jié)構(gòu)的制造，如A380的機翼后緣和后壓力隔框，波音787機身的大部分隔框，GEnx的風扇機匣等。

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