復(fù)合材料低成本制造

復(fù)合材料低成本制造近年來，大型復(fù)合材料零件借助自動鋪絲鋪帶等工藝和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了低成本制造，展現(xiàn)出優(yōu)于金屬材料構(gòu)件的性價(jià)比，并在飛機(jī)大型構(gòu)件的制造中取代了金屬材料。但是，對于軍用飛機(jī)而言，大約80%的機(jī)身零件重量不到10公斤，由于復(fù)合材料目前僅在重量大于10公斤的零件制造中較有優(yōu)勢，所以這部分小型零件的絕大多數(shù)還是采用金屬材料制造。針對這種情況，美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）于2015年推出了“可剪裁原材料與成形”(TFF)計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)重量小于10公斤復(fù)材構(gòu)件的快速低成本制造。該項(xiàng)目包括兩個子項(xiàng)目：一是材料開發(fā)。希望開發(fā)出通用的具有高力學(xué)性能和金屬成形能力的短纖維材料，目前這部分工作已完成；二是成形制造。由波音公司牽頭開發(fā)“快速高性能制造”技術(shù)，即RAPM項(xiàng)目。該項(xiàng)目成果在2019年的SAMPE峰會上波音公司進(jìn)行了展示，不過正式成果將于2020年秋季發(fā)布。以下就讓我們來具體分析一下RAPM子項(xiàng)目的進(jìn)展情況：圖1復(fù)材零件商業(yè)化后的成本趨勢（根據(jù)以往生產(chǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成的成本趨勢曲線）一、RAPM項(xiàng)目概況RAPM項(xiàng)目由波音公司牽頭，參與方除了航空航天領(lǐng)域的公司外，還包括材料供應(yīng)商索爾維復(fù)合材料公司、熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)專家ATC制造技術(shù)公司、德國SGLCarbon公司和溫度控制專家英國SurfaceGeneration公司等，后兩家公司多與汽車相關(guān)。項(xiàng)目設(shè)置目的是為了更好地了解復(fù)合材料以及工藝的成本狀況，希望用汽車制造的效率達(dá)到飛機(jī)要求的性能。波音公司有意向把復(fù)材零件成形時間控制在30分鐘以內(nèi)，通過高效工作降低成本，從而達(dá)到可以和鋁合金競爭的目的。波音公司聯(lián)合了工業(yè)界一些重要的合作伙伴，從3個方面開展RAPM項(xiàng)目研究：●與HITCO碳纖維公司和SGL復(fù)材公司一起試驗(yàn)樹脂灌注技術(shù)●

與索爾維、FIBERDYNAMICS公司以及REINHOLD公司試驗(yàn)熱固性預(yù)浸料成形技術(shù)●

與ATC公司和TXV公司試驗(yàn)熱塑性成形技術(shù)試驗(yàn)分兩個階段完成：第一個階段為“制造開發(fā)”階段，比較三種主要工藝和三類不同形狀的零件，如壁板、肋條以及C形段等，摸索工藝參數(shù)；第二個階段是“挑戰(zhàn)和轉(zhuǎn)移”階段，用第一階段的成果制造可與鋁合金競爭的零件。圖2

第一階段的3種工藝和3類不同形狀的零件（壁板、肋條以及C形段）圖3第二階段的零件在試驗(yàn)中波音公司使用了英國SurfaceGeneration公司的“生產(chǎn)加熱和成形規(guī)范控制系統(tǒng)”（PtFS）。PtFS系統(tǒng)最高溫度為440℃，壓力150噸，零件尺寸750X750X100mm。圖4英國SurfaceGeneration公司“加熱和成形規(guī)范控制系統(tǒng)”（PtFS）材料方面RAPM項(xiàng)目中沒有使用TuFF項(xiàng)目開發(fā)的短纖維材料，而是使用了汽車用有機(jī)纖維和航空級預(yù)浸料、環(huán)氧樹脂、熱塑性樹脂以及短纖維的混合材料等，所以試驗(yàn)結(jié)果不僅適用于軍工，而是整個復(fù)材制造領(lǐng)域。二、RAPM項(xiàng)目試驗(yàn)過程第一種工藝：樹脂灌注RTM工藝SGL公司為第一項(xiàng)工藝選用汽車用的材料，采用HP-RTM和C-RTM工藝先摸索出工藝參數(shù)，然后在第一階段的基礎(chǔ)上采用低成本的LPRTM做出了帶凹槽的對比零件。該零件帶有兩個凹槽：一個5cm的長方形凹槽和一個10cm的從矩形向V形的過渡凹槽。該零件使用了低成本的Raku-TOOL、手動夾具以及鋁合金的成形模具。圖5使用LPRTM樹脂灌注成形的帶凹槽的對比零件對比零件檢測結(jié)果顯示固化完全，纖維排列整齊，質(zhì)量很高。該零件纖維體積含量49.5%，零件鋪層數(shù)只有目前預(yù)浸料工藝的1/3，手工勞動量降低了90%。同時，為了測試模具和工藝的適用性，波音公司也用航空級的樹脂和纖維使用LPRTM制造了對比零件，這些零件也全部通過了無損檢測。第二種工藝熱固性預(yù)浸料成形針對熱固性預(yù)制件在壓力下易產(chǎn)生褶皺的問題，索爾維公司對工藝進(jìn)行了完善，使用彈簧框工具對預(yù)制件施加張力。另外，為了提高生產(chǎn)效率，索爾維公司還嘗試了批量固化的辦法，盡量減少零件在模具上的時間，當(dāng)零件固化15~30分鐘形成穩(wěn)定之后便撤掉模具，然后就批量固化。圖6彈簧框模壓（彈簧框（上）和零件（下））利用第一階段的成果，波音公司使用PtFS系統(tǒng)、以及抽真空與樹脂密封積成在一起的P20鋼模具成形了一組波形件。該波形件層厚6.3mm，曲率12.7mm，使用中等模量的碳纖維帶準(zhǔn)同向鋪層，零件纖維含量59-63%，空隙率為0~0.6%。圖7波音公司成形的熱固性波形件第三種工藝熱塑性肋條以及C形段的氣囊成形

為了解決熱塑性成形溫度過高造成的零件不貼膜等問題，波音公司試驗(yàn)了一種新的氣囊工具。該氣囊安裝在壓力機(jī)上，隨著壓力機(jī)上下移動。氣囊內(nèi)充氬氣，在高溫下膨脹后擠壓零件，可輔助對零件施加水平方向的壓力，彌補(bǔ)預(yù)制件因不貼膜造成的未完全固結(jié)等缺陷。波音公司采用該方法制造了肋條以及C形段預(yù)制坯。C形段預(yù)制坯由ATC公司進(jìn)行了最終的沖壓成形。圖8C形段從熱塑性毛坯到零件的沖壓成形三、RAPM項(xiàng)目結(jié)論RAPM項(xiàng)目要到2020年秋季才會正式結(jié)束，隨后將公布更多的結(jié)果。到目前為止，根據(jù)對真實(shí)零件的試驗(yàn)結(jié)果表明，3種工藝對于小型復(fù)材零件都具有較好的成形能力，使用這幾種工藝成形的復(fù)材零件在成本方面可以與鋁合金競爭。如圖9所示，樹脂灌注和熱塑性零件與鋁合金相比，不僅減輕了重量而且材料以及成形時間等經(jīng)常性成本也降低了（不考慮非經(jīng)常性基礎(chǔ)設(shè)施的成本）；熱固性波形組件與鋁合金相比成本增加了7%，不過考慮到減輕的重量這也還在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，今后還需在模具以及成形時間上下功夫。當(dāng)然，在試驗(yàn)過程中也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。比如放置墊塊防止其在加壓過程中滑動的方法、以及優(yōu)化零件形狀，以便能最大限度地提高質(zhì)量以及降低模具成本等。同時，項(xiàng)目也指出了兩種降低成本的方法：一是對零件的半徑、曲率、轉(zhuǎn)角等標(biāo)準(zhǔn)化；二是減少熱塑性預(yù)固化的時間。索爾維公司目前正在申請一項(xiàng)“變壓膜”的專利，可為預(yù)成形提供靜壓，減少固結(jié)時間。圖9

RAPM項(xiàng)目的復(fù)材零件與鋁合金的成本比較四、前景與展望如今，復(fù)合材料以其較好的力學(xué)、耐高溫、耐腐蝕等性能在汽車、飛機(jī)等都得到了不同程度的應(yīng)用，但由于材料及制造的高成本，復(fù)材大規(guī)模應(yīng)用的階段還遠(yuǎn)未到來。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的低成本制造是進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用范圍的路徑之一，這也是美國DAPPA設(shè)置該項(xiàng)目的初衷。波音公司通過RAPM項(xiàng)目探索了幾種飛機(jī)上典型零件的低成本制造方法，也大膽對工藝進(jìn)行了改進(jìn)和完善。比如，在試驗(yàn)過程中使用了英國SurfaceGeneration公司的“生產(chǎn)加熱和成形規(guī)范控制系統(tǒng)”（PtFS），實(shí)現(xiàn)了加熱加壓的自動化，提高了生產(chǎn)效率；另外，在降低制造成本的同時，波音公司還改善了工藝以提高零件質(zhì)量。比如在制造熱固性的預(yù)制件時為防止褶皺現(xiàn)象采用彈簧框模壓技術(shù)；在制造熱塑性零件采用了新型的帶氣囊的模具，以提高零件的預(yù)固結(jié)質(zhì)量等。

本篇文章只是簡單地介紹了RAPM項(xiàng)目的