航空复材高效制造技术的研究

航空复材高效制造技术的研究

万建平 1 马军 1 苏亮 1 许春霞 2 朱春生 2

1. 江西洪都航空工业集团有限责任公司 江西省南昌市 330024

2.南昌工程学院 江西省南昌市 330099

摘要：本文从航空产业的需求出发，论述了高效制造技术对航空复材规模化制造的重要性，着重介绍了几种典型的航空复材规模化的高效制造技术。针对目前的航空复材高效制造难点，本文指出了未来航空复材智能化的发展方向与途径，最终给出了相关的研究结论。

关键词：复合材料；航空制造；高效成型

1．概述——航空复材规模化制造

随着社会的发展，人们出行的方式正在慢慢的发生改变，选择航空出行和旅游的人越来越多了。中国民航飞机进口的总值呈逐年增长态势，2015年进口民航客机的价值就已经突破了人民币100亿元^[1]。正是因为这个原因，中国着手研发了C919客机，并已经成功首飞。

但是，C919并不是宽体客机，难以与波音公司和空客公司的客机全面竞争。早在2003年波音公司就推出了787飞机，这标志着航空产业进入“全复合材料”飞机时代^[1]。采用轻质高强的复合材料结构的宽体客机，飞行经济性更好，安全性也更高。2017年中俄开始合作，研发航空复材结构的CR929宽体客机，航空复材的飞机产业发展到一个新的阶段。

2 航空复材制造及其规模化生产的途径

随着科技的发展，航空复材制造向着规模化和自动化方向前进，在航空工业占有重要地位，下面介绍若干碳纤维航空复材高效生产的先进技术与设备。

2.1 树脂转移模塑成形技术（RTM）

RTM工艺就是在模腔中铺放按性能和结构要求设计的增强材料预成形体，采用注射设备的制造方式，将专用树脂体系注入闭合模腔，模具设备不仅具有周边密封和紧固作用，还具备注射及排气功能，确保树脂流动顺畅并排出模腔内几乎全部气体，达到纤维彻底浸润，同时系统还具有加热和固化的功能^[2]。它没有用预浸料作原材料，不通过热压罐进行固化，具有效率和环保的优点。由于批量生产的成本低，对航空材料的规模化制造影响很大，目前往往可以用于舱门、口盖等承力要求不高的结构件的制造。随着技术发展，1996年美国防务预研局开展了高强度主承力构件低成本的RTM技术研究，RTM技术开始进入到高品质阶段^[2]。

2.2树脂浸渍技术（RFI） 

    RFI工艺是一种将树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种低成本复合材料成形技术，通过真空袋加压成形方法，免去了RTM工艺所需的树脂注射设备以及双面模具的加工，实现了产品品质与制造成本双向优化，RFI可用于耐温性较高但型并不复杂零件的制造^[3]。RFI的关键工艺技术包括预形件成形、树脂流动控制以及编织缝合等。飞机雷达天线罩，A380的机翼后缘和后压力隔框，波音787机身的大部分隔框都是RFI规模化制造的典型案例。

2.3 自动铺带成型技术（ALT）

自动铺带技术集预浸带送出、铺放、滚压、切断等功能于一体，在控温和质量检测的条件下进行预浸料自动铺放的先进制造技术^[4]。自动铺带系统采用了压实机构（如压辊）提供成型压力，摆脱了缠绕成型线型轨迹的限制。铺带技术往往用于型面不太复杂制件的制造。

上世纪60年代，欧美率先将自动化设备用于碳纤维预浸料的自动铺放，开发出相关设备，波音公司和空客公司将ALT技术用于水平尾翼、安定面蒙皮和中央翼盒等部件的制造。

目前，自动铺带技术已发展到第五代，铺放的品质显著提高，铺带效率可达到手工铺贴的上百倍，而且节省材料。图1为美国某航空公司ALT系统的铺放头，设备庞大，效率极高。

图2：ALT系统的大型铺放头

2.4 自动铺丝成型技术（AFP）

自动铺丝技术全称是自动丝束铺放成型技术（ Automated  Fiber placement），它是将缠绕技术中不同丝束独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送等功能结合起来，由铺丝头在压辊作用下将数根丝束（预浸纱）集束成一条宽度可变的预浸带，通过程序控制预浸纱切断与增加来改变预浸带的宽度，然后铺放到模具表面^[5]，整个过程由计算机测控、协调系统完成。

AFP系统与ALT系统有很多相似的地方，但是AFP设备的运动自由度更多，系统更为复杂，软件系统内容更为丰富细致，适应的曲面当然更为复杂，但铺放效率往往比ALT低。

3碳纤维复材成型的人工智能铺放技术

当前的复合材料自动成型制造技术，依然存在一些急需解决的问题。

树脂转移模塑成形设备和树脂浸渍设备尽管有比较好的适应性，但是由于总体材料的基体含量，不如自动铺带设备或自动铺丝设备铺放的预浸料那么低。因此，通过RTM 和RFI技术的产品没有ALT或AFP技术的产品的品质高，特别是强度方面差异明显。

当然，自动铺带设备或自动铺丝设备由于铺放头尺寸远比人的手要大得多，小尺寸的制件，曲率半径小于100mm的凹槽基本都无法铺放。因此，目前手工铺放在航空复材制件中仍占有相当的比重。

基于上述情况，模拟人手工铺放操作方式的人工智能铺放，是发展的一个重要方向。目前，人所做的事，很多都可以通过智能机器去做。只要将操作技师的手上绑定一些传感器，将操作过程的状态数据传给机器人，智能机器人便可以向人学习如何操作，最终可以达到、甚至超过操作技师的水平，从而实现代替人操作的地步。人工智能铺放是未来航空复材规模化制造技术当，一个重点发展的新方向。

4 总结

通过以上的分析与研究，可以得出以下结论：

（1）航空复材制造已经进入到自动化、规模化的深度发展阶段；

（2）RTM、RFI、ALT和AFP是航空复材规模化制造的重要技术，并且已基本成熟；

（3）人工智能铺放是未来航空复材规模化制造的一个重点发展的新方向。

5致谢

感谢江西省教育厅基金（GJJ180934，GJJ180960） 对本研究工作的大力支持。

参考文献

[1] 郑金阳, 刘文胜. 民用飞机中国市场分析和预测[J]. 国际航空, 2001(01):31-33.

[2] 徐敬一, 马玉录. 树脂传递模塑（RTM）成型工艺及应用[J]. 中国塑料, 1992(2):9-16.

[3] 董萌. RFI成型工艺用树脂膜的研究[D]. 西北工业大学, 2007.

[4]张建宝. 复合材料自动铺带控制及工艺关键技术研究[D]. 南京航空航天大学, 2010.

[5] 文立伟, 肖军, 王显峰, et al. 中国复合材料自动铺放技术研究进展[J]. 南京航空航天大学学报, 2015, 47(5).

（通讯作者：朱春生）