羅云烽 王高鵬 程文禮 畢紅艷

摘 要 傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝制造成本高、周期長，制約著復(fù)合材料的大規(guī)模推廣應(yīng)用，提高復(fù)合材料制造效率、降低制造成本是復(fù)合材料研究的永恒主題。本文概述了模壓快速成型、液體成型技術(shù)、熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)三種適用于航空領(lǐng)域的復(fù)合材料快速成型技術(shù)及其對應(yīng)的材料體系特點和典型性能，總結(jié)了其在國內(nèi)外航空領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，提出了我國未來快速成型技術(shù)研究發(fā)展的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；快速成型技術(shù)；低成本；模壓成型；液體成型；熱塑性復(fù)合材料成型

Review on Rapid Prototyping Technology of

Composite Materials

LUO Yunfeng，WANG Gaopeng，CHENG Wenli，BI Hongyan

（AVIC Composite Company LTD，Beijing 101300）

ABSTRACT The traditional composite molding process has high manufacturing cost and long manufactur-ing cycle， which restricts the large-scale promotion and application of composite materials. Im-proving the manufacturing efficiency of composite materials and reducing the manufacturing cost are the eternal theme of composite materials research. This paper summarizes three kinds of composite rapid prototyping technology applicable to the aviation field， namely， rapid com-pression molding， liquid molding technology and thermoplastic composite molding technology， as well as their corresponding material system characteristics and typical properties， summarizes their latest research progress in the aviation field at home and abroad， and put forward relevant suggestions for the research and development of rapid prototyping technology in China in the future.

KEYWORDS composite materials; rapid prototyping technology; low cost; compression molding; liquid molding; thermoplastic composite molding

1 引言

復(fù)合材料因其具備高比強度、高比剛度、耐腐蝕等優(yōu)異特性廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，但昂貴的制造成本長期制約著復(fù)合材料的擴大應(yīng)用，如碳纖維及樹脂等材料成本一般只占到25%～30%，而制造成本卻占到了70%～75%［1］。另一方面，傳統(tǒng)復(fù)合材料成型周期長也制約著飛機月產(chǎn)速率，單通道飛機需求量將達(dá)到60～100架/月［2］ ，如A320系列飛機月產(chǎn)速率在未來幾年將達(dá)到75架。因此，為提高復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的競爭力，在保證減重及結(jié)構(gòu)性能的同時降低制造成本、提高制造效率將成為復(fù)合材料應(yīng)用的研究熱點。

國際上對復(fù)合材料低成本、快速成型技術(shù)的研究和應(yīng)用相當(dāng)重視，為實現(xiàn)擴大產(chǎn)能、降低成本、保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)，發(fā)起了一系列技術(shù)攻關(guān)項目和計劃，例如，歐洲的ALCAS（Advanced and low cost airframe structure）、WTO（Wing of Tomorrow）、潔凈天空（Clean Sky）、潔凈天空2（Clean Sky 2）計劃、TAPAS（Thermoplastic affordable primary aircraft structure）項目，美國的CAl（Composite affordable initiative）、RAPM（Rapid high-Performance Manufacturing）計劃，法國的SIDEFFECT項目等。近年來，國內(nèi)在“綠色航空”和“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動下，降低能源消耗、減少噪聲和碳排放已成為中國航空未來的發(fā)展目標(biāo)。因此，提高飛行器主材——復(fù)合材料的制造效率、降低能耗和碳排放勢在必行，本文主要針對模壓快速成型、液體成型技術(shù)、熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)三類航空領(lǐng)域常用的復(fù)合材料低成本、快速成型技術(shù)進(jìn)行了概述和分析，包括各類成型技術(shù)適用的材料體系、工藝特點及國內(nèi)外工程技術(shù)應(yīng)用情況，并對復(fù)合材料快速成型工藝的未來研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2 快速成型技術(shù)

目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝較多，可以適用不同結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造，但考慮到航空領(lǐng)域尤其是民用飛機的工業(yè)化生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本，改進(jìn)固化工藝以減少時間、降低成本迫在眉睫?？焖俪尚图夹g(shù)（Rapid Prototyping）是一種基于離散、堆積成型原理的新型制造方法［3］，是一種低成本快速成型技術(shù)，常見的有模壓快速成型技術(shù)、液體成型技術(shù)、熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)等［4］。

2.1 模壓快速成型技術(shù)

模壓快速成型技術(shù)是將預(yù)先鋪貼好的預(yù)浸料毛坯放置在模壓模具中，合模之后通過升溫加壓使得毛坯密實固化的工藝方法，模壓成型速率快、制品尺寸準(zhǔn)確、成型質(zhì)量穩(wěn)定均一，結(jié)合自動化技術(shù)，可實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在民用航空領(lǐng)域的批量化、自動化、低成本制造。

2.1.1 模壓快速固化預(yù)浸料特點及性能

模壓快速固化預(yù)浸料具有以下特點：（1）樹脂體系具備良好的粘度-溫度特性；（2）預(yù)浸料具有較長的儲存期及操作壽命；（3）較寬的工藝窗口，可以實現(xiàn)較寬溫度范圍內(nèi)的固化要求，能夠滿足預(yù)浸料模壓工藝；（4）較高的反應(yīng)活性，固化時間在30min以內(nèi)［5］；（5）樹脂與增強體具有較好的界面匹配性。目前，國內(nèi)外的模壓快速固化預(yù)浸料體系的特點及性能如表1所示。

2.1.2 模壓快速成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

美國2015年提出的RAPM計劃，旨在將復(fù)合材料的成型時間控制在30min以內(nèi)，Solvay公司開發(fā)的CYCOM EP2750環(huán)氧樹脂體系就是該計劃的主要材料之一。通過模壓成型制備的各類零件，如圖1所示，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)異，孔隙率均低于0.5%［6-8］。此外，美國東麗復(fù)合材料公司于2021年也宣布推出 Toray 2700預(yù)浸料體系，能夠在5min以內(nèi)完成固化，用于制造翼肋和蜂窩板。

國內(nèi)模壓快速成型技術(shù)起步較晚，且大多集中在汽車等民用領(lǐng)域，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司劉賓賓［9］使用ACTECH1201/SYT45預(yù)浸料體系通過模壓成型工藝制備了典型車身零部件加強梁，單件加強梁零部件快速模壓成型時間≤8.5 min，表面質(zhì)量滿足制造驗收技術(shù)要求。

2.2 液體成型技術(shù)

液體成型技術(shù)（LCM）是指先將干纖維預(yù)制體鋪放于閉合模具型腔中，合模后將液體樹脂注射入模腔中，在壓力作用下樹脂流動并浸潤纖維的一系列復(fù)合材料成型技術(shù)，相比于熱壓罐成型工藝有很多優(yōu)點，例如，適用于尺寸精度高、外形復(fù)雜的零件制造；制造成本低、操作簡單［10］。特別是近些年發(fā)展起來的高壓RTM工藝（HP-RTM），通過縮減注射時間，有望將航空結(jié)構(gòu)件制造時間控制在幾十分鐘內(nèi)，實現(xiàn)高纖維含量、高性能的零件制造。

2.2.1 液體成型樹脂體系特點及性能

液體成型工藝的樹脂體系通常具備以下特點［11］：（1）良好的粘溫特性，注射溫度下具備較低的粘度；（2）與增強纖維形成良好的界面，可快速充滿型腔；（3）有良好的固化反應(yīng)特性，固化收縮率低，成型后制件內(nèi)部無微裂紋。

國外航空領(lǐng)域用液體成型樹脂的生產(chǎn)廠商主要有比利時的Solvay 公司、美國的Hexcel 公司和日本的Toray公司。國內(nèi)也開發(fā)了一系列高力學(xué)性能、高韌性的樹脂體系。典型的液體成型樹脂體系特點及性能如表2所示。

2.2.2 液體成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國外在低成本液體成型技術(shù)開展了很多技術(shù)研究及工程應(yīng)用，GKN公司使用RTM工藝一體化成型了17m長的C形后緣翼梁，如圖2所示，并于2021年9月交付空客公司用于明日之翼計劃［12］。Spirit AeroSystems公司于2021年8月向空客公司交付了第一批使用RTM技術(shù)生產(chǎn)的新A320擾流板，如圖3所示，制造成本大幅降低，生產(chǎn)效率大幅提升［13］。奧地利Alpex公司采用Hexcel RTM6-2雙組分樹脂體系，采用HP-RTM技術(shù)成型了A350門框［14］，通過自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，整個成型周期約為4h，零件成本降低30%，生產(chǎn)效率達(dá)到 500-1000個/年。

國內(nèi)在復(fù)合材料液體成型技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用方面也開展了一定研究和探索工作。主要研究機構(gòu)有中航復(fù)材、商飛公司、成飛公司等。中航復(fù)材使用BA9914材料體系成型了帽型加筋壁板及大尺寸加筋壁板典型件，該結(jié)構(gòu)件的纖維體積含量達(dá)到了58％以上，驗證了VARI 工藝對提高復(fù)合材料纖維含量的可行性［15］。航空工業(yè)成飛的羅維等人［16］針對一種含縱橫加筋及局部翻邊結(jié)構(gòu)特征的機身次承力框結(jié)構(gòu)的整體化 RTM 成型工藝方法進(jìn)行了研究，采用全（0°/90°）鋪層方案和面注膠方式成功制備了內(nèi)部質(zhì)量合格、力學(xué)性能與熱壓罐成型工藝相當(dāng)?shù)膹?fù)合材料整體隔框，如圖4所示。

2.3 熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)

近年來，熱塑性復(fù)合材料已成為國內(nèi)外復(fù)合材料制造領(lǐng)域的研究熱點，因其具有高抗沖擊性、高韌性、高損傷容限以及良好的耐熱性等優(yōu)點。通過熱塑性復(fù)合材料焊接可以大幅降低飛機結(jié)構(gòu)的鉚釘和螺栓連接數(shù)量，可大幅提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本［17］。據(jù)飛機結(jié)構(gòu)一級供應(yīng)商Airframer Collins Aerospace報道，與金屬和熱固性復(fù)合材料組件相比，非熱壓罐成型的可焊接熱塑性結(jié)構(gòu)有可能將制造周期縮短80%［18］。

2.3.1 熱塑性復(fù)合材料體系特點及性能

與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料有如下特點： （1）具有可焊接特性，通用性強，焊接時間短，可以應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料的連接［17］；（2）韌性好，耐疲勞，損傷容限高；（3）存儲和操作壽命長，可長期使用；（3） 生產(chǎn)效率高，通常僅需數(shù)十秒到幾分鐘；（4）可回收利用，對環(huán)境友好。

目前，航空領(lǐng)域常用的熱塑性樹脂體系主要有PEEK、PEKK、PPS等。國外開發(fā)較早，并已成熟應(yīng)用，國內(nèi)起步較晚，但也實現(xiàn)了航空級CF/PPS和CF/PEEK板材的制備。國內(nèi)外熱塑性樹脂復(fù)合材料特點及性能如表3所示。

2.3.2 熱塑性復(fù)合材料焊接成型及應(yīng)用

目前，最具潛力的熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)主要有超聲波焊接、感應(yīng)焊接、電阻焊接等，上述三種熱塑性復(fù)合材料焊接方式的原理如圖5所示。

荷蘭Fokker 公司設(shè)計并開發(fā)的灣流650型商務(wù)機的尾翼部分由CF/PPS復(fù)合材料焊接而成，并首次創(chuàng)新性地將電感定位焊接技術(shù)引入飛機方向舵和升降舵的工業(yè)化制造中［19］；德國DLR機構(gòu)負(fù)責(zé)MFFD多功能機身演示件上半部分的制造，其Z型縱梁通過連續(xù)超聲波焊接實現(xiàn)與原位固化熱塑性復(fù)合材料蒙皮的連接，如圖6所示，整個焊接大約需要兩分鐘［20］。MFFD的下半部分由荷蘭SAM/XL公司負(fù)責(zé)制造，首先用1米長的傳導(dǎo)焊接工具將“Ω”長桁定位并通過超聲波焊接于機身蒙皮上，如圖7和圖8所示，然后將馬鞍形角片使用同樣的超聲波電焊焊接于蒙皮上，最后安裝地板格柵、地板梁及其他系統(tǒng)［21］。另外，空客正在研發(fā)的新一代A320，機身、機翼、門框和接頭等都采用了熱塑性復(fù)合材料，使得其復(fù)材用量達(dá)到了50%～60%，不僅可實現(xiàn)更高的生產(chǎn)率，還可以實現(xiàn)最佳的成本和重量；

3 結(jié)語

高效率、低成本已是未來復(fù)合材料成型工藝的新發(fā)展方向，也是我國航空復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和綠色航空的必由之路。國內(nèi)在此類成型技術(shù)的工藝原理、實驗應(yīng)用等領(lǐng)域取得了一定成果，但還存在一定差距，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展，提出以下建議：

（1）模壓快速成型技術(shù)尤其在航空結(jié)構(gòu)小零件的應(yīng)用及制造有很大優(yōu)勢，未來需要重點研究快速固化模壓樹脂體系及預(yù)浸料，固化時間要小于30min，材料工藝性良好，滿足自動鋪放等自動化生產(chǎn)需求，還需具備優(yōu)異的耐溫性和力學(xué)性能，滿足航空主次承力結(jié)構(gòu)需求；另一方面，要建立模壓自動化生產(chǎn)線，通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)物料出庫、下料設(shè)備、成型設(shè)備、轉(zhuǎn)移設(shè)備、切割設(shè)備、檢測設(shè)備等的集成，實現(xiàn)機械臂上料、機械臂取件轉(zhuǎn)移、產(chǎn)品切割打孔、無損檢測等功能，配合報警系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，保證自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、安全性和可靠性；小尺寸零件預(yù)制體的快速鋪貼成型，可以通過熱隔膜成型、機械熱成型等實現(xiàn)預(yù)浸料平板毛坯的賦形，重點研究模具溫度、壓實速率對預(yù)制體成型質(zhì)量的影響，抑制纖維扭轉(zhuǎn)和褶皺的產(chǎn)生，實現(xiàn)快速鋪貼。

（2）液體成型技術(shù)的發(fā)展首先還是先進(jìn)樹脂體系的開發(fā)，要求注射溫度下具有較低的粘度，通常小于10Pa·s，且具備較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和優(yōu)異的濕熱性能，韌性和損傷容限滿足航空主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用；另一方面是開發(fā)干纖維自動鋪放技術(shù)，如M21S機翼通過ADFP 干纖維自動鋪放預(yù)成型有效提高了最終制件的纖維體積含量，實現(xiàn)RTM結(jié)構(gòu)件由次承力逐漸轉(zhuǎn)為主承力結(jié)構(gòu)；成型過程中還可以通過固化過程仿真、工藝過程數(shù)值模擬、固化變形仿真及控制、壓力傳遞等模擬手段監(jiān)測，采用PAM-RTM等軟件針對不同樹脂反應(yīng)體系選擇合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，對固化過程中熱量傳遞、樹脂流動填充、纖維密實、氣泡產(chǎn)生遷移進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)多物理場及多尺度下的耦合計算，提高產(chǎn)品合格率。

（3）隨著國際越來越多的飛機型號成功應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料及其焊接技術(shù)，驗證了熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)在民用飛機結(jié)構(gòu)制造的可行性。目前，有望在未來國產(chǎn)大飛機上看到熱塑性復(fù)合材料的身影。因此，我國亟需建立完整的技術(shù)體系，填補關(guān)鍵技術(shù)空白，繼續(xù)解決熱塑性復(fù)合材料體系的開發(fā)、成型工藝規(guī)范的制定、形成各類材料標(biāo)準(zhǔn)及焊接工藝規(guī)范，建立焊接及焊縫質(zhì)量的評價方案及標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)連續(xù)自動化焊接設(shè)備等。

參 考 文 獻(xiàn)

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