国外航空复合材料加工技术

复合材料结构自动化制造技术

    国外采用的自动化制造技术主要有自动铺带、丝束自动铺放等技术，是大型复合材料壁板及复合材料机身筒体制造的唯一手段，此外这些高效自动化技术显著提高了复合材料生产效率和制件内部质量，降低了成本，使复合材料性能最优化和低成本并存成为可能。

自动铺带技术

    自动铺带技术用于大尺寸中小曲率的壁板构件的铺层，与手工铺放相比，质量稳定，制造成本降低30%~50﹪，并可成形超大尺寸复合材料制件。在自动铺带机上实现预浸带裁剪、定位、铺叠、辊压等工序连续自动完成。

    此项技术在欧美已经成熟，铺带机机械系统、CAD/CAM软件、铺放工艺技术大规模应用于航空复合材料结构件的制造。如B1、B2轰炸机的机翼蒙皮，NavyA6轰炸机机翼蒙皮，F-22战斗机机翼蒙皮，波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17运输机的水平安定面蒙皮，波音787机翼蒙皮等，A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的机翼蒙皮和安定面蒙皮，A350机翼蒙皮和中央翼盒，A400M机翼蒙皮和机翼大梁等均采用了自动铺带技术制造。

自动丝束铺放技术

    自动铺丝技术和缠绕技术相比，解决了复杂构型缠绕时难以解决的架桥和滑移的瓶颈问题，满足各种复杂旋转体铺叠要求。

     自动铺丝技术和自动铺带技术相比，解决了自动铺带在铺叠带台阶的翼面、小曲率半径的凹面难以解决的瓶颈问题，满足各种复杂内形结构的壁板的铺叠要求。

    自动铺丝技术是在自动铺带技术和纤维缠绕技术的基础上发展起来的新技术，自动铺丝技术可以实现复杂形状整体结构件三维轨迹的连续丝束铺放，可以根据运行轨迹当地的铺覆宽度自适应地调整丝束宽度，实现带凸面、凹面及台阶、变厚、拐角等复杂内型曲面结构的铺放。

    自动铺丝设备主要由铺丝头、铺丝头支座、模具支架、预浸纱架以及张力系统、控制系统和软件组成。

    国外自动铺丝设备有两种结构，立式结构和卧式结构。卧式结构更适用于封闭的筒体复合材料构件的铺叠， 立式结构更适合于大型机身类壁板复合材料构件的铺叠。

    自动铺丝技术在航空领域已广泛应用，具有代表性的有V-22飞机的后机身、F-22和F35均采用自动铺丝技术制造复合材料S形进气道、B787的机身段、A380后机身。

复合材料结构液体成形技术

    复合材料结构液体成形方法主要应用于除机翼主承力翼面、机身主承力筒体外的复杂、次承力大型整体结构成型。

    液体成形技术主要包括预制体制备缝合技术和树脂转移技术：RTM、RFI及VARI。

预制体制备缝合技术

    预制体制备技术指采用织物缝合的方法制成零件结构的骨架的技术。预制体制备是液体转移成形技术的关键环节。缝合预制体采用缝纫机对铺贴好的织物进行缝合，增强织物的纵向连接，满足复合材料抗冲击的要求，采用缝纫的方法连接各零件的叠层块，形成结构的预制体。

    缝合设备的选用：对于平板件和曲率小的结构件采用龙门式缝合设备；对于带有复杂外形的结构件采用机械手缝合设备。

RTM成形技术

    RTM成形方法即树脂转移模塑成形方法，其工艺过程是：首先在模具型腔内铺放好按性能和结构要求设计好的纤维增强预成形体，然后利用真空或注射装置提供压力将专用树脂注入到闭合的模腔内，直至整个型腔内的纤维增强预成形体完全被浸润，最后进行固化成形和脱模。

    RTM成形模具技术：模具由对合模和芯模块成，模具的型面精度和安装位置的精度是保证产品结构外形和内形的基础。对合模应具有足够的刚度，在注射过程中和固化时不允许变形，以满足产品形状及内部质量要求。模具上的注胶孔和溢胶孔应根据树脂流场设计来配置。

    RTM技术已广泛应用于次承力结构如舱门和检查口盖，目前已应用于垂尾级整体结构制造。

VARI成形技术

    VARI即真空辅助树脂渗透成形技术是在RTM成形工艺的基础上发展起来的另一种成形技术。适用于大型复合材料制件成形的低成本工艺方法。对预制体进行抽真空，排除纤维预成形体内的气体后，再在真空环境下实现树脂的流动和对纤维的渗透，通过溢出多余的树脂控制树脂含量，并带走树脂中裹入的气泡，最后在室温或加热条件下进行固化成形。VARI成形复合材料结构件空隙含量一般比层压板结构件孔隙率低。

    VARI成形工艺由于树脂的流动仅靠真空牵引远远小于RTM的注射压力，因此成形时，要求树脂粘度更低，流动路径更短。

    VARI成形技术适用于制造室温和中温成形的特大型复合材料构件，。

RFI成形技术

    RFI成形工艺即树脂膜渗透成形，是复合材料液体成形工艺的一种。其主要原理是在预制体与模具之间按结构的要求铺设树脂膜，固化过程中树脂膜受热熔化，在真空及压力作用下树脂液体渗透到预制体相应部位并完成固化成形。

    RFI成形工艺与其它传统复合材料成形工艺的本质区别就在于RFI工艺纤维∕树脂的浸润是由低粘度的树脂在增强材料中渗透并排除增强材料织构中的气体和基体树脂中的气体而完成纤维∕树脂的浸润。

    RFI技术已用于飞机和发动机复合材料结构的制造，如A380的机翼后缘和后压力隔框，波音787机身的大部分隔框，GEnx的风扇机匣等。

    国外高性能碳纤维和高韧性树脂的发展及复合材料的成形方法和自动化制造技术的发展，促进了大型飞机复合材料结构的广泛应用，值得借鉴。