復(fù)合材料數(shù)字化檢測及液態(tài)成型技術(shù)

萬建平 ，陳石平 ，李延平 ，鐘日良 ，郭鵬亮 ，蘇亮

（1.航空工業(yè)洪都，江西南昌330024；2.中國人民解放軍空軍駐江西地區(qū)軍事代表室，江西南昌330024）

復(fù)合材料由于其具有比強(qiáng)度高、比剛度大、抗疲勞性好、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了解決復(fù)合材料成本較貴、精度較低、質(zhì)量穩(wěn)定性較差等問題，行業(yè)內(nèi)將數(shù)字化制造技術(shù)和低成本制造技術(shù)作為重點(diǎn)進(jìn)行研究、發(fā)展。

1 復(fù)合材料數(shù)字化檢測技術(shù)

目前，行業(yè)內(nèi)各主機(jī)廠不斷引進(jìn)先進(jìn)的復(fù)合材料數(shù)字化加工設(shè)備，基本建立了包括自動下料、定位、鋪貼、加工的數(shù)字化生產(chǎn)線，但對于復(fù)合材料制件的外形檢測環(huán)節(jié)仍然以卡板檢測為主。卡板檢測法主要存在以下問題：

1）不同制件需要定位在不同的檢驗(yàn)型架上，檢驗(yàn)工裝不具有通用性；

2）卡板本身加工誤差、定位誤差較大；

3）檢測時一般用千分片檢測卡板和制件之間的間隙，檢測數(shù)據(jù)誤差較大；

4）只能在有卡板的位置檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不夠全面。數(shù)字化檢測技術(shù)是克服上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件精確、有效、快速檢測的有效手段。復(fù)合材料制件外形數(shù)字化檢測方法主要包括激光掃描、激光跟蹤儀、激光雷達(dá)檢測等。

1.1 激光掃描檢測

激光掃描檢測系統(tǒng)包括手持式激光掃描儀、手持式測頭和其他功能附件，實(shí)物如圖1所示。使用激光檢測系統(tǒng)需要基于定位標(biāo)點(diǎn)，檢測之前應(yīng)在零件表面上貼定位標(biāo)點(diǎn)。手持式掃描儀的功能是掃描零件表面，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；手持式測頭則具有采集零部件上的特征（如線、面、圓、圓柱等）的功能。系統(tǒng)將得到的數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行對比分析，其測量精度約為20um+25um/m。激光掃描儀檢測使用比較方便，但其精度稍差，多用于制件外形檢測和逆向工程。

1.2 激光跟蹤儀檢測

激光跟蹤儀是基于球坐標(biāo)系的便攜式坐標(biāo)測量系統(tǒng)，具有測量精度高、實(shí)時快、便于移動、能動態(tài)測量等優(yōu)點(diǎn)。跟蹤儀測量系統(tǒng)由跟蹤儀主機(jī)、三角底盤、反射球等組成，其實(shí)物如圖2所示。

激光跟蹤儀檢測首先需要設(shè)置定位基準(zhǔn)，其基準(zhǔn)可以是產(chǎn)品上的基準(zhǔn)孔或者安裝型架上的基準(zhǔn)孔。測量時在目標(biāo)點(diǎn)上安置一個反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上并返射回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。激光跟蹤儀的測量精度約為15μm/m+6μm/m，較適用于有基準(zhǔn)孔的制件或型架的檢測。

1.3 激光雷達(dá)檢測

激光雷達(dá)是一種球坐標(biāo)系的測量系統(tǒng)，它產(chǎn)生一束聚焦的紅外激光投向被測目標(biāo)，此時在被測目標(biāo)上產(chǎn)生大量的發(fā)射光束，將入射激光返回雷達(dá)所經(jīng)歷的時間與復(fù)制的入射激光通過內(nèi)置已知長度的光纖所用時間進(jìn)行比對，得出被測目標(biāo)與激光雷達(dá)的距離。被測目標(biāo)的方位角和仰角分別由反射鏡和旋轉(zhuǎn)頭獲取，即可獲得被測目標(biāo)的空間位置。激光雷達(dá)是一種非接觸式檢測方法，不需要設(shè)置基準(zhǔn)，系統(tǒng)得到大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)可供進(jìn)行比較、分析。其測量精度大約為10μm/m，可用于無基準(zhǔn)點(diǎn)的制件外形檢測。

激光雷達(dá)測量系統(tǒng)由掃描頭、掃描頭支座、電源控制柜及計算機(jī)組成，其實(shí)物如圖3所示。

1.4 某部件外形檢測實(shí)例

某復(fù)合材料制件最大長度約3m，最大寬度約2m，上下型面均為雙曲率。采用激光掃描系統(tǒng)對其進(jìn)行外形檢測。

測量前需要在制件上按照規(guī)則貼定位標(biāo)點(diǎn)。由于待測零件較大，為了保證定位標(biāo)點(diǎn)的精度，使用MaxSHOT 3D相機(jī)來拍攝定位標(biāo)點(diǎn)。拍攝完后對定位標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行處理，并保存為文本格式。將手持式掃描儀EXEScan與電腦連接，打開Vx-elements軟件，對掃描儀做校準(zhǔn)之后再打開已保存的定位標(biāo)點(diǎn)，開始對制件型面進(jìn)行掃描，圖4為掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic control軟件中做初步分析（開流形、去噪音點(diǎn)、補(bǔ)充圓孔等），然后與理論數(shù)模做對比。對比后可設(shè)置誤差帶大小，在軟件中以色帶的形式顯示誤差大小，同樣可以3D注釋的形式表示任意點(diǎn)誤差。圖5所示為部分檢測報告。

2 復(fù)合材料液體模塑成型工藝

復(fù)合材料液體模塑成型工藝（Liquid Composite Molding，簡稱LCM）是指將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)制體的閉合模腔中，或?qū)㈩A(yù)先放入模腔中的樹脂膜加熱熔化，使液態(tài)聚合物在流動充模的同時完成對纖維的浸潤并固化成型為制品的復(fù)合材料制備技術(shù)。常見的LCM技術(shù)主要包括：樹脂傳遞模塑法（Resin Transfer Molding，簡稱 RTM）、樹脂膜溶滲法（Resin Film Infusion，簡稱RFI）和真空輔助滲透法（Vacuum Assisted Resin Infusion，簡稱 VARI）等。它們的共同特點(diǎn)是：一般情況下可不采用熱壓罐、基體樹脂黏度較低、僅需負(fù)壓或低壓、制造周期短、使用干纖維鋪放而省去了預(yù)浸料的制備過程、可整體成型帶有夾芯或預(yù)埋件的大型制品、勞動工時大大降低、輔助材料消耗少、材料利用率高、制件減重等。因此，LCM工藝成為高性能復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2.1 樹脂傳遞模塑（RTM）

RTM工藝的原理是在壓力注入或外加真空輔助條件下，將液態(tài)、具有反應(yīng)活性的低粘度樹脂（≤1000mPa.s）注入閉合模具中，樹脂沿模具中已預(yù)先鋪放的干態(tài)纖維或織物預(yù)制體空隙流動，并排出氣體同時浸潤增強(qiáng)材料，在完成浸潤后，樹脂在模具內(nèi)通過熱引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)完成固化，最終得到成型的制品。其工藝過程見圖6。

先進(jìn)復(fù)合材料RTM成型工藝特別適用于大型薄殼異型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。由于RTM為閉模成型工藝，通常不適于制造尺寸較大尤其是面積較大的復(fù)合材料制件，只適合于制造細(xì)長結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，如框、梁結(jié)構(gòu)和懸掛接頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。與其他傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝方法相比，RTM工藝具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

1）閉模操作系統(tǒng)，減少了有害氣體的排放，制件雙面光順；

2）產(chǎn)品的尺寸精度高、表面質(zhì)量好，一般無需精加工；

3）低壓注射，模具材料選擇靈活性強(qiáng)，模具設(shè)計與制造自由度高，且成本較低；

4）纖維體積含量可高達(dá)60%，且制品孔隙率較低；

5）與手糊法相比，避免了樹脂配置過量的問題，原材料的利用率高；

6）與熱壓罐工藝相比，省去了預(yù)浸料的生產(chǎn)過程，單位質(zhì)量價格可降低30%～50%；夾層和預(yù)埋件可以在樹脂注射時直接加入產(chǎn)品中，易實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)和夾芯結(jié)構(gòu)，高效減重，降低生產(chǎn)成本。

基于RTM成型工藝的諸多優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于航空復(fù)合材料制件的制造，以實(shí)現(xiàn)航空復(fù)合材料輕量化、低成本化、高性能化的目的。某型飛機(jī)復(fù)合材料前邊條（如圖7所示）為雙蒙皮大曲率變截面多腔盒段結(jié)構(gòu)，采用RTM工藝整體成型，選用高溫固化5284RTM環(huán)氧樹脂基浸潤U-3160碳纖維織物。與金屬制件相比，結(jié)構(gòu)減重6.9%。某型復(fù)合材料機(jī)尾罩（如圖8所示）由內(nèi)蒙皮、外蒙皮、夾心泡沫、環(huán)框、底框組成，采用RTM工藝整體成型。其大、小口均非圓形，大端口徑約1100mm，小端口徑約540mm，與原金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料機(jī)尾罩結(jié)構(gòu)重量降低近26%。

2.2 真空輔助樹脂滲透（VARI）

采用VARI工藝成型時，將制備好的纖維預(yù)成型體放置在模具上，在真空作用下使液態(tài)樹脂在預(yù)成型體內(nèi)流動并浸潤纖維，再經(jīng)升溫固化、冷卻脫模得到復(fù)合材料構(gòu)件。其工藝原理如圖9所示。

VARI工藝僅僅需要一個單面的剛性模具，其上模為柔性的真空袋薄膜，并只需一個真空壓力，而無需額外的壓力。對于大尺寸、大厚度的復(fù)合材料制件，VARI是一種十分有效的成型方法。VARI工藝對樹脂粘度的要求比RTM工藝低，一些粘度較大（如≥1000mPa.s）的不適合于RTM工藝的樹脂仍可用于VARI工藝。該工藝與傳統(tǒng)開模成型及RTM工藝相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）單面模具，設(shè)備投入及模具制造成本較低；

2）制品力學(xué)性能好，重復(fù)性高，結(jié)構(gòu)缺陷少、表面均勻光滑、構(gòu)件之間一致性高；

3）可結(jié)合縫合、編織、特種定型織物等實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體成型和Z向增強(qiáng)；

4）可設(shè)計性好，可整體成型大型復(fù)雜幾何形狀的夾芯和加筋結(jié)構(gòu)件。

某型飛機(jī)復(fù)合材料前護(hù)板（如圖10所示）為內(nèi)埋梁式泡沫夾芯整體壁板結(jié)構(gòu)，采用VARI工藝整體制造，選用CF3031碳纖維斜紋織物和3228VARI環(huán)氧樹脂體系，與原金屬結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料前護(hù)板結(jié)構(gòu)重量降低12.8%。

2.3 樹脂膜溶滲（RFI）

RFI工藝則介于VARI工藝和熱壓罐工藝之間，其樹脂基體為預(yù)浸料樹脂，只是省去了預(yù)浸料的制備工藝，將預(yù)浸料樹脂制備成樹脂膜后鋪在增強(qiáng)材料之下或增強(qiáng)材料層之間，然后在熱壓罐的熱和壓力下滲透浸潤增強(qiáng)材料并固化成型。其工藝原理如圖11所示。

RFI是一種適合大型構(gòu)件整體成型的液體成型技術(shù)，與其他樹脂基復(fù)合材料成型工藝方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可結(jié)合縫合技術(shù)實(shí)現(xiàn)層間增強(qiáng)、提高結(jié)構(gòu)完整性，通過減少緊固件的數(shù)量和裝配工作量，大大降低復(fù)合材料的制造成本；

2）增強(qiáng)材料選用具有高度的靈活性和組合性，可以是短切纖維、連續(xù)纖維、三維針織物及三維編織物，賦型性高；

3）樹脂分布均勻，浸漬路線短，成型制品孔隙率低（0～2%），纖維含量高（近60%），產(chǎn)品整體性能優(yōu)異；

4）樹脂膜便于貯存和運(yùn)輸，操作簡便，加工周期短，廢品率低，可經(jīng)濟(jì)快速地成型尺寸大、精度要求較高的制品；

5）RFI工藝不采用預(yù)浸料，樹脂體系揮發(fā)物少，幾乎不會對環(huán)境和人體造成污染。

某型飛機(jī)復(fù)合材料外側(cè)前襟下壁板（如圖12所示）為多肋共面變厚度整體壁板結(jié)構(gòu)，由蒙皮和7個U形肋組成。該壁板選用碳纖維織物U-3160作為增強(qiáng)材料，5228環(huán)氧樹脂為基體，采用縫合/RFI工藝整體成型。

3 結(jié)語

復(fù)合材料制件外形數(shù)字化檢測技術(shù)和低成本液體模塑成型技術(shù)是復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的兩個重要方面，還需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究和應(yīng)用工作，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的數(shù)字化、精確化及低成本化制造。

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