復(fù)合材料快速成型技術(shù)研究綜述

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(zhǎng)，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(duì)應(yīng)的材料體系特點(diǎn)和典型性能，總結(jié)了其在國(guó)內(nèi)外航空領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，提出了我國(guó)未來(lái)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(qiáng)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(zhǎng)期制約著復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用，如碳纖維及樹(shù)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(zhǎng)也制約著飛機(jī)月產(chǎn)速率，單通道飛機(jī)需求量將達(dá)到60～100架/月［2］ ，如A320系列飛機(jī)月產(chǎn)速率在未來(lái)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(jìng)爭(zhēng)力，在保證減重及結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)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(diǎn)。

國(guó)際上對(duì)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(xiàng)目和計(jì)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(jì)劃、TAPAS（Thermoplastic affordable primary aircraft structure）項(xiàng)目，美國(guó)的CAl（Composite affordable initiative）、RAPM（Rapid high-Performance Manufacturing）計(jì)劃，法國(guó)的SIDEFFECT項(xiàng)目等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在“綠色航空”和“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，降低能源消耗、減少噪聲和碳排放已成為中國(guó)航空未來(lái)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(shì)在必行，本文主要針對(duì)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(lèi)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(lèi)成型技術(shù)適用的材料體系、工藝特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)應(yīng)用情況，并對(duì)復(fù)合材料快速成型工藝的未來(lái)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(jī)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(shí)間、降低成本迫在眉睫。快速成型技術(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(jiàn)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(guò)升溫加壓使得毛坯密實(shí)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(dòng)化技術(shù)，可實(shí)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(dòng)化、低成本制造。

2.1.1 模壓快速固化預(yù)浸料特點(diǎn)及性能

模壓快速固化預(yù)浸料具有以下特點(diǎn)：（1）樹(shù)脂體系具備良好的粘度-溫度特性；（2）預(yù)浸料具有較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期及操作壽命；（3）較寬的工藝窗口，可以實(shí)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(shí)間在30min以?xún)?nèi)［5］；（5）樹(shù)脂與增強(qiáng)體具有較好的界面匹配性。目前，國(guó)內(nèi)外的模壓快速固化預(yù)浸料體系的特點(diǎn)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(guó)2015年提出的RAPM計(jì)劃，旨在將復(fù)合材料的成型時(shí)間控制在30min以?xún)?nèi)，Solvay公司開(kāi)發(fā)的CYCOM EP2750環(huán)氧樹(shù)脂體系就是該計(jì)劃的主要材料之一。通過(guò)模壓成型制備的各類(lèi)零件，如圖1所示，內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)異，孔隙率均低于0.5%［6-8］。此外，美國(guó)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?xún)?nèi)完成固化，用于制造翼肋和蜂窩板。

國(guó)內(nèi)模壓快速成型技術(shù)起步較晚，且大多集中在汽車(chē)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(guò)模壓成型工藝制備了典型車(chē)身零部件加強(qiáng)梁，單件加強(qiáng)梁零部件快速模壓成型時(shí)間≤8.5 min，表面質(zhì)量滿足制造驗(yàn)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(shù)脂注射入模腔中，在壓力作用下樹(shù)脂流動(dòng)并浸潤(rùn)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(diǎn)，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(jiǎn)單［10］。特別是近些年發(fā)展起來(lái)的高壓RTM工藝（HP-RTM），通過(guò)縮減注射時(shí)間，有望將航空結(jié)構(gòu)件制造時(shí)間控制在幾十分鐘內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高纖維含量、高性能的零件制造。

2.2.1 液體成型樹(shù)脂體系特點(diǎn)及性能

液體成型工藝的樹(shù)脂體系通常具備以下特點(diǎn)［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(qiáng)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(wú)微裂紋。

國(guó)外航空領(lǐng)域用液體成型樹(shù)脂的生產(chǎn)廠商主要有比利時(shí)的Solvay 公司、美國(guó)的Hexcel 公司和日本的Toray公司。國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了一系列高力學(xué)性能、高韌性的樹(shù)脂體系。典型的液體成型樹(shù)脂體系特點(diǎn)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(guó)外在低成本液體成型技術(shù)開(kāi)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(zhǎng)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(jì)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(shù)脂體系，采用HP-RTM技術(shù)成型了A350門(mén)框［14］，通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，整個(gè)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(gè)/年。

國(guó)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(kāi)展了一定研究和探索工作。主要研究機(jī)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(yàn)證了VARI 工藝對(duì)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(duì)一種含縱橫加筋及局部翻邊結(jié)構(gòu)特征的機(jī)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(lái)，熱塑性復(fù)合材料已成為國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，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(diǎn)。通過(guò)熱塑性復(fù)合材料焊接可以大幅降低飛機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)一級(jí)供應(yīng)商Airframer Collins Aerospace報(bào)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(diǎn)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(diǎn)： （1）具有可焊接特性，通用性強(qiáng)，焊接時(shí)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(chǔ)和操作壽命長(zhǎng)，可長(zhǎng)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(duì)環(huán)境友好。

目前，航空領(lǐng)域常用的熱塑性樹(shù)脂體系主要有PEEK、PEKK、PPS等。國(guó)外開(kāi)發(fā)較早，并已成熟應(yīng)用，國(guó)內(nèi)起步較晚，但也實(shí)現(xiàn)了航空級(jí)CF/PPS和CF/PEEK板材的制備。國(guó)內(nèi)外熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料特點(diǎn)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(jì)并開(kāi)發(fā)的灣流650型商務(wù)機(jī)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(jī)方向舵和升降舵的工業(yè)化制造中［19］；德國(guó)DLR機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)MFFD多功能機(jī)身演示件上半部分的制造，其Z型縱梁通過(guò)連續(xù)超聲波焊接實(shí)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(gè)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(zhǎng)的傳導(dǎo)焊接工具將“Ω”長(zhǎng)桁定位并通過(guò)超聲波焊接于機(jī)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(jī)身、機(jī)翼、門(mén)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(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率，還可以實(shí)現(xiàn)最佳的成本和重量；

3 結(jié)語(yǔ)

高效率、低成本已是未來(lái)復(fù)合材料成型工藝的新發(fā)展方向，也是我國(guó)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(guó)內(nèi)在此類(lèi)成型技術(shù)的工藝原理、實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shì)，未來(lái)需要重點(diǎn)研究快速固化模壓樹(shù)脂體系及預(yù)浸料，固化時(shí)間要小于30min，材料工藝性良好，滿足自動(dòng)鋪放等自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料出庫(kù)、下料設(shè)備、成型設(shè)備、轉(zhuǎn)移設(shè)備、切割設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等的集成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上料、機(jī)械臂取件轉(zhuǎn)移、產(chǎn)品切割打孔、無(wú)損檢測(cè)等功能，配合報(bào)警系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證自動(dòng)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(guò)熱隔膜成型、機(jī)械熱成型等實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料平板毛坯的賦形，重點(diǎn)研究模具溫度、壓實(shí)速率對(duì)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(shí)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(shù)脂體系的開(kāi)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(kāi)發(fā)干纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)，如M21S機(jī)翼通過(guò)ADFP 干纖維自動(dòng)鋪放預(yù)成型有效提高了最終制件的纖維體積含量，實(shí)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(guò)程中還可以通過(guò)固化過(guò)程仿真、工藝過(guò)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(cè)，采用PAM-RTM等軟件針對(duì)不同樹(shù)脂反應(yīng)體系選擇合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，對(duì)固化過(guò)程中熱量傳遞、樹(shù)脂流動(dòng)填充、纖維密實(shí)、氣泡產(chǎn)生遷移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)及多尺度下的耦合計(jì)算，提高產(chǎn)品合格率。

（3）隨著國(guó)際越來(lái)越多的飛機(jī)型號(hào)成功應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料及其焊接技術(shù)，驗(yàn)證了熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造的可行性。目前，有望在未來(lái)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)上看到熱塑性復(fù)合材料的身影。因此，我國(guó)亟需建立完整的技術(shù)體系，填補(bǔ)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(kāi)發(fā)、成型工藝規(guī)范的制定、形成各類(lèi)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(píng)價(jià)方案及標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)連續(xù)自動(dòng)化焊接設(shè)備等。

參 考 文 獻(xiàn)

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