航空制造网|复合材料低成本制造的“革命”之路
近年来 ， 大型复合材料零件借助自动铺丝铺带等工艺和设备实现了低成本制造 ， 展现出优于金属材料构件的性价比 ， 并在飞机大型构件的制造中取代了金属材料 。
但是 ， 对于军用飞机而言 ， 大约80%的机身零件重量不到10公斤 ， 由于复合材料目前仅在重量大于10公斤的零件制造中较有优势 ， 所以这部分小型零件的绝大多数还是采用金属材料制造 。
针对这种情况 ， 美国国防部高级研究计划局（DARPA）于2015年推出了“可剪裁原材料与成形”(TFF)计划 ， 旨在实现重量小于10公斤复材构件的快速低成本制造 。 该项目包括两个子项目：一是材料开发 。 希望开发出通用的具有高力学性能和金属成形能力的短纤维材料 ， 目前这部分工作已完成；二是成形制造 。 由波音公司牵头开发“快速高性能制造”技术 ， 即RAPM项目 。 该项目成果在2019年的SAMPE峰会上波音公司进行了展示 ， 不过正式成果将于2020年秋季发布 。
以下就让我们来具体分析一下RAPM子项目的进展情况：
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图1 复材零件商业化后的成本趋势
（根据以往生产和试验数据生成的成本趋势曲线）
一、RAPM项目概况
RAPM项目由波音公司牵头 ， 参与方除了航空航天领域的公司外 ， 还包括材料供应商索尔维复合材料公司、热塑性复合材料结构专家ATC制造技术公司、德国SGL Carbon公司和温度控制专家英国Surface Generation公司等 ， 后两家公司多与汽车相关。
项目设置目的是为了更好地了解复合材料以及工艺的成本状况 ， 希望用汽车制造的效率达到飞机要求的性能 。 波音公司有意向把复材零件成形时间控制在30分钟以内 ， 通过高效工作降低成本 ， 从而达到可以和铝合金竞争的目的 。
波音公司联合了工业界一些重要的合作伙伴 ， 从3个方面开展RAPM项目研究：
● 与HITCO碳纤维公司和SGL复材公司一起试验树脂灌注技术
● 与索尔维、FIBER DYNAMICS 公司以及REINHOLD公司试验热固性预浸料成形技术
● 与ATC公司和TXV公司试验热塑性成形技术
试验分两个阶段完成：第一个阶段为“制造开发”阶段 ， 比较三种主要工艺和三类不同形状的零件 ， 如壁板、肋条以及C形段等 ， 摸索工艺参数；第二个阶段是“挑战和转移”阶段 ， 用第一阶段的成果制造可与铝合金竞争的零件 。
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【航空制造网|复合材料低成本制造的“革命”之路】图2第一阶段的3种工艺和3类不同形状的零件（壁板、肋条以及C形段）
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图3 第二阶段的零件
在试验中波音公司使用了英国Surface Generation公司的“生产加热和成形规范控制系统”（PtFS） 。 PtFS系统最高温度为440℃ ， 压力150吨 ， 零件尺寸750X750X100mm 。
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图4 英国Surface Generation公司“加热和成形规范控制系统”（PtFS）
材料方面RAPM项目中没有使用TuFF项目开发的短纤维材料 ， 而是使用了汽车用有机纤维和航空级预浸料、环氧树脂、热塑性树脂以及短纤维的混合材料等 ， 所以试验结果不仅适用于军工 ， 而是整个复材制造领域 。
二、RAPM项目试验过程
第一种工艺：树脂灌注RTM工艺
SGL公司为第一项工艺选用汽车用的材料 ， 采用HP-RTM和C-RTM工艺先摸索出工艺参数 ， 然后在第一阶段的基础上采用低成本的LP RTM做出了带凹槽的对比零件 。 该零件带有两个凹槽：一个5cm的长方形凹槽和一个10cm的从矩形向V形的过渡凹槽 。 该零件使用了低成本的Raku-TOOL、手动夹具以及铝合金的成形模具 。
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