航空制造网|复合材料低成本制造的“革命”之路( 二 )
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图5 使用LP RTM树脂灌注成形的带凹槽的对比零件
对比零件检测结果显示固化完全 ， 纤维排列整齐 ， 质量很高 。 该零件纤维体积含量49.5% ， 零件铺层数只有目前预浸料工艺的1/3 ， 手工劳动量降低了90% 。
同时 ， 为了测试模具和工艺的适用性 ， 波音公司也用航空级的树脂和纤维使用LP RTM制造了对比零件 ， 这些零件也全部通过了无损检测 。
第二种工艺 热固性预浸料成形
针对热固性预制件在压力下易产生褶皱的问题 ， 索尔维公司对工艺进行了完善 ， 使用弹簧框工具对预制件施加张力 。 另外 ， 为了提高生产效率 ， 索尔维公司还尝试了批量固化的办法 ， 尽量减少零件在模具上的时间 ， 当零件固化15~30分钟形成稳定之后便撤掉模具 ， 然后就批量固化 。
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图6 弹簧框模压 （弹簧框（上）和零件（下））
利用第一阶段的成果 ， 波音公司使用PtFS系统、以及抽真空与树脂密封积成在一起的P20钢模具成形了一组波形件 。 该波形件层厚6.3mm ， 曲率12.7mm ， 使用中等模量的碳纤维带准同向铺层 ， 零件纤维含量59-63% ， 空隙率为0~0.6% 。
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图7 波音公司成形的热固性波形件
第三种工艺 热塑性肋条以及C形段的气囊成形
为了解决热塑性成形温度过高造成的零件不贴膜等问题 ， 波音公司试验了一种新的气囊工具 。 该气囊安装在压力机上 ， 随着压力机上下移动 。 气囊内充氩气 ， 在高温下膨胀后挤压零件 ， 可辅助对零件施加水平方向的压力 ， 弥补预制件因不贴膜造成的未完全固结等缺陷 。 波音公司采用该方法制造了肋条以及C形段预制坯 。 C形段预制坯由ATC公司进行了最终的冲压成形 。
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图8 C形段从热塑性毛坯到零件的冲压成形
三、RAPM项目结论
RAPM项目要到2020年秋季才会正式结束 ， 随后将公布更多的结果 。 到目前为止 ， 根据对真实零件的试验结果表明 ， 3种工艺对于小型复材零件都具有较好的成形能力 ， 使用这几种工艺成形的复材零件在成本方面可以与铝合金竞争 。 如图9所示 ， 树脂灌注和热塑性零件与铝合金相比 ， 不仅减轻了重量而且材料以及成形时间等经常性成本也降低了（不考虑非经常性基础设施的成本）；热固性波形组件与铝合金相比成本增加了7% ， 不过考虑到减轻的重量这也还在设计范围内 ， 今后还需在模具以及成形时间上下功夫 。
当然 ， 在试验过程中也积累了大量的经验教训 。 比如放置垫块防止其在加压过程中滑动的方法、以及优化零件形状 ， 以便能最大限度地提高质量以及降低模具成本等 。 同时 ， 项目也指出了两种降低成本的方法：一是对零件的半径、曲率、转角等标准化；二是减少热塑性预固化的时间 。 索尔维公司目前正在申请一项“变压膜”的专利 ， 可为预成形提供静压 ， 减少固结时间 。
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图9RAPM项目的复材零件与铝合金的成本比较
四、前景与展望
如今 ， 复合材料以其较好的力学、耐高温、耐腐蚀等性能在汽车、飞机等都得到了不同程度的应用 ， 但由于材料及制造的高成本 ， 复材大规模应用的阶段还远未到来 。 实现复合材料的低成本制造是进一步拓宽其应用范围的路径之一 ， 这也是美国DAPPA设置该项目的初衷 。
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