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：

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。

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）

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

图9 RAPM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。

波音公司通过RAPM项目探索了几种飞机上典型零件的低成本制造方法，也大胆对工艺进行了改进和完善。比如，在试验过程中使用了英国Surface Generation公司的“生产加热和成形规范控制系统”（PtFS），实现了加热加压的自动化，提高了生产效率；另外，在降低制造成本的同时，波音公司还改善了工艺以提高零件质量。比如在制造热固性的预制件时为防止褶皱现象采用弹簧框模压技术；在制造热塑性零件采用了新型的带气囊的模具，以提高零件的预固结质量等。

本篇文章只是简单地介绍了RAPM项目的研制过程，具体细节和试验数据还有待进一步披露。目前，探索的工艺也还处于试验阶段，离工程化应用也还有一段距离，不过我们应当看到，降低复合材料的制造成本取代金属件是各方面共同努力的方向。我们有理由相信在美国DAPPA以及航空工业巨头波音公司的大力推动下，飞机上小型复材零件取代金属件的日子也不会太遥远。

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供稿作者来自中国航空制造技术研究院信息中心