復合材料在飛機上的應用
？隨著復合材料制造技術的發展，復合材料在飛機上的用量和應用位置已成為衡量飛機結構先進程度的重要標誌之壹。復合材料在飛機上的應用趨勢如下:
(1)復合材料在飛機上的使用日益增多。
？復合材料的用量通常用占飛機機體結構重量的百分比來表示，世界各大航空制造公司的復合材料用量都在增加。最具代表性的有空客A380、A350和波音B787。A380上復合材料用量約30噸。B787復合材料用量達到50%。A350飛機的復合材料消耗達到創紀錄的52%。軍用飛機和直升機的復合材料用量也有同樣的增長趨勢，而近年來快速發展的無人機更是將復合材料用量推上了壹個臺階。
(2)應用場地從次要承重結構發展到主要承重結構。
？起初，復合材料被用於制造飛機艙門、整流罩、穩定器和其他承載結構。目前，復合材料已廣泛應用於機身、機翼等主要承力結構。復合材料在主要承力部件上的應用大大提高了飛機的性能，帶來了顯著的經濟效益，促進了復合材料的發展。
(3)在復雜結構中的應用越來越廣泛。
？飛機上由復合材料制成的復雜曲面零件越來越多，如A380、B787飛機上的機身段、球形後壓力隔圈等，都是采用纖維鋪放技術和樹脂膜浸滲(RFI)技術制成的。
(4)復合材料構件的復雜程度大大增加，大型整體和* * *固化成型成為主流。
？飛機大量使用復合材料最直接的效果就是減輕重量。采用* * *固化和整體成型技術可將復合材料零件成型為大型整體件，可明顯減少零件、緊固件和模具的數量，減少零件的裝配，從而有效降低制造成本。
(5)復合材料制造方法和先進專用設備得到迅速發展和廣泛應用。
？傳統的復合材料制造技術自動化程度低，質量不穩定，分散性大，可靠性差，生產成本高，無法生產大型復雜的復合材料。隨著飛機結構尺寸的不斷增大，大尺寸復合材料零件的制造技術變得極為重要。
？近年來，出現了各種高度自動化的制造技術，如纖維鋪放、樹脂膜傳遞模塑/滲透模塑、電子束固化等。先進、高效、低成本的專用設備開發和產業化應用也層出不窮，如三維編織機、自動鋪帶設備、絲束鋪放設備等。這些高效的自動化設備顯著提高了復合材料的生產效率和零件的內在質量，降低了成本，使復合材料的性能優化和低成本共存成為可能。
復合材料制造技術及主要設備
？復合材料成型是壹個復雜的過程。隨著各種新工藝、新技術的出現，復合材料的制造工藝已成為復合材料制造的關鍵，涵蓋的技術面廣，科技含量高，涉及的成本份額占總成本的80%以上。
？根據用途、批量和市場的不同要求，航空復合材料產品的成型技術采用手工分層、半自動成型、全自動成型和液態成型。下面重點介紹生產中涉及的工藝方法和主要設備。
(1)手工鋪設。
？目前，手工鋪層仍然是廣泛使用的傳統成型方法，甚至在B-2轟炸機和壹些通用飛機的制造中也大量使用手工鋪層工藝。因為這些產品的訂單量往往是個位數，而且質量要求很高。手工鋪築法的優點是可以大幅度改變蒙皮厚度，可以進行局部加強，可以嵌入接縫用的金屬加強片，形成加強筋和蜂窩夾層區域。
目前很多專用設備用於控制和保證手工鋪放的質量，如復合材料預浸料自動切割下料系統和鋪放激光定位系統，即使用專用數控切割設備切割預浸料和輔助材料，從而將依賴於模板的制造過程轉變為完全可以根據復合材料設計軟件生成的數據文件進行操作的制造過程。
？人工鋪放的缺點是要求鋪放人員有較高的技能和施工經驗，人工鋪放費工費時，因此效率低，成本高(占總成本的1/4)，難以滿足大批量生產和大型復雜復合材料零件的生產要求。因此，在20世紀60年代初，經過幾年的手工鋪設復合材料後，開發了自動鋪帶(ATL)技術。
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即使在美國，仍然使用人工鋪帶，由美國自由航空航天公司的工人操作。
(2)自動鋪帶(ATL)。
？自動鋪帶技術采用帶隔離襯墊的單向預浸帶，其切割、定位、碼垛、收卷均由數控技術自動完成，由自動鋪帶機實現。多軸龍門機械手完成鋪帶位置的自動控制，鋪帶頭配有預浸帶輸送和切割系統，根據待鋪工件的邊界輪廓自動完成特定形狀和位置的鋪帶和切割。當預浸帶處於加熱狀態時，它在壓輥的壓力下鋪設在模具的表面上。
？自動鋪帶機根據鋪設零件的幾何特性可分為平面鋪帶和曲線鋪帶。隨著自動鋪帶設備、編程、計算機軟件、鋪帶技術和材料的進壹步發展，自動鋪帶變得更加高效、更加可靠和更加人性化。與手工作業相比，先進的鋪帶技術可降低制造成本30% ~ 50%，可成型超大尺寸、復雜形狀的復合材料零件，質量穩定，鋪帶和裝配時間縮短，工件近凈成型，切割和原材料消耗減少。目前最先進的第五代鋪帶機是10軸鋪帶機，采用雙超聲波切割刀和狹縫光學探測器。最大鋪帶寬度可達300mm，生產效率可達人工鋪帶的幾十倍。
？自動鋪帶機需要使用窄帶形成復雜的雙曲率曲面，會降低工作效率，而壹臺鋪帶機的價格需要300 ~ 500萬美元，成本太高。因此，大力士率先開發了自動絲束鋪設(ATP)設備。
(3)自動絲束放置(ATP)。
？自動鋪絲束技術結合了自動鋪帶和纖維纏繞技術的優點。鋪束頭結合了纏繞技術中使用的不同預浸紗束的獨立輸送和鋪帶技術中使用的壓緊、切割和重新傳輸功能。多個預浸紗束被壓輥下方的鋪束頭聚集成寬度可變的預浸帶，然後鋪放在心軸表面。在鋪設過程中，預浸紗束被加熱、軟化、壓實和成形。
？與自動鋪帶相比，自動鋪絲束技術能以較低的材料消耗率形成更復雜的結構件，是自動化制造技術的巔峰。ATP設備對復合材料的重要性不亞於銑床對金屬材料的重要性。它是壹種介於自動纏繞和自動鋪帶之間的鋪層方法，特別適用於復雜構件的制造。自動貼裝技術的基礎是貼片機的設計和開發。
？以辛辛那提機床公司的蝰蛇纖維鋪裝機系統為例。Viper纖維鋪放系統將纏繞、專用膠帶鋪放和計算機控制結合在壹起，自動生產需要大量人工鋪放的復雜零件，從而縮短鋪放和裝配時間，並由於工件的近凈成型而減少切割和原材料的消耗。
沃爾特公司制造的波音787機身23%的部分，包括47節5.8m×7m和48節4.3m×4.6m，采用了辛辛那提公司的自動鋪放機Viper6000。在制造過程中，東麗的3900系列碳/環氧樹脂無緯帶被放置在壹個大型圓柱形旋轉模具上，該模具由互鎖心軸組成。鋪設完成後，將圓柱形部分放入世界上最大容積為23.2m×9.1m的高壓釜中進行養護。目前，自動絲束鋪放機可以鋪放窄帶和寬帶絲束。
預浸料絲束/帶的機器人自動鋪放已經成為高性能纖維增強復合材料結構的有力且高效的技術。它是機電設備技術、CAD/CAM軟件技術和材料技術的綜合集成，包括:自動鋪放設備技術、預浸料絲束/膠帶切割技術、鋪放CAD技術、鋪放CAM技術、預浸料絲束/膠帶技術、自動鋪放技術、鋪放質量控制、模具技術、成本分析與控制和集成協同數字化設計技術等。它具有高效率、高質量、高重復性和低成本的優點。
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Viper6000大型ATP機代表了當今自動化絲束鋪設的最高水平。
(4)在高壓釜中固化成型。
？熱壓罐固化成型是航空航天復合材料結構件的傳統制造工藝，具有產品重復性好、纖維體積含量高、孔隙率低或無、力學性能可靠等優點。高壓釜固化的缺點是高能耗和高運行成本。目前，大型復合材料構件必須在大型或超大型熱壓罐中固化，以保證產品的內部質量，因此熱壓罐的三維尺寸也越來越大，以滿足大型復合材料產品的加工要求。目前，熱壓罐采用先進的加熱溫控系統和計算機控制系統，能有效保證熱壓罐內工作區域溫度分布均勻，保證復合材料制品的內部質量和批量穩定性，如樹脂含量準確、空隙率低或無空隙率、無其他內部缺陷。這也是高壓釜壹直沿用至今的主要原因。
(5)復合材料的液態成型。
？復合材料的液態成型是壹種非常流行的工藝，主要以樹脂傳遞模塑(RTM)為主，包括各種衍生的RTM技術，約有25至30種，其中RTM、真空輔助RTM(VARTM)、真空輔助樹脂註射成型(VARI)、樹脂膜浸漬成型(RFI)和樹脂浸漬成型(SCRIMP)被稱為RTM的五大主要成型工藝。
？RTM的優點是成品損傷容限高，可以成型精度高、孔隙率小的復雜構件和大型整體件。RTM成型的關鍵是要有合適的增強預制件和合適粘度的樹脂或樹脂薄膜。RTM要求在註射溫度下樹脂的粘度低。第壹代環氧樹脂的粘度要求低於500 CPS(0.5 Pa·s)。以前，對於較大尺寸的部件，要求樹脂的粘度低於250厘泊(0.25帕·秒)。RTM工藝的主要設備是各種樹脂註射機和整體封閉模具。
？隨著新型增強材料結構的不斷創新，織造技術和預成型技術與RTM技術的結合形成了新的工藝發展和應用方向。比如將增強材料通過3D編織技術預制成3D結構，再結合RTM工藝，或者將纖維織物通過縫紉或粘接直接預制成零件的形狀，再通過RTM工藝成型復合材料。
？例如，由EADS軍用飛機公司為B787的後機身部分制造的後壓力隔離件是插在加壓機身部分47和非加壓機身部分48與尾部之間的半球形整體隔離件。它由VARTM制成，尺寸約為4.3m×4.6m。波音787是第壹架采用復合材料後壓力隔墊的飛機。隔板架的制造得益於Cytec公司的樹脂滲透膜系統。增韌復合材料具有頂級的阻燃/發煙/有毒性能，並且可以取消防火層，因此結構比傳統樹脂滲透法制造的結構更輕。但波音787機身的隔板架大多采用碳纖維樹脂膜浸滲RFI技術，復合材料隔板架用碳纖維復合材料抗剪箍與機身蒙皮連接。由於設計和成本的原因，鈦合金和鋁合金隔板架仍在少數部位使用。
(6)形成隔膜。
？隔膜成型最初是為熱塑性復合材料開發的成型工藝，後來發現它對熱固性復合材料有廣泛的用途。具有成型過程中纖維不易滑落起皺的特殊效果，非常適合加工大型飛機機翼前梁的C型截面。該技術已廣泛應用於A400M等近年引進的大型飛機前梁C形段。
？為了形成C形截面，將預制體從鋪帶機上卸下，送入英國Aeroform公司提供的熱封套成型機設備中成型。為了便於抽真空，預制件應該夾在俄亥俄州杜邦電子技術公司提供的兩層Kapton聚酰亞胺薄膜之間。薄膜之間抽真空，然後從零件上方進行紅外線加熱，直到溫度在65438±0h內升至60℃。這樣可以保證即使在梁根部最厚的部分的中心，也能均勻地加熱到相同的溫度。然後，將兩層膜之間的層壓板慢慢壓緊，在光模上形成光束的內表面。這種C型截面可以在30分鐘內慢慢形成，然後可以去掉Kapton膜。
在歐洲推出的ALCAS計劃中，這種成型方式已經成為加工飛機前橫梁的典型工藝方法。
(7)復合材料零件的加工、裝配和無損檢測。
？復合材料零件成型後，需要進行機械加工，包括尺寸加工和鉆孔，對加工質量要求很高。復合材料零件屬於脆性各向異性材料，常規加工方法無法滿足復合材料的加工質量要求。傳統的切割方法在加工纖維材料時存在以下缺點:切割速度慢，效率低；復合材料零件是易變形材料，切割精度難以保證；切削高韌性材料時，刀具和鉆頭磨損快，損耗大；在加工復合材料層合板時，容易發生分層破壞。因此，復合材料的生產需要配備大型自動高壓水切割機、超聲波切割設備、數控自動鉆孔系統等專用設備，以滿足加工後復合材料不脫層磨損和裝配尺寸精度的要求。
？大型機翼蒙皮層壓板壹般采用大型高壓水切割機床切割。世界上最大的切割機床身為36m×6.5m，由Flow International制造。這種磨料水射流切割機可以快速切割厚層壓板，而不會過熱。25mm厚的層壓板可以以0.67m/min的速度切割，6mm薄的層壓板可以以高達3m/min的速度切割，厚的蒙皮可以以0.39m/min的速度切割。
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？超聲波切割設備將超聲波振動能量加載在刀具上，可以有效地分離纖維材料的邊界，從而有效地解決了上述傳統切割方式帶來的問題。超聲波切削技術具有切削質量優良、無毛刺、無刀具磨損、無碳化材料、切削力小、不易分層、切削速度快、精度高等特點。在國外航空企業得到了廣泛的應用。
？隨著飛機金屬結構逐漸向復合材料結構轉移，復合材料制造的自動化變得越來越重要。自動化程度高的裝配技術尤為重要。復合材料的使用使得飛機機身由大型整體結構部件制成成為可能。比如787的總裝，只有6個部分對接，分別是前機身、中機身、後機身、機翼、水平安定面、垂尾。這些完整的大型零件使得在裝配過程中避免使用傳統的巨型工具並使用更輕便的工具成為可能。門式臂架起重機不用於移動飛機結構件。
？集成柔性裝配、自動鉆鉚等先進技術，應用於大型復合材料零件的自動化裝配。飛機柔性裝配技術將航空產品的特性作為裝配對象。基於飛機產品的數字化定義，通過飛機柔性裝配工藝、數字化裝配技術、裝配工裝設計、裝配工藝優化、自動定位與控制技術、測量、精密鉆孔、伺服控制和夾緊等技術，可以實現飛機零部件的快速精確定位和裝配，減少裝配工裝的種類和數量，提高裝配效率和精度，提高快速響應能力，縮短飛機裝配周期，增強飛機快速開發能力。它是壹種能滿足快速開發、生產和低成本制造要求，滿足模塊化、可重構設備和工裝要求的先進裝配技術。例如，B787的復合材料機翼結構的運動采用了自動導向車等柔性裝配技術。
？自動鉆鉚機廣泛應用於大型復合材料零件的自動裝配，如A380機翼裝配采用自動移動式鉆孔設備。這些鉆孔設備與傳統金屬鉆孔設備的本質區別在於，為了保持鉚釘孔周圍的結構完整性，鉆孔時不會出現脫層現象，所以壹般使用硬質刀具進行鉆孔，采用多步鉆孔的方法。鑒於復合材料的制造方法不同，其可加工性也不同。例如，十字形組織結構的織物比單向織物帶更容易切割，後者的磨損力更大，鉆孔時容易脫層和纖維斷裂。因此，應根據復合材料構件的不同成型方法，選擇不同鉆孔參數、材料和形狀的鉆頭。
意大利自動鉆鉚機
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？復合材料零件無損檢測設備主要需要配備大型超聲波C掃描設備和X射線無損檢測設備。此外，激光剪切攝影和激光超聲波檢測也是主要發展方向。
？超聲波檢測技術最重要的進步之壹是相控陣檢測的發展。與傳統超聲波檢測相比，相控陣超聲波檢測提高了檢測概率，明顯加快了檢測速度。
？傳統的超聲檢測需要許多不同的探頭來進行全面的體積分析，而相控陣檢測可以用壹個多元探頭達到相同的結果。這是因為每個單元探針可以執行電子掃描和電子聚焦，並且每個單元探針的啟動具有時間延遲。因此，合成的超聲波束的入射角可以改變，焦深也可以改變，這意味著體積檢查的速度可以比傳統方法快得多。因為使用傳統方法時，必須及時更換探頭，而且必須多路復用才能得到不同的入射角和焦深。此外，相控陣探頭可以提供更廣的覆蓋範圍，因此比傳統探頭具有更高的生產效率。
(8)復合材料數字化設計與制造的集成。
？復合材料零件獨特的工藝特點決定了其在設計和制造上與金屬零件有很大的不同，更加復雜。
復合材料構件的數字化設計與制造基於復合材料設計/制造平臺和數字化制造設備。改變了傳統的復合材料設計/制造方法，以數字量的形式全面描述產品和傳遞數據，實現了設計與制造的無縫集成。
復合材料設計軟件與現有CAD系統的集成為設計/制造復合材料構件提供了壹個強大的平臺。它包括初步設計、詳細工程設計、詳細制造設計和制造輸出四個階段。
？復合材料構件的數字化制造過程包括預浸料下料、鋪放、固化等過程。目前復合材料構件的數字化制造主要體現在預浸料自動下料、激光鋪放定位和自動鋪放纖維等方面。
？例如，在B787項目中，所有復合材料部件都由FiberSIM軟件進行數字化設計，並將設計數據分發給全球合作夥伴，從而保證了復合材料部件數據的唯壹性和準確性。由於B787采用了大量的數字化設計，其研發周期比B777縮短了3年。
復合材料構件的數字化設計和制造使實施並行工程成為可能，在設計的早期階段解決制造問題，並大大減少車間修改和重復性工作。設計和制造數據的無縫集成縮短了制造時間，減少了手動編程造成的錯誤，並提高了部件質量。
結束語
？綜上所述，隨著復合材料在飛機上的應用越來越多，復合材料制造業已經迅速成為飛機制造業的主要組成部分。未來50%以上的飛機結構件將由金屬轉化為復合材料，復合材料制造將成為飛機制造的基本手段。復合材料制造技術和專用設備是先進復合材料的關鍵技術之壹，值得投入大量的人力物力進行研發和應用。掌握了先進復合材料制造技術，就掌握了未來飛機的先進制造技術。