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        無人機復合材料結構低成本制造技術新進展!

        文章出處:山東恒信官網   責任編輯:網絡部   發布時間:2015-10-26 16:11:00    點擊數:-   【

        無人機上復合材料的使用比例基本是所有航空器中的,像X-45C、X-47B、“神經元”、“雷神”上都運用了90%的復合材料。面對如此大的用量以及未來潛在的高使用量,就迫切需要開發、低成本的復合材料結構制造技術,來滿足項目的經濟可承受性要求。這些需求具體來說,包括:在預浸料成形方面,使用機器人來代替笨重的機床進行鋪放,以及采用各種無需熱壓罐的低成本、固化方式;在干纖維成形方面,按照液體成形方式設計大型整體結構件,并改善制造工藝,甚至開發革命性的增材制造方法,實現復雜結構外形;在制造工裝方面,降低金屬工裝成本、提升復合材料工裝性能、開發自加熱工裝。

        機器人鋪放

        自從復合材料自動鋪帶和自動絲束鋪放變成可行生產工藝以來,機床供應商通常為大型飛機設計和制造大型且昂貴的機床,不過近年來情況有所轉變,機床供應商開始開發較小型且更經濟的機床,以應對更廣泛的需求。特別是在自動絲束鋪放方面,利用商用機器人作為小尺寸復合材料鋪絲設備的平臺正在成為機床供應商的基本做法。

        預計未來幾年各種配置和尺寸的自動鋪絲機床將出現,機器人平臺將用于更多的復合材料鋪絲系統。機器人平臺與復合材料絲束鋪放技術相結合被證明是非常成功的,復合材料鋪絲設備品種的擴展意味著更小的復合材料車間可根據他們所需的尺寸和價格選用自動鋪設備。,復合材料自動鋪絲設備將像在金屬加工業中的5坐標CNC機床一樣,將成為復合材料工業的常態。對于尺寸外形和采購數量各異的無人機平臺來說,這類機器人鋪放工藝及裝備的開發,將降低復合材料機體的制造生產成本。

        非熱壓罐制造

        由于無人機造價相對較低、尺寸相對較小,因此更加重視復合材料構件的低成本成形,非熱壓罐制造是無人機制造技術開發中的選擇之一。而且,隨著F-35戰斗機、復合材料貨運飛機以及民用飛機上很多復合材料部件非熱壓罐制造技術的驗證工作取得進展,未來的無人機必將大量采用類似的技術來制造復合材料構件,降低生產成本。在這個方面,預浸料真空袋固化工藝以及干纖維液體成形工藝一直是研發的選擇,而且還發展出了一些創新的工藝,比如革命性的復合材料增材制造工藝。

        低成本制造工裝

        復合材料制造工裝在航空制造中往往默默無聞,然而復合材料結構件的質量以及制造成本卻與其密切相關,因此實際上工裝扮演了幕后英雄的角色。理想的復合材料制造工裝特點應該是高精度、高剛度、便于使用,抗高壓、無滲漏,不損壞零件,尤其重要的兩點是工裝材料與零件材料的熱膨脹系數(CTE)匹配以及成本低廉。通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、環氧樹脂基復合材料、雙馬樹脂(BMI)基復合材料和石墨或碳纖維復合材料,其中殷鋼和復合材料本身因其較低的CTE,非常適合航空結構件制造,但其制造成本和固化能耗往往不夠理想。目前在航空復合材料制造領域,針對熱壓罐固化和OOA固化,國外發展出了多種新工裝材料和新工裝技術,以改進工藝、減少時間、降低能耗、節約成本,這些技術都可以用于并且部分已經用于無人機的制造中。

        美國試金石實驗室開發了一種電加熱工裝(EHT),一種用于OOA工藝的自加熱泡沫(CFOAM)。CFOAM產自粉末瀝青煤,經由壓入敞口模,在高溫下處理并在熱壓罐中加壓,泡沫板粘結在一起形成近無余量薄坯板料,加工成想要的外形。工裝表面由HexTOOL材料這樣的復合材料成形。EHT工裝擁有不變的橫截面以及工裝表面之下的電阻加熱泡沫加熱元件。石墨電極與元件相連以提供電力,元件本身與工裝剩余部分電絕緣。這樣,電阻加熱就只發生在工裝表面之下,使其更節能,而且里面的泡沫基體由于與表面隔熱,也不會被加熱,減少了熱損耗。工裝表面使用的碳纖維比碳泡沫導電性強,如果纖維和泡沫接觸,短路將造成不均勻加熱,通過加熱元件的電絕緣,可以實現工裝表面的一致性加熱。試驗結果表明,無論對于平滑的還是復雜的工裝外形,該工裝的機械屬性都與標準的熱壓罐固化工裝相當。

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