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无人机复合材料结构低成本制造技术新进展!

文章出处:山东恒信官网   责任编辑:网络部   发布时间:2015-10-26 16:11:00    点击数:-   【

无人机上复合材料的使用比例基本是所有航空器中的,像X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上都运用了90%的复合材料。面对如此大的用量以及未来潜在的高使用量,就迫切需要开发、低成本的复合材料结构制造技术,来满足项目的经济可承受性要求。这些需求具体来说,包括:在预浸料成形方面,使用机器人来代替笨重的机床进行铺放,以及采用各种无需热压罐的低成本、固化方式;在干纤维成形方面,按照液体成形方式设计大型整体结构件,并改善制造工艺,甚至开发革命性的增材制造方法,实现复杂结构外形;在制造工装方面,降低金属工装成本、提升复合材料工装性能、开发自加热工装。

机器人铺放

自从复合材料自动铺带和自动丝束铺放变成可行生产工艺以来,机床供应商通常为大型飞机设计和制造大型且昂贵的机床,不过近年来情况有所转变,机床供应商开始开发较小型且更经济的机床,以应对更广泛的需求。特别是在自动丝束铺放方面,利用商用机器人作为小尺寸复合材料铺丝设备的平台正在成为机床供应商的基本做法。

预计未来几年各种配置和尺寸的自动铺丝机床将出现,机器人平台将用于更多的复合材料铺丝系统。机器人平台与复合材料丝束铺放技术相结合被证明是非常成功的,复合材料铺丝设备品种的扩展意味着更小的复合材料车间可根据他们所需的尺寸和价格选用自动铺设备。,复合材料自动铺丝设备将像在金属加工业中的5坐标CNC机床一样,将成为复合材料工业的常态。对于尺寸外形和采购数量各异的无人机平台来说,这类机器人铺放工艺及装备的开发,将降低复合材料机体的制造生产成本。

非热压罐制造

由于无人机造价相对较低、尺寸相对较小,因此更加重视复合材料构件的低成本成形,非热压罐制造是无人机制造技术开发中的选择之一。而且,随着F-35战斗机、复合材料货运飞机以及民用飞机上很多复合材料部件非热压罐制造技术的验证工作取得进展,未来的无人机必将大量采用类似的技术来制造复合材料构件,降低生产成本。在这个方面,预浸料真空袋固化工艺以及干纤维液体成形工艺一直是研发的选择,而且还发展出了一些创新的工艺,比如革命性的复合材料增材制造工艺。

低成本制造工装

复合材料制造工装在航空制造中往往默默无闻,然而复合材料结构件的质量以及制造成本却与其密切相关,因此实际上工装扮演了幕后英雄的角色。理想的复合材料制造工装特点应该是高精度、高刚度、便于使用,抗高压、无渗漏,不损坏零件,尤其重要的两点是工装材料与零件材料的热膨胀系数(CTE)匹配以及成本低廉。通用的工装材料主要有铝、钢、殷钢、环氧树脂基复合材料、双马树脂(BMI)基复合材料和石墨或碳纤维复合材料,其中殷钢和复合材料本身因其较低的CTE,非常适合航空结构件制造,但其制造成本和固化能耗往往不够理想。目前在航空复合材料制造领域,针对热压罐固化和OOA固化,国外发展出了多种新工装材料和新工装技术,以改进工艺、减少时间、降低能耗、节约成本,这些技术都可以用于并且部分已经用于无人机的制造中。

美国试金石实验室开发了一种电加热工装(EHT),一种用于OOA工艺的自加热泡沫(CFOAM)。CFOAM产自粉末沥青煤,经由压入敞口模,在高温下处理并在热压罐中加压,泡沫板粘结在一起形成近无余量薄坯板料,加工成想要的外形。工装表面由HexTOOL材料这样的复合材料成形。EHT工装拥有不变的横截面以及工装表面之下的电阻加热泡沫加热元件。石墨电极与元件相连以提供电力,元件本身与工装剩余部分电绝缘。这样,电阻加热就只发生在工装表面之下,使其更节能,而且里面的泡沫基体由于与表面隔热,也不会被加热,减少了热损耗。工装表面使用的碳纤维比碳泡沫导电性强,如果纤维和泡沫接触,短路将造成不均匀加热,通过加热元件的电绝缘,可以实现工装表面的一致性加热。试验结果表明,无论对于平滑的还是复杂的工装外形,该工装的机械属性都与标准的热压罐固化工装相当。

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