盘点当下碳纤维复合材料机翼所用的成型工艺

碳纤维复合材料设计是基础,成型是关键,成型技术和设备是成型复合材料的重点,随着复合材料在飞机上的广泛使用,各种相对应的先进成型技术也迅速发展,先进的预浸料制备技术、自动铺带(丝)技术及设备、激光投影、激光跟踪仪以及工装设计和加工等都为复合材料的成型提供了坚实的基础。

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机翼壁板成型工艺

目前,大尺寸加筋壁板成型工艺常见有以下4种:

  1. 二次胶接(长桁和蒙皮分别固化,然后组装二次胶接);
  2. 共固化(蒙皮与长桁分别铺叠预成型,再组装胶接共固化);
  3. 胶接共固化(长桁先固化,再与预成型蒙皮胶接共固化);
  4. 胶接共固化(蒙皮先固化,再与预成型长桁胶接共固化)。

这三种成型工艺各有优缺点,在选择成型方式时必须结合产品的结构形式、外形尺寸和设计使用要求等确定适合的成型方式。

大尺寸机翼碳纤维复合材料壁板结构的成型目前普遍选择胶接共固化工艺,相对于二次胶接,胶接共固化有较好的胶接质量,节省了一次热压罐的使用,成型效率较高。相对于共固化,胶接共固化模具结构相对简单,工装设计加工成本低。

空客在机翼壁板结构上同样采用胶接共固化成型方式,A400M和A350XWB碳纤维复合材料机翼采用长桁先固化,再和蒙皮胶接共固化的成型方式。采用胶接共固化成型方式,可以保证长桁的成型质量和加工精度,长桁在和预成型蒙皮胶接共固化时胶接质量较易保证,长桁定位方便,工装成本低。

机翼自动铺带成型技术

随着碳纤维复合材料在飞机上应用比例的逐步增大,碳纤维复合材料构件的尺寸也随着增加,传统的手工铺叠等方法已经远远不能满足大尺寸结构件研制生产的需要。当复合材料零件的尺寸较大时,人工铺叠难度相应增大、成型效率低、产品质量也难以保证,因此,相应的自动铺带技和纤维自动铺放技术等自动化制造技术应运而生。

目前较为先进的铺带机是法国公司的“大力神”双头自动铺带机。该机的特点是有两个机头进行铺带, 一个用绕在线轴上的无纬带铺带, 另一个用预先切割的材料, 可快速进行复杂形状的铺叠。

翼梁成型

翼梁由于结构尺寸大、变截面多和铺层复杂,采用传统手工铺叠成型效率低下。鉴于此,国外开发出了成型效率较高的热隔膜成型技术(Hot Drape Forming ,HDF)。由于热隔膜成型技术对材料体系有特殊的要求,进而限制了新型材料体系在翼梁结构上的应用,因此A350翼梁舍弃热隔膜成型技术,而采用自动铺丝技术。
热压罐智能控制技术

热压罐成型是目前大型复合材料构件主要成型手段,针对大尺寸构件固化过程中温度场不均匀、温差大等现象,国外开发出超大尺寸的热压罐系统和先进的热压罐空气循环系统,该系统能有效降低大尺寸复合材料构件成型过程中的温差,降低单位重量复合材料构件的能耗,且有利于保证复合材料构件的成型质量。

通过长时间的针对碳纤维复合材料的研究,碳纤维复合材料在各种机型上的应用比例逐步提高,也形成了相对成熟的设计理念和方法,积极借鉴和研究,努力开发各种先进的成型工艺、设备、检测方法和高效的装配工艺等,以便满足客户针对碳纤维部件的各项需求。

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