先进复合材料缠绕成型技术解析(下)

2011-07-05  来源:复合材料  作者:复合材料  浏览次数:8965 加入收藏   |  分享

2 带铺放成型技术研究现状及应用 2.1带铺放成型的研究现状 欧美发达国家于20世纪70年代开始研究带铺放成型技术,并取得了很大进展,已开发出复合材料带铺放成型设备,如美国Vought飞机公司的大...

    2 带铺放成型技术研究现状及应用

    2.1带铺放成型的研究现状

    欧美发达国家于20世纪70年代开始研究带铺放成型技术,并取得了很大进展,已开发出复合材料带铺放成型设备,如美国Vought飞机公司的大型CTLM铺放机,该系统有2个铺放头,可同时铺放2个不同部位,Vought公司目前正使用此系统生产军用C-17运输机的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是欧洲最早使用平面自动铺带机和曲面自动铺带机生产复合材料结构的公司,与手工铺贴相比,CASA自动铺带机具有很高的生产效率,一般是手工铺贴的10倍。当用150mm宽预浸胶布带作平面铺放时,生产效率是手工铺贴的22倍以上。波音公司在自动铺带技术方面投入大量资金和人力,发展自动铺带技术生产B2轰炸机大型复合材料构件。近年来,波音公司也将自动铺带技术应用于其他项目,主要包括Navy A6轰炸机(复合材料机翼)、F-22战斗机(机翼)和波音777民用飞机。波音777民用飞机的全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自动铺带技术制造。

    目前,带铺放成型技术在我国尚处于起步阶段,国内复杂的铺放制品基本上以手工铺层为主,其生产效率低、铺层质量不稳定、材料利用率低、制造周期长、费用高,难以实现复杂的结构设计要求,制约了我国航空航天制造技术的发展和水平的提高。由于复合材料带铺放成型技术对军工事业和国防事业有着重大意义,欧美发达国家对我国严密封锁,并限制高档、精密和敏感复合材料成型工艺装备对我国的出口,使我国无法走“引进、消化、吸收”的捷径。国内科研院所和企业一直致力于带铺放成型技术的研究,以打破发达国家对我国的技术垄断,促进国防、航空航天事业的发展。

    2.2 带铺放成型的应用

    美国航空制造商大量应用带铺放成型技术生产B1、B2轰炸机的大型复合材料结构、F-22战斗机机翼、波音777飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17运输机的水平安定面蒙皮等。欧洲生产的复合材料构件包括:A330和A340水平安定面蒙皮,A340尾翼蒙皮,A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。

    我国大飞机工程已经立项,复合材料规划用量初期要达到15%,后期将随着材料与设计制造技术的成熟逐步扩大,最终的上限可能接近甚至超过现有波音787的复合材料用量水平[10],带铺放成型技术是保证大飞机项目顺利实施的关键技术之一。对于现阶段复合材料用量15% 的目标,翼面壁板类构件将成为主导。对于20年研制周期的大飞机计划,为进一步提高飞机性能,加大复合材料用量势在必行,复合材料机身铺放技术将成为后期的关键技术。

    带缠绕、带铺放成型技术的发展趋势

    随着复合材料相关技术的发展,带缠绕、铺放成型技术呈现出多工艺复合化、成型设备精密化、CAD/CAM技术应用日益增多、成型设备与机器人结合化、热塑性树脂基复合材料逐渐增多及新型固化技术不断应用的发展趋势。

    (1)将带缠绕成型与拉挤、铺放、编织、压缩模塑等工艺相结合,提高带缠绕成型的工艺适应性。

     由于带铺放可进行任意角度缠绕,还可在凹形表面缠绕,克服了缠绕工艺的不足;若将其与带缠绕工艺结合起来,可解决某些结构类管状构件的缠绕成型问题。缠绕-拉挤工艺加工的薄壁管改善了制品的力学性能,已用于汽车司机驾驶室框架的制造。带缠绕与注射模塑工艺结合制造的自润滑多面滑动轴承具有卓越的摩擦学行为。

    (2)将带铺放成型与电子束固化技术结合是目前研究的热点[3]。

    电子束固化可以大幅度地降低制造时间、材料消耗和能源,是重要的低成本制造技术。传统电子束固化采用铺叠后一次辐射固化,要求电子束的能量高(3~10MeV),不仅使加速器投资巨大,并且辐射防护的投资也随之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐层电子束固化”的思想,完成一层铺叠后即实施电子束固化,只需0.5MeV电子束能量,并可以获得良好的力学性能。带铺放成型与电子束固化技术结合的研究逐渐进入实用阶段。

    (3)为带缠绕、带铺放成型设备配备精密张力控制系统,以提高制品成型精度。

在缠绕、铺放成型过程中,张力与制品的强度、致密度、疲劳性以及一致性有着密切的关系,对制品性能影响极大。国内方面,西工大、哈工大等均在精密张力控制系统方面进行了大量研究工作,并取得阶段性成果;国外方面,法国已开发出一种用于粗纱的张力控制系统。

    (4)CAD/CAM技术在带缠绕、带铺放成型工艺及装备中的应用日益增多。

    CAD/CAM与缠绕、铺放成型工艺的结合,有助于缩短产品设计周期、减少废品率、提高制品的质量,提高自动化水平及生产柔性。国内外均有一些实用化的软件问世,但与传统CAD/CAM技术相比,复合材料成型CAD/CAM技术的研究才刚刚起步,研究成果有限。

    (5)将缠绕、铺放成型设备与机器人相结合,增强成型设备的柔性及适用范围。

    机器人用于带缠绕、带铺放成型,具有自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点,尤其适合小型复杂构件的缠绕、铺放成型,如不对称构件和双凹面构件等。欧美及加拿大正在研究开发机器人缠绕机,如比利时Leuven天主教大学用一台PUMA-762机器人与两轴数控缠绕机联接,缠绕出多种零件 ;加拿大OTTAWA大学也用机器人成功缠绕了T 形管;德国AACHEN工业大学建成了一个复合材料柔性制造单元,己成功生产出机床主轴、飞机机身等零件。

    (6)热固性树脂基复合材料成型向热塑性树脂基复合材料成型方向发展。

    据统计,从1994年以来,热塑性复合材料是同期热固性复合材料增长的2倍。该高速增长可以用热塑性树脂基复合材料良好的机械性能、耐温性能、介电常数及可循环性来解释,尤其是它的可回收、可重复利用及不污染环境的特性适应了当今材料环保的发展方向。国外已有杜邦、帝国化学、BASF和德国凯瑟斯路登大学等多家大公司和科研机构对热塑性树脂基复合材料的成型工艺进行了研究和生产。国内有北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点试验室等少数机构对热塑性预浸带进行了缠绕试验,并对制品性能进行了初步分析。目前国内这种工艺尚处于初步开发的阶段,发展空间较大。

    (7)新型固化技术与在线固化监测技术不断出现。

    红外加热、微波加热、火焰加热、电子束固化等技术可缩短固化周期,减少残余应力,提高复合材料的力学及物理性能,有利于降低成本。法国航空航天公司已对固体火箭发动机缠绕壳体的电子束固化技术进行了成功演示,其综合性能优于常规的加热固化复合材料。此外,超声技术以及光纤传感技术等均用于在线固化监测过程。前苏联在壳体缠绕成型过程中采用了磁场中缠绕及固化的工艺方法,可使制品实现更为良好的固化效果。

    带缠绕、带铺放成型应用过程中存在的问题

    经过40余年的研究与发展,我国复合材料缠绕、铺放成型制造技术的研究和应用已初具规模,形成具有航空、航天特色的复合材料技术体系,满足不同型号航空航天产品的需求,为国防、航空航天事业的发展做出了巨大贡献。复合材料垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身、舱门等构件已在多种型号飞机上使用,并可小批量生产。机身、机翼、直升机旋翼等在进行了大量基础研究工作后,已装机试飞成功,航空、航天复合材料已进入实际应用阶段。尽管如此,我国复合材料的技术基础和应用水平与发达国家相比还有相当大的差距。我国目前正在大力发展载人航天、探月计划、大飞机、新型战斗机、风力发电等高新科技工程,其中火箭发动机壳体、喷管,大飞机机翼、机身,风电叶片等大型非规则结构件均需通过复合材料缠绕、铺放成型实现,这也对复合材料缠绕、铺放成型制造技术提出了更具挑战的要求。为使复合材料缠绕、铺放成型制造技术在航空、航天及民用领域更好地推广应用,必须注意以下几个方面的问题。

    (1)国产先进复合材料无法完全满足缠绕、铺放成型制造的需求。

    我国先进复合材料存在的问题为:生产规模小、质量差、价格高、应用基础研究薄弱等。深层次上表现为原材料供应的“瓶颈”效应,即国产复合材料的性能、质量、规格、价格以及供货能力等方面达不到高性能铺放成型制品的要求,无法满足国防、航空航天及民用领域对复合材料的迫切需要。国外预测我国将成为最大的复合材料制造商和用户,需求量将占世界的1/4。基于复合材料的基础性、先导性、战略性特点,从源头解决好复合材料的供应问题,才能使我国缠绕、铺放成型制造技术的快速发展成为可能。

    (2)低成本复合材料缠绕、铺放成型制造技术。

     复合材料缠绕、铺放成型普遍存在制造成本问题。在缠绕、铺放成型过程中,所用设备专一,制造工艺复杂。要使复合材料缠绕、铺放成型制造真正进入到产业化阶段,还需作更深一步的研究,发展制造过程优化及工艺控制技术,降低制造成本,拓展缠绕、铺放成型制造技术的应用领域。

    (3)复合材料缠绕、铺放成型制造技术的相关理论与方法。

    通过对复合材料缠绕、铺放成型制造技术数十年的研究和成功应用,人们对其有了更深刻的认识。近年来,欧美等发达国家缠绕、铺放成型制造技术在航空、航天及民用领域的大量应用,这其中的原因是多方面的,科学合理的理论与方法是其中的重要因素之一[1]。鉴于此,我国需要建立并不断完善缠绕、铺放成型制造技术的相关理论与方法。

    (4)复合材料缠绕、铺放成型制品的规范与标准。

    将复合材料缠绕、铺放成型制品规范化、标准化,使试验和分析更好地结合起来,形成生产和评价的统一指标,可促进全行业的技术发展,显著改进制品的一致性[20]。建立复合材料缠绕、铺放成型制品有效性能实验表征与评价体系,定量化评价成型制品的可靠性和安全性,对于减少风险,降低成本有着不可忽视的作用。

    (5)重视发展规划与加大国家支持力度。

    随着新一代飞行器的发展,特别是新一代卫星、大运载火箭和大飞机的发展,先进复合材料及其成型制造工艺的应用将越来越广泛。我国先进复合材料研制费用大部分要靠国家专门投入,因此应该从国家和宏观的层面上制定相应的发展规划,本着系统和长远发展的眼光,重点解决先进复合材料及其成型制造工艺中的共性和关键问题,在满足国防、航空航天领域需求的前提下促进民用领域的拓展。

    结束语

    先进复合材料的缠绕、铺放成型是固体火箭发动机壳体,大飞机机身、机翼,风电叶片等核心部件的关键制造技术,对我国重大项目的实施和航空航天事业的发展有着举足轻重的作用。我国将成为先进复合材料的最大用户,却面临着国外技术的严密封锁与技术储备的严重不足。为实现先进复合材料及其成型制造技术在国防、航空航天及民用领域的广泛应用,必须坚持自主研发,解决原料问题,低成本制造问题,相关理论与方法问题,规范和标准制定问题,政策支持问题。

 

服务支持

关注我们

关于我们 |  联系我们 |  法律声明 |  友情链接 |  网站地图 |  帮助中心 | 

® 2009-2014 复材在线 版权所有 京ICP备11017963号-1 网站经营许可证编号:京ICP证070755号 (c)2008-2019 frponline.com All Rights Reserved