大型客機復材零件先進制造設備及廠房條件分析

孟慶華

摘 要：復合材料制造技術是現代飛機制造工程的支柱技術之一，文章介紹了復合材料先進制造技術，論述了大型客機復材零件特點、制造工藝，分析了復材零件先進制造工藝設備及對廠房條件的影響。

關鍵詞：復合材料；制造設備；安裝條件

引言

先進樹脂基復合材料是以有機高分子材料為基體、高性能連續纖維為增強材料、通過復合工藝制備而成，具有明顯優于原組分性能的一類新型材料。先進樹脂基復合材料以其優越的性能，已經廣泛應用于航空工業，成為繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發展起來的四大航空材料之一，其用量已經成為航空結構先進性的重要標志[1-5]。波音B787飛機大量采用復合材料，達結構質量的50%，全機結構幾乎均由復合材料制成，包括機身和機翼。空客A350飛機復合材料使用量達52%。隨著我國復合材料制造技術的發展，軍機、民機上也已經大量使用復合材料。

1 航空復合材料先進制造技術概述

復合材料在飛機上用量大、結構復雜、性能要求高，使得復合材料制造技術成為現代飛機制造工程的支柱技術之一，也是飛機能同時具備高結構效率和優良性能的基礎制造技術之一。

傳統制造加工技術已經嚴重制約復合材料技術的發展，難以滿足復合材料特別是飛機復合材料高性能、復雜結構、大產量的要求，因此對先進復合材料制造技術的研究已經深入開展，并取得了大量研究成果，廣泛應用于復材零件的生產。國際上大型航空企業，如波音、空客、龐巴迪等，在復合材料生產中已經大量采用先進制造技術 [6]。國際上航空復合材料先進制造技術主要如下。

1.1 數字化設計和模擬技術

數字化設計能夠提高產品制造質量、加快產品研制進度、降低成本；數字化模擬技術，如鋪層、浸漬、固化成形等工藝過程模型和人工智能模擬，能夠大大提高自動化程度和制品合格率，降低廢品率。

1.2 自動化制造技術

自動化制造技術能顯著提高復合材料零件的制造效率，已經廣泛應用于復合材料制造領域，如自動鋪帶技術、自動鋪絲技術等。自動鋪放技術徹底實現了復合材料零件生產的機械化、自動化，成型精度高、零件質量好，生產效率較手工鋪放提高數十倍，材料廢品率降低至3%～5%，大幅度降低了制造成本[7]。

1.3 低成本制造技術

據統計，復合材料的制造工藝成本占總成本的75%以上，隨著復合材料的廣泛應用，低成本制造技術已成為復合材料研究領域的一個重要課題，其中RTM技術是一種新型的閉模成型技術，現已是世界公認的低成本制造技術，近年來發展較為迅速。

2 大型客機復材零件制造先進工藝特點分析

2.1 大型客機復合材料特點

為滿足我國民航運輸業發展需求，我國已經開展150座級中短航程大型客機的研制，該飛機力求滿足安全、低成本、舒適、環保等綜合要求。國際上同類大型客機已經廣泛用于民航運輸，如B737、A320飛機等，該類大型客機對飛機結構輕量化和整體化的要求較高，復合材料以其優越的性能在該類飛機上大量應用，中央翼、尾翼、后機身、機頭雷達罩等零部件已經廣泛采用全復合材料結構。該類大型客機復合材料零件具有零件尺寸大、結構復雜、性能要求高等特點，如復合材料機翼蒙皮、梁的長度尺寸達15～20m，復合材料零件大量采用加筋壁板、蜂窩夾芯結構、二次膠接結構等結構形式。文章主要針對150座級中短航程大型客機的復合材料制造設計進行分析。

2.2 大型客機復合材料制造工藝特點

為保證復合材料的制造質量、生產效率，國際先進大型客機復材零件廣泛采用自動化、數字化、低成本制造工藝技術，主要如下：

熱隔膜成型技術適用于細長類復材零件的成型，特別是大型客機梁、長桁等復合材料承力零件，熱隔膜成型技術能夠有效保證零件外形以及力學性能。

自動鋪放技術：包括自動鋪帶技術和自動鋪絲技術，大型客機的大量復合材料零件屬于大尺寸整體結構，如機翼蒙皮是一個長度近20m的復合材料整體零件，自動鋪放技術高效、高質量制造該類大尺寸、大曲率半徑零件。

RTM技術：RTM技術制造零件具有制造精度高、凈尺寸成型、加工效率高、制造成本低等優勢，特別適合用于大型客機復雜結構復合材料零件的制造。

2.3 先進復合材料制造設備對廠房工藝設計的要求

為滿足上述復材零件先進制造工藝技術要求，需要采用大量先進工藝設備，此類工藝設備具有自動化程度高、工作行程大、制造精度高等特點。該類設備與傳統復材加工設備差別較大，設備系統組成、制造工藝等對復合材料廠房工程設計影響較大，復材廠房工藝設計時需掌握先進制造設備的工作原理、系統組成、制造工藝及廠房條件要求等，文章重點對大型客機復合材料廠房內先進制造設備進行分析。

3 大型客機復材零件先進制造設備及廠房條件分析

為深入了解大型客機復材零件制造對廠房工程設計影響，需分析復合材料制造先進工藝設備的工作原理、系統組成、制造工藝及對廠房工程設計影響。文章分析的工藝設備主要包括熱隔膜成型機、自動鋪帶機、自動鋪絲機、RTM成型系統，具體如下。

3.1 熱隔膜成型機

熱隔膜成型是將預浸料鋪放后形成的坯料放置于模具上，通過特制隔膜的輔助作用，經過抽真空和加熱等方法，將預浸料坯料壓向模具，形成所需要的形狀。熱隔膜預成型具有成型過程中纖維不易滑動、不易產生皺褶的特殊功效，非常適用于加工大型飛機的C 形梁及長桁。

熱隔膜成型機主要由加熱箱體、工裝預熱庫支架、主加熱庫支架、真空系統、空氣處理系統、控制系統等組成。

大型客機使用的大型熱隔膜成型機的加熱箱體長達21m，設備內部主要包括工裝預熱庫支架和主加熱庫支架。為滿足預熱及成型需要，工裝支架和預浸料支架需要沿固定軌道移動，導致整個設備工作區域占地面積約25m×16m。由于該設備的工裝尺寸、重量較大，放置設備的房間內需設置起重設備；該設備有進風管、排風管通往室外，與空氣處理機相連，故室外空氣處理機的布置需綜合考慮空氣處理器能力、風管穿行、廠房布置等因素。

3.2 自動鋪帶機

復合材料自動鋪帶設備采用有隔離襯紙的單向預浸帶，利用多自由度的鋪放頭、切割頭，根據設計將纖維預浸帶自動選擇鋪層位置、自動定位、自動切割形狀、自動鋪放在工裝表面，且自動壓實。自動鋪層具有表面平整、位置準確、精度高、無余量、速度快、質量穩定性高等優勢，特別適用于曲率半徑較大且變化較緩的大尺寸復合材料零件的鋪疊成型，可實現大型復雜構件的自動化鋪層。自動鋪帶效率是傳統手工鋪層的10倍以上。

大型客機外翼壁板鋪層用自動鋪帶設備的工作行程達20m，主要由龍門架、鋪帶頭、預浸料存儲器、控制系統等組成。目前，自動鋪帶機已經在波音、空客等國際航空企業得到廣泛應用，國內航空企業也已經引進自動鋪帶設備，進行大型零件的鋪疊成型，取得了較好的效果。大型客機研制使用的自動鋪帶機外擴尺寸較大，占地面積大。自動鋪帶機基礎部分預埋鋼軌，單條軌道長度達30m。由于鋪疊精度高，對設備基礎要求較高，需設計獨立基礎保證軌道的平整度。

3.3 自動鋪絲機

自動鋪絲設備是在自動鋪帶加纖維纏繞基礎上發展而來的，是將預浸絲束或窄的預浸帶在幾乎沒有張力的情況下，按制件形狀鋪放纖維束，充分利用材料，無邊角廢料，節省了原材料；適于制造整體件，減少零件數目，節省了制造和裝配成本；既適于制造機身蒙皮、導管等形狀復雜的制件，也適于制造機翼水平安定面等大尺寸平面構件。

大型客機復合材料機翼梁絲束鋪放用自動鋪絲設備工作行程達20m，主要由鋪絲機器人、絲束箱、工裝支架、控制系統等組成。自動鋪絲機屬于航空工業復合材料制造領域高精尖設備，美國、歐洲部分國家一度禁止向中國航空企業銷售該類設備。由于自動鋪絲機的鋪絲頭的鋪放精度、軌道平整度對零件制造精度影響較大，為保證設備精度，廠房條件特別是設備基礎需能夠保障設備安裝的精度要求。

3.4 RTM成型系統

RTM技術是一種低成本復合材料制造技術，生產出的零件質量好，尺寸精度高并可凈尺寸成型，適合用于大體積、高強度、復雜結構復合材料零件的制造生產，RTM技術在大型客機復材零件制造領域得到廣泛應用。

RTM工藝過程為：首先采用編織、針織、縫紉等技術制備纖維預制體，在模具內放置預制件，在壓力注入或外加真空輔助條件下，液態、具有反應活性的低黏度樹脂貫穿流動并充填閉合模具，排出氣體同時浸潤并浸漬干態纖維結構。在完成浸潤浸漬后，樹脂在模具內通過熱引發交聯反應完成固化，最終得到成型的制品。

目前已經有多種形式的RTM，如真空輔助RTM（VARTM）、壓縮RTM （CRTM）、樹脂滲透模塑（SCRIMP）、真空輔助樹脂注射（VARI）等十多種方法。其中VARI技術是RTM中一種新型的復合材料低成本、高性能成型技術，近年來在航空領域受到廣泛的重視，該技術是在真空狀態下，利用樹脂的流動、滲透實現對纖維及其織物的浸漬，并在真空下固化的成型方法。

3.4.1 三維編織機

VARI技術首先需要將纖維編織成預制體，預制體的編織需要采用自動縫合設備，一般大尺寸復雜零件需要采用三維自動縫合機進行三維編織。

3.4.2 成型設備

VARI技術成型系統主要由儲存罐、真空系統、調溫系統、控制系統、模具及傳輸系統等組成，成型的工藝為：將縫合或編織的干纖維預成形件放在VARI成型系統的上下模具之間，合模后將樹脂以一定的壓力注入，VARI成型系統在一定溫度和真空狀態下，將零件固化成型，最后開模取出產品。

RTM成型系統的三維縫合機布置于潔凈間內，成型需使用大型烘箱，靠近廠房的凈化間，便于零件制造成型。

4 結束語

大型民用飛機復合材料零件具有尺寸大、制造精度要求高等特點，選用自動化、數字化、一體化的先進制造設備，能夠大幅提升制造零件的質量、性能、復雜度等，提高生產效率。通過對大型客機復材零件先進制造設備的工作原理、系統組成、制造工藝及廠房條件要求的分析，能夠為大型客機復合材料零件廠房工程設計提供有力支撐。

參考文獻

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[6]陳祥寶，張寶艷，邢麗英.先進樹脂基復合材料技術發展及應用現狀[J].中國材料進展，2009，28（6）：2-12.

[7]肖軍，李勇，李建龍.自動鋪帶技術在大型航空復合材料結構中的應用[J].航空制造技術，2008（1）：50.