復合材料數字化檢測及液態成型技術

萬建平 ，陳石平 ，李延平 ，鐘日良 ，郭鵬亮 ，蘇亮

（1.航空工業洪都，江西南昌330024；2.中國人民解放軍空軍駐江西地區軍事代表室，江西南昌330024）

復合材料由于其具有比強度高、比剛度大、抗疲勞性好、可設計性強等優點，在航空航天領域得到了越來越廣泛的應用。為了解決復合材料成本較貴、精度較低、質量穩定性較差等問題，行業內將數字化制造技術和低成本制造技術作為重點進行研究、發展。

1 復合材料數字化檢測技術

目前，行業內各主機廠不斷引進先進的復合材料數字化加工設備，基本建立了包括自動下料、定位、鋪貼、加工的數字化生產線，但對于復合材料制件的外形檢測環節仍然以卡板檢測為主。卡板檢測法主要存在以下問題：

1）不同制件需要定位在不同的檢驗型架上，檢驗工裝不具有通用性；

2）卡板本身加工誤差、定位誤差較大；

3）檢測時一般用千分片檢測卡板和制件之間的間隙，檢測數據誤差較大；

4）只能在有卡板的位置檢測數據，數據不夠全面。數字化檢測技術是克服上述缺點，實現復合材料制件精確、有效、快速檢測的有效手段。復合材料制件外形數字化檢測方法主要包括激光掃描、激光跟蹤儀、激光雷達檢測等。

1.1 激光掃描檢測

激光掃描檢測系統包括手持式激光掃描儀、手持式測頭和其他功能附件，實物如圖1所示。使用激光檢測系統需要基于定位標點，檢測之前應在零件表面上貼定位標點。手持式掃描儀的功能是掃描零件表面，得到點云數據；手持式測頭則具有采集零部件上的特征（如線、面、圓、圓柱等）的功能。系統將得到的數據與理論數模進行對比分析，其測量精度約為20um+25um/m。激光掃描儀檢測使用比較方便，但其精度稍差，多用于制件外形檢測和逆向工程。

1.2 激光跟蹤儀檢測

激光跟蹤儀是基于球坐標系的便攜式坐標測量系統，具有測量精度高、實時快、便于移動、能動態測量等優點。跟蹤儀測量系統由跟蹤儀主機、三角底盤、反射球等組成，其實物如圖2所示。

激光跟蹤儀檢測首先需要設置定位基準，其基準可以是產品上的基準孔或者安裝型架上的基準孔。測量時在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發出的激光射到反射器上并返射回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統所接收，用來測算目標的空間位置。激光跟蹤儀的測量精度約為15μm/m+6μm/m，較適用于有基準孔的制件或型架的檢測。

1.3 激光雷達檢測

激光雷達是一種球坐標系的測量系統，它產生一束聚焦的紅外激光投向被測目標，此時在被測目標上產生大量的發射光束，將入射激光返回雷達所經歷的時間與復制的入射激光通過內置已知長度的光纖所用時間進行比對，得出被測目標與激光雷達的距離。被測目標的方位角和仰角分別由反射鏡和旋轉頭獲取，即可獲得被測目標的空間位置。激光雷達是一種非接觸式檢測方法，不需要設置基準，系統得到大量點云數據和理論數據可供進行比較、分析。其測量精度大約為10μm/m，可用于無基準點的制件外形檢測。

激光雷達測量系統由掃描頭、掃描頭支座、電源控制柜及計算機組成，其實物如圖3所示。

1.4 某部件外形檢測實例

某復合材料制件最大長度約3m，最大寬度約2m，上下型面均為雙曲率。采用激光掃描系統對其進行外形檢測。

測量前需要在制件上按照規則貼定位標點。由于待測零件較大，為了保證定位標點的精度，使用MaxSHOT 3D相機來拍攝定位標點。拍攝完后對定位標點進行處理，并保存為文本格式。將手持式掃描儀EXEScan與電腦連接，打開Vx-elements軟件，對掃描儀做校準之后再打開已保存的定位標點，開始對制件型面進行掃描，圖4為掃描得到的點云數據。

將點云數據導入Geomagic control軟件中做初步分析（開流形、去噪音點、補充圓孔等），然后與理論數模做對比。對比后可設置誤差帶大小，在軟件中以色帶的形式顯示誤差大小，同樣可以3D注釋的形式表示任意點誤差。圖5所示為部分檢測報告。

2 復合材料液體模塑成型工藝

復合材料液體模塑成型工藝（Liquid Composite Molding，簡稱LCM）是指將液態聚合物注入鋪有纖維預制體的閉合模腔中，或將預先放入模腔中的樹脂膜加熱熔化，使液態聚合物在流動充模的同時完成對纖維的浸潤并固化成型為制品的復合材料制備技術。常見的LCM技術主要包括：樹脂傳遞模塑法（Resin Transfer Molding，簡稱 RTM）、樹脂膜溶滲法（Resin Film Infusion，簡稱RFI）和真空輔助滲透法（Vacuum Assisted Resin Infusion，簡稱 VARI）等。它們的共同特點是：一般情況下可不采用熱壓罐、基體樹脂黏度較低、僅需負壓或低壓、制造周期短、使用干纖維鋪放而省去了預浸料的制備過程、可整體成型帶有夾芯或預埋件的大型制品、勞動工時大大降低、輔助材料消耗少、材料利用率高、制件減重等。因此，LCM工藝成為高性能復合材料低成本制造技術的重要發展方向。

2.1 樹脂傳遞模塑（RTM）

RTM工藝的原理是在壓力注入或外加真空輔助條件下，將液態、具有反應活性的低粘度樹脂（≤1000mPa.s）注入閉合模具中，樹脂沿模具中已預先鋪放的干態纖維或織物預制體空隙流動，并排出氣體同時浸潤增強材料，在完成浸潤后，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。其工藝過程見圖6。

先進復合材料RTM成型工藝特別適用于大型薄殼異型結構件的生產。由于RTM為閉模成型工藝，通常不適于制造尺寸較大尤其是面積較大的復合材料制件，只適合于制造細長結構或結構復雜的構件，如框、梁結構和懸掛接頭等復雜結構。與其他傳統復合材料成型工藝方法相比，RTM工藝具有諸多優點：

1）閉模操作系統，減少了有害氣體的排放，制件雙面光順；

2）產品的尺寸精度高、表面質量好，一般無需精加工；

3）低壓注射，模具材料選擇靈活性強，模具設計與制造自由度高，且成本較低；

4）纖維體積含量可高達60%，且制品孔隙率較低；

5）與手糊法相比，避免了樹脂配置過量的問題，原材料的利用率高；

6）與熱壓罐工藝相比，省去了預浸料的生產過程，單位質量價格可降低30%～50%；夾層和預埋件可以在樹脂注射時直接加入產品中，易實現局部增強和夾芯結構，高效減重，降低生產成本。

基于RTM成型工藝的諸多優點，它已廣泛應用于航空復合材料制件的制造，以實現航空復合材料輕量化、低成本化、高性能化的目的。某型飛機復合材料前邊條（如圖7所示）為雙蒙皮大曲率變截面多腔盒段結構，采用RTM工藝整體成型，選用高溫固化5284RTM環氧樹脂基浸潤U-3160碳纖維織物。與金屬制件相比，結構減重6.9%。某型復合材料機尾罩（如圖8所示）由內蒙皮、外蒙皮、夾心泡沫、環框、底框組成，采用RTM工藝整體成型。其大、小口均非圓形，大端口徑約1100mm，小端口徑約540mm，與原金屬結構相比，復合材料機尾罩結構重量降低近26%。

2.2 真空輔助樹脂滲透（VARI）

采用VARI工藝成型時，將制備好的纖維預成型體放置在模具上，在真空作用下使液態樹脂在預成型體內流動并浸潤纖維，再經升溫固化、冷卻脫模得到復合材料構件。其工藝原理如圖9所示。

VARI工藝僅僅需要一個單面的剛性模具，其上模為柔性的真空袋薄膜，并只需一個真空壓力，而無需額外的壓力。對于大尺寸、大厚度的復合材料制件，VARI是一種十分有效的成型方法。VARI工藝對樹脂粘度的要求比RTM工藝低，一些粘度較大（如≥1000mPa.s）的不適合于RTM工藝的樹脂仍可用于VARI工藝。該工藝與傳統開模成型及RTM工藝相比，具有以下優點：

1）單面模具，設備投入及模具制造成本較低；

2）制品力學性能好，重復性高，結構缺陷少、表面均勻光滑、構件之間一致性高；

3）可結合縫合、編織、特種定型織物等實現復雜結構的整體成型和Z向增強；

4）可設計性好，可整體成型大型復雜幾何形狀的夾芯和加筋結構件。

某型飛機復合材料前護板（如圖10所示）為內埋梁式泡沫夾芯整體壁板結構，采用VARI工藝整體制造，選用CF3031碳纖維斜紋織物和3228VARI環氧樹脂體系，與原金屬結構相比，復合材料前護板結構重量降低12.8%。

2.3 樹脂膜溶滲（RFI）

RFI工藝則介于VARI工藝和熱壓罐工藝之間，其樹脂基體為預浸料樹脂，只是省去了預浸料的制備工藝，將預浸料樹脂制備成樹脂膜后鋪在增強材料之下或增強材料層之間，然后在熱壓罐的熱和壓力下滲透浸潤增強材料并固化成型。其工藝原理如圖11所示。

RFI是一種適合大型構件整體成型的液體成型技術，與其他樹脂基復合材料成型工藝方法相比，具有如下優點：

1）可結合縫合技術實現層間增強、提高結構完整性，通過減少緊固件的數量和裝配工作量，大大降低復合材料的制造成本；

2）增強材料選用具有高度的靈活性和組合性，可以是短切纖維、連續纖維、三維針織物及三維編織物，賦型性高；

3）樹脂分布均勻，浸漬路線短，成型制品孔隙率低（0～2%），纖維含量高（近60%），產品整體性能優異；

4）樹脂膜便于貯存和運輸，操作簡便，加工周期短，廢品率低，可經濟快速地成型尺寸大、精度要求較高的制品；

5）RFI工藝不采用預浸料，樹脂體系揮發物少，幾乎不會對環境和人體造成污染。

某型飛機復合材料外側前襟下壁板（如圖12所示）為多肋共面變厚度整體壁板結構，由蒙皮和7個U形肋組成。該壁板選用碳纖維織物U-3160作為增強材料，5228環氧樹脂為基體，采用縫合/RFI工藝整體成型。

3 結語

復合材料制件外形數字化檢測技術和低成本液體模塑成型技術是復合材料技術發展的兩個重要方面，還需要進一步開展相關研究和應用工作，以實現復合材料的數字化、精確化及低成本化制造。

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