民機復合材料制造成本分析與控制

胡婷萍 何瑞 陸孜子

在追求先進性和經濟性的過程中，越來越多的復合材料在各類民機主承力或次承力結構上得到應用，然而復合材料高昂的制造成本成為其進一步擴大應用的重要阻礙。

針對復合材料的成本控制，國內外提出了復合材料低成本制造工藝，大多為非熱壓罐成型工藝，包括液體成型（LCM）工藝等。但液體成型工藝由于技術成熟度等原因，在民機領域的應用還需開展進一步的研究和驗證工作。因此，全球航空制造業迫切需要對于現有熱壓罐成型工藝進行改進，研究如何降低復合材料制造成本，實現復合材料性能與成本的平衡。

制造成本分析與控制

美國軍民用飛機制造商及其主承包商早期提供的信息表明：在利用熱壓罐技術成型的復合材料產品成本組成中，材料占15%，鋪層占25%，裝配占45%，固化占10%，緊固件占5%。由此可見，零件制造成本占總成本的比例是很大的。

復合材料制造成本通常可分為材料成本、工時成本和工裝成本，其中材料成本和工時成本為重復成本（Recurring Cost，RC），工裝成本為非重復成本（Non-recurring Cost，NRC）。

復合材料的材料成本包含預浸料、蜂窩等主材的采購，以及制造過程中要用到的工藝輔料和膠漆等化工材料、材料運輸和管理成本等，其中主材成本占比較大，主材成本由材料采購單價和實際用量決定。

工時成本為制造中所耗費的工時費，由耗費時長和小時費率決定，包含設備工時和人工工時，工時可按制造工序拆分，工序由工藝方案決定，如領料、工裝準備、鋪層、打袋、固化、機加和測量檢測等，其中鋪層和固化工序的工時成本通常占比較大。

工裝成本為制造過程中的工裝夾具費用，通常指為提高生產速率而配備增加的工裝，但不包括研制階段的工裝，研制階段的工裝屬于研制成本。

雖然制造成本在生產階段才發生，但產品成本的60%-70%卻是由設計過程決定的。因此，在設計階段考慮成本因素，對于降低復合材料產品的制造成本具有顯著的作用。在設計階段，應從構型選擇、鋪層設計、工藝方案和生產模式等方面考慮，識別材料利用率、鋪貼和固化等成本關鍵參數，降低材料成本和工時成本，達到制造成本控制。

面向制造成本的結構設計

影響飛機成本的決定因素是設計思想、設計水平和設計工程師在設計過程中的成本意識，在設計階段考慮成本因素，對于降低復合材料產品的制造成本具有顯著的作用。

面向制造成本的結構設計，通常從結構形式、材料選擇和公差設定等方面考慮。在結構形式方面，在滿足結構強度、剛度和工藝性的前提下，盡量選擇簡單的結構形式，減輕結構重量，降低復合材料結構的工藝制造難度。結構設計同時考慮可制造性，盡量選擇可用成熟穩定工藝制造的結構方案，縮短制造工時，保障制造合格率，控制制造成本。

在材料選擇方面，根據復材結構承力設計特征，合理選擇材料體系，要選擇采購較容易且使用比較普遍的材料，盡量以國內穩定供貨渠道為主，同時盡可能減少材料種類，便于后續材料批產采購。

在公差設計方面，綜合考慮重量、強度、疲勞強度、損傷容限要求，考慮放大公差的裕度設計，確定合理的產品缺陷接收限，提高產品制造合格率，保證制造的經濟性。通過復合材料產品制造驗收技術條件控制，給出合理的制造缺陷接收限。

提高材料利用率，降低材料成本

在材料成本中，主材成本占比通常大于70%，其總價值為材料采購單價乘實際用量，而實際用量則取決于理論用量和材料利用率。因此，降低材料成本有兩種思路，一是在設計時考慮減重優化，降低理論用量;二是提升材料利用率，減少材料耗費。當然，選用主流產品的材料體系，也可降低材料采購單價，從而達到降低材料成本的目的。

在制造過程中，一般從以下幾方面著手，考慮提高材料利用率：料層邊界優化及拼搭接工藝方案優化;料片排版優化;減少工藝余量，優化自動鋪帶程序、下料程序;調整膠膜的下料方式;大批量生產階段，實現同類材料的混排下料。

提升鋪貼效率，降低工時成本

在降低材料成本之外，提升鋪貼效率，降低工時成本也是降低復合材料成本的常用方法之一。目前民機復合材料的鋪貼大多采用手工鋪貼、自動鋪帶（ATP）和自動絲束鋪放（AFP）等。

手工鋪貼由于不用設備，工時成本僅有人工成本，但其依賴于鋪層工人的素質，廢品率高，且效率低，近年僅在小零件上應用。20世紀60年代，在美國空軍航空材料實驗室的資助下，美國的制造商就開展了自動鋪帶研究，并在20世紀80年代正式用于航空制造。自動鋪帶的主要優點是適合于大型結構，特別是平面結構，能做到省工省時。自動絲束鋪放技術是纖維纏繞與自動鋪帶的結合，鋪放效率高，材料浪費少。現階段國內自動鋪帶綜合效率不高，迫切需要提升鋪帶效率，降低鋪貼成本。

綜合來看，提升自動鋪帶的效率，可以從幾個方面著手：在鋪層設計上，盡可能減少鋪層遞減;在工序優化上，要明確鋪帶機區域內外工作，明確材料待加工區，在材料優化上，要上調原材料覆卷張緊力，有效改善鋪層褶皺問題;在智能檢測上，可引入5G視覺檢測，搭建拼縫和多余物檢測系統，提高檢測的效率和準確性;在標準化上，要形成編程指南，實現標準化編程、現場標準化流程操作。

優化拼罐固化方案，降低工時成本

熱壓罐成型工藝是目前的主流固化工藝，短期內無法用液體成型工藝等來替代，因此，改進熱壓罐成型工藝對于降低復合材料的制造成本也具有非常重要的意義。

熱壓罐是一個具有整體加熱加壓功能的大型壓力容器，由于其耗能、使用和維護成本高，在復合材料制造成本中占有相當大的比重，如何提高熱壓罐設備的利用率是降低成本的關鍵。

在目前的復合材料生產過程中，為提升熱壓罐成型的效率，一般會同時固化多個零件。該工藝生產中確實能大大提升固化效率，但在實際操作中，為了保證所有零件的質量，需要充分考慮設備的固化能力、零件工裝形式、零件在熱壓罐中的排布等各種因素。如果零件在熱壓罐中排布不合理，會造成熱壓罐中熱空氣循環不暢通，甚至有循環死角，從而使罐內溫度不均勻，影響到零件的固化質量。

為了防止這種情況的發生，在零件固化前，需要先根據零件的固化參數、工裝形式和設備能力等對所有的零件進行分組，并對同一組零件在熱壓罐中的擺放位置、擺放方向進行模擬，以確定不同組合方式下熱壓罐內部的溫度分布，優化出最佳的產品組合方式。工藝模擬和優化后，還需要對同一組零件進行實際的熱分布測試，即將所有的工裝按照模擬的位置和方向放入熱壓罐中，并在所有工裝上按照一定的要求均勻布置熱電偶，按照實際的固化參數進行模擬固化，以確定同一組零件固化時罐內實際的溫度最高點和最低點，升降溫速率、加壓點等工藝參數。

當然，在拼罐固化的過程中，必須高要求嚴格實施，否則將造成批量零件的損失。因此，拼罐固化在體現熱壓罐高效率使用的同時，也給如何保證零件的質量帶來了挑戰。

工裝優化，降低工裝成本

工裝包含制造過程中的成型工裝和檢測工裝等，可重復使用，在工裝成本的控制上，通常從工裝材料選擇、工裝設計和統籌管理等方面進行優化。

在工裝材料選擇方面，減少高成本材料用量，在大型工裝中采用殷瓦鋼面板加普通鋼框架的形式，減少非成型面的殷瓦鋼使用量，同時編制工裝設計規范，明確工裝選材原則。在工裝設計方面，在滿足制造要求的情況下，盡可能采用簡單形式工裝，設計階段并行設計，工裝與工程設計、零件工藝同步，縮短工裝采購周期。在工裝統籌管理方面，建立工裝需求表，制定工裝年度計劃，識別工裝可替代性，評估工裝的必要性;建立工裝數據庫，統籌調用各型號、各項目所需工裝。

復合材料的制造成本和設計、制造一體化是一個既系統復雜又需權衡利弊的過程。設計要全方位考慮成本控制，將成本意識貫穿于設計、工藝、采購、制造的全過程。開展復合材料面向成本的設計和制造技術研究，提高復合材料制造過程中的材料利用和資源使用，是降低復合材料制造成本的根本。結合民機經濟性需求，加大力度開展復合材料成本分析控制以及低成本技術研究，對促進我國民機行業發展具有重要意義。