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用于未来航空结构生产的压缩 RTM

来源:国际复材技术商情 发布时间:2020-05-30 882
塑料橡胶材料处理、计量与检测模具及零件原料及混合物其他其他添加剂及母粒塑料加工设备 技术前沿
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Techni-Modul 和 Hexcel 合作展示了使用自动预成型和快速注射形式的树脂注射成型(RTM)工艺生产CFRP筋骨和桁条的过程。目标是价格可承受的、热压罐外固化OOA基本结构,例如德国飞机零配件制造商PremiumAerotec使用Solvay材料制成的这种融合机翼皮。

Techni-Modul 和 Hexcel 合作展示了使用自动预成型和快速注射形式的树脂注射成型(RTM)工艺生产CFRP筋骨和桁条的过程。目标是价格可承受的、热压罐外固化OOA基本结构,例如德国飞机零配件制造商PremiumAerotec使用Solvay材料制成的这种融合机翼皮。

目前对下一代宽体和窄体飞机的预测显示,复合材料机身将继续增长,但前提是材料和工艺能够满足低成本和高生产率的挑战性目标。尽管高压固化环氧预浸料在碳纤维增强聚合物(CFRP)机身中占据主导地位,但新一代飞机的研发人员正在积极寻求采用非高压(OOA)技术,集成自动化和内联检测是未来工业4.0生产的关键推动因素。
 
 
设备和自动化供应商Techni-ModulEngineering(法国)及其美国子公司CompositeAllianceCorp.与先进材料供应商Hexcel(美国)的英国和法国业务部门合作,演示了CFRP筋骨和桁材的自动化OOA生产。这些零件是通过Hexcel干碳纤维增强材料的自动预成型和压缩树脂传递模塑(C-RTM)工艺制成的,该工艺提供HexcelHexFlowRTM6液态环氧树脂的快速渗透,以在2.5到3.0小时的循环中生产纤维体积为60%且空隙率小于1%的零件,该循环可缩放以产生多个用于高速生产的零件。
 
干式增强材料的研制
 
Hexcel液体复合材料成型技术支持工程师RémyPagnac解释说:“我们认为液体复合材料成型(LCM)为降低成本、做好速度准备并提供主要结构性能的三方挑战提供了答案。”Hexcel公司开发了HiMax非边缘织物(NCF)和HiTape单向(UD)碳纤维材料,以满足使用LCM工艺时的主要结构性能需求。HiMax使大型扁平结构(如机翼蒙皮)能够快速铺设,而HiTape则使大型复杂结构能够以最小的浪费量定制铺设。“我们可以获得与最新一代UD预浸料相同的性能。”Pagnac补充道。
 
Hexcel致力于通过HiMaxNCF(包括20dTex细旦针织纱线)来减少体积并提高悬垂性。HiMax材料是在Hexcel于2016年收购的英国莱斯特以前的Formax工厂中制造的。该工厂生产的重量轻、拖曳多轴产品已经有很长的历史,可以为赛艇、超级跑车和一级方程式赛车等苛刻的应用提供解决方案。现在,NCF材料已用于由空中客车防务和Space航天公司(西班牙加的斯的空中客车DS)和达诺巴特公司(西班牙)完成的机翼演示器项目中,使用了后者的自动干料铺放技术(ADMP)——一种自动纤维铺放方式(AFP)用于NCF,以及在空客赞助的ZAero项目中用于零缺陷CFRP结构(例如,加劲筋的机翼皮)。自2016年以来,HexcelLeicester也一直致力于与主要原始设备制造商合作,为航空航天应用开发HiMax解决方案。
 
借助HiMax和HiTape,Hexcel集成了薄的,低重量的热塑性长丝面纱层,这些面纱可用作粘合剂,从而消除了以往用于干料预成型和液体成型的粉末粘合剂的需求。对于HiMax,该面纱在NCF层之间交错;对于HiTape,该面纱应用于碳纤维单元的两侧。“这样,你就不需要用粉末粘合剂来固定UD层了。”Pagnac解释说,“HiTape是经过校准的,它不是狭缝带,没有细毛,而且改进的AFP处理的宽度变化更小。热塑性面纱也增加了最终层压板的韧性,我们已经证明,我们可以在下一代AFP机器上实现高材料沉积率。”在2015年5月的一篇SAMPE论文中,Hexcel描述了一种单曲率预制模板,它使用0.25英寸宽的HiTape和配备激光的CoriolisComposites复合材料(法国Queven)AFP机器制造,上机速度为1米/秒。它还与Electroimpact公司AFP设备合作,证明全尺寸翼梁空气结构的沉积速率高达150公斤/小时。
 
 
图 1
 
在C-RTM中,干燥的预制件被放入RTM模具中,但模具只是部分闭合,在干燥的预制件和模具上表面之间留下一个空隙。然后施加真空,注入树脂,压合模具上的间隙,将液体树脂按z方向压入预制件中。
 
将C-RTM应用于航空航天领域
 
C-RTM首次与高压RTM(HP-RTM)一起用于汽车复合材料。与传统的RTM一样,C-RTM需要将干燥的纤维预制件放入一个匹配的金属模具中,向预制件中注入液体树脂,然后使用驱动压力机施加热量和压力。然而在C-RTM,模具只是部分关闭,留下一个干燥的粗加工的差距和上模具表面(图1)。然后应用真空,一个精确的剂量的混合树脂注射模具和媒体弥补了这一不足,迫使液体树脂分解成z方向的粗加工的整个部分。TechniModulEngineering工程师ThomasChevallet解释说:“这比通过零件在平面内注入树脂要快得多。
 
TechniModulEngineering在担任CleanSky2“优化复合材料结构”(OPTICOMS)项目的合作伙伴期间,看到了将C-RTM应用于航空航天的机会。OPTICOMS在工作包B-1.2(“更实惠的复合结构”)中进行组织,旨在通过集成结构和自动化制造,探索预浸料和液态树脂方法,降低小型飞机(例如,支线客机)的生产成本。OPTICOMS设计了一种复合机翼演示器,包括一个带有三个翼梁的上机翼蒙皮,以一体式结构的形式一次生产。全尺寸机翼(图2)是AIRFRAME创新技术演示器(ITD)的一部分,用于评估和成熟技术,使下一代飞机从2025年开始达到技术准备水平(TRL)6。
 
 
图 2 清洁天空二阶段计划 OPTICOMS 翼肋
 
Techni-Modul是清洁天空二阶段计划(CleanSky2)“优化复合结构”(OPTICOMS)项目的合作伙伴,该项目设计了一个复合机翼演示器,包括一个较低的翼皮、多个翼肋和一个具有三个翼梁的上翼皮。后者是作为一个完整的结构在一个一次性的过程中产生的。从2025年起,将对该演示机进行下一代飞机生产评估。
 
Chevallet解释说:“C-RTM在业内广为人知,但是对于HP-RTM,仍然需要广为宣传。我们的发展方向是采用C-RTM,利用较低的压力进行快速注射从而降低成本,生产对高纤维体积、纤维排列和低空隙率有严格要求的航空部件。”OPTICOMS项目中0.7米长0.2米宽的翼肋注射时间从40分钟缩短到5分钟。在另一个测试项目中,长度为900毫米、高度为150毫米的工字钢梁的注射时间从1小时缩短到了不到5分钟。
 
Chevallet补充说:“C-RTM所提供的注射时间缩短幅度甚至会更大,适用于大型部件,如全翼蒙皮或直升机旋翼叶片。”他指出,C-RTM还允许注入高粘度树脂、低压注入系统和较低吨位的压力机,从而降低成本。C-RTM的模具压力只有6巴,远远低于HP-RTM的压力。该工艺实现了航空级质量的复合材料,同时适用于大而薄的部件和更小、形状复杂的部件。
 
自动压片
 
尽管更快、成本更低的树脂注射和OOA成型是这种方法的关键部分,以实现更实惠的航空复合材料生产,但该工艺链仍然需要多个步骤来进行材料的切割和铺放以及预成型。“对我们来说,OPTICOMS也是关于自动化的。”Chevallet说。Techni-ModulEngineering公司不仅为OPTICOMS项目提供了C-RTM注射系统,而且还提供了一个取放机器人和一个热悬垂成型(HDF)机器,所有这些机器均集成到一个全自动生产单元中。
 
OPTICOMS于2016年开始运营后不久,Techni-ModulEngineering子公司CAC凭借其自动3D预成型单元在CAMX2016展会获得了制造类ACE设备和工具创新奖。能够从干纤维或预浸料坯中生产3D瓶坯,该单元使用真空吸盘将拾取的层片折叠,放置并折叠到加热的瓶坯模具上TechniModulEngineering和CAC开发了一个软件,用于制备二维材料的切割层,以成形为复杂的可展曲面。该单元是在OPTICOMS和工字梁测试项目中进一步开发的。
 
 
来源 | Techni-Modul Engineering
 
在技术模块工程自动化单元中,一个取放机器人从自动化刀具中移除层,并将其应用于加热的预成形工具。预成型工具放在压实表上,压实过程中每隔5-8层使用可重复使用的真空膜(蓝色,在左侧)来完成加热的卸料。每个纵梁预成形循环产生一个c梁预成形(两个组成工字梁腹板)和一个平面法兰预成形。这里显示了每一工字钢梁所需的两组。
 
 
将四根工字钢梁预成型件放入RTM模具中,真空成型,5分钟内完成树脂注射。在90分钟的固化后,线材被拆除,树脂闪光被修剪,一个完整的零件周期为4.5小时。
 
 
然后机器人将切好的铺层放置在加热的预成型件工具上。每5-8层,完成一次加热去毛刺,以压实预制件。在去毛刺之前,涂上蓝色的释放膜。通气器用于抽出整个瓶坯中的空气。完成最后的批量处理后,将预成型坯在工具上冷却,并剪裁出切口。
 
Chevallet说:“我们已经使用机器人拾取和放置,自动化了传统的手工铺层。”。机器人从自动切割机上捡起铺层,然后将其转移到位于压实台上的加热的预成型模具中。施加剥离层、通气层和铰接的可重复使用的真空膜,然后进行真空和加热以预成型并从中除去空气。纺织叠层(热悬垂成型,HDF),同时融化薄的热塑性面纱以形成压实的预成型坯。
 
Chevallet解释说:“一次可以折叠多少层取决于材料和零件的形状。对于低曲率的部件,比如翼皮,你可以每50层压缩一次。然而,OPTICOMS肋具有90度角,并且测试的工字梁纵梁具有T形形状,所以你必须小心不要在帘布层中形成皱纹。”他补充说,这样复杂的形状可能需要每5到8层进行压实,但仍可能是大批量工业化过程的一部分:叠层,2分钟HDF压实,重新打开并再次堆叠,然后重复压实周期。在转移到RTM模具之前,对工具上的预成型坯进行最终冷却。
 
Chevallet指出:“我们的自动化单元每层可放置15秒。总共不到20层的OPTICOMS肋骨的敷设在20分钟内完成。工字梁纵梁的铺设时间更长此,为45分钟左右。这是因为其复杂的形状和层压板叠层,厚度从1.2毫米到6毫米不等。这仍然比手动处理要快得多,并且减少了错误风险,提高了可重复性和质量,同时降低了成本。”
 
智能控制
 
Techni-ModulEngineering的自动化预成形单元的另一个关键特征是其集成的控制系统。它被称为智能控制,其主干集合了一个摄像头系统和多功能软件,可以将处理过程中拍摄的照片与零件的CAD数据库进行比较,从而实现预成形形状识别、光纤定向控制、铺层定位和缺陷及异物碎片(FOD)检测。智能控制反馈指导机器人如何拾取并按正确的顺序和时间放置帘布层,但当检测到错误时也会向手机操作员发出警报。
 
用于检测铺层边缘和轮廓的光学图像也用于控制光纤的方向。Chevallet承认,如果零件非常大(例如,长度为2米,而不是200×200毫米),“你可能需要一台相机从较高的垂直位置拍照,以检测层边缘,然后靠近零件,以检查纤维方向。您可以为每种类型的部件校准这个序列。对于检测皱纹和FOD,有一个不同缺陷的数据库,您可以添加到这个数据库中,因此深度学习算法会随着时间的推移而改进。我们的想法是建立一个适应性的系统。”
 
周期时间和未来的生产
 
OPTICOMS肋的预成型件使用HiMax制成,工字梁纵梁使用HiTape。两者的树脂体系均为Hexcel的HexFlowRTM6单组分(1K)液体环氧树脂,在180°C下的固化周期为90至120分钟。
 
迄今为止,这是唯一环氧树脂合格的RTM的航空航天结构。然而,人们对在注入头混合的合格双组分体系的兴趣正在增长。这增加了固化周期的灵活性,避免了需要冷藏运输和储存来防止预混合RTM6的过早反应。
 
在过去的一年中,CTC与许多供应商合作,将手糊成型预浸料零件过渡到A320的HP-RTM。但是,2K树脂系统必须符合航空结构制造的资格,CTC担心能否持续确保就地2K树脂系统的混合质量。Alpex正在使用Netzsch(德国Selb)和Kistler(瑞士Winterthur)的模内传感器来帮助实现这一目标,并且正在开发其他解决方案。
 
即使没有2K系统,也可能有更高的产量。在180°C初始固化30分钟后,将SPARTA项目中的框架拆除,然后在真空下从压机中后固化,以消除热应力并确保机械性能。
 
与传统的航空RTM工艺相比,这些演示的主要成就是能够通过短时间的树脂注射来制造主要的航空结构,在传统的RTM工艺中,使用UD碳纤维增强材料将树脂渗透到如此大的零件中是一个艰难而漫长的过程。通过这种类型的智能自动预成型和C-RTM处理,有可能实现为未来的飞机设想的更具成本效益的可持续的刚性集成蒙皮结构的生产。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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