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科技前沿

航空工业复材自动铺丝技术:技术 发展 创新 引领
来源:中国航空报  2017-07-04 17:17:05
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=5046
  核心提示:目前,拥有大型龙门铺丝设备,机器人铺丝设备,未来还将补充大型卧式铺丝设备等先进自动化铺丝制造装备和技术,将满足国内外多种尺寸和结构的复合材料构件的自动化铺放。

 

  

  

   复合材料具有重量轻、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造一体化等优点,尤其是碳纤维增强复合材料的应用,可有效减轻飞机结构重量、提高飞机的可靠性。随着材料技术和自动化制造技术的日趋成熟,复合材料在飞机上的应用突飞猛进,应用范围越来越广,用量越来越大,以波音787和空客A350为代表的大型客机复合材料用量已经占到飞机结构重量的50%,整个机身、机翼结构几乎全部采用了碳纤维复合材料,航空复合材料时代已经来临。

  自动铺丝,功不可没

  复合材料用量的大幅提升离不开自动化制造技术的强力支撑,尤其是自动铺带技术和自动铺丝技术。自动铺带技术解决了飞机小曲率机翼、尾翼等翼面类结构的制造问题,将飞机的复合材料用量提升到结构重量的25%左右;自动铺丝技术解决了大曲率机头、中机身、后机身等复杂机身结构的制造问题,将飞机的复合材料用量提升到机体结构重量的50%左右。自动铺放制造技术不仅能有效降低生产成本、提高生产效率,而且可以对铺放工艺参数进行精确控制,铺放程序一旦固化,便可重复操作,保证了复合材料构件质量的可靠性和稳定性,经济效益显著。

  自动铺丝技术近年来发展迅猛,其工艺原理是由铺丝头将多束预浸丝束在柔性压辊下集束成带后,按照计算机规划的路径进行铺放。预浸丝束窄带在铺放过程可实现单独控制、并可进行转弯,具有较强的曲面适应能力,不仅可以铺放凹面、凸面,还可以实现开口、补强等变厚铺层,纤维角度偏差更小,生产效率更高。民机方面波音787、A350的机身结构已全部采用自动铺放技术进行制造。军机方面F-22、F-35飞机的翼身融合体、进气道等大曲率复合材料零件,已采用该技术进行生产。高端的自动铺丝设备是国外军机制造的重要专用装备,具有重要的战略意义。

  审时度势,大器终成

  没有自动铺丝技术,我们很难造出像波音787那样的大型宽体客机,也很难完成F-35那样完美的S形进气道。正是看到此类专用装备的重要性和战略意义,结合前期的技术储备,2015年,航空工业制造院、复材公司联合国内的科研力量,集智攻关,共同开发大型龙门铺丝装备,突破了多轴联动控制技术、大跨度轻质高刚性横梁结构设计与制造、曲面铺放路径规划及仿真技术等多项关键技术,研制了国内首台工程化应用级别的大型自动丝束铺放设备。设备X向行程30米,Y向行程6.5米,能实现最多32束预浸丝束的高效铺叠。该设备是国内目前唯一可以完成大尺寸复合材料机身壁板研制的高端专用装备,为我国大型飞机的研制提供了强力技术保障。

  工艺配套,材料先行

  自动铺丝工艺的应用还离不开另外一个重要因素,铺丝材料。自动铺丝技术所用的材料是宽度为3.2mm、6.35mm、12.7mm等宽度不等的纤维窄带,窄带的宽度精度要求达到±0.125mm的偏差,这种精度偏差对于软材料来说很难实现。航空工业复材通过大量的技术调研和工艺试验,制定了采用精密分切工艺制备预浸丝束的工艺方案。该方法通过分切宽幅预浸料,制备长度连续的预浸丝束。利用该方法所制备的预浸丝粘性、宽度均匀性等技术指标完全满足自动铺丝工艺要求。目前,航空工业复材已经完成了多种牌号的预浸丝束的制备,并开展了工艺验证和应用研究。

  牛刀初试,不辱使命

  2017年初,伴随着旧历新年的脚步,某机身壁板试验件在航空工业复材成功下线。该制件为民机机身曲板典型结构,蒙皮采用自动铺丝技术,筋条采用自动铺带技术,是目前国内制造的最大尺寸的自动铺丝复合材料结构,凝聚了航空工业复材各个专业的集体智慧。从材料的工艺适用性研究、到自动化成型工艺方案的制定、再到壁板蒙皮的高效铺放、超声无损检测技术,充分展示了航空工业复材在大型民机复材构件制造领域的雄厚实力。航空工业复材铺丝团队作为该项目的生力军,承担了该复材构件的自动铺丝工作,并高质量地完成了此项重任。航空工业复材铺丝团队从材料的工艺适用性、设备的结构适用性、铺丝轨迹规划等多个方向开展攻关,并结合前期的技术积累,最终突破了变厚结构铺丝轨迹规划、铺丝路径优化、工艺参数优化等多项关键技术,实现了制件的高质量高效率铺放。

  航空工业复材铺丝团队针对国内外铺丝材料开展了铺丝工艺适用性研究,针对材料的表面粘性、丝束浸润性、悬垂性、丝束宽度测量、边缘切割质量、接头搭接特性等关键技术要点进行了大量的工艺试验和验证,确定了自动铺丝材料的工艺适用性评价准则。针对铺丝装备,开展了设备的结构适用性研究:包括适应的制件的曲率半径、可实现的台阶和下陷结构、最短纤维、转弯半径特性、端头定位精度等,确定了设备的结构适用性准则。轨迹规划和优化方面,针对典型结构椎体、复杂筒体、复杂曲板开展了固定角、测地线、平行线、变角度等单一方式或多种组合方式铺丝轨迹规划研究,确定了不同结构形式的轨迹规划准则。铺放工艺参数优化方面,针对铺放温度、铺放速度和制件的铺放质量开展矩阵试验,确定了工艺参数优化准则。5年时间,从早期的复杂进气道结构铺丝制造技术研究,到中型机身曲板的成型,再到今天的大型曲板的交付,铺丝团队攻克了一个又一个难关。

  航空工业复材在自动铺丝技术方面从无到有,从弱到强。目前,拥有大型龙门铺丝设备,机器人铺丝设备,未来还将补充大型卧式铺丝设备等先进自动化铺丝制造装备和技术,将满足国内外多种尺寸和结构的复合材料构件的自动化铺放。

 
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=5046