無(wú)人機(jī)上 復(fù)合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的，像X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”上都運(yùn)用了90%的 復(fù)合材料。面對(duì)如此大的用量以及未來(lái)潛在的高使用量，就迫切需要開(kāi)發(fā)高效、低成本的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，來(lái)滿足項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可承受性要求。這些需求具體來(lái)說(shuō)，包括：在預(yù)浸料成形方面，使用機(jī)器人來(lái)代替笨重的機(jī)床進(jìn)行鋪放，以及采用各種無(wú)需熱壓罐的低成本、高效固化方式；在干纖維成形方面，按照液體成形方式設(shè)計(jì)大型整體結(jié)構(gòu)件，并改善制造工藝，甚至開(kāi)發(fā)革命性的增材制造方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形；在制造工裝方面，降低金屬工裝成本、提升復(fù)合材料工裝性能、開(kāi)發(fā)高效自加熱工裝。 波音“鬼眼”無(wú)人機(jī)45.7米復(fù)合材料機(jī)翼 　　 復(fù)合材料制造中的機(jī)器人自助鋪絲過(guò)程 “暗星”無(wú)人機(jī) 機(jī)器人鋪放 　　自從復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)絲束鋪放首次變成可行生產(chǎn)工藝以來(lái)，機(jī)床供應(yīng)商通常為大型飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造大型且昂貴的機(jī)床，不過(guò)近年來(lái)情況有所轉(zhuǎn)變，機(jī)床供應(yīng)商開(kāi)始開(kāi)發(fā)較小型且更經(jīng)濟(jì)的機(jī)床，以應(yīng)對(duì)更廣泛的需求。特別是在自動(dòng)絲束鋪放方面，利用商用機(jī)器人作為小尺寸復(fù)合材料鋪絲設(shè)備的平臺(tái)正在成為機(jī)床供應(yīng)商的基本做法。 　　預(yù)計(jì)未來(lái)幾年各種配置和尺寸的自動(dòng)鋪絲機(jī)床將出現(xiàn)，機(jī)器人平臺(tái)將用于更多的復(fù)合材料鋪絲系統(tǒng)。機(jī)器人平臺(tái)與復(fù)合材料絲束鋪放技術(shù)相結(jié)合被證明是非常成功的，復(fù)合材料鋪絲設(shè)備品種的擴(kuò)展意味著更小的復(fù)合材料車(chē)間可根據(jù)他們所需的尺寸和價(jià)格選用自動(dòng)鋪設(shè)備。最終，復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備將像在金屬加工業(yè)中的5坐標(biāo)CNC機(jī)床一樣，將成為復(fù)合材料工業(yè)的常態(tài)。對(duì)于尺寸外形和采購(gòu)數(shù)量各異的無(wú)人機(jī)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)機(jī)器人鋪放工藝及裝備的開(kāi)發(fā)，將顯著降低復(fù)合材料機(jī)體的制造生產(chǎn)成本。 　　非熱壓罐制造 　　由于無(wú)人機(jī)造價(jià)相對(duì)較低、尺寸相對(duì)較小，因此更加重視復(fù)合材料構(gòu)件的低成本成形，非熱壓罐制造是無(wú)人機(jī)制造技術(shù)開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)之一。而且，隨著F-35戰(zhàn)斗機(jī)、先進(jìn)復(fù)合材料貨運(yùn)飛機(jī)以及民用飛機(jī)上很多復(fù)合材料部件非熱壓罐制造技術(shù)的驗(yàn)證工作取得進(jìn)展，未來(lái)的無(wú)人機(jī)必將大量采用類(lèi)似的技術(shù)來(lái)制造復(fù)合材料構(gòu)件，降低生產(chǎn)成本。在這個(gè)方面，預(yù)浸料真空袋固化工藝以及干纖維液體成形工藝一直是研發(fā)的重點(diǎn)，而且還發(fā)展出了一些創(chuàng)新的工藝，比如革命性的復(fù)合材料增材制造工藝。 　?。?）預(yù)浸料真空袋固化工藝 　　航空復(fù)合材料零件采用真空袋的非熱壓罐制造并不是新技術(shù)，次承力構(gòu)件（襟翼及整流罩等類(lèi)似結(jié)構(gòu)件）的真空袋壓預(yù)浸料法由于具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而引起無(wú)人機(jī)制造商格外的興趣。 　　上世紀(jì)90年代中期，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）就開(kāi)始在復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)可承受計(jì)劃（CAI）中關(guān)注預(yù)浸料真空袋固化。第一代非熱壓罐（OOA）真空袋（VOB）預(yù)浸料，典型的如英國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)（ACG）的LTM系列，如LTM45EL，用在了多款無(wú)人機(jī)上，如DARPA/洛馬的“暗星”、波音X-45A、諾格X-47A等。然而，由于在較低溫度和真空壓力下固化，成本較低，但是力學(xué)性能不足，而且生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。 　　2005～2006年時(shí)，兩種非熱壓罐預(yù)浸料體系，ACG的MTM45以及Cytec工程材料公司的CYCOM 5215的力學(xué)性能已經(jīng)接近熱壓罐固化預(yù)浸料。這兩種非熱壓罐預(yù)浸料具有可變的固化時(shí)間，在66～79℃時(shí)較長(zhǎng)，但在121℃時(shí)只需2小時(shí)。此外，在350℃的獨(dú)立后固化后，濕玻璃化溫度（Tg）可超過(guò)150℃。這兩種材料體系實(shí)現(xiàn)了DARPA所要求的小于1%孔隙率要求，但是10～12天粘性壽命和最多21天的開(kāi)模壽命不符合美國(guó)空軍和DARPA要求，因?yàn)榇笮蛷?fù)雜結(jié)構(gòu)件需要最少3～4周鋪貼和袋壓。為此，ACG和Cytec公司分別開(kāi)發(fā)了XMTM-47和CYCOM 5320-1，目標(biāo)是比21天更長(zhǎng)的粘性和至少30天的開(kāi)模壽命。 　　2007年，美國(guó)國(guó)防部突破性制造技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃啟動(dòng)，非熱壓罐制造技術(shù)是5個(gè)核心領(lǐng)域之一。DARPA、波音公司聯(lián)合AFRL實(shí)施啟動(dòng)非熱壓罐計(jì)劃，創(chuàng)建了開(kāi)發(fā)OOA體系的目標(biāo)，即提供當(dāng)時(shí)熱壓罐固化質(zhì)量水平的環(huán)氧材料。為此，ACG開(kāi)發(fā)了MTM45-1、MTM-44和MTM-46，Cytec開(kāi)發(fā)了CYCOM X5320。波音公司評(píng)估了三種試驗(yàn) 樹(shù)脂配方，并選擇了X5320進(jìn)行商業(yè)化。之后，各種驗(yàn)證件被制造并進(jìn)行有限的無(wú)損和解剖評(píng)估。HITCO碳復(fù)合材料公司制造了一個(gè)3.65米×4.57米的帽形帶加強(qiáng)筋蒙皮的主結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件；極光飛行科學(xué)公司制造了11.6米長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)翼梁，以及為“鬼眼”無(wú)人機(jī)驗(yàn)證機(jī)制造的三部分組成的機(jī)翼，長(zhǎng)45.7米；波音制造了“鬼眼”驗(yàn)證機(jī)的尾梁和尾翼縮比件，還草擬了碳預(yù)浸料的材料規(guī)范和工藝規(guī)范。 　?。?）液體成形工藝 　　液體成形工藝的特點(diǎn)是用液體樹(shù)脂以不同的方式注入干纖維然后成形，它可以節(jié)省大量的纖維預(yù)浸、運(yùn)輸、保管費(fèi)用，一般能耗也較低，一般來(lái)說(shuō)也無(wú)須使用熱壓罐，是一種低成本工藝。液體成形工藝主要有樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM），以及派生出來(lái)的樹(shù)脂浸漬（RFI）、真空輔助樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（VARTM）、波音擁有的可控大氣壓力樹(shù)脂浸漬（CAPRI）、空客擁有的真空輔助工藝（VAP）等若干種工藝。 　　隨著美國(guó)國(guó)防部的采辦項(xiàng)目逐漸向多品種小批量轉(zhuǎn)變，要求在有限時(shí)間和成本限制下完成制造，諾格在斯普利特航空系統(tǒng)公司的支持下進(jìn)行了低成本復(fù)合材料飛機(jī)的嘗試 。在國(guó)防部ManTech計(jì)劃的快速機(jī)體生產(chǎn)集成驗(yàn)證（RAPID）項(xiàng)目資助下，諾格完成了一個(gè)復(fù)雜膠接中機(jī)身結(jié)構(gòu)的裝配。項(xiàng)目持續(xù)18個(gè)月，涉及對(duì)X-47B無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV）中機(jī)身段重新進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、制造和裝配，這是復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)中最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)部分。這個(gè)膠接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性從以下方面體現(xiàn)出來(lái)，一個(gè)集成的進(jìn)氣道、非常高載荷的外形和前起落架金屬隔框。 　　在復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)可承受計(jì)劃（CAI）的成果支持下，RAPID項(xiàng)目驗(yàn)證了低成本地制造和裝配機(jī)體的方法。這個(gè)創(chuàng)新的“更快、更好、更便宜”的制造方法，結(jié)合非熱壓罐固化復(fù)合材料、3D編織預(yù)形件、膠接以及其他廣泛使用的技術(shù)，使得復(fù)合材料機(jī)體制造或裝配都只使用了極少的工裝，比常規(guī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)節(jié)省很多。一次性工裝成本初步估計(jì)減少超過(guò)50%，重復(fù)性裝配成本減少15%。這還沒(méi)有計(jì)算取消掉數(shù)千氣流緊固件的費(fèi)用。這個(gè)概念還非?！胺奖愀摹?，使得在設(shè)計(jì)周期中很晚再進(jìn)行修改成為可能，不再非常昂貴且對(duì)項(xiàng)目造成的破壞降低。如果成功轉(zhuǎn)移到未來(lái)的項(xiàng)目中，大型無(wú)人機(jī)制造中昂貴的裝配夾具、熱壓罐以及傳統(tǒng)復(fù)合材料固化工裝的絕大部分可能都會(huì)成為歷史。 　?。?）增材制造工藝 　　革命性的增材制造工藝注定會(huì)在無(wú)人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造中大放異彩。洛馬P-175“臭鼬”無(wú)人機(jī)研制中，復(fù)合材料零件的增材制造是一個(gè)亮點(diǎn)，即讓碳納米管和基體粉末在輸送過(guò)程中由激光燒結(jié)成型，而全機(jī)僅200個(gè)主要的復(fù)合材料零件，從項(xiàng)目啟動(dòng)到首飛，僅用了18個(gè)月的時(shí)間。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正與洛馬合作開(kāi)發(fā)低成本的熔融沉積成形（FDM）機(jī)床，實(shí)現(xiàn)大型無(wú)人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)（18～30米）的增材制造。AFRL也在支持無(wú)人機(jī)保形柵格結(jié)構(gòu)和蜂窩材料的選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）工藝開(kāi)發(fā)，以及基于增材制造的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（集成傳感器結(jié)構(gòu)、推進(jìn)裝置和系統(tǒng)）集成。NASA格倫研究中心、蘭利研究中心和霍尼韋爾等正在進(jìn)行“以增材制造實(shí)現(xiàn)非金屬燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)”的項(xiàng)目，除了采用FDM工藝制造進(jìn)氣道導(dǎo)流葉片、消聲蜂窩襯墊等樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件外，2014年工作的一個(gè)亮點(diǎn)就是采用噴射黏結(jié)劑工藝制造高壓渦輪噴嘴等碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件。 　　低成本制造工裝 　　復(fù)合材料制造工裝在航空制造中往往默默無(wú)聞，然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量以及制造成本卻與其密切相關(guān)，因此實(shí)際上工裝扮演了幕后英雄的角色。理想的復(fù)合材料制造工裝特點(diǎn)應(yīng)該是高精度、高剛度、便于使用，抗高壓、無(wú)滲漏，不損壞零件，尤其重要的兩點(diǎn)是工裝材料與零件材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配以及成本低廉。通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料、雙馬樹(shù)脂（BMI）基復(fù)合材料和石墨或 碳纖維復(fù)合材料，其中殷鋼和復(fù)合材料本身因其較低的CTE，非常適合航空結(jié)構(gòu)件制造，但其制造成本和固化能耗往往不夠理想。目前在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域，針對(duì)熱壓罐固化和OOA固化，國(guó)外發(fā)展出了多種新工裝材料和新工裝技術(shù)，以改進(jìn)工藝、減少時(shí)間、降低能耗、節(jié)約成本，這些技術(shù)都可以用于并且部分已經(jīng)用于無(wú)人機(jī)的制造中。 　　美國(guó)試金石實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種電加熱工裝（EHT），一種用于OOA工藝的自加熱泡沫（CFOAM）。CFOAM產(chǎn)自粉末瀝青煤，經(jīng)由壓入敞口模，在高溫下處理并在熱壓罐中加壓，泡沫板粘結(jié)在一起形成近無(wú)余量薄坯板料，加工成想要的外形。工裝表面由HexTOOL材料這樣的復(fù)合材料成形。EHT工裝擁有不變的橫截面以及工裝表面之下的電阻加熱泡沫加熱元件。石墨電極與元件相連以提供電力，元件本身與工裝剩余部分電絕緣。這樣，電阻加熱就只發(fā)生在工裝表面之下，使其更節(jié)能，而且里面的泡沫基體由于與表面隔熱，也不會(huì)被加熱，減少了熱損耗。工裝表面使用的碳纖維比碳泡沫導(dǎo)電性強(qiáng)，如果纖維和泡沫接觸，短路將造成不均勻加熱，通過(guò)加熱元件的電絕緣，可以實(shí)現(xiàn)工裝表面的一致性加熱。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)于平滑的還是復(fù)雜的工裝外形，該工裝的機(jī)械屬性都與標(biāo)準(zhǔn)的熱壓罐固化工裝相當(dāng)。 更多信息請(qǐng)關(guān)注中國(guó)復(fù)合材料信息網(wǎng) http://www.cnfrp.net！