(旧)先进复合材料制造技术
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复合材料工艺种类多、性能差异大
复合材料制造工艺的特点
复合材料工艺与纤维长度有关
复合材料制造工艺的特点
③ 复合材料结构可实现整体成型
采用共固化/共胶接等技术，可大量减 少零件、紧固件数目，提高减重效率
共固化 胶接 缝合/Z-pin
T型 帽型
缺陷带到部件，制造风险大幅度增加
L型
对工艺方法选择和工艺参数控制提出更高要求
在线模压成型工艺LFT-D 将原材料生产、产品生产合二为一，大幅度缩短生产周期、降低制造成本和能耗
复合材料制造技术发展趋势
LCM技术
树脂传递模塑——RTM
Resin Transfer Molding 如A380翼肋
树脂模渗透工艺——RFI
Resin Film Infusion 如A380后压力隔框、B787地板梁
自动化制造技术-自动铺带
自动铺带技术ATL(Automated Tape – Laying)
Cincinnati Machine与Cytec于60年代中期开始研制自动铺带机 用于人工铺叠难以实现的大型结构件铺层 大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍 节省原材料，废品率仅3-5% (手工25-30%) 尺寸越大效率越高，尤其当零件尺寸大于手工临界尺寸5m×2.5m
已固化的加强筋
未固化的蒙皮
整体成型是复合材料的优点和特点之一
复合材料制造技术发展趋势
共固化 T型 帽型
胶接
A340垂直安定面：零件数2000件→100件 A310、A330垂直安定面：零件数2000件
→20件
Precured Stiffeners
L型
1）减少零件数目和连接件数目 2）易于实现翼身融合体布局 3）增加机体表面光滑完整程度 4）避免钻孔，减少构件加工损伤
② 成型工艺含两个过程——成形与固化
成型 工艺
成形 赋予构件形状
——原材料如何制成所需结构形状（成形方法 ）
固化 固定构件形状
——赋予复合材料结构件力学性能（固化方法）
浸渍 流动 固化
热固性树脂（已固化） Thermoset
浸渍 流动 硬化
热塑性树脂 Thermoplastic
复合材料制造工艺的特点
Uncured Skin A380后承压框
复合材料制造技术发展趋势
数字化制造技术
控制制造质量 提高稳定性
wenku.baidu.com
降低制造成本 缩短研制周期
数字化制造技术
产品设计
数字化
数字化
数字化 工装生产线 成型
数字化 数字化
检测
装配
复合材料制造技术发展趋势
数字化制造技术
目前研发重点是复合材料成型过程的数值模拟与优化： RTM等液体成型工艺模拟软件 大型构件固化变形分析软件 复合材料制造成本核算软件
复合材料制造工艺的特点
④ 结构复合材料制造成本高
预浸料10 ％ 树脂 5 ％ 纤维 13 ％ 制造 72％
航空航天结构复合材料以热压罐工艺为主,制造成本高，比重大
复合材料制造技术发展趋势
复合材料制造技术发展趋势
手工铺贴 热压罐
拉挤
缠绕
传统
LCM工艺
自动铺贴
自动铺放 整体成型技术
先进
高效成型技术 非热压罐技术 数字化成型技术
可提高产品研制生产效率、保证质量、降低成本
复合材料制造技术发展趋势
非热压罐固化技术
空
气
真空袋
真空 泵
复合材料 坯料
模 具
采用真空袋工艺制备预浸料型复合材料，预浸料制备和孔隙控制技术是关键
自动化制造技术
自动化制造技术-预浸料坯料制备
预浸料制备
切割
铺叠
成型 后固化
预浸料下料 脱模
铺叠毛坯
抽真空 预吸胶 (组装)
发展
复合材料制造技术趋势
大 精 省
复合材料制造技术发展趋势
自动化 制造技术
实现大型构件制造的必要前提
高效成型技术
液体成型技术
大面积整体 成型技术
数字化 制造技术 非热压罐 成型技术
原材料生产与制件生产一体化 最重要的低成本工艺方法 降低重量、减少装配量的途径
提高生产率 保证高质量 实现低成本 增强可靠性
复合材料先进制造技术发展与应用
顾轶卓
北京航空航天大学材料学院
2015.5
提纲
复合材料制造工艺的特点 复合材料制造技术发展趋势 自动化制造技术 液体成型技术 整体成型技术 数字化成型技术
复合材料制造工艺的特点
复合材料制造工艺的特点
原材料与 模具准备
成形固化
无损检测 机加与装配
复合材料结构制造基本流程
ATL
Center Wing Box:
HT & IM Fiber, ATL
Horizontal Tail Plane:
IM Fiber, ATL for
Torsion Box and Elevators
复合材料制造技术发展趋势
B787 复合材料 50%（80%为自动铺放）
复合材料制造技术发展趋势 高效成型技术
有效控制制造质量的关键技术
减少设备投资和能耗
复合材料制造技术发展趋势 自动化制造
复合材料制造技术发展趋势
Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP,
AFP
Vertical Tail Plane:
IM Fiber, ATL for Torsion
Box and Rudders
预压实
固化
无损检测 测厚
切边打磨
称重
复合材料构件制造工艺流程
自动化制造技术-自动铺放
手工铺贴问题： 效率低、成本高 质量难控制 大型构件难于制造
自动化制造技术-自动铺放
预浸带
自动 铺带
压力成型 模具
送带切割 等带宽
自动 铺丝
丝束(预浸纱) 压力成型 模具
独立送纱 独立切断
任意外形
自动化制造技术-自动铺放
A380后压力隔框试验了 不同技术
树脂薄膜渗透法（RFI） 自动化纤维铺放（AFP）
RFI法 制造 验证件
复合材料制造技术发展趋势 整体化成型技术
大量减少零件、紧固件数目，实现复合材料结构设 计到制造一体化成形的相关技术。复合材料结构大面 积整体成形在满足结构总体性能要求的前提下，可以 进一步减轻结构重量、降低成本，特别是制造成本。
复合材料制造工艺的特点
复合材料成型工艺与金属材料结构制造工艺截然不同 结构成型与材料成型同时完成 成型工艺含两个过程——成形与固化 复合材料结构可实现整体成型
复合材料制造工艺的特点
① 结构成型与材料成型同时完成
工艺控制格外重要
• 直接影响构件性能 • 直接影响成本 • 工艺控制难度大
复合材料制造工艺的特点
自动化制造技术-自动铺带
ATL是针对机翼、壁板构件 等大尺寸，中小曲率的部 件在20世纪60年代开发的 一项采用预浸带快速自动 铺放的复合材料自动化制 造技术
复合材料制造工艺的特点
复合材料工艺与纤维长度有关
复合材料制造工艺的特点
③ 复合材料结构可实现整体成型
采用共固化/共胶接等技术，可大量减 少零件、紧固件数目，提高减重效率
共固化 胶接 缝合/Z-pin
T型 帽型
缺陷带到部件，制造风险大幅度增加
L型
对工艺方法选择和工艺参数控制提出更高要求
在线模压成型工艺LFT-D 将原材料生产、产品生产合二为一，大幅度缩短生产周期、降低制造成本和能耗
复合材料制造技术发展趋势
LCM技术
树脂传递模塑——RTM
Resin Transfer Molding 如A380翼肋
树脂模渗透工艺——RFI
Resin Film Infusion 如A380后压力隔框、B787地板梁
自动化制造技术-自动铺带
自动铺带技术ATL(Automated Tape – Laying)
Cincinnati Machine与Cytec于60年代中期开始研制自动铺带机 用于人工铺叠难以实现的大型结构件铺层 大幅度节省时间、劳力，速度较手工提高10倍 节省原材料，废品率仅3-5% (手工25-30%) 尺寸越大效率越高，尤其当零件尺寸大于手工临界尺寸5m×2.5m
已固化的加强筋
未固化的蒙皮
整体成型是复合材料的优点和特点之一
复合材料制造技术发展趋势
共固化 T型 帽型
胶接
A340垂直安定面：零件数2000件→100件 A310、A330垂直安定面：零件数2000件
→20件
Precured Stiffeners
L型
1）减少零件数目和连接件数目 2）易于实现翼身融合体布局 3）增加机体表面光滑完整程度 4）避免钻孔，减少构件加工损伤
② 成型工艺含两个过程——成形与固化
成型 工艺
成形 赋予构件形状
——原材料如何制成所需结构形状（成形方法 ）
固化 固定构件形状
——赋予复合材料结构件力学性能（固化方法）
浸渍 流动 固化
热固性树脂（已固化） Thermoset
浸渍 流动 硬化
热塑性树脂 Thermoplastic
复合材料制造工艺的特点
Uncured Skin A380后承压框
复合材料制造技术发展趋势
数字化制造技术
控制制造质量 提高稳定性
wenku.baidu.com
降低制造成本 缩短研制周期
数字化制造技术
产品设计
数字化
数字化
数字化 工装生产线 成型
数字化 数字化
检测
装配
复合材料制造技术发展趋势
数字化制造技术
目前研发重点是复合材料成型过程的数值模拟与优化： RTM等液体成型工艺模拟软件 大型构件固化变形分析软件 复合材料制造成本核算软件
复合材料制造工艺的特点
④ 结构复合材料制造成本高
预浸料10 ％ 树脂 5 ％ 纤维 13 ％ 制造 72％
航空航天结构复合材料以热压罐工艺为主,制造成本高，比重大
复合材料制造技术发展趋势
复合材料制造技术发展趋势
手工铺贴 热压罐
拉挤
缠绕
传统
LCM工艺
自动铺贴
自动铺放 整体成型技术
先进
高效成型技术 非热压罐技术 数字化成型技术
可提高产品研制生产效率、保证质量、降低成本
复合材料制造技术发展趋势
非热压罐固化技术
空
气
真空袋
真空 泵
复合材料 坯料
模 具
采用真空袋工艺制备预浸料型复合材料，预浸料制备和孔隙控制技术是关键
自动化制造技术
自动化制造技术-预浸料坯料制备
预浸料制备
切割
铺叠
成型 后固化
预浸料下料 脱模
铺叠毛坯
抽真空 预吸胶 (组装)
发展
复合材料制造技术趋势
大 精 省
复合材料制造技术发展趋势
自动化 制造技术
实现大型构件制造的必要前提
高效成型技术
液体成型技术
大面积整体 成型技术
数字化 制造技术 非热压罐 成型技术
原材料生产与制件生产一体化 最重要的低成本工艺方法 降低重量、减少装配量的途径
提高生产率 保证高质量 实现低成本 增强可靠性
复合材料先进制造技术发展与应用
顾轶卓
北京航空航天大学材料学院
2015.5
提纲
复合材料制造工艺的特点 复合材料制造技术发展趋势 自动化制造技术 液体成型技术 整体成型技术 数字化成型技术
复合材料制造工艺的特点
复合材料制造工艺的特点
原材料与 模具准备
成形固化
无损检测 机加与装配
复合材料结构制造基本流程
ATL
Center Wing Box:
HT & IM Fiber, ATL
Horizontal Tail Plane:
IM Fiber, ATL for
Torsion Box and Elevators
复合材料制造技术发展趋势
B787 复合材料 50%（80%为自动铺放）
复合材料制造技术发展趋势 高效成型技术
有效控制制造质量的关键技术
减少设备投资和能耗
复合材料制造技术发展趋势 自动化制造
复合材料制造技术发展趋势
Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP,
AFP
Vertical Tail Plane:
IM Fiber, ATL for Torsion
Box and Rudders
预压实
固化
无损检测 测厚
切边打磨
称重
复合材料构件制造工艺流程
自动化制造技术-自动铺放
手工铺贴问题： 效率低、成本高 质量难控制 大型构件难于制造
自动化制造技术-自动铺放
预浸带
自动 铺带
压力成型 模具
送带切割 等带宽
自动 铺丝
丝束(预浸纱) 压力成型 模具
独立送纱 独立切断
任意外形
自动化制造技术-自动铺放
A380后压力隔框试验了 不同技术
树脂薄膜渗透法（RFI） 自动化纤维铺放（AFP）
RFI法 制造 验证件
复合材料制造技术发展趋势 整体化成型技术
大量减少零件、紧固件数目，实现复合材料结构设 计到制造一体化成形的相关技术。复合材料结构大面 积整体成形在满足结构总体性能要求的前提下，可以 进一步减轻结构重量、降低成本，特别是制造成本。
复合材料制造工艺的特点
复合材料成型工艺与金属材料结构制造工艺截然不同 结构成型与材料成型同时完成 成型工艺含两个过程——成形与固化 复合材料结构可实现整体成型
复合材料制造工艺的特点
① 结构成型与材料成型同时完成
工艺控制格外重要
• 直接影响构件性能 • 直接影响成本 • 工艺控制难度大
复合材料制造工艺的特点
自动化制造技术-自动铺带
ATL是针对机翼、壁板构件 等大尺寸，中小曲率的部 件在20世纪60年代开发的 一项采用预浸带快速自动 铺放的复合材料自动化制 造技术