飞机用复合材料的低成本制造设备及工艺
先进复合材料主要制造工艺和专用设备
先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。
复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。
一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。
本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。
复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。
复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。
复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。
最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。
A380上复合材料用量约30t。
B787复合材料用量达到50%。
而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。
复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。
（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。
最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。
目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。
主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。
（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。
飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。
（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。
通用飞机复合材料低成本设计及工艺概述
匹配铺贴模具与成型零件的热膨胀系数。零件成型多为中温固 化，因此复合材料工装的树脂体系在低成本制造工程中尤为关 键，一般选择低温固化树脂，脱模后进行后固化使其达到做要 求Tg值，树脂基体的固化工艺要求关系到复合材料工装过渡模 的材料选择。低温固化树脂可降低对过渡模的要求，从而降低 成本，一般较低成本过渡模材料为泡沫、代木等，密度不小于 0.8g/mm³，耐温50℃左右。工装的真空灌注工艺成型相对于预 浸料成型成本较低且技术较为成熟，研制阶段工装可采用真空 灌注工艺可降低设计更改造成的成本风险，但模具刚性相对预 浸料成型工艺较低，批产阶段建议使用预浸料成型工艺制造复 合材料工装。
材料的选择不仅要考虑其本身成本，更要综合考虑后续相 应制造工艺成本、检测工艺成本等。在这方面，航空级玻璃纤 维相对碳纤维的优势尤为突出，尤其是在后续检测成本方面。 在满足载荷要求的情况下，飞机的次承力件和非承力件可采用 玻璃纤维预浸料作为主要材料，主要关重件可选用碳纤维预浸 料作为主要材料。
3 模具 模具成本在飞机研发总费用中占比15%至30%，降低模具
2019/7/16 17:33:43
1 概述 复合材料飞机低成本模式需要从研制阶段开始保证。飞机
的研制过程是一个漫长的过程，每一架优秀飞机型号的诞生都 是在研制阶段反复修改后确定下来的。低成本的研究就要从初 始的材料、模具、设备、工艺等各方面进行长远考虑。
2 材料 材料选择是飞机结构设计的基础，也是飞机制造成本的重
要组成部分。按CCAR-23部适航标准审定的正常类通用飞机一 般重量在5700kg以下，常规航空级复合材料可满足其设计载荷 要求，因此降低复合材料本身成本尤为重要[1]。
低成本通用飞机复合材料设计制造一体化技术_马瑛剑
料的工程过程，可以使设计人员同时在零件几何、材料、结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡。
设计人员使用FiberSIM 软件能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施；从初步设计、详细设计直到制造车间，最终得到复合材料零件。
研究内容1 铺层分片、对接区偏移量的研究预浸料有一定的幅宽限制，大型复杂复合材料构件通过仿真分析，如果铺层超出了材料的幅宽限制则需要在适当的位置将铺层进行分割，分开的铺层片之间需要进行对接或搭接，偏移量的大小要根据设计要求，通过软件进行设计[3]。
2 复杂曲面下的铺层分析及铺层展开设计研究低成本通用飞机复合材料设计制造一体化技术中航工业通用飞机设计研究院 马瑛剑本文结合演示验证件通过对通用飞机复合材料结构件的数字化设计制造，应用复合材料设计软件FiberSIM 与自动下料系统和激光铺层定位系统等的集成，打通了复合材料构件设计、工艺、制造的数字化生产线。
Composites Design and Manufacturing Integration Technology on Low-CostGeneral Aircraft低成本复合材料设计制造一体化技术已经成为世界通用飞机制造商必须要面对和解决的问题之一。
采用数字化设计制造技术可以提高产品的研制生产效率，保障产品质量，降低产品成本[1]。
该技术克服了原有复合材料制造过程中主要依赖于模线-样板而导致的铺层和层间马瑛剑硕士，现就职于中航工业通用飞机设计研究院通用飞机所结构强度室，复合材料结构主管设计师，主要负责通用飞机复合材料结构设计工作。
的定位不准、材料裕度过大导致的浪费。
高性能连续纤维复合材料为生产轻质高性能的产品提供了巨大的机会，但是高的材料成本、设计和产品制造的复杂性在很大程度上抵消了复合材料的使用效益。
为了降低成本，提高复合材料生产效率，缩短复合材料产品的开发时间，减少材料浪费，降低工具损耗及生产时间，美国VISTAGY 公司在CATIA [2]软件平台上开发了用于复合材料制造和分析的软件FiberSIM。
航空复合材料零件制造工艺及设备应用
航空复合材料零件制造工艺及设备应用作者：张海杰来源：《科学与财富》2018年第14期摘要：航空复合材料零件普遍具有尺寸大、精读要求高的特点，利用现代化制造设备进行生产能够有效提高其性能质量，因此航空复合材料零件制造工艺及设备的合理选择，具有非常重要的现实意义。
本文在简要阐述航空复合材料制造工艺现状的基础上，重点分析了目前主流制造工艺的应用要点，以期为相关主体提供有益借鉴。
关键词：航空复合材料；零件制造；工艺特点；设备应用现代化复合材料是以有机高分子材料为根本依托，以高性能连续纤维作为增强材料，采用专业的工艺设备生产而来，无论在结构稳定性还是外形精确度上，都有着明显的优势。
目前，复合材料凭借超强的性能优势，被广泛应用于航空航天零件制造领域，成为新一代航空器的主要材料，并成为了航空结构先进水平的重要衡量标准。
1、航空符合材料制造技术与设备基本概况航空复合材料具有尺寸大、结构复杂、精准度要求高等特点，这也决定了其制造技术与设备的先进性，而传统的制造工艺已经无法满足现实发展要求，尤其是高性能、大差量、强精准的要求，甚至已经对复合材料技术的发展产生了制约。
所以近年来，有关航空复合材料制造技术与设备的研发成为了业内外一大热点，并取得了突破性进展，产生了许多先进的制造技术与设备，具体如下：1.1数字设计与模拟技术数字化设计可以有效确保产品结构研发的科学性，是提高产品制造质量、提高产品研发效率、降低产品研发成本的重要保障。
而数字化模拟能够全面提升工艺制造自动化水平和产品合格率，常见的数字化模拟技术主要有铺层、浸渍、固化成形等。
1.2自动化制造技术目前，以自动铺带、自动铺丝等为代表的自动化制造技术，已经成为复合材料零件制造的主流工艺，凭借其较高的制造效率赢得了业内广泛认可。
自动铺层技术完全实现了复合材料零件制造的高精准性和高效率性，是传统人工铺层效率的十倍之多，全面降低了制造成本。
1.3低成本制造技术目前，在航空零件制造的总成本中，有七成以上是复合材料零件所占据，尤其是随着复合材料研发的深入推进，低成本制造技术开始成为该领域的重要研究方向，其中尤以RTM技术最具代表性，并得到国际的普遍认可，成为了复合材料低成本制造技术发展的一大转型技术。
复合材料在直升机领域的应用及其低成本制造技术
复合材料在直升机领域的应用及其低成本制造技术【摘要】复合材料由于其特殊的性能，在直升机领域得到了较大规模的应用。
但复合材料的高成本成为限制其扩大应用与发展的主要因素之一，因此研究其低成本制造技术就成为了国内外专家学者关注的重点所在。
本文主要结合复合材料在直升机领域的应用情况来研究探讨复合材料低成本制造技术方法。
【关键词】复合材料；低成本制造技术；直升机；应用引言作为21世纪的主导材料，复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等诸多优异性能，这些都是直升机结构所盼望的理想性能，因而在直升机设计制造中占有重要的地位。
但复合材料的高成本成为限制其扩大应用与发展的主要因素，因而复合材料低成本化就成为复合材料技术发展研究的核心问题。
本文主要在介绍复合材料在直升机制造领域的广泛应用的基础上，对复合材料的低成本制造技术进行介绍。
1 复合材料在直升机结构中应用直升机具有的飞行高度低、速度慢，无气动热问题，载荷相对较小等特点，为直升机结构采用复合材料设计提供了得天独厚的条件。
直升机采用复合材料不仅可减重，且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。
目前相继出现了全复合材料的机体，据报道S-75，MD-900，D292、波音-360，PAN-2，V-22，N11-90和BR-117等直升机均属全复合材料机体。
美国的RAH-66（科曼奇）武装直升机的机身蒙皮、舱门、中央龙骨大梁、整流罩、旋翼等结构均由复合材料制造，其复合材料用量达到了总重的51%，是目前世界上使用复合材料最多的实用直升机。
我国在这方面虽然起步较晚，但仍取得了不俗的成果。
国产Z9型直升机的复合材料用量达到了总重的25%，其旋翼、涵道垂尾、尾桨叶、机身等部件均由复合材料制造。
在直升机产业应用最为广泛的复合材料为碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP），其具有比重小、比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性好等优点。
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术
航空级树脂基复合材料的低成本制造技术发表时间：2018-11-21T11:14:26.433Z 来源：《新材料·新装饰》2018年6月上作者：刘杰[导读] 复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。
本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。
关键词（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060）摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。
本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。
关键词：复合材料；液态成型工艺；RTM；RTM衍生工艺1 树脂传递模塑(RTM)成型工艺树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding),是一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。
它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件,然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。
RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面,国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。
RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术,可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。
热压罐成型的最大缺点是其体积大,结构复杂,且是压力容器。
因此建设投资费用高。
同时对于较大体积的热压罐。
其升温和加压的速度比较慢。
场内温度控制不均匀。
与预浸料模压工艺相比,RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料,无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程,也无须热处理时间,操作简单,技术开发和应用灵活。
飞机用复合材料构件的典型低成本成型技术
飞机用复合材料构件的低成本成型技术随着航空业的快速发展，飞机用复合材料构件的应用越来越广泛。
复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，因此在飞机制造中得到了大量应用。
然而，复合材料的成型成本较高，给飞机制造带来了一定压力。
如何降低复合材料构件的成型成本成为了研究的热点之一。
本文将介绍一些典型的低成本成型技术，以期为飞机制造业的发展做出贡献。
一、纺粘成型技术1. 简介纺粘成型技术是一种利用纺织原理制备复合材料的方法。
通过在纺织机上将纤维和树脂混合，再经过卷绕、成型、固化等工艺，最终制备出复合材料构件。
这种技术成本低，适用于中小尺寸的复合材料构件制备。
2. 优缺点优点：成本低，适用于少量生产。
缺点：生产效率不高，适用于中小尺寸构件。
二、注塑成型技术1. 简介注塑成型技术是一种将熔融的树脂注入模具中，然后在高压下使其固化成型的方法。
这种技术适用于生产大批量的复合材料构件，成本低、效率高。
2. 优缺点优点：适用于大批量生产，成本低、效率高。
缺点：需要大型注塑设备，不适用于小批量生产。
三、预浸料成型技术1. 简介预浸料成型技术是一种将预先浸渍好树脂的纤维布料置于模具中，然后加热固化成型的方法。
这种技术成本适中，适用于中小批量的复合材料构件制备。
2. 优缺点优点：适用于中小批量生产，成本适中。
缺点：对生产工艺要求较高，不适用于大批量生产。
四、压缩成型技术1. 简介压缩成型技术是一种将预先浸渍好树脂的纤维布料置于模具中，然后施加高压使其固化成型的方法。
这种技术比较灵活，适用于小批量的复合材料构件制备。
2. 优缺点优点：适用于小批量生产，灵活性高。
缺点：对模具和设备要求高，不适用于大批量生产。
总结飞机用复合材料构件的低成本成型技术有多种选择，每种技术都有其适用的范围和特点。
对于飞机制造企业来说，要根据实际情况选择合适的成型技术，并不断加强研发，提高生产效率，降低制造成本，推动飞机制造业的快速发展。
飞机用复合材料构件的低成本成型技术是航空制造领域的一个重要课题。
先进复合材料主要制造工艺和专用设备
先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。
复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。
一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。
本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。
复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。
复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。
复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。
最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。
A380上复合材料用量约30t。
B787复合材料用量达到50%。
而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。
复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。
（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。
最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。
目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。
主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。
（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。
飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。
（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。
飞机复合材料生产工艺流程
飞机复合材料生产工艺流程下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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复合材料低成本制造
复合材料低成本制造前言一般而言，先进复合材料主要是指由高性能的碳纤维增强体与高性能的树脂基体用专门的成型技术复合而成的一种高性能的新材料体系。
其主要的优点是轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，到目前为止，首选的应用仍是航空航天工程的结构材料，与传统的铝合金相比，复合材料制件的减重效果可高达40%，这对于减少飞行器的自重、提高飞行速度和承载能力非常有利，从而大大降低油耗，获得巨大的经济效益。
随着先进复合材料技术日趋成熟，越来越多的复合材料构件取代传统的材料用在商用飞机上，如波音和空客飞机的舱门、地板梁、整流器、控制板及尾翼结构件，包括方向舵、稳定器和升降舵等。
最近，大型商用客机上启动大量采用复合材料的计划。
波音公司已宣布，正在研制的“梦想”飞机（Dreamliner）波音787 上，复合材料的用量将占全机结构总重量的 50%，这将是世界上第一架采用复合材料机翼和机身的大型商用噴气客机，表明复合材料在航空工业上的又一次突破。
由于大量采用复合材料而使飞机的结构重量大幅度降低，燃油效率可提高20%。
另一家大型民用客机制造商“欧洲空客”公司在开发复合材料的应用方面也有突破，例如在超大型客机A380 上将采用 25 % 的复合材料，其中外翼、中央翼盒、垂尾、平尾、地板梁、后承压框等均采用复合材料。
复合材料在其它领域应用的范围不断扩大，在所有工程材料市场中，从常规制品到特殊复杂应用制品，先进复合材料都占有可观的份额。
随着新型的聚合物树脂基体以及高性能的玻纤、碳纤和芳纶增强体的采用，先进复合材料在产量、品种和应用等方面都得到持续的发展，除国防工业和航空工业外，先进复合材料还在一些新的应用领域取得进展，如：具有防爆功能的装甲复合材料，天然气作动力的汽车发动机汽缸，风力发电机旋叶桨，机械驱动轴，高速路高架桥承载梁，桥面，码头建筑，甚至纸制的搓杆或搓管等。
先进复合材料同样在一些特殊的建筑结构上得到广泛的应用，展现出美学和生态学的风格。
复合材料低成本制造工艺与航空应用
10% 修剪
铺贴 52%
件制造工时的一半
17%
封装固化
3%
2020-11-17
12
复合材料成型技术的发展
航空复合材料 结构
主承力 复合材料结构
次承力 复合材料结构
热压罐成型工艺为主，正 在发展非热压罐成型工艺
逐步开始应用 非热压罐成型工艺
VARI液体 真空压力成型工艺
VBO预浸料 真空压力成型工艺
闭模
主要优点：制造高纤维体积含量的大型复杂构型的零件， 保持较高的结构设计效率。
17
OOA技术2-VARI
真空辅助树脂渗透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion）技术 将按照结构和性能要求制备好的纤维预成型体放置在模具上，在一个
真空作用下使液态树脂在预成型体内流动并浸润纤维，再经升温固化、 冷却脱模得到能够承载的复合材料构件。
聚酰亚胺
AC729RTM
10
9
8
HT-350RTM
PETI330
7
6
5
4
3
2
1
0
240
260
280
300
320
340
360
Temperature/℃
注射温度~280℃
固化温度120℃
固化温度180℃
固化温度200℃ 固化温度350℃
Tg = 120℃ 服役温度~70℃
Tg = 210℃ 服役温度~130℃
21
国外OOA技术与应用
东丽
• 2007年制造技术创新计划启 动，非热压罐制造是5个核心 领域之一。建立开发OOA体系 目标，提供可达到热压罐固 化质量水平材料
轻型飞机复合材料的性能及制造工艺分析
轻型飞机复合材料的性能及制造工艺分析摘要随着复合材料技术和生产工艺的快速发展，复合材料在飞机上的应用比例稳步提升，极大地推动了飞机的轻量化设计。
但是复合材料的生产工艺较为复杂，生产成本较高，在一定程度上影响了复合材料的大规模使用。
因此对轻型飞机复合材料的性能和生产流程进行简单地阐述分析，对轻型飞机复合材料的制造工艺展开系统地分析探讨，为复合材料生产工艺的优化更新奠定了良好的基础。
关键词：轻型飞机；复合材料；性能；制造最近几年，复合材料的设计与生产成为热门话题，复合材料为飞机的轻量化、高强度、高性能发展提供了有利条件。
但是复合材料在飞机上的应用不是一帆风顺的，还受到生产成本、制造工艺等诸多因素的影响，如何优化复合材料生产工艺，推动轻型飞机制造技术的进步发展，是一件非常重要的事情。
一、轻型飞机复合材料的性能随着材料工程技术的发展，复合材料应运而生，在生产生活等诸多方面都得到了广泛的普及与应用，飞机的生产制造也不例外。
复合材料不仅可以弥补单一材料的缺陷，而且能够提升轻型飞机的性能。
轻型飞机复合材料的优点如下所示：（一）高比强度和高比刚度比强度和比刚度是判断飞机材料承载能力的重要指标，数值越大，说明材料的重量越轻，相对强度和相对刚度越大。
例如在拉伸强度相同的场景中，复合材料的密度只有钛合金的1/3，因此把复合材料应用到飞机身上，能够大大减轻飞机的重量，延长飞机的续航里程。
（二）抗疲劳性能强飞机在起飞、转弯、降落过程中，会承受不断变化的压力载荷，这对材料的抗疲劳性能提出了很高的要求。
而复合材料就拥有这一特性，甚至有的纤维增强树脂复合材料的抗疲劳性能已经超过了钢铁，这是因为复合材料中的纤维对构件表面的裂纹有良好的桥接作用，能够防止裂纹快速扩散。
轻型飞机和民用飞机的使用寿命约为30年，而复合材料的抗疲劳性能能够轻松达到这一要求。
（三）装配工艺简单复合材料比较适合整体成型，能够减少零部件的数量，降低飞机整体设计的计算工作量，装配工艺也变得更加简单。
低成本复合材料结构飞机的高效率设计与制造——平板式零件
低成本复合材料结构飞机的高效率设计与制造——平板式零件摘要：通用飞机种类多、数量大、用途广。
世界各国愈发重视通用飞机的应用。
相比于欧美，我国的通用飞机产业尚处于起步阶段，成本控制作为制约通航产业发展的难题之一，亟待解决，提出一种高效率的设计与制造一体化技术迫在眉睫。
本文将介绍一种平板式零件设计和制造一体化技术，从源头设计即开始控制全生产链成本。
关键词：通用飞机；复合材料；低成本；平板式零件引言近年来我国通用飞机产业呈现井喷式发展的趋势，市场迅速扩张（截止2018年底，我国已有370家在营通用航空公司；预计至2020年，我国通用机场数目将达到500以上，通用航空起将达到5000架以上），国家支持力度不断加大（中国民航2019年通航发展专项资金预算总额为4.41亿元）。
然而机遇与挑战往往是共存的，在市场快速扩张的同时，我国通用飞机设计和制造商也面临一个刻不容缓的难题——如何低成本、高效率地设计和制造复合材料飞机以进一步提高市场竞争力?虽然复合材料与传统的金属材料相比，在比强度、比模量、耐腐蚀性能和耐疲劳性能等上都具有绝对优势，但是复合材料自身材料成本高、模具成本高，此外还需考虑由于设计和制造过程较为复杂，人工成本难免随之提高。
目前行业内已存在一些复合材料通用飞机低成本制造技术，如自动铺贴设备、OOA预浸料固化、自动下料剪裁技术等。
本文将重点分析平板式零件的设计与制造，以实现进一步大幅度降低成本。
1、平板式零件的高效率设计与制造1.1平板式零件的高效率设计设计决策将决定>70%的制造成本。
所以在初步设计阶段就应该定下低成本制造的目标，并梳理出决定低成本制造工艺的关键要求，之后还需进行必要的研发性试验以辅助验证设计。
平板式零件主要设计步骤如下所述：a）根据强度要求确定铺层需求。
对于非关重件，整体可采用通用2C2或2C1夹芯结构铺层设计；对于关重件，可根据载荷分布计算结果按需设置局部加强（层压板）。
通用飞机复合材料结构低成本制造技术
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Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
Ｆ Ｏ Ｃ Ｕ Ｓ Ｅ丑
构， 经真 空 袋封 装按 工艺 在 热压 罐 中
行 多 个大 型 零 件 或 多 喧焊 接 面 的 焊
件 来确 定桨 叶上 的应 力分 布 ， 根据 设 汁结 果 采用泡 沫 夹芯结 构 ， 芯 材表 面
膜及 表 面 防雷 击 材 料 采用 激 光 投 影
辅 助 手 工铺 放 。 在芯轴上铺完后， 从 铝芯 轴 上 取 下置 于 阴模 内 ， 阴模 为 ２
部 分 碳／ 环 氧 材 料 组 成 的蛤 形 件 结
少 了机体 的检测 、 维护 和维修 费用 。 ④
改善 气动 外形 ： 复 合材料 结构 的成 型
ｆ
￣
Ｆ Ｏ Ｃ Ｕ Ｓ
通用飞机复合材料结构低成本制造技术
■ 文 ／陈 静 程文礼 李贤德 。
１ ．中航 复合材料有限责任公 司
２ ．中航 工业 制造 院复合材料技术 中心
３ ． 中航通 飞华南飞机 工业有限公 司
一
概述
通 用 飞机 在 近 十 几 年 的 飞 速 发
转 换 的竞 争优 势 。 这 主要 归 功于复 合
材料 的以下优 点 ：
①更 好 的抗冲 击性 ： 碳 纤维复 合
客 比奇 公司 的“ 首相 Ｉ” 。 复 合 材料 结 构件 用材 的 比例 已经成为飞机 先进性 的重 要标 志 。 为 进一 步提 高 市场 竞争 力， 低 成本 复 合 材 料 结 构 设 计一 制 造
不 受 金属 材料 生产 的 限制 ， 可 以实 现
个筒 体 在机 翼处 连接 。 筒体 蜂 窝夹层 结构 采用辛辛那提 公司 （ Ｃｉ ｎ ｃ ｉ ｎ ｎ ａ ｔ ｉ ） ＶＩ ＰＥＲ 自动 纤维铺放 设备 在铝合 金 芯 模上 进 行丝 束铺 放 。 预浸 料所 用 碳 纤 维为 东 邦Ｔｅ ｎａ Ｘ 美 国公 司 的Ｇ４ ０ — ８ ０ ０ 和赫 氏 （ Ｈｅ ｘ ｃ ｅ １ ） 公司 的Ｉ Ｍ７ ， 环 氧 树脂 采用氰特 （ Ｃｙ ｔ ｅ ｃ ） 工程材料公 司
【“威”视制造】无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）
【“威”视制造】无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）美国洛马公司的“深海幽灵”舰载弹射起飞型无人察打一体飞机方案想象图（洛马公司图片）《空天防务观察》此前已先后推出12期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。
本期，刘亚威先生将为我们解读“无人机复合材料结构低成本制造技术”。
无人机在复合材料的使用比例上基本是所有航空器上最高的，像X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上都运用了90%的复合材料。
面对如此大的用量以及未来潜在的高使用量，就迫切需要开发高效、低成本的复合材料结构制造技术，来满足项目的经济可承受性要求。
这些需求具体来说，包括：在预浸料成形方面，使用机器人来代替笨重的机床进行铺放，以及采用各种无需热压罐的低成本、高效固化方式；在干纤维成形方面，按照液体成形方式设计大型整体结构件，并改善制造工艺，甚至开发革命性的增材制造方法，实现复杂结构外形；在制造工装方面，降低金属工装成本、提升复合材料工装性能、开发高效自加热工装。
一、机器人铺放自从复合材料自动铺带和自动丝束铺放首次变成可行生产工艺以来，机床供应商通常为大型飞机设计和制造大型且昂贵的机床，不过近年来情况有所转变，机床供应商开始开发较小型且更经济的机床，以应对更广泛的需求。
特别是在自动丝束铺放方面，利用商用机器人作为小尺寸复合材料铺丝设备的平台正在成为机床供应商的基本做法。
Coriolis公司机器人自动铺丝系统预计未来几年各种配置和尺寸的自动铺丝机床将出现，机器人平台将用于更多的复合材料铺丝系统。
机器人平台与复合材料丝束铺放技术相结合被证明是非常成功的，复合材料铺丝设备品种的扩展意味着更小的复合材料车间可根据他们所需的尺寸和价格选用自动铺设备。
最终，复合材料自动铺丝设备将像在金属加工业中的5坐标CNC机床一样，将成为复合材料工业的常态。
对于尺寸外形和采购数量各异的无人机平台来说，这类机器人铺放工艺及装备的开发，将显著降低复合材料机体的制造生产成本。
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航空制造技术年第期
飞机用复合材料的低成本制造
设备及工艺
中国航空工业发展研究中心
陈亚莉
本文分析了复合材料低成本制造工艺及设备。
指出在
降低复合材料成本方面，制造技术有着广泛机遇，其关键是自动化设备。
在低成本工艺方面，非热压罐技术潜力巨大，代表着未来的发展方向。
Low -Cost M anuf act ur i ng Equi pm ent and Pr ocess of Com posi t es f or A i r cr af t
波音787已开始交付用户，A 350的格局已定，A320和波音737将重新换发，F-35正进入20年生产初期。
飞机将成为下一个10年制造的主角，且将不再是以金属为主要结构的装备。
材料系统的选择以及结构设计业已确定，金属及复合材料之间的平衡也已肯定下来。
在这种情况下，制造技术将进一步提高生产效率和降仍有待改进。
例如花大量时间来置
入紧固件，由于紧固件类别不同，需要一方面看图纸，在蒙皮上做标记，然后再将紧固件置入蒙皮。
飞机复合材料结构正在开发一系列缩短周期、降低成本的先进技术。
例如，从三维设计数据库中自动取出零件的几何尺寸数据是飞机制造商的优先项目。
当飞机产量大或要求制造精度高时，需要自动化设备进入生产车间进行铺层、切削加工、钻孔及在生产线上进行检验。
铺层自动化
对于复合材料制造来说，自动化是关键。
碳纤维可提供所需的性能改进，但产量必须提高，成本才能降低。
波音787、A 350以及F -35投产时就必须提高生产率。
随着从手工铺层到自动化铺层，碳纤维在模具上的铺层就成了关键性的推手。
低成本，即使材料及结构方面大的决策已定，在制造方面仍有充分的改进空间。
由于空客及波音已将下一代窄体飞机推迟到2020年以后，复合材料与金属材料之争已冷却下来，即使
这样，先进材料及制造技术的发展仍
有机遇，只是不同飞机的机遇不同罢了。
例如，对于A 320neo 和波音737MAX 这样的飞机，要改变材料的
机遇有限，而结构及技术仍将采用标准形式。
但对于A 350-1000以及787-10仍有更多的机遇采用新的制造技术。
目前仍处在设计中的波音777X 有可能做更多的变化，例如，采用碳纤维复合材料机翼。
这些飞机
在结构及材料决定之后，仍有大量降低及减重以及工艺改进工作。
又如，F-35仍在开发中，重点放在制造改进上，
大量的手工劳动以及质量问题
陈亚莉中国航空工业发展研究中心研究员。
长期从事航空材料情报研究工作，
曾获先进国防科技情报工作者等称
号。
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航空专用装备
Special Equ ipme nt for A viation In dustry
年第期
航空制造技术
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铺层速度至关重要，因为它决定了所需的投资。
例如，GKN 正在生产A350的机翼后梁以及整体化的后缘肋。
每根梁需半吨材料，每月将生产13根梁。
碳纤维的价格很高，因此铺层速度必须高，从而对材料、工艺以及检验方面的进步提出了迫切需求。
自动化有几种类型。
一种是用机器人对铺层定位，进行手工铺层的“定位-铺层”；一种是自动化铺带法，可铺平面或微曲面的工件，其速度可以高，但复杂的零件则需要自动化的铺丝法（AFP ）。
两者均需专门的昂贵设备，不过情况正在起变化，例如，已有自动铺带与自动铺丝的组合，以及“挑选-铺放”的组合。
这样可以不用AF P 来铺小件。
例如，英国布列斯托尔的国家复合材料中心正在开发多铺放头式机器人，可以在同一时间、同一工件上用不同的技术。
英国国家复合材料中心是首家使用带两个合作机器人铺放头的自动化AF P 机器，该设备由法国Cori olis 复合材料公司制造，GKN 公司将其用作下一代复合材料机翼项目。
ATK 公司也是首家用德国MA G 机器制造公司Gemimi 的用户，Gemimi 是一龙门式机器人，可以在几分钟内转换自动铺丝及铺带，方法是转换及对接机器人。
MAG 及德国航空航天中心DLR 正在开发GroF1，它是在轨道系统上的8个机器人，机器人可以在同一铺丝机或铺带机上工作，每小时可以铺150kg 。
在过去，一台自动铺放机在更换操作时，必须将机器停下来，更换模具，用手工铺织物。
采用模块式铺放头时，可以不将机器停下更换操作。
除自动化铺层外，自动化钻孔也值得投资。
F-35的外蒙皮90%的孔是自动钻孔。
庞巴迪C 系列的机身段采用龙门式机器人连接。
激光加工
复合材料构件固化后的切割与钻孔成为越来越大的挑战。
随着结构越来越大，
切割与钻孔变得越来越复杂。
碳纤
维对刀具的磨损很严重，并可引起纤维损伤，而喷水切割又会使潮气进入复合材料。
激光加工是一种有前途的解决方案。
位于英国利物浦的约翰摩尔大学正在与工业界联合开发光纤激光器，该激光器成本低、切削速度高，激光束可沿光学纤维移动，易于与装配机器人实现一体化。
该大学利用JK 激光器公司提供的200W 光纤激光器进行打孔演示，获得良好的孔边缘以及孔表面完整性，这种表面通常由手工喷砂或吹砂处理。
除用于切割、切边以及钻孔外，其他用途还有激光铣切损伤层板，在复合材料消音衬里上钻小孔以及热塑性复合材料焊接。
自动化检测
由于隐身的需要，对F-35的外模线要求采用自动检验，测量台阶、缝隙以及紧固件的平滑度。
随着结构变得越来越复杂，复合材料的自动化无损检验（分层及孔隙）成为关键工序。
超声检验一般要求浸入水槽或喷水。
现在非接触的激光超声检验，可以进行远程检验飞机构件。
空客公司的EADS 创新工厂与法国矿冶学院用超声激光器检验复合材料前机身验证件，该验证系统由西班牙Techatom 公司提供的铰链机器人将扫描头在工件上进行大面积扫描
A350XWB 碳纤维机身壁板的自动铺层加工
M G 公司的复材铺带机
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航空制造技术年第期
以及检查机身内部结构。
短的激光脉冲可使工件快速加热从而产生超声波，超声波的回波由另一激光器接收。
CO 2激光器可以向扫描头导引激光束。
复合材料构件的自动化装配
汽车工业用的自动化装配机器人正进入飞机装配线以降低成本及节省时间。
庞巴迪计划用6台单臂式机器人连接C 系列飞机的驾驶舱及机身段，可省40h 以上。
每一个12t 的机器人将用来钻孔及嵌入紧固件。
复合材料结构53s 置入一紧固件，铝锂合金结构32s 。
波音计划用新的6坐标式自动钻孔及铣切机进行波音787复合材料机身筒体的装配。
该机器来自德国MAG 公司，刀
尖用液氦冷却，以进行平滑的、高速
的长寿命切削。
德国弗劳恩霍夫机器制造研究所以及先进材料及CFK Nord 研究中心正在研究进一步应用机器人，他们开发一种装配概念，即飞机切削及装配在一滚动装配线上进行，滚动装配线采用一小的机器人移动机体，连续完成固化、钻孔及铣削。
一个可精确定位大飞机机身段的多用途止动器的首个关键件设计已完成，一个验证设施将在3年后运转。
低成本非热压罐固化工艺复合材料的价值链非常短，供应链有材料供应商及机器设备供应商。
供应链内的竞争使成本降低，但要成为供应链内的公司，热压罐及自动化是进入门坎的障碍。
复合材料的成本是企业扩大的障碍，而自动化是推动成本下降的关键，要购置这些装备需要足够的资金。
复合材料非热压罐固化（OoA ）是在真空袋压力下炉内的固化，被看作制造大结构件、而又避免用热压罐、扩大供应基础的途径。
非热压罐固化虽使工件性能有所降低，但综合成本效益高。
非热压罐固化一直因性能不如热压罐固化材料而发展受到限制，但新的材料呈现出与热压罐固化类
似的水平，可用于主承力构件。
例如Cytec 供应商的复合材料就是如此。
庞巴迪正用Cytec 公司提供的非热压罐固化预浸料系统制造利尔喷气85的机身。
加工时间无不同，
成本却有降低。
澳大利亚开发的Qickstep 是一种固化工件的方法，它是在闭合模具内，采用加热及加压的液体来固化工件，已开始代替常规的热压罐固化，在F-35上验证，成本预计可降低30%。
具有设计制造能力
复合材料结构供应商与金属材料结构供应商不同，不应只有按集成商图纸制造的能力，而应同时具有设计制造能力。
这是因为复合材料与金属的性质不同。
要充分利用复合材料的比强度、比刚度高，抗蚀性和抗疲劳性能好的优点，在设计初期将这些性能设计到产品中，制成一整体结构件，而非将多个件螺接到一起，但前提是必须了解传力路径。
结束语
本文分析了复合材料低成本制造工艺及设备。
指出在降低复合材料成本方面，制造技术有着广泛机遇，其关键是自动化设备。
在低成本工艺方面，非热压罐技术潜力巨大，代表着未来的发展方向。
（责编 三丰）
应用在庞巴迪飞机的工业机器人
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