复合材料低成本制造技术调查报告

INDUSTRY SURVEY

76航空制造技术·2009 年第15 期

行业调查复合材料低成本制造

技术调查报告

复合材料技术作为大飞机关键制造技术之一，已经在航空航天、国防等领域得到了前所未有的发展。大飞机项目的正式启动以及复合材料在各机型中的大量使用为复合材料技术的发展注入了强大的活力，而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一，一些国家纷纷制定了低成本复合材料计划，使复合材料低成本化成为复合材料技术发展研究的核心问题。为更好地满足国防工业发展需要，本刊以“复合材料低成本制造技术”为主题展开调查，力求通过我们的调查为复合材料及相关设备供应商与用户搭建交流平台，使读者更清楚地了解复合材料低成本制造技术的现状，并为复合材料相关产品与设备供应商的产品研发、销售提供参考，为推动复合材料低成本制造技术的发展提供帮助。

本次调查采用调查问卷形式，主要面向航空企业、设备供应商和科研机构3个方面展开。在航空企业方面，主要针对哈飞、西飞、沈飞、成飞等制造能力很强的知名航空企业；设备供应商主要包括在复合材料原材料，铺放、成型、下料、设计，检测等方面具有较强研发能力的知名企业，如雅琪、赫氏、恒融达、亨斯迈、萨姆泰克、M A G、D M G、G E、康泰、山特维克、肯纳、福禄、泰克莫尔、锐峰等；科研机构包括北京航空制造工程研究所、第一飞机设计研究院、成都飞机设计研究所、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、北京航空航天大学、武汉理工大学等。这些企业、厂商和科研机构为我们提供了很多关于复合材料的制造技术方面的信息，给予了我们极大的支持。

本刊记者 淡 蓝 七 丁

调查对象分布

本次调查中，调查对象以航空航

天企业用户、供应商和科研机构为

主，调查对象所占比例如图1所示。复合材料低成本制造技术应用复合材料的成本主要包括3个方面：原材料成本、设计制造成本以

及使用维护成本；低成本

复合材料技术包括了低

成本设计技术、低成本制

造技术和低成本材料技术。其中，低成本制造技术是核心。根据本次调查的反馈，结合美国制造商提供的信息，应用中复合材料成本组成主要为材料（15%）、预浸料铺叠（25%）、装配（45%）、固化（10%）、紧固工艺（5%），各成本所占比例如图2所示。由图可以看出，在实际生产中，为降低成本，设计/材料/制造一体化技术和成形工艺技术是复合材料低成本制造技术的研究重点。目前已开发了多种低成本制造技术，包括树脂传递模塑

成形技术（R T M）、树脂膜渗透技术

（R F I）、真空辅助树脂渗透成形技术

（V

A R I）、纤维缠绕、拉挤成型以及

自动铺放等。

Survey Report of Composite Low -Cost Manufacturing Technology

INDUSTRY SURVEY

2009 年第15 期·航空制造技术

771 RTM 工艺

该技术已获得了较为广泛的应用，是航空、航天先进复合材料低成本制造技术的主要发展方向之一。该工艺避免了预浸料的生产工序，能够适应航空航天复合材料结构件的小批量、多品种的生产特点。但是，在实际生产过程中，还要结合模具的资金投入来决定是否选择RTM 工艺。2 RFI 和VARI 工艺

R F I 采用传统的真空袋压成形方法，避免了R T M 工艺所需的树脂计量注射设备和双面模具的加工，大大降低了成本，然而对材料和工装的耐高温性具有较高要求；VARI 摆脱了热压罐设施的依赖，具备明显的低成本潜力，却需要材料、工艺和设计人员的协同配合。

3 纤维缠绕、拉挤成型纤维缠绕是筒形件的低成本快速制造方法；而拉挤工艺在生产过程中没有边角废料，生产效率高，并可以节省原料和能耗。

4 自动铺放技术

自动铺放技术包括自动铺带和自动铺丝。目前，该技术在速度和准确度上有了很大改进，以自动铺放技术为代表的自动化成型技术能够降低生产成本，提高复合材料构件质量。但是由于应用规模的限制，全自动化生产往往会造成有限规模的复合材料成本较高，因此一定程度上的自动化生产，仍是复合材料低成本制造比较经济的手段。 5 其他近年来，更多的复合材料低成本成形、制造方法得到了应用，如复合材料低成本工装等技术在近年来得到了业界专家格的外关注，国外开展了一些新的低成本方法，如复合材料快步成型法缩短了固化时间，流动成形法在大型零件的成型制造中大大降低了高比强度复合材料的成本等等。

复合材料低成本制造的发展趋势和改进措施在满足结构减重和性能指标要求的前提下开发新的低成本技术，将是飞机复合材料从业人员的首要任务，这也是一个循序渐进的过程，需要技术、设备、人员协调、管理层次的共同努力。（1）完善已有工艺，逐步实现设计/材料/制造一体化技术。如RTM、RFI、V A R I 等技术虽然已经发展得比较成熟，却仍然面临一些问题，如R F I 对树脂的工艺性要求较高，VARI 对树脂流动性的较高要求等。而对于其他的一些工艺（如非热压罐固化），虽然前景看好，但仍面临诸如会使碳纤维体积含量减少的问题。因此，改进已有工艺已成为当务之急。（2）逐步实现复合材料制造过程自动化。在世界范围内自动化加工设备的利用已经成为一种趋势。制造过程的各个工序，如对预浸料铺层设计形状进行的切割处理、制件铺叠过程中的铺层定位和辅层操作，制件固化过程的监测和控制等，均存在自动化的可行性。自动化利用的增长，能够在降低人工成本（尤其是在日本、澳大利亚等国）的同时，消除人为操作失误，成为一种提高产品质量、保证质量一致性的重要手段。随着复合材料在飞机部件应用规模的扩大，全自动化成形最终将在保证性能指标的前提下实现复合材料低成本制造的目的。（3）合理选择优化方案，以缩短装配制造周期和应用关键技术，应对复合材料的成本问题，如飞机上如何使用复合材料，如何使用金属材料，如何设计才能保证其具有最优的性能和较低的成本。例如，空客A380上机身大量应用了GlARE 层板，与相应的铝合金板比较实现减重25%～30%、疲劳寿命提高10～15倍的效果，较之以前应用的A R A L L 层板有更好的双周疲劳性能，且成本较低，只是比重稍大。（4）开展低成本制造新工艺。如近年来发展起来的电子束固化、Z-pin 技术等，前者不需要热压罐,可在室温下固化,从而降低模具费用,节省能源,减小制品中的热应力,制品综合性能好,是纤维增强复合材料低成本生产的一种新方法；后者适用于不同结构特征的低成本泡沫材料，在一定情况下，可以有效降低成本。因此，在保证满足性能、减重要求的前提下，开发一些列新型低成本制造工艺是降低复合材料制造成本的有效途径。（5）建立科学的制造成本模型与可行可信的估算方法。（6）在管理层面上，积极开展、制定低成本复合材料计划。如美国国防部联合N A S A、FAA 和工业界共同发起并制订的低成本复合材料计划取得了巨大的成功。未来，更多更长远、更符合现代生产的低成本计划的制定和实行，将不断推动相关技术与设备的发展，技术与管理相辅相成，进步一实现复合材料低成本制造。

（责编 岩石）图2 各成本所占比例