KAI展示了用于未来飞机机身的热塑性和灌注结构
韩国航空航天工业公司（KAI）是韩国规模最大、业务最全面的航空航天制造商。公司总部位于泗川，成立于1999年，由三星航空航天公司、大宇重工航空航天事业部和现代航天飞机公司合并而成。KAI设计、开发和制造军用和商用飞机，提供飞机维护和升级服务，并向空客、波音、巴西航空工业公司、贝尔直升机公司、以色列航空航天工业公司、Aernnova公司和柯林斯宇航公司等企业供应飞机零部件。此外，KAI还设计和制造无人机、卫星和运载火箭部件。
韩国航空航天工业公司（KAI）稳步提升其专业技术，并逐步扩展到大型复合材料主结构领域。例如，与洛克希德·马丁公司联合开发的T-50超音速战斗机，其复合材料主结构包括尾翼和控制面；以及KUH Surion直升机，其复合材料结构重量占比超过30%，包括复合材料尾梁和旋翼桨叶。韩国KF-21 Boramae战斗机项目标志着KAI向独立复合材料设计和分析能力的过渡，该项目涵盖机翼、尾翼和机身面板。
作为空客和波音全球供应链的一部分，韩国航空航天工业公司（KAI）开发了用于机翼和机身组件的自动化纤维铺放（AFP）技术和先进的高压釜固化工艺。该公司还投资了树脂传递模塑（RTM）技术，并开始研究其他非高压釜（OOA）工艺以及热塑性复合材料（TPC）。凭借先进的制造和研发设施，该公司持续推进其各项业务的复合材料技术发展。
一个关键的例子是韩国航空航天工业公司（KAI）在2019年至2023年间研发的一款高3米、宽2米的TPC机身段，该机身段采用AFP蒙皮、连续压缩成型（CCM）纵梁、冲压成型夹件和由回收材料制成的压缩成型窗框，并采用感应焊接和电阻焊接工艺进行组装。该公司最近还发布了一款1.5米长的感应焊接TPC机翼控制面。
在 2019-2023 年的另一项计划中，KAI 探索了 OOA 结构，包括采用树脂灌注工艺制造的 4.1 × 1.5 米曲面机翼蒙皮段，该蒙皮段带有集成纵梁，以及采用灌注工艺和相同合格的 RTM ( SQRTM ) 工艺制造的扭力盒演示器。
韩国航空航天工业公司（KAI）已完成相关研发工作，旨在探索与传统复合材料相比的潜在竞争优势和技术成熟度，这与空客主导的多方合作项目（例如MFFD和Wing of Tomorrow ）颇为相似。KAI材料与工艺团队负责人宋敏焕博士表示：“我们得到了韩国政府的支持，进一步提升了我们对下一代单通道飞机和电动垂直起降（eVTOL）机身结构高产量生产的理解、专业技术和一级供应商地位。”
TPC机身验证机
“我们研发这台演示机的目标是为未来飞机可能采用TPC结构做好准备，”宋先生说，“并拓宽OEM厂商的选择范围。”为了实现这一目标，KAI与韩国制造商、研究机构和大学开展合作，同时还得到了荷兰皇家航空航天中心（NLR，位于马尔克内斯）的协助，并借鉴了东丽先进复合材料公司（TAC，位于荷兰奈弗达尔）的专业知识，该公司采用威格斯公司 （位于英国克利夫利斯）生产的LMPAEK聚合物制造TC1225碳纤维预浸料。
KAI 的 TPC 机身面板演示器首先使用以下工艺步骤制造蒙皮“我们选择这种材料是因为与PEEK和PEKK相比，它在制造主要结构时加工温度相对较低，”韩国航空航天研究院（KAI）TPC高级研究工程师李海东（Haedong Lee）表示。“由于TPC的特性，较高的加工温度会使工艺窗口的建立更加困难。此外，较高的加工温度还会增加加工时间，并由于辅助材料的劣化和模具的热膨胀而导致质量稳定性下降。”
该项目首先开发了一个宽1.3米、高1.0米的技术准备件（TRP），该TRP包含两根纵梁、三个框架和两个窗框，旨在识别潜在问题并在最终样机生产之前确定工艺参数。尺寸的选择基于现有设备和预算。
AFP皮肤+巩固
机身蒙皮的AFP铺层和固化在荷兰国家航空航天实验室（NLR）完成，使用了 Coriolis Composites（法国奎文）的AFP铺层机和0.25英寸宽的单向（UD）胶带。“我们评估了热压罐、烘箱和原位固化三种工艺，”宋教授说，“由于原位固化铺层速度慢且内部孔隙率高，需要加热模具来释放热应力，因此我们放弃了这种方法。为了生产更具行业挑战性和成本竞争力的部件，我们选择了烘箱固化，并获得了与热压罐固化样品相当或相似的孔隙率。”
李指出：“由于热塑性树脂粘度高，在真空袋成型工艺中，仅使用1巴压力对3×2米的大型蒙皮进行烘箱固化时，控制内部空隙是最具挑战性的部分。随着蒙皮厚度和尺寸的增加，空隙的风险也随之增加。” 为了解决这个问题，KAI优化了包装材料的放置方式——特别是将剥离层应用于蒙皮的内模线（IML）和外模线（OML）——并在AFP成型过程中对铺层边缘进行阶梯式处理，以改善固化过程中挥发性物质的边缘萃取。
KAI 也采用了两步固化工艺，耗时不到 7 小时。“首先在 285°C 下保温，使预成型件/模具达到热平衡，”宋先生说道，“这使得预成型件内部均匀熔化，减少了最终在 355°C 下保温前残留的空气。” TAC 推荐了这种固化工艺，以及以下来自Airtech International （美国加利福尼亚州亨廷顿海滩）的包装材料：A8003G 粘性胶带、Release Ease 234 TFP 剥离膜、UHT Airweave 型 US7781 玻璃纤维透气膜和 Thermalimide 50 微米厚的包装膜。此外，还使用了铝箔垫片以及来自UBE 公司（日本东京） 的 Upilex 耐热聚酰胺离型膜。
TPC蒙皮铺层和固化模具由四块科瓦合金焊接而成（左图），而金属框架用于将完成的蒙皮垂直定位，以便使用结构蓝光扫描仪进行检查（右图）对于铺层和固化模具，KAI希望使用科瓦合金（Kovar），这是一种铁镍钴合金，具有极低的CTE（热膨胀系数），类似于铁镍合金因瓦合金（Invar）。然而，在项目进度范围内，很难获得与机身蒙皮表面积相同的大块科瓦合金材料。“所以，我们弄到了四块科瓦合金，然后把它们焊接在一起，”Lee指出。“在高温烘箱固化过程中存在真空泄漏的风险，但在NLR的技术支持下，我们成功地使用了模具，没有出现任何重大问题。”
该模具的设计考虑了因模具与零件之间热膨胀系数差异而导致的变形，以及冷却过程中产生的内应力。“这意味着用于铺层和固化的模具轮廓与CAD图纸中指定的轮廓不同，”Lee说道，“因此不适合用作OML检测工具来检查成品零件的变形。”
KAI公司另辟蹊径，设计了一个具有正确曲率的金属框架，并将其安装在鸭脚状支架上，以便在蒙皮垂直放置的情况下进行检测。这避免了重力导致蒙皮表面平面曲面变形。为了确保蒙皮与检测框架接触，KAI公司在蒙皮上施加了每300毫米间隔4.5公斤的载荷——这是复合材料行业沿用数十年的标准方法。使用ATOS 5（德国蔡司公司，奥伯科亨）结构光扫描仪对IML表面进行计量扫描，结果良好；同时，使用塞尺测量发现金属框架与OML表面之间几乎没有间隙。
成功完成的蒙皮具有30米/分钟的快速铺层速度、小于1%的孔隙率以及足够的结晶度，这些都通过无损检测（NDI）和包括差示扫描量热法（DSC）在内的破坏性测试得到了证实。“我们证实，对于较薄的结构，采用烘箱固化的自动铺层工艺（AFP）是高压釜固化的可行替代方案，”宋先生说道。“然而，对于较厚的结构，高压釜固化可以提供更高的压力，从而减少空隙和孔隙率。对于我们的机身蒙皮，我们在窗户周围铺设了40层，效果良好，因此我们将继续探索这一极限。”
CCM纵梁
宋先生表示，CCM工艺非常适合生产纵梁等部件。然而，最终演示样机的Ω形纵梁需要12层，叠层顺序为[45, 0, -45, 90, 45, 0, 0, -45, 90, -45, 0, 45]。“这需要对标准的0°单向卷材进行再加工，”他解释说，“先切割成±45°和90°的角度，然后进行缝焊，最后重新卷绕成相应方向的卷材——这需要耗费大量的时间和精力。如果材料供应商能够提供预制卷材，那么CCM工艺将显著提高生产效率。然而，由于这种材料预计会比传统的热固性预浸料贵得多，因此其竞争力仍不明朗。”
为了生产十二根1.9米长的纵梁，KAI决定避免在材料准备上花费时间，而是采用点焊工艺将12英寸宽的单向带材制成扁平坯料。然后，这些坯料在韩国纺织发展研究院（位于韩国大邱）使用Teubert（德国布隆贝格）CCM成型机进行成型。
采用连续压缩成型 (CCM) 生产了十二根 1.9 米长的纵梁，这些纵梁随后将被焊接到成品 TPC 蒙皮上李先生表示，早期裂纹沿厚度方向出现，“这是由于CCM压机加热区温度不足和结晶不充分造成的。” CCM设备在压机区域设有加热区，该加热区可同时进行加热、成型（并保持温度）和冷却（固化）。他解释说：“如果冷却速度过快，热塑性树脂无法完全结晶，当冷却区内的零件承受成型压力时，就可能出现沿厚度方向的裂纹。在小型TRP演示样机的生产过程中，我们发现并解决了这些问题。通过优化加热区温度，我们实现了100%的结晶，并消除了最终1.9米长纵梁的裂纹。此外，由于我们根据成型和冷却过程中的变形分析，在模具中加入了补偿设计，因此我们还实现了低于1%的孔隙率、近乎恒定的厚度和精确的几何形状。”
冲压成型框架、夹子
KAI 为 TPC 机身面板演示器冲压成型框架和夹子宋先生表示，根据冲压机的尺寸，冲压成型被认为是生产中大型TPC零件（约3米）最可靠的工艺。KAI公司使用其自主研发的1000千牛冲压机（配备500×500毫米的冲压板）生产尺寸为120×30×60毫米（长、宽、高）的小型夹子；并使用其350-4000千牛的Langzauner（奥地利兰布雷希滕）冲压机（配备2000×1000毫米的冲压板）生产长夹子（680×30×60毫米）和框架（1200×50×60毫米）。
UD TC1225 胶带层压板由张紧器固定在框架内，经红外炉预热后，由机器人送至压机。初始 TRP 零件验证了变形补偿模具的有效性，同时通过使用 AniForm 软件（ AniForm Engineering，荷兰恩斯赫德）进行成形分析，优化层压板和张紧器，减少了压机过程中产生的皱纹。最终，生产了四个 1.5 米长的框架用于最终演示，以及更复杂的双折叠和 L 形夹，所有零件的纤维体积分数 (FVF) 均为 58-60%，结晶度充足，厚度均匀，孔隙率小于 0.1%。
李说：“最困难的部分是开发大型弧形框架的冲压成型工艺。每个框架都由三个部分组成，以便放入冲压机中，然后用紧固件组装成一个整体。但用于这些框架的典型准各向同性层压板在冲压成型过程中容易产生纤维褶皱。过去，我们发现必须在AFP铺层过程中使用纤维导向技术，但在这个项目中，我们通过优化张力克服了这个问题。”
压缩成型回收材料
KAI希望探索利用回收废料和工艺废料制造零件，因此设计了600×450毫米的窗框，并在机身模块上进行演示。制造蒙皮、纵梁、框架和卡扣过程中产生的TC1225 UD废料被收集并粉碎。
将皮料、细条、框架和夹子的废料切碎并筛成约 1 英寸长的薄片，与纯树脂混合并挤出，然后放入匹配的模具中，压缩成型为窗框李说：“我们希望使用1英寸长的纤维以获得更高的机械性能，并尝试在粉碎过程中控制纤维长度，但仍然存在长短不一的纤维。我们使用筛网获得了相对均匀的薄片，并在高温下与LMPAEK纯树脂颗粒混合，以提高成型性。” 挤出的混合物随后被放入匹配的模具中进行压缩成型。
“尽管混合材料在模具内分布相对不均匀，但高树脂含量使得型腔得以完全填充，”宋先生指出。“树脂含量较低的区域会增加表面缺陷，降低纤维的铺展性，从而导致产品内部的纤维体积分数（FVF）存在差异。”尽管如此，KAI 仍然成功模制出了孔隙率低于 0.1%、结晶度达到 100% 且平均纤维体积分数达到 30% 的零件。
机身组件
组装工作首先采用感应焊接将纵梁焊接至机身蒙皮。KAI 使用了一套来自Ambrell（美国纽约州罗切斯特）的 10 千瓦感应加热系统，并将其与公司自主研发的机械臂集成在一起。“我们最初与 NLR 合作，探索了织物有机薄膜和单向带材两种焊接方式，”Lee 指出，“设计和优化用于带材的感应线圈更具挑战性。”
TPC演示样机的组装始于将纵梁（图中蓝色部分）感应焊接至蒙皮（顶部）。感应焊接头（右上）采用多辊焊接，并辅以空气冷却（蓝色管道）。长夹采用电阻焊焊接至蒙皮，而双折叠夹、L形夹和拼接件则采用粘接工艺连接“焊接过程中，我们使用滚轮施加压力，”他继续说道，“但很难将其精确定位在感应加热熔融界面处。我们还使用空气冷却靠近感应线圈的复合材料表面，但该表面容易过热。虽然我们在感应焊接界面实现了快速加热和冷却，但冷却过程阻碍了充分结晶，导致变形。为了解决这个问题，我们在焊接模具中使用了加热棒来减缓冷却速度。”
为了组装框架，KAI采用电阻焊接将长夹连接到蒙皮上，同时使用航空航天环氧树脂胶粘剂将短夹（包括双折夹、L形夹和拼接件）粘合到机身蒙皮和框架上。最后，使用机械紧固件安装窗框。
对于这两种焊接工艺，KAI 都对接头和周围层压板的温度进行了控制，以实现高强度焊缝且不造成材料劣化。这包括解决边缘效应问题并最大限度地减少未焊接区域。“对于纵梁，”Lee 说道，“25.4 毫米宽度中约有 17 毫米采用感应焊接，在单搭接剪切试验中达到了 25 兆帕的强度。超声 C 扫描结果表明，焊接接头的超声波衰减低，完整性良好。”
KAI持续进行研发。“通过改进施加压力的方式和其他方面，”Lee说道，“我们现在无需使用感应焊垫或树脂膜，即可通过感应焊接实现32-35兆帕的焊接强度。”他指出，KAI尚未尝试在部件内部已安装金属网防雷层（LSP）的结构上进行感应焊接。在这个演示案例中，防雷层是在感应焊接之后添加的。“但这是我们正在研究的方向，”Lee说道，“我们还在探索是否可以通过在模制部件的外层涂覆碳纤维布，来实现回收部件的感应焊接组装。”
机翼蒙皮演示器
KAI的第二个主要项目采用液态树脂成型工艺制造机翼蒙皮和扭力盒结构。同样，TRP研究原型被用于识别潜在缺陷并优化工艺参数。对于机翼蒙皮验证样机，1.5米×1.2米的TRP样机被放大至4.1米×1.5米，蒙皮的几何形状和曲率也更加复杂。
KAI 的机翼蒙皮模块演示器采用
干纤维 UD 带的 AFP 铺层工艺制作蒙皮和纵梁坯料，采用热铺成型工艺制作 L 型纵梁预成型件，并通过树脂灌注工艺将组装好的蒙皮-纵梁铺层制成最终的集成结构与“未来之翼”项目中采用的非卷曲织物（NCF）不同，韩国航空航天工业公司（KAI）采用了AFP和干式胶带。“这使我们能够生产出具有竞争力的原型机，与NCF预成型件相比，材料损耗降至最低，”宋先生说道。“在这个演示样机中，我们利用了15.3米单通道飞机主翼的翼型，选择了一个具有代表性的截面来捕捉关键特征，包括全蒙皮纵梁、短于蒙皮的纵梁和检修舱口。”
经过评估和分析，KAI最终选择了Hexcel公司（美国康涅狄格州斯坦福德市）的HiTape UD胶带和HexFlow RTM6-2环氧树脂。采用AFP技术，以0.6米/秒的速度铺层0.25英寸宽的胶带。首先使用AFP坯料，通过热熔成型（HDF）设备将其成型为预成型件，用于制作桁条。“这套系统是由KAI的工装夹具合作伙伴共同开发的，”Lee说道，“它位于烘箱内部，使用可重复使用的硅胶膜，并在达到特定烘箱温度后施加真空压力。”
牙根纵梁在120°C下预成型15分钟，然后与AFP表皮组装在一起。“为了确保纵梁定位准确，我们在根部和尖端都放置了导向模具，”宋解释说。“为了确定较短纵梁的初始位置，我们制作了一个单独的夹具，并将其与根部的导向模具一起使用。”
烤箱内树脂灌注
完成后的蒙皮-加强筋组件随后被真空包装，并准备进行树脂灌注。“为了克服树脂供应不足的问题，”宋指出，“从一开始就确定树脂入口和出口的设计和容量以及整体灌注装置至关重要。另一个关键因素是树脂制动距离——即从零件最大包络线末端到无流动介质处的长度——它控制着树脂的平面内流动速率。其他关键因素包括使用的流动网格层数和模具的表面粗糙度，这两者都会影响树脂的流动。”
浸渍和固化均在烘箱中进行。“这样做是为了确保温度分布均匀，因为树脂的粘度对温度非常敏感，”Lee说道。“树脂输送管线采用耐热材料，并内置铜管以提高耐热性。”第一次保温120分钟，温度为120±5℃，以确保树脂充分浸渍；第二次保温温度为180±5℃，以达到固化。未进行后固化。
该部分取得了成功，使 KAI 能够积累专业知识，将模拟结果与实际树脂流动和工艺时间进行比较，并评估这些结果与 OEM 生产率要求的对比。
采用输液的扭转盒，SQRTM
该项目的下一阶段是制造两个多梁扭力盒验证件，其设计源自大型飞机水平尾翼。两个验证件均包含两层蒙皮和四根梁（扭力盒内的主要载荷加强筋，而非仅加强蒙皮的纵梁），其中一个采用树脂灌注工艺，另一个采用SQRTM工艺。SQRTM工艺以预浸料铺层而非干纤维预成型件为基础，并在匹配模具的RTM工艺中注入预浸料中的树脂。正如2010年CW的一篇文章所述，“树脂的目的并非浸透预浸料，而仅仅是为了在模具内保持稳定的静水压力。”最终得到的部件质量很高，且使用了已通过认证的航空航天材料。
宋先生说：“我们能够比较结果，并评估每种工艺的优缺点。我们还优化了每种工艺的扭力盒形状、成本和交货时间，并获得了有关质量、生产时间和成本的实践经验。”
KAI 的树脂灌注扭力盒演示器的工艺步骤包括对蒙皮-翼梁层压组件进行双层袋装，以及该公司的烤箱内树脂灌注工艺该树脂浸渍扭转箱长5.3米，宽0.9米，采用A&P Technology公司（美国俄亥俄州辛辛那提市）生产的QISO三轴编织织物。“我们首先对编织预成型件及其特性进行了研究，”韩国航空航天工业公司（KAI）SQRTM部门高级研究工程师Seung-su Woo表示。由于单组分RTM 6树脂的危险品运输限制，KAI采用了双组分HexFlow RTM6-2树脂。Hexcel公司声称其化学成分和性能与RTM6-2相同，但Woo指出RTM6-2需要额外的预处理、预热和混合步骤。
材料被切割后手工铺放在模具上。机翼翼梁首先用高密度纤维板（HDF）预成型。然后对蒙皮-翼梁组件进行真空袋成型。“树脂灌注成型的一个缺点是泄漏风险高，”Woo说道。“为了克服这个问题，我们采用了一种叫做双层真空袋成型的技术。我们先用普通的真空袋材料和一层真空袋膜形成第一层真空袋。然后添加透气材料和另一层真空袋膜，形成第二层真空袋。即使第一层真空袋发生泄漏，第二层真空袋也能维持真空压力，从而有效地消除泄漏风险。”
将双层袋装层压板放入烘箱进行树脂灌注。RTM6-2树脂经脱气处理后，在模具温度95-100℃、树脂温度90-95℃的条件下注入干燥的预成型体中。灌注过程持续70-80分钟，固化过程在180±5℃下进行120分钟。
该结构已成功制造，并通过超声波C扫描以及层压板玻璃化转变温度和固化度验证测试，对其质量进行了验证。使用激光跟踪仪对蒙皮以及翼梁的位置、厚度和半径进行了尺寸检查。Lee表示，测试中发现的最主要问题是翼梁半径几何形状，尤其是在真空袋侧，存在不一致的情况。“结论是，需要通过改进模具或修改制造工艺来解决这个问题。”
使用相同合格的树脂传递模塑 (SQRTM) 生产的扭力盒演示器 KAI 的步骤。为了最大限度地降低配套模具的成本，SQRTM扭力盒的尺寸较小，长1.2米，宽0.4米。KAI采用Hexcel HexPly 8552环氧树脂预浸料（含平纹碳纤维）和Radius Engineering（美国犹他州盐湖城）的RTM设备进行树脂注射成型，并配合KAI的Langzauner压机施加固化压力。树脂注射温度为104±°C，固化温度为180±5°C，大约需要5小时。
“我们通过生产TRP原型不断改进工艺，并取得了非常令人满意的结果，”Woo说道。“尽管我们通过树脂灌注工艺获得了高质量的结构，但我们认为SQRTM或RTM工艺更适合这种盒状结构，因为匹配的模具能够带来更精确的几何形状。灌注工艺的单模设计在袋侧部件特征的精度方面存在问题。最终，这项工作进一步提升了我们在OOA工艺方面的内部技术能力和专业知识。”
合格材料，未来生产
韩国航空航天工业公司（KAI）已获得韩国适航当局对TC1225材料、HiTape干纤维单向带以及HexFlow RTM6-2树脂的批准。“这些材料的适用范围可用于国产飞机机身部件的研发，”宋先生表示，“但是，根据结构的不同，可能还需要测试其他性能。特别是对于热塑性复合材料（TPC）而言，这为未来在国产自主飞行器中的应用奠定了基础。”
李先生表示：“然而，我们认为焊接技术仍需进一步研究，才能使热固性复合材料的粘接工艺（共粘接、共固化、二次粘接）达到成熟水平。KAI公司正在持续研究感应焊接、电阻焊接和超声波焊接，同时我们也认为废弃TPC材料的模塑成型是一种环保工艺。尽管纤维长度和分布不均会导致部件物理性能存在差异，但随着技术的进一步发展，我们看到了其在二次结构领域未来应用的巨大潜力。”
宋先生表示：“我们将继续专注于为主要OEM项目开发和生产机身部件。我们的目标是支持下一代单通道飞机每月60-100架的生产速度。这些验证项目发挥了关键作用，帮助我们找到了最具竞争力的工艺流程，用于生产高质量、复杂的复合材料结构，并缩短节拍时间。随着客户对更高产量的需求不断增长，我们将构建必要的基础设施来满足这些需求。”
