形状复杂复材小零件快速成形·杨超凡

该零件的几何形状灵感来自于一个难以制造的生产平台的实际零件—— 一个具有两个深拉段以及深拉段和检修孔周围的垫块的盘组件 (见上图) 。

该零件采用无卷曲织物(NCF- non-crimp fabric) 、树脂转移模塑(RTM- resin infusion/resin transfer molding) 制造。无卷曲织物(NCF- non-crimp fabric) 预成型件被分解为多个子元件：蒙皮、深 拉段以及机加工检修孔和深拉段周围的积层。 所有织物均为 400 克/平方米 ±45°双轴，但 3 层铺放材料为 154 克/平方米的单向(UD-unidirectional) 带。元件采用不同的层叠，以达到设计的面板厚度。

即使使用 12 种不同的无卷曲织物 NCF- non-crimp fabric 预制件元件，与使用预浸料的当前零件的 66 个切割件相比，也实现了2/3 的件数减少。RAPM 估计，这也将该部分(主要包括切割和铺放) 的劳动力减少了90%。

12 个 NCF 裁片比原用预浸料裁片减少 2/3

树脂注入建模

流量分析模型

使用低压 RTM (最大30 巴) 为树脂流动分析创建了包括12 个预制件元件的模型， 以确定灌注、树脂出口定位和流动通道的最佳策略。该模型假设基础预成型帘布层的纤维体积分数为50% ，补强层为 54.8%。

树脂出口最初位于零件底部边缘的中心(见下图)。流动建模表明，在 95%树脂填充时，树脂流动路径朝向右下角，并且很有可能 沿着零件的右下角形成干点 “通过将出口移到树脂想要去的地方，制造干燥点的机会可以大大减少 ”。

原始树脂出口位置(左)导致树脂流动模式(右)，在右下方产生干斑的风险很高。提出的解决方案是将树脂出口重 新定位到预测的干燥点(右)

流动建模由Huntsman (瑞士巴塞尔)使用 PAM RTM 软件(法国巴黎 ESI 集团)进行，该公司是所用 FAF2 双组分环氧树脂的供应商。流动建模显示：应使用弱流道与强流道，以确保均匀的预成型件填充，并降低通道干燥点的风险；树脂分配通道主进料管线应缩短(以减缓树脂流动)；据预测，快速流动会沿着各种预制件元件的边缘发生。

“通道”是预成型件和模具之间的间隙，允许树脂在预成型件顶部流动， 并在灌注过程中影响流动。

‘通道’本质上是预制件和模具边缘之间的间隙”。“零件的流动建模中，通道小意味着防止跑动”这是因为预成型件和模具之间的间隙较小， 树脂可以在预成型件的顶部流动， 一旦间隙注入完成，树脂就会被迫向下进入预成型件。然而，拥有强的通道将意味着较大的间隙，并且对于复杂几何形状而言，会产生过快的树脂流动。

这些结果影响了零件的预制件和工具设计，以确保不会出现干斑。通过这些修改， 流动建模表明，在最大压力为 30 巴、工具温度为 130-150°C 的条件下，模具应在120 秒内以 10-40 克/秒的流速填充。

注意， 最初的树脂注入试验表明，矩形深拉伸段底部有干斑，并且由于其中一个蒙皮预制件叠层的提升，树脂出口附近的纤维变形。为了解决这个问题，将树脂入口和出口位置颠倒。流建模证实了这一点。

Tsotsis 的“改进树脂灌注工具设计和零件质量的过程建模”。

预成型和灌注

用于矩形和 V 形深拉细节的预成型工具(左上、右上)产生预成型元件，然后将其组装到整个零件预成型工具 上(左下)， 并将其热定型到最终零件预成型件中(右下)。

使用由 RAMPF Tooling Solutions (Grafenberg，Germany) 的聚 氨酯 (polyurethane) Raku Tool 制造的低成本工具成型预成型件。这些工具非常容易研磨，提供了极其精细的表面结构和优异的尺寸稳 定性，耐热性高达 110°C ，足以使预成型件热定型。

矩形和V 形深拉段分别通过预热和压入各自的预成型工具预成型为接近净形状。然后使用全零件预成型工具组装这些细节。尽管预成型是在 RAPM 中手工完成的， 但它可以很容易地实现批量生产 的自动化。

机加工聚氨酯预成型工具和铝灌注工具(右下) 的设计—包括热分析(左下) —— 旨在共同实现低成本、灵活的加工。

然后将组装好的预制件装入铝注入工具中。预成型和注入工具的设计能够实现稳健但成本效益高的工艺。注入工具的热性能建模在该工具定型和加工之前完成。结果表明，热点和冷点之间的差异 在公差范围内，顶部工具为 5.6°C，底部工具为 4.3°C。

在 130°C 下注入和初始固化后，所有零件在 180°C 下后固化， 然后机加工成净形状。与基于预浸料的生产零件相比， 这些零件具 有相似或更好的质量。

RAPM 树脂注入过程上的零件试验表明，该方法可用于为四种不同的预成型织物和两种不同的树脂制造高质量零件。

SGL Composites 制造的成品零件与基于预浸料的生产零件相比显示出相似或更好的质量，并被送往波音公司进行全面评估

热固性预浸料零件

RAPM 热固性预浸料零件试验的大部分细节，包括所用弹簧框架和双隔膜成型(DDF- double diaphragm forming ) 工艺的讨论。这一过程如下所示：

RAPM 使用热固性预浸料成型的零件

然而，在RAPM的这一部分有一项成就值得在这里详细说明。上述三个部分都是使用三种不同的环氧预浸料制成的，这些预浸料基于苏威 (Solvay-美国佐治亚州 Alpharetta) 的树脂：

⚫CYCOM 5320-1 非热压罐 (OOA-) 树脂

⚫ CYCOM 970-溶剂与热熔预浸料选项

⚫ XEP-2750-一种新的航空航天系统，现已商业化为 EP-2750，针对冲压成型进行了优化。

EP2750其压缩成型优化的特征之一是其完全浸渍的特性，而 CYCOM 5320-1 是针对仅真空袋非热压罐(OOA) 预浸料处理中所 需的边缘排气而优化的。

CYCOM EP2750，虽然树脂含量仅略高，CYCOM 5320-1 的树脂含量为40%，而 CYCOM 的树脂含量仅为 36%，但在冲压成型的匹配金属工具腔中，在压实和固化过程中更好地保持静水压力，降低了干燥区域、固化零件厚度不一致、褶皱和表面 光洁度差的风险。

然而，苏威(Solvay) 确实开发了一种方法，用 CYCOM 5320-1 实现了相同的结果。它是一种专利的转移成形薄膜薄膜 (Transformer Film) ，在压缩成型之前应用于零件叠层，并增加树脂含量，以在压 力成型期间保持静水压力。用 CYCOM 5320-1 制造的初始 TS-RAPM- 003 弯曲 C 形通道零件显示出褶皱，也带有气孔。一层额外的预浸 料确实减少了皱纹和孔隙率，但并没有消除它们。

热塑性预浸料成型

RAPM 还使用热塑性复合材料进行压缩成型。下图是这种工艺上试验的首批零件之一。它使用一个单步工艺将由 12K 碳纤维增强聚醚酮(PEKK) 12 英寸宽的单向(UD)胶带制成的坯料模制成最终成型零件。

由 UD 胶带模制的加强筋通过一步工艺将加强筋从 UD 胶带坯料成型

开发的工具使用了一个薄的铝囊，在高温下用惰性气体加压，在冲压过程中膨胀以对零件的所有表面施加均匀的压力。这使得可以在使用缺少水平液压系统和控制装置的压力机时，在零件的垂直凸缘上保持水平静水压力，从而仅在垂直方向上起作用。

铝气囊和模具设置

气囊密封垫片

铝囊由 2024 铝的单个坯料研磨而成，并且尺寸比最终零件厚度小 30% ，以容纳未固结坯料中的大部分热塑性单向带。铝囊不需要超塑成型。气囊可用镁制成，需要超塑成型。

就在铝囊下面是一个高温石墨密封垫，它横跨铝囊的整个周边。 该工具设置的作用是使压力机液压系统在该垫片上触底，然后通过 垫片施加力。然后，该力将氩气密封在铝囊内。压力机液压系统没 有对材料层压板本身施加压力——压力是由充气气囊施加的。为了 给气囊加压， 在顶部钢制工具上增加了压力入口。这允许氩气从气缸供应，并对气囊腔加压，同时压力机液压装置密封气囊并保持工具关闭。

顶部和底部钢工具为 410 不锈钢，以及下部工具中的可拆卸插入件，以便于零件拆卸。当冲压循环开始时，上工具连同铝囊一起下降，以缓慢地将大块叠层压入下工具的凹腔中。这就是在室温下铝囊中额外 30%的体积系数是在不受干扰的情况下将整体叠层装配 到工具中的关键所在。当热塑性材料由于其热膨胀系数(CTE- coefficient of thermal expansion)而经历体积变化和收缩时，由气囊施加到热塑性塑料上的压力对于实现适当的固结至关重要。这种收缩被铝囊垂直于零件水平和垂直表面施加的压力所克服。

加强筋的厚度变化和孔隙率

然而，使用该方法生产的零件显示出孔隙率和固化零件厚度的变化。使用仅垂直按压(仅在一个轴上运动)的铝囊很难控制。成形实验成功地证明了薄铝囊可以施加足够的持续压力以巩固聚醚酮 酮(PEKK)热塑性复合材料零件，无损检测(NDI- nondestructive inspection) 结果合格。然而，这种方法需要更多的分析才能成功地应用于这种复杂的几何加强筋，这种加强筋的特点是腹板中心有衬垫，四个侧面都有垂直凸缘。

用于固结的弯曲 C 形通道的热塑性织物预浸料坯的镁囊工具更为成功。该过程使用波音圣路易斯 PtFS 工作站完成。然后， ATC 制 造部门将固结坯料冲压成形为最终零件形状。这两种工艺一起使用 克服了加强筋所面临的限制，并表明对于复杂形状的复合材料零件，冲压成型可以获得复杂的几何形状，而标准的一步压缩成型可能是 不可能的。