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無人機服務
設備與工具無人機在復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、“神經(jīng)元”、“雷神”上都運用了90%的復合材料。面對如此大的用量以及未來潛在的高使用量，就迫切需要開發(fā)高效、低成本的復合材料結(jié)構(gòu)制造技術，來滿足項目的經(jīng)濟可承受性要求。這些需求具體來說，包括：在預浸料成形方面，使用機器人來代替笨重的機床進行鋪放，以及采用各種無需熱壓罐的低成本、高效固化方式；在干纖維成形方面，按照液體成形方式設計大型整體結(jié)構(gòu)件，并改善制造工藝，甚至開發(fā)革命性的增材制造方法，實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)外形；在制造工裝方面，降低金屬工裝成本、提升復合材料工裝性能、開發(fā)高效自加熱工裝。
機器人鋪放
自從復合材料自動鋪帶和自動絲束鋪放首次變成可行生產(chǎn)工藝以來，機床供應商通常為大型飛機設計和制造大型且昂貴的機床，不過近年來情況有所轉(zhuǎn)變，機床供應商開始開發(fā)較小型且更經(jīng)濟的機床，以應對更廣泛的需求。特別是在自動絲束鋪放方面，利用商用機器人作為小尺寸復合材料鋪絲設備的平臺正在成為機床供應商的基本做法。
圖1 Coriolis公司機器人自動鋪絲系統(tǒng)
預計未來幾年各種配置和尺寸的自動鋪絲機床將出現(xiàn)，機器人平臺將用于更多的復合材料鋪絲系統(tǒng)。機器人平臺與復合材料絲束鋪放技術相結(jié)合被證明是非常成功的，復合材料鋪絲設備品種的擴展意味著更小的復合材料車間可根據(jù)他們所需的尺寸和價格選用自動鋪設備。最終，復合材料自動鋪絲設備將像在金屬加工業(yè)中的5坐標CNC機床一樣，將成為復合材料工業(yè)的常態(tài)。對于尺寸外形和采購數(shù)量各異的無人機平臺來說，這類機器人鋪放工藝及裝備的開發(fā)，將顯著降低復合材料機體的制造生產(chǎn)成本。
非熱壓罐制造
由于無人機造價相對較低、尺寸相對較小，因此更加重視復合材料構(gòu)件的低成本成形，非熱壓罐制造是無人機制造技術開發(fā)中的重點之一。而且，隨著F-35戰(zhàn)斗機、先進復合材料貨運飛機以及民用飛機上很多復合材料部件非熱壓罐制造技術的驗證工作取得進展，未來的無人機必將大量采用類似的技術來制造復合材料構(gòu)件，降低生產(chǎn)成本。在這個方面，預浸料真空袋固化工藝以及干纖維液體成形工藝一直是研發(fā)的重點，而且還發(fā)展出了一些創(chuàng)新的工藝，比如革命性的復合材料增材制造工藝。
（1）預浸料真空袋固化工藝
航空復合材料零件采用真空袋的非熱壓罐制造并不是新技術，次承力構(gòu)件（襟翼及整流罩等類似結(jié)構(gòu)件）的真空袋、烘爐固化材料體系已經(jīng)建立。但是，利用這種材料體系制造出孔隙率低于1%，并且達到熱壓罐成形的力學性能水平的主承力構(gòu)件則是新技術，如機翼、機身、帶加強筋的尾翼零件。雖然真空輔助的液體成形工藝和最新一代壓模工藝在制造高載荷結(jié)構(gòu)件上逐漸被人們接受，但是采用傳統(tǒng)手工鋪貼以及自動鋪放方法的真空袋壓預浸料法由于具有獨特優(yōu)勢而引起無人機制造商格外的興趣。
上世紀90年代中期，美國空軍研究實驗室（AFRL）和國防預先研究計劃局（DARPA）就開始在復合材料經(jīng)濟可承受計劃（CAI）中關注預浸料真空袋固化。第一代非熱壓罐（OOA）真空袋（VOB）預浸料，典型的如英國先進復合材料集團（ACG）的LTM系列，如LTM45EL，用在了多款無人機上，如DARPA/洛?馬的“暗星”、波音X-45A、諾?格X-47A等。然而，由于在較低溫度和真空壓力下固化，成本較低，但是力學性能不足，而且生產(chǎn)時間較長。
圖2 “暗星”前機體
2005~2006年時，兩種非熱壓罐預浸料體系，ACG的MTM45以及Cytec工程材料公司的CYCOM 5215的力學性能已經(jīng)接近熱壓罐固化預浸料。這兩種非熱壓罐預浸料具有可變的固化時間，在66~79°C時較長，但在121°C時只需2h。此外，在350°C的獨立后固化后，濕玻璃化溫度（Tg）可超過150°C。這兩種材料體系實現(xiàn)了DARPA所要求的小于1%孔隙率要求，但是10~12天粘性壽命和最多21天的開模壽命不符合美國空軍和DARPA要求，因為大型復雜結(jié)構(gòu)件需要最少3~4周鋪貼和袋壓。為此，ACG和Cytec公司分別開發(fā)了XMTM-47和CYCOM 5320-1，目標是比21天更長的粘性和至少30天的開模壽命。
2007年，美國國防部突破性制造技術創(chuàng)新計劃啟動，非熱壓罐制造技術是5個核心領域之一。DARPA、波音公司聯(lián)合AFRL實施啟動非熱壓罐計劃，建立了開發(fā)OOA體系的目標，即提供當時熱壓罐固化質(zhì)量水平的環(huán)氧材料。為此，ACG開發(fā)了MTM45-1、 MTM-44和MTM-46，Cytec開發(fā)了CYCOM X5320。波音公司評估了三種試驗樹脂配方，并選擇了X5320進行商業(yè)化。之后，各種驗證件被制造并進行有限的無損和解剖評估。HITCO碳復合材料公司制造了一個3.65m× 4.57m的帽形帶加強筋蒙皮的主結(jié)構(gòu)驗證件；極光飛行科學公司制造了11.6m長的無人機翼梁，以及為“鬼眼”無人機驗證機制造的三部分組成的機翼，長45.7m；波音制造了“鬼眼”驗證機的尾梁和尾翼縮比件，還草擬了碳預浸料的材料規(guī)范和工藝規(guī)范。
圖3 “鬼眼”無人機驗證機45.7m長的機翼
?。?）液體成形工藝
液體成形工藝的特點是用液體樹脂以不同的方式注入干纖維然后成形，它可以節(jié)省大量的纖維預浸、運輸、保管費用，一般能耗也較低，一般來說也無需使用熱壓罐，是一種低成本工藝。液體成形工藝主要有樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM），以及派生出來的樹脂浸漬（RFI）、真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑（VARTM）、波音擁有的可控大氣壓力樹脂浸漬（CAPRI）、空客擁有的真空輔助工藝（VAP）等若干種工藝。
隨著美國國防部的采辦項目逐漸向多品種小批量轉(zhuǎn)變，要求在有限時間和成本限制下完成制造，諾?格在斯普利特航空系統(tǒng)公司的支持下進行了低成本復合材料飛機的嘗試 。在國防部ManTech計劃的快速機體生產(chǎn)集成驗證（RAPID）項目資助下，諾?格完成了一個復雜膠接中機身結(jié)構(gòu)的裝配。項目持續(xù)18個月，涉及對X-47B無人作戰(zhàn)飛機（UCAV）中機身段重新進行概念設計、制造和裝配，這是復合材料機體結(jié)構(gòu)中最具挑戰(zhàn)性的一個部分。這個膠接結(jié)構(gòu)的復雜性從以下方面體現(xiàn)出來，一個集成的進氣道、非常高載荷的外形和前起落架金屬隔框。
圖4 X-47B中機身結(jié)構(gòu)驗證件
在復合材料經(jīng)濟可承受計劃（CAI）的成果支持下，RAPID項目驗證了低成本地制造和裝配機體的方法。這個創(chuàng)新的“更快、更好、更便宜”的制造方法，結(jié)合非熱壓罐固化復合材料、3D編織預形件、膠接以及其它廣泛使用的技術，使得復合材料機體制造或裝配都只使用了極少的工裝，比常規(guī)復合材料結(jié)構(gòu)節(jié)省很多。一次性工裝成本初步估計減少超過50%，重復性裝配成本減少15%。這還沒有計算取消掉數(shù)千氣流緊固件的費用。這個概念還非?！胺奖愀摹?，使得在設計周期中很晚再進行修改成為可能，不再非常昂貴且對項目造成的破壞降低。如果成功轉(zhuǎn)移到未來的項目中，大型無人機制造中昂貴的裝配夾具、熱壓罐以及傳統(tǒng)復合材料固化工裝的絕大部分可能都會成為歷史。
（3）增材制造工藝
革命性的增材制造工藝注定會在無人機復合材料結(jié)構(gòu)的制造中大放異彩。洛?馬P-175“臭貓”無人機研制中，復合材料零件的增材制造是一個亮點，即讓碳納米管和基體粉末在輸送過程中由激光燒結(jié)成型，而全機僅200個主要的復合材料零件，從項目啟動到首飛，僅用了18個月的時間。橡樹嶺國家實驗室正與洛?馬合作開發(fā)低成本的熔融沉積成形（FDM）機床，實現(xiàn)大型無人機機翼結(jié)構(gòu)（18m-30m）的增材制造。AFRL也在支持無人機保形柵格結(jié)構(gòu)和蜂窩材料的選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）工藝開發(fā)，以及基于增材制造的無人機系統(tǒng)（集成傳感器結(jié)構(gòu)、推進裝置和系統(tǒng)）集成。NASA格倫研究中心、蘭利研究中心和霍尼韋爾等正在進行“以增材制造實現(xiàn)非金屬燃氣渦輪發(fā)動機”的項目，除了采用FDM工藝制造進氣道導流葉片、消聲蜂窩襯墊等樹脂基復合材料構(gòu)件外，2014年工作的一個亮點就是采用噴射粘結(jié)劑工藝制造高壓渦輪噴嘴等碳化硅陶瓷基復合材料構(gòu)件。
圖5 增材制造的復合材料無人機機翼段
低成本制造工裝
復合材料制造工裝在航空制造中往往默默無聞，然而復合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量以及制造成本卻與其密切相關，因此實際上工裝扮演了幕后英雄的角色。理想的復合材料制造工裝特點應該是高精度、高剛度、便于使用，抗高壓、無滲漏，不損壞零件，尤其重要的兩點是工裝材料與零件材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配以及成本低廉。通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、環(huán)氧樹脂基復合材料、雙馬樹脂（BMI）基復合材料和石墨或碳纖維復合材料，其中殷鋼和復合材料本身因其較低的CTE，非常適合航空結(jié)構(gòu)件制造，但其制造成本和固化能耗往往不夠理想。目前在航空復合材料制造領域，針對熱壓罐固化和OOA固化，國外發(fā)展出了多種新工裝材料和新工裝技術，以改進工藝、減少時間、降低能耗、節(jié)約成本，這些技術都可以用于并且部分已經(jīng)用于無人機的制造中。
美國試金石實驗室開發(fā)了一種電加熱工裝（EHT），一種用于OOA工藝的自加熱泡沫（CFOAM） 。CFOAM產(chǎn)自粉末瀝青煤，經(jīng)由壓入敞口模，在高溫下處理并在熱壓罐中加壓，泡沫板粘結(jié)在一起形成近無余量薄坯板料，加工成想要的外形。工裝表面由HexTOOL材料這樣的復合材料成形。EHT工裝擁有不變的橫截面以及工裝表面之下的電阻加熱泡沫加熱元件。石墨電極與元件相連以提供電力，元件本身與工裝剩余部分電絕緣。這樣，電阻加熱就只發(fā)生在工裝表面之下，使其更節(jié)能，而且里面的泡沫基體由于與表面隔熱，也不會被加熱，減少了熱損耗。工裝表面使用的碳纖維比碳泡沫導電性強，如果纖維和泡沫接觸，短路將造成不均勻加熱，通過加熱元件的電絕緣，可以實現(xiàn)工裝表面的一致性加熱。試驗結(jié)果表明，無論對于平滑的還是復雜的工裝外形，該工裝的機械屬性都與標準的熱壓罐固化工裝相當。
圖6 “陰影”200無人機機翼蒙皮制造EHT工裝
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