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新型熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念及其自動(dòng)化制造

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時(shí)間:2015-06-18【

熱塑性復(fù)合材料的自身特性使其成為重量輕、低成本宇航結(jié)構(gòu)件的理想材料,該類復(fù)合材料以韌性高、重復(fù)加工性好和防火性能強(qiáng)而著稱。針對(duì)大型主結(jié)構(gòu)件(如蒙皮加筋整體壁板)正取得了多個(gè)階段性進(jìn)展。新材料、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和航空技術(shù)是主要的創(chuàng)新要素。

熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

熱塑性復(fù)合材料因其自身的特性而在航空航天領(lǐng)域日益受到青睞。其高韌性使得設(shè)計(jì)更輕的結(jié)構(gòu)成為可能;其物理加工只需熔化,無(wú)需固化周期,從而實(shí)現(xiàn)了快速而穩(wěn)定的加工;其卓越的FST(防火、防煙和防毒)特性和可循環(huán)使用性也是一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)??湛妥罱c荷蘭人成立了一個(gè)TAPAS 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。一個(gè)名為T(mén)PRC 的國(guó)際熱塑性復(fù)合材料研究中心也于2009 年在荷蘭成立?,F(xiàn)在,最新型飛機(jī)上越來(lái)越多地采用了熱塑性復(fù)合材料零件和組合件,如很多飛機(jī)項(xiàng)目上采用了多肋設(shè)計(jì)理念和用TEN CATE 公司的玻璃纖維/ 聚苯硫醚制成的A380 焊接固定翼前緣(圖1)。 copyright 123456



熱塑性復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件是一個(gè)過(guò)去即有涉獵的領(lǐng)域。灣流G550和G650 飛機(jī)的壓力艙壁板(圖2)是一系列帶壓力成型加強(qiáng)肋的碳/聚醚酰亞胺??湛虯400M 的駕駛艙地板就是用熱塑性復(fù)合材料制造的。最近,已經(jīng)著手焊接主操縱面。新型灣流G650 公務(wù)機(jī)(JEC2010 創(chuàng)新獎(jiǎng)得主)的方向舵和升降舵就是感應(yīng)焊接的多肋扭力盒結(jié)構(gòu)(圖3)。



感應(yīng)焊接是由KVE 復(fù)合材料集團(tuán)的荷蘭專家開(kāi)發(fā),并由??撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一項(xiàng)技術(shù)。

這種碳/PPS(Ten Cate 先進(jìn)復(fù)合材料公司) 的多肋設(shè)計(jì)比此前的碳/環(huán)氧樹(shù)脂夾層結(jié)構(gòu)重量降低10%、成本降低20%。焊接代替膠接和螺接是降低成本的重要因素。這一點(diǎn)與肋的模壓成型和簡(jiǎn)便的蒙皮和梁的鋪疊和共固結(jié)成型一樣。 本文來(lái)自123

一種整體加筋的熱塑性蒙皮理念的發(fā)展

2003 年,一種碳/ 聚醚醚酮單向帶(Cytec)制成的客機(jī)地板梁得到發(fā)展。這種可高效制造產(chǎn)品很適合航空業(yè),因此,緯線鋪放(pick & place)被選作腹板和緣條的預(yù)成型體成型方法。所有這些元件都在共固結(jié)的過(guò)程中被熔合在一起。在研發(fā)工字梁組合件的過(guò)程中,曾經(jīng)尋求一種可簡(jiǎn)化制造大量加強(qiáng)肋的方法。該方法是“對(duì)接”1 塊平層壓板,將其與普通工字梁共固結(jié)在一起(圖4)。這被證明是一個(gè)有效的解決方案。在制造上比最初設(shè)計(jì)的壓力成型加強(qiáng)肋的方法簡(jiǎn)單得多。對(duì)接強(qiáng)度采用注射成型,增加了坡口圓角半徑,得到了優(yōu)化(圖5)。



對(duì)接體系的開(kāi)發(fā)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了全新的機(jī)會(huì),如正弦波梁(圖6),一般情況下很難用復(fù)合材料制造。另外一個(gè)因?qū)永砟疃Q生的設(shè)計(jì)是蒙皮加筋整體壁板。首先,平面預(yù)成型T 型加強(qiáng)筋,然后將其與蒙皮共固結(jié)。荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室在2008 年成功研發(fā)了這種壁板,并在剪切和壓縮荷載下得到試驗(yàn)驗(yàn)證(圖7)。 內(nèi)容來(lái)自123456



大型熱塑性主結(jié)構(gòu)件

荷蘭的工業(yè)部門(mén)、研究機(jī)構(gòu)與空客公司從2005 年開(kāi)始在熱塑性領(lǐng)域合作,并在2009 年得到進(jìn)一步加強(qiáng)。經(jīng)空客公司提議,荷蘭經(jīng)濟(jì)事務(wù)部發(fā)起建立了一個(gè)荷蘭公司和研究院所的聯(lián)合體。他們與空客聯(lián)手發(fā)起了一個(gè)為期4 年的名為T(mén)APAS 的飛機(jī)熱塑性主結(jié)構(gòu)件的項(xiàng)目。TAPAS 項(xiàng)目的目標(biāo)是為未來(lái)飛機(jī)項(xiàng)目建立一項(xiàng)制造大型主結(jié)構(gòu)件所必須的熱塑性復(fù)合材料技術(shù)。材料、制造工藝、設(shè)計(jì)理念和所用工具必須達(dá)到6 級(jí)技術(shù)成熟度水平(TRL)。作為該項(xiàng)努力組成部分的全尺寸演示產(chǎn)品正在研發(fā)中,關(guān)鍵技術(shù)包括:研發(fā)并認(rèn)證合適的材料、對(duì)接和纖維焊接、壓力成型和纖維鋪放等制造技術(shù)。

TAPAS 項(xiàng)目的參與方為:空客公司、??撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司、Ten Cate 先進(jìn)復(fù)合材料公司、機(jī)載技術(shù)中心、KVE 復(fù)合材料集團(tuán)、DTC、Technobis 纖維技術(shù)公司、德?tīng)柛L乩砉ご髮W(xué)和圖恩特大學(xué)。荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室同時(shí)承擔(dān)相關(guān)課題的研究和項(xiàng)目的驗(yàn)證工作。 本文來(lái)自123

福 克航空結(jié)構(gòu)件公司為航空航天和防務(wù)工業(yè)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)輕質(zhì)航空結(jié)構(gòu)件??蛻舭湛?、波音、洛克希德·馬丁、灣流、達(dá)索、普惠和荷蘭航天公司。熱塑性復(fù) 合材料因其成本效率和環(huán)境優(yōu)勢(shì)而成為福克公司的關(guān)鍵技術(shù)。該公司與客戶、研究機(jī)構(gòu)和供應(yīng)商的共同參與和合作為該類材料的持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

纖維超聲鋪放

纖維鋪放是指大面積、雙曲面產(chǎn)品所選擇的鋪疊技術(shù)。目前可用的纖維鋪放設(shè)備采用了熱氣和激光燈等各種加熱系統(tǒng)。2008 年,??撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司開(kāi)始尋求適合于纖維鋪放的設(shè)備。在需要大量投資的背景下,超聲波的出現(xiàn)成為相對(duì)低成本的加熱源的理想選擇。

??撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司擁有豐富的超聲點(diǎn)焊經(jīng)驗(yàn),如將注塑成型的零件焊接到熱塑性板件上。而且,A380 飛機(jī)的固定機(jī)翼前緣蒙皮就是超聲點(diǎn)焊的(圖8)。超聲波焊接是一種很好的低成本焊接工藝。 123456

雖然過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)證明,連續(xù)超聲焊接板與板是困難的,但將一條薄的碳/ 單向帶超聲焊接到單向帶疊層上似乎是可行的。最后,超聲焊接單元被集成到安裝在機(jī)械手上的纖維鋪放頭上(圖9)。最初的嘗試是手工焊接1 條10mm 寬的碳/ 聚醚醚酮單向帶取得了成功,下一步是要在1 條線性軌道上焊接。2009 年年中,荷蘭航空專家鮑肯研制了1 個(gè)10mm 條寬的2m×1m×1m 三維纖維鋪放設(shè)備單元。單向帶熔化時(shí)略超過(guò)其寬度,足以附著在帶子上。隨著超聲纖維鋪放的發(fā)展,面臨的挑戰(zhàn)是如何成功地高速讓1 條帶子附著在位于其下的厚層板上,不因放慢過(guò)程而破壞效率。借助于纖維鋪放設(shè)備單元,一種新型的固定翼前緣的理念開(kāi)始建立起來(lái)。



這個(gè)始于福克內(nèi)部產(chǎn)品改進(jìn)實(shí)踐的產(chǎn)品研發(fā)技術(shù),現(xiàn)在成為一個(gè)名為COALESCE(低成本高效率先進(jìn)前緣結(jié)構(gòu))的歐洲框架項(xiàng)目的一部分。新型前緣是一個(gè)多肋薄蒙皮設(shè)計(jì)。肋為平板預(yù)制件(圖10),在產(chǎn)品熔化(共固結(jié))過(guò)程中對(duì)接到蒙皮上。蒙皮在一副陽(yáng)模上用纖維鋪放而成。2 部分同時(shí)制造,接合處由1塊真空袋網(wǎng)膜板覆蓋,然后共固結(jié)。 123456

7m 扭力盒驗(yàn)證件

雙曲面、7m 長(zhǎng)的扭力盒是作為T(mén)APAS 項(xiàng)目的一部分開(kāi)發(fā)的,將于2011 年制造并驗(yàn)證完畢。該產(chǎn)品是對(duì)灣流G650 平尾中段重新設(shè)計(jì)的產(chǎn)物(圖11),其蒙皮的特點(diǎn)是整體對(duì)接T 形加強(qiáng)筋。研究還在繼續(xù),以便確定熱壓罐外成型是否可行。纖維鋪放因其在鋪疊過(guò)程中對(duì)材料的浪費(fèi)最少而成為首選的鋪疊技術(shù)。蒙皮鋪疊將采用專業(yè)化的纖維鋪放設(shè)備單元。該設(shè)備單元將安裝GTech的Vericut 復(fù)合材料程序模塊,以便將CATIA 設(shè)計(jì)與機(jī)械手軟件鏈接起來(lái)。該設(shè)備單元只需少量投資即可開(kāi)發(fā),滿足成批量生產(chǎn)12m 全尺寸蒙皮壁板的需求(圖12)。






該設(shè)備典型地符合了當(dāng)代以零件為核心的航空制造趨勢(shì)。該設(shè)備為相關(guān)尺寸和外形、鋪疊和速率的產(chǎn)品量身定做,在材料儲(chǔ)備方面所需投資最少。

copyright 123456



TAPAS 項(xiàng)目研究的其他技術(shù)包括創(chuàng)新肋和加強(qiáng)筋的壓力成型系統(tǒng)(由DTC 公司的荷蘭專家開(kāi)發(fā))、加強(qiáng)筋的焊接(由KVE 復(fù)合材料集團(tuán)開(kāi)發(fā))。計(jì)算機(jī)分析取樣的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)(由Technobis 纖維技術(shù)公司開(kāi)發(fā))也在研究之列,并將在扭力盒驗(yàn)證件上得到驗(yàn)證。與此同時(shí),空客公司還將這些技術(shù)集成到一個(gè)機(jī)身結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件上。圖恩特和德?tīng)柛L乩砉ご髮W(xué)正在開(kāi)展建模技術(shù)和設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域的長(zhǎng)期研究。

應(yīng)用與潛在發(fā)展

迄 今為止,已經(jīng)為(熱塑性復(fù)合材料的)應(yīng)用建立起了一個(gè)合理的商業(yè)模式。該模式將重量輕和低成本有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。熱塑性大型主結(jié)構(gòu)件的商業(yè)模式也需要驗(yàn)證。 與其他技術(shù),如現(xiàn)代合金和最先進(jìn)的熱固性材料的解決方案在成本和重量上的比較工作目前也在進(jìn)行中。由于韌性好,熱塑性材料比熱固性復(fù)合材料能減重是肯定 的;其良好的防火、防煙、防毒性能也為其加分;通過(guò)采用對(duì)接和負(fù)擔(dān)得起的材料等簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)理念和高速加工等,可以持續(xù)降低成本。因此,熱塑性復(fù)合材料具有巨 大的發(fā)展?jié)摿?。例如,如果熱塑性?fù)合材料因其高韌性、低加工成本和良好的防火性能而被選作未來(lái)客機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)材料,其用量將是巨大的。 本文來(lái)自123



作者:Arnt Offringa
單位:??撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司 
 

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材質(zhì)成分:碳纖維
適用型號(hào):汽車(chē)方向盤(pán)
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碳纖維眼鏡腳絲,碳纖維眼鏡腿,碳纖維眼鏡架
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材質(zhì)成分:碳纖維
適用型號(hào):
產(chǎn)品特性:…
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材質(zhì)成分:碳纖維
適用型號(hào):
產(chǎn)品特性:…
2支裝碳纖維雪茄盒/碳纖維雪茄套/碳纖維雪茄管
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材質(zhì)成分:碳纖維
適用型號(hào):兩支雪茄裝
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供應(yīng)碳纖維鞋底,碳纖維運(yùn)動(dòng)鞋登山鞋鞋底, 鞋
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材質(zhì)成分:碳纖維
適用型號(hào):
產(chǎn)品特性:碳纖維的鞋底能夠給到腳部好的保護(hù)。碳纖維鞋底非常輕盈,能提供很好的穩(wěn)定性,可以根據(jù)客戶需要做成不同的硬度和厚度?!?/dd>

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