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易倍体育emc杨超凡的材料世界【5】:用于下一代航空复合材料的编
发布时间:2024-05-26 08:18:54 来源:emc全站官网 作者:emc全站网页版

  Spintech在机翼和进气道演示器上使用其智能工具、干纤维预制件和RTM/VARTM技术,显示出显著的成本和劳动力节约。

  预浸料和热压罐固化多年来一直是航空航天和国防复合材料部件的最新技术。Spintech Holdings股份有限公司(Xenia,Ohio,U.S.)及其制造部门霍索恩复合材料(Hawthorn Composites,Xenia)正在努力证明,通过使用现有技术(如树脂注入和编织干纤维预制件),可以以新的方式制造更具成本效益、劳动密集度更低的航空复合材料零件。

  Spintech最初由基石研究集团(美国俄亥俄州米亚姆斯堡)分拆而来,专注于开发其创新的智能工具形状记忆聚合物(SMP- shape memory polymer)工具技术,该技术由可重复使用长达100个生产周期的可改造内胆、内胆或芯轴组成。在该公司于2010年成立后的头几年,Spintech主要由Spirit AeroSystems(美国堪萨斯州威奇托市)提供资金,这使该公司能够扩大其技术规模,生产具有共固化框、桁条和蒙皮的单通道商用飞机机身。

  2015年,Spintech扩展到更广泛的航空航天市场,并于2016年调整了智能工具技术的制造流程。克雷格·詹宁斯说:“我们从需要专用金属模具组来制造智能工具的RTM(树脂转移成型)工艺,到能够使用VARTM(真空辅助树脂转移模塑)制造它们,并在循环之间使用相同的模具组来改造智能工具。”,Spintech Holdings股份有限公司总裁兼首席执行官:“这减少了部署智能工具约40%的资本成本,因此从成本承受能力的角度来看,这确实为我们打开了一个更广阔的市场。从那以后,我们一直在增长。”

  除了Smart Tooling,Spintech还涉足最终用途部件的制造,最近成立的制造部门Hawthorn Composites以及与a&P Technology(美国俄亥俄州辛辛那提市)在编织产品供应方面的合作巩固了这一举措,以及代顿大学研究所(UDRI,Dayton,Ohio,U.S.),负责开发和供应使用定制纤维放置或技术刺绣(embroidery)工艺制造的纤维预制件。

  “树脂灌注并不是什么新鲜事,但这是航空航天行业目前正在以一种新的方式采用的技术,因为他们能够在具有相同甚至更好性能的复合材料零件上实现大幅降价。”

  在过去的几年里,Spintech已经证明,RTM和VARTM工艺,再加上智能工具和使用自动化技术制造的干纤维预制件,可以用于航空航天、国防和其他市场中更具成本竞争力的最终用途部件。

  詹宁斯说:“使用干碳纤维预涂或定制纤维预成型件和树脂灌注,我们可以显著降低材料成本和劳动力需求,并能够在相同重量下提供相同的质量,在某些情况下甚至比预浸料、热压罐固化件更低。我们认为这正是未来十年市场的发展方向。”说。“我们正在倾听客户的意见,我们将这个部门定位为利用市场和客户的发展方向。”

  到目前为止,Spintech已经证明了RTM和VARTM在各种部件上的成本效益,包括最近的机翼和进气道。

  多年来,Spintech一直为小型飞机和无人机(UAV- unmanned aerial vehicles)的预浸料、热压罐固化机翼和控制表面提供智能工具解决方案。考虑到预浸料和热压罐固化的高成本,该公司认识到这是一种可以获得RTM与智能工具和编织预成型件相结合的优势的应用。为了证明这一技术和工艺,Spintech最近根据全尺寸客户项目的设计,制造了一款小型战术无人机机翼演示机。该演示器也将是大型飞机控制面的适当规模和复杂性。

  为了制作机翼,首先,在RTM工具的下半部铺设两层A&P的QISO准各向同性编织三轴织物,以形成下翼蒙皮。三个智能工具包裹在A&P Technology提供的干碳纤维编织套管中,并固定在QISO织物层顶部,使其正确对齐。为了形成机翼的后缘,提供了一个A&P的网状面条预制棒是一根横截面为三角形的编织线,放置在工具中。“在网状面条的几何形状上,下表皮和上表皮结合在一起,这大大简化并减少了层压的接触时间,因为我们不必自己擀面条或在里面放一堆单独的碳丝束(以形成后缘形状),”Tom Margraf说,Spintech Holdings股份有限公司总裁:“我们有一个连续的产品,我们只需将其切割成一定长度并放入。”工具下半部分的QISO织物切割足够长,多余部分折叠在面条区域上,然后将两层顶部表层覆盖在对齐的智能工具和后缘上,完成铺放。然后将上半模封闭在下半模上并密封并用螺栓固定在一起。接下来连接的是中间密封板,其中包含孔,因此空腔贯穿三个智能工具。真空袋通过Smart Tool空腔插入并密封到中间密封板上。然后添加压力板以密封模具。

  (注:QISO是一种用于平衡层压板复合材料的单层准各向同性碳织物。QISO的技术具有0°、+/-60°的三轴编织纤维结构和可悬垂的一致纤维取向,大大提高了损伤容限并改善了能量吸收。)

  Margraf说,一旦RTM工具关闭并密封,就会抽真空,这“为我们提供了一个密封的空腔,现在可以容纳干纤维预制棒。通过创造这种密封环境,我们还可以在智能工具的内部施加正压力。这是市场上其他解决方案无法做到的一件非常独特的事情。”

  对于机翼演示器,智能工具内部施加75磅/平方英寸的压力。在RTM工艺过程中,智能工具处于热弹性状态,内部空腔压力形成半刚性壁,以注入树脂。Margraf说:“只要我们保持20 psi的压差,使智能工具的内部始终比RTM压力高20 psi,我们就可以保证智能工具处于正确的位置,并且我们在层压板上得到了良好的压实。”

  他补充道:“智能工具的设计是为了缩小复合材料层压板体积系数的尺寸,因此它们比实际的最终内模线零件定义略小。我们这样做实际上是为了降低RTM的受力要求。”

  浸泡过程在烘箱内进行,浸泡容器内的树脂温度升高至125°F,零件温度加热至176°F。注入后,温度上升至250°F以进行部分固化(据说智能工具与高达375°F的固化温度兼容),一旦干纤维预成型件完全润湿,工具内的树脂入口就会关闭,从而使75 psi的内腔压力能够完全压实层压板并排出多余的树脂。

  Margraf说:“我们可以用类似热压罐的纤维体积来制造低压RTM工艺。”。“因为层压板最初没有被揭穿,树脂会比使用匹配金属模具的传统RTM工艺更容易流动和渗透到干燥的纤维预制件中。”在Spintech团队内部,称之为“反向高压釜效应。”

  系统成本的节省来自于使用烤箱而不是热压罐,以及使用低压RTM系统。Margraf说:“RTM系统不需要达到200或400 psi;我们的大多数零件都是在50 psi或更低的正压下注入的。我们使用的资金成本明显更低,不仅不使用热压罐,还使用了低压RTM系统。”。

  詹宁斯补充道:“我们发现,仅材料节约就可能是购买预浸料来制造相同零件的三分之一左右,而且还节省了大量劳动力。”。“总的来说,这样的节省很容易在零件总成本的20-50%范围内。”

  该技术也可用于其他通用航空部件。2020年末和2021年初,Spintech使用RTM展示了一种低成本的多腔通用航空储罐制造方法。根据Margraf的说法,用预浸料制造储罐的成本约为每个储罐30000美元。使用智能工具和编织预制件转换为RTM将成本降低到每个储罐约10000美元。他说:“与预浸料方法相比,我们使用这种方法的成本大约是预浸料的三分之一,它是一个结构等效的部件,实际上比预浸料部件轻15%左右,因为我们能够使用连续编织物,而不是层压并连接在一起的不连续预浸料层。”。这种方法还将生产时间从大约一周减少到不到一天。

  Spintech还展示了VARTM用于内部成型线最重要的部件,从战术无人机进气道开始,该进气道与机翼演示器一样,基于该公司已经在制造的预浸料/热压罐设计。据Margraf介绍,霍索恩公司首先为其客户制造了五个进气管零件,使用碳纤维预浸料铺在智能工具上,并在热压罐中固化。然而,Spintech知道,改用树脂注入的编织预成型件将节省劳动力和材料成本,他说:“然后,我们自费使用VARTM研究并实际制造了结构等效的编织部件,然后分析了从预浸料到编织输液的转换所带来的成本节约。”

  Margraf解释说,导管的预制件是在a&P Technology辛辛那提工厂的编织机上按照适当的几何形状预制的。一旦交付到霍索恩,预成型件就被手动应用到心轴上。“这是手工叠层,但它仍然可以节省大量时间,因为我们在一个预成型套筒中应用了一层完整的编织层,覆盖了整个润湿区域。我们在大约五分钟内完成一层编织层的铺设和定位,而使用预浸料层压层的等效工作需要两个多小时,因为你可能有几十块单独的预浸料以获得与一个12k编织层相同的结构等效性,”他说。

  客户考虑使用多片式铝芯轴与智能工装解决方案,但仅工装的资本节省就减少了46%,从75000美元减少到40000美元。通过从预浸料坯到干纤维编织物和浸渍的转换,生产零件的接触时间也减少了67%。Margraf说,总体而。


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