飞机用复合材料的低成本制造设备及工艺

先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。

复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。

一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。

本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。

复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。

复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。

复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。

最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。

A380上复合材料用量约30t。

B787复合材料用量达到50%。

而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。

复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。

（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。

最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。

目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。

主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。

（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。

飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。

（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。

料的工程过程，可以使设计人员同时在零件几何、材料、结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡。

设计人员使用FiberSIM 软件能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施；从初步设计、详细设计直到制造车间，最终得到复合材料零件。

研究内容1 铺层分片、对接区偏移量的研究预浸料有一定的幅宽限制，大型复杂复合材料构件通过仿真分析，如果铺层超出了材料的幅宽限制则需要在适当的位置将铺层进行分割，分开的铺层片之间需要进行对接或搭接，偏移量的大小要根据设计要求，通过软件进行设计[3]。

2 复杂曲面下的铺层分析及铺层展开设计研究低成本通用飞机复合材料设计制造一体化技术中航工业通用飞机设计研究院　马瑛剑本文结合演示验证件通过对通用飞机复合材料结构件的数字化设计制造，应用复合材料设计软件FiberSIM 与自动下料系统和激光铺层定位系统等的集成，打通了复合材料构件设计、工艺、制造的数字化生产线。

Composites Design and Manufacturing Integration Technology on Low-CostGeneral Aircraft低成本复合材料设计制造一体化技术已经成为世界通用飞机制造商必须要面对和解决的问题之一。

采用数字化设计制造技术可以提高产品的研制生产效率，保障产品质量，降低产品成本[1]。

该技术克服了原有复合材料制造过程中主要依赖于模线-样板而导致的铺层和层间马瑛剑硕士，现就职于中航工业通用飞机设计研究院通用飞机所结构强度室，复合材料结构主管设计师，主要负责通用飞机复合材料结构设计工作。

的定位不准、材料裕度过大导致的浪费。

高性能连续纤维复合材料为生产轻质高性能的产品提供了巨大的机会，但是高的材料成本、设计和产品制造的复杂性在很大程度上抵消了复合材料的使用效益。

为了降低成本，提高复合材料生产效率，缩短复合材料产品的开发时间，减少材料浪费，降低工具损耗及生产时间，美国VISTAGY 公司在CATIA [2]软件平台上开发了用于复合材料制造和分析的软件FiberSIM。

航空复合材料零件制造工艺及设备应用作者：张海杰来源：《科学与财富》2018年第14期摘要：航空复合材料零件普遍具有尺寸大、精读要求高的特点，利用现代化制造设备进行生产能够有效提高其性能质量，因此航空复合材料零件制造工艺及设备的合理选择，具有非常重要的现实意义。

本文在简要阐述航空复合材料制造工艺现状的基础上，重点分析了目前主流制造工艺的应用要点，以期为相关主体提供有益借鉴。

关键词：航空复合材料；零件制造；工艺特点；设备应用现代化复合材料是以有机高分子材料为根本依托，以高性能连续纤维作为增强材料，采用专业的工艺设备生产而来，无论在结构稳定性还是外形精确度上，都有着明显的优势。

目前，复合材料凭借超强的性能优势，被广泛应用于航空航天零件制造领域，成为新一代航空器的主要材料，并成为了航空结构先进水平的重要衡量标准。

1、航空符合材料制造技术与设备基本概况航空复合材料具有尺寸大、结构复杂、精准度要求高等特点，这也决定了其制造技术与设备的先进性，而传统的制造工艺已经无法满足现实发展要求，尤其是高性能、大差量、强精准的要求，甚至已经对复合材料技术的发展产生了制约。

所以近年来，有关航空复合材料制造技术与设备的研发成为了业内外一大热点，并取得了突破性进展，产生了许多先进的制造技术与设备，具体如下：1.1数字设计与模拟技术数字化设计可以有效确保产品结构研发的科学性，是提高产品制造质量、提高产品研发效率、降低产品研发成本的重要保障。

而数字化模拟能够全面提升工艺制造自动化水平和产品合格率，常见的数字化模拟技术主要有铺层、浸渍、固化成形等。

1.2自动化制造技术目前，以自动铺带、自动铺丝等为代表的自动化制造技术，已经成为复合材料零件制造的主流工艺，凭借其较高的制造效率赢得了业内广泛认可。

自动铺层技术完全实现了复合材料零件制造的高精准性和高效率性，是传统人工铺层效率的十倍之多，全面降低了制造成本。

1.3低成本制造技术目前，在航空零件制造的总成本中，有七成以上是复合材料零件所占据，尤其是随着复合材料研发的深入推进，低成本制造技术开始成为该领域的重要研究方向，其中尤以RTM技术最具代表性，并得到国际的普遍认可，成为了复合材料低成本制造技术发展的一大转型技术。

复合材料在直升机领域的应用及其低成本制造技术【摘要】复合材料由于其特殊的性能，在直升机领域得到了较大规模的应用。

但复合材料的高成本成为限制其扩大应用与发展的主要因素之一，因此研究其低成本制造技术就成为了国内外专家学者关注的重点所在。

本文主要结合复合材料在直升机领域的应用情况来研究探讨复合材料低成本制造技术方法。

【关键词】复合材料；低成本制造技术；直升机；应用引言作为21世纪的主导材料，复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等诸多优异性能，这些都是直升机结构所盼望的理想性能，因而在直升机设计制造中占有重要的地位。

但复合材料的高成本成为限制其扩大应用与发展的主要因素，因而复合材料低成本化就成为复合材料技术发展研究的核心问题。

本文主要在介绍复合材料在直升机制造领域的广泛应用的基础上，对复合材料的低成本制造技术进行介绍。

1 复合材料在直升机结构中应用直升机具有的飞行高度低、速度慢，无气动热问题，载荷相对较小等特点，为直升机结构采用复合材料设计提供了得天独厚的条件。

直升机采用复合材料不仅可减重，且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。

目前相继出现了全复合材料的机体，据报道S-75，MD-900，D292、波音-360，PAN-2，V-22，N11-90和BR-117等直升机均属全复合材料机体。

美国的RAH-66（科曼奇）武装直升机的机身蒙皮、舱门、中央龙骨大梁、整流罩、旋翼等结构均由复合材料制造，其复合材料用量达到了总重的51%，是目前世界上使用复合材料最多的实用直升机。

我国在这方面虽然起步较晚，但仍取得了不俗的成果。

国产Z9型直升机的复合材料用量达到了总重的25%，其旋翼、涵道垂尾、尾桨叶、机身等部件均由复合材料制造。

在直升机产业应用最为广泛的复合材料为碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP），其具有比重小、比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性好等优点。

航空级树脂基复合材料的低成本制造技术发表时间：2018-11-21T11:14:26.433Z 来源：《新材料·新装饰》2018年6月上作者：刘杰[导读] 复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。

本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。

关键词（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060）摘要：复合材料液体成型工艺是一种近年来出现的先进复合材料低成本制造技术。

本文介绍了树脂传递模塑成型RTM和RTM的衍生工艺V ARTM、SCRIMP、RFI等几种复合材料液体成型工艺(LCM)的特点,并分析了几种不同LCM工艺的优缺点及应用领域。

关键词：复合材料；液态成型工艺；RTM；RTM衍生工艺1 树脂传递模塑(RTM)成型工艺树脂传递模塑成型简称RTM(Resin Transfer Molding),是一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。

它的基本原理是先在模腔内预先铺放增强材料预成型体、芯材和预埋件,然后在压力或真空作用下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,经固化、脱模、后加工而成制品的工艺。

RTM在航空航天和军事领域的应用主要体现大型结构部件的整体成型方面,国外RTM成型技术在航空航天领域的应用主要有雷达罩、螺旋桨、隔舱门、直升机的方向舵、整体机舱、飞机的机翼等。

RTM技术是一种非常具有竞争力的复合材料成型技术,可以作为预浸料/热压罐技术的补充或替代技术。

热压罐成型的最大缺点是其体积大,结构复杂,且是压力容器。

因此建设投资费用高。

同时对于较大体积的热压罐。

其升温和加压的速度比较慢。

场内温度控制不均匀。

与预浸料模压工艺相比,RTM工艺无须制备、运输、贮藏冷冻的预浸料,无须繁杂的手工铺层和真空袋压过程,也无须热处理时间,操作简单,技术开发和应用灵活。

飞机用复合材料构件的低成本成型技术随着航空业的快速发展，飞机用复合材料构件的应用越来越广泛。

复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，因此在飞机制造中得到了大量应用。

然而，复合材料的成型成本较高，给飞机制造带来了一定压力。

如何降低复合材料构件的成型成本成为了研究的热点之一。

本文将介绍一些典型的低成本成型技术，以期为飞机制造业的发展做出贡献。

一、纺粘成型技术1. 简介纺粘成型技术是一种利用纺织原理制备复合材料的方法。

通过在纺织机上将纤维和树脂混合，再经过卷绕、成型、固化等工艺，最终制备出复合材料构件。

这种技术成本低，适用于中小尺寸的复合材料构件制备。

2. 优缺点优点：成本低，适用于少量生产。

缺点：生产效率不高，适用于中小尺寸构件。

二、注塑成型技术1. 简介注塑成型技术是一种将熔融的树脂注入模具中，然后在高压下使其固化成型的方法。

这种技术适用于生产大批量的复合材料构件，成本低、效率高。

2. 优缺点优点：适用于大批量生产，成本低、效率高。

缺点：需要大型注塑设备，不适用于小批量生产。

三、预浸料成型技术1. 简介预浸料成型技术是一种将预先浸渍好树脂的纤维布料置于模具中，然后加热固化成型的方法。

这种技术成本适中，适用于中小批量的复合材料构件制备。

2. 优缺点优点：适用于中小批量生产，成本适中。

缺点：对生产工艺要求较高，不适用于大批量生产。

四、压缩成型技术1. 简介压缩成型技术是一种将预先浸渍好树脂的纤维布料置于模具中，然后施加高压使其固化成型的方法。

这种技术比较灵活，适用于小批量的复合材料构件制备。

2. 优缺点优点：适用于小批量生产，灵活性高。

缺点：对模具和设备要求高，不适用于大批量生产。

总结飞机用复合材料构件的低成本成型技术有多种选择，每种技术都有其适用的范围和特点。

对于飞机制造企业来说，要根据实际情况选择合适的成型技术，并不断加强研发，提高生产效率，降低制造成本，推动飞机制造业的快速发展。

飞机用复合材料构件的低成本成型技术是航空制造领域的一个重要课题。

先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。

复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。

一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。

本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。

复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。

复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。

复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。

最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。

A380上复合材料用量约30t。

B787复合材料用量达到50%。

而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。

复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。

（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。

最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。

目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。

主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。

（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。

飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。

（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。

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复合材料低成本制造前言一般而言，先进复合材料主要是指由高性能的碳纤维增强体与高性能的树脂基体用专门的成型技术复合而成的一种高性能的新材料体系。

其主要的优点是轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳，到目前为止，首选的应用仍是航空航天工程的结构材料，与传统的铝合金相比，复合材料制件的减重效果可高达40%，这对于减少飞行器的自重、提高飞行速度和承载能力非常有利，从而大大降低油耗，获得巨大的经济效益。

随着先进复合材料技术日趋成熟，越来越多的复合材料构件取代传统的材料用在商用飞机上，如波音和空客飞机的舱门、地板梁、整流器、控制板及尾翼结构件，包括方向舵、稳定器和升降舵等。

最近，大型商用客机上启动大量采用复合材料的计划。

波音公司已宣布，正在研制的“梦想”飞机（Dreamliner）波音787 上，复合材料的用量将占全机结构总重量的 50%，这将是世界上第一架采用复合材料机翼和机身的大型商用噴气客机，表明复合材料在航空工业上的又一次突破。

由于大量采用复合材料而使飞机的结构重量大幅度降低，燃油效率可提高20%。

另一家大型民用客机制造商“欧洲空客”公司在开发复合材料的应用方面也有突破，例如在超大型客机A380 上将采用 25 % 的复合材料，其中外翼、中央翼盒、垂尾、平尾、地板梁、后承压框等均采用复合材料。

复合材料在其它领域应用的范围不断扩大，在所有工程材料市场中，从常规制品到特殊复杂应用制品，先进复合材料都占有可观的份额。

随着新型的聚合物树脂基体以及高性能的玻纤、碳纤和芳纶增强体的采用，先进复合材料在产量、品种和应用等方面都得到持续的发展，除国防工业和航空工业外，先进复合材料还在一些新的应用领域取得进展，如：具有防爆功能的装甲复合材料，天然气作动力的汽车发动机汽缸，风力发电机旋叶桨，机械驱动轴，高速路高架桥承载梁，桥面，码头建筑，甚至纸制的搓杆或搓管等。

先进复合材料同样在一些特殊的建筑结构上得到广泛的应用，展现出美学和生态学的风格。

轻型飞机复合材料的性能及制造工艺分析摘要随着复合材料技术和生产工艺的快速发展，复合材料在飞机上的应用比例稳步提升，极大地推动了飞机的轻量化设计。

但是复合材料的生产工艺较为复杂，生产成本较高，在一定程度上影响了复合材料的大规模使用。

因此对轻型飞机复合材料的性能和生产流程进行简单地阐述分析，对轻型飞机复合材料的制造工艺展开系统地分析探讨，为复合材料生产工艺的优化更新奠定了良好的基础。

关键词：轻型飞机；复合材料；性能；制造最近几年，复合材料的设计与生产成为热门话题，复合材料为飞机的轻量化、高强度、高性能发展提供了有利条件。

但是复合材料在飞机上的应用不是一帆风顺的，还受到生产成本、制造工艺等诸多因素的影响，如何优化复合材料生产工艺，推动轻型飞机制造技术的进步发展，是一件非常重要的事情。

一、轻型飞机复合材料的性能随着材料工程技术的发展，复合材料应运而生，在生产生活等诸多方面都得到了广泛的普及与应用，飞机的生产制造也不例外。

复合材料不仅可以弥补单一材料的缺陷，而且能够提升轻型飞机的性能。

轻型飞机复合材料的优点如下所示：（一）高比强度和高比刚度比强度和比刚度是判断飞机材料承载能力的重要指标，数值越大，说明材料的重量越轻，相对强度和相对刚度越大。

例如在拉伸强度相同的场景中，复合材料的密度只有钛合金的1/3，因此把复合材料应用到飞机身上，能够大大减轻飞机的重量，延长飞机的续航里程。

（二）抗疲劳性能强飞机在起飞、转弯、降落过程中，会承受不断变化的压力载荷，这对材料的抗疲劳性能提出了很高的要求。

而复合材料就拥有这一特性，甚至有的纤维增强树脂复合材料的抗疲劳性能已经超过了钢铁，这是因为复合材料中的纤维对构件表面的裂纹有良好的桥接作用，能够防止裂纹快速扩散。

轻型飞机和民用飞机的使用寿命约为30年，而复合材料的抗疲劳性能能够轻松达到这一要求。

（三）装配工艺简单复合材料比较适合整体成型，能够减少零部件的数量，降低飞机整体设计的计算工作量，装配工艺也变得更加简单。

低成本复合材料结构飞机的高效率设计与制造——平板式零件摘要：通用飞机种类多、数量大、用途广。

世界各国愈发重视通用飞机的应用。

相比于欧美，我国的通用飞机产业尚处于起步阶段，成本控制作为制约通航产业发展的难题之一，亟待解决，提出一种高效率的设计与制造一体化技术迫在眉睫。

本文将介绍一种平板式零件设计和制造一体化技术，从源头设计即开始控制全生产链成本。

关键词：通用飞机；复合材料；低成本；平板式零件引言近年来我国通用飞机产业呈现井喷式发展的趋势，市场迅速扩张（截止2018年底，我国已有370家在营通用航空公司；预计至2020年，我国通用机场数目将达到500以上，通用航空起将达到5000架以上），国家支持力度不断加大（中国民航2019年通航发展专项资金预算总额为4.41亿元）。

然而机遇与挑战往往是共存的，在市场快速扩张的同时，我国通用飞机设计和制造商也面临一个刻不容缓的难题——如何低成本、高效率地设计和制造复合材料飞机以进一步提高市场竞争力?虽然复合材料与传统的金属材料相比，在比强度、比模量、耐腐蚀性能和耐疲劳性能等上都具有绝对优势，但是复合材料自身材料成本高、模具成本高，此外还需考虑由于设计和制造过程较为复杂，人工成本难免随之提高。

目前行业内已存在一些复合材料通用飞机低成本制造技术，如自动铺贴设备、OOA预浸料固化、自动下料剪裁技术等。

本文将重点分析平板式零件的设计与制造，以实现进一步大幅度降低成本。

1、平板式零件的高效率设计与制造1.1平板式零件的高效率设计设计决策将决定>70%的制造成本。

所以在初步设计阶段就应该定下低成本制造的目标，并梳理出决定低成本制造工艺的关键要求，之后还需进行必要的研发性试验以辅助验证设计。

平板式零件主要设计步骤如下所述：a）根据强度要求确定铺层需求。

对于非关重件，整体可采用通用2C2或2C1夹芯结构铺层设计；对于关重件，可根据载荷分布计算结果按需设置局部加强（层压板）。

【“威”视制造】无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）美国洛马公司的“深海幽灵”舰载弹射起飞型无人察打一体飞机方案想象图（洛马公司图片）《空天防务观察》此前已先后推出12期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。

本期，刘亚威先生将为我们解读“无人机复合材料结构低成本制造技术”。

无人机在复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、“神经元”、“雷神”上都运用了90%的复合材料。

面对如此大的用量以及未来潜在的高使用量，就迫切需要开发高效、低成本的复合材料结构制造技术，来满足项目的经济可承受性要求。

这些需求具体来说，包括：在预浸料成形方面，使用机器人来代替笨重的机床进行铺放，以及采用各种无需热压罐的低成本、高效固化方式；在干纤维成形方面，按照液体成形方式设计大型整体结构件，并改善制造工艺，甚至开发革命性的增材制造方法，实现复杂结构外形；在制造工装方面，降低金属工装成本、提升复合材料工装性能、开发高效自加热工装。

一、机器人铺放自从复合材料自动铺带和自动丝束铺放首次变成可行生产工艺以来，机床供应商通常为大型飞机设计和制造大型且昂贵的机床，不过近年来情况有所转变，机床供应商开始开发较小型且更经济的机床，以应对更广泛的需求。

特别是在自动丝束铺放方面，利用商用机器人作为小尺寸复合材料铺丝设备的平台正在成为机床供应商的基本做法。

Coriolis公司机器人自动铺丝系统预计未来几年各种配置和尺寸的自动铺丝机床将出现，机器人平台将用于更多的复合材料铺丝系统。

机器人平台与复合材料丝束铺放技术相结合被证明是非常成功的，复合材料铺丝设备品种的扩展意味着更小的复合材料车间可根据他们所需的尺寸和价格选用自动铺设备。

最终，复合材料自动铺丝设备将像在金属加工业中的5坐标CNC机床一样，将成为复合材料工业的常态。

对于尺寸外形和采购数量各异的无人机平台来说，这类机器人铺放工艺及装备的开发，将显著降低复合材料机体的制造生产成本。