无人机复合材料构件低成本快速模具制造

120研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2018.11 (上)1 先进复合材料在无人机上的应用优势1.1 重量轻不可否认，无论是在强度还是刚度等性能上，复合材料都比普通材料具有更大的优势，且复合材料的可塑性相对较强，目前已经在航空领域得到了非常重要的应用，例如在我国的民用飞机B-787中，其复合材料含量已经高达50%。

其中，复合材料的重量轻是其得到广泛应用的重要优势之一。

重量会在很大程度上限制飞机的整体性能。

无人机的设计中虽然没有关于“人”的相关设备与装置，然而其增加了通信与控制中心的重量。

与此同时，目前无人机的侦察方式已经由战术型向战略型转变，从而能够有效替代有人机，实现对区域的实时监控。

减小无人机重量是提升无人机使用寿命、续航时间的重要措施。

相较于有人机，设计人员无需顾虑人类的生理需求，只需最大程度提升飞机的航行时间即可，与铝合金相比，先进复合材料的强度竟高于其十倍，因此，高强度又轻巧的复合材料是满足无人机性能设计的最佳选择。

1.2 提升机体隐身能力复合材料的应用能够在很大程度上提升机体的隐身能力。

首先，由于聚合物不具有导电性，因此，其能够避免探测波散射场的形成；其次，复合材料的应用对于结构与功能有效结合来说起着非常重要的作用，例如通过对结构型隐身材料的应用，能够大大降低机体对雷达探测波的反射；最后，复合材料的应用可以实现机体的整体性，从而通过光滑、一体化的结构设计达到隐身的目的，避免接缝、钉子等不光滑设计导致对探测波的散射。

总而言之，这些设计有效提升了无人机的隐蔽性。

1.3 使用寿命长相较于有人机，无人机的存储时间应该更长，因此，这要求制造材料需要具有较强的防腐蚀性、刚度以及强度等。

与一般材料相比，复合材料的性能则更加优异，例如环氧基体，这是在无人机中应用最为广泛的材料之一，其具有非常强大的抗酸性、耐碱性以及抗溶性等，且强度与刚度等性能也远高于普通金属材料，例如碳纤维复合材料的密度仅为钢的五分之一，但强度却是其五倍，是铝的四倍。

复合材料模具来了，你还在用金属模具吗？先进复合材料以其比强度和比模量高、热膨胀系数小、可设计性好、易于整体成型等一系列突出的优点在航空航天结构上得到了广泛应用, 现已成为航空航天四大结构材料之一。

复合材料在航空航天部门的广泛应用极大地促进了航空航天技术的发展，反过来，也促进了复合材料成型模具技术的进步。

模具是制造复合材料构件的基础，直接影响其最终状态和质量。

复合材料构件的外形、尺寸及与其他构件的配合精度等要靠模具保证，这些都决定了模具在复合材料构件制造过程中起着举足轻重的作用。

1复合材料模具传统复合材料成型模具由金属材料制作，主要原因是金属具有高强度、高刚度、尺寸稳定性好、加工性好，适用于大批量生产等优点。

随着复合材料构件外形准确性和尺寸精度的不断提高，原有金属模具材料的性能已经不能很好地满足高精度成型模具的需要。

在这种背景下，复合材料模具（本文指碳纤维复合材料模具）应运而生，并且得到了迅速发展。

目前，在欧美发达国家的航空航天部门，复合材料模具的应用已经相当普遍。

在国内，除了中航工业哈飞采用复合材料模具比较早、使用比较多之外，其他企业以及航天部门用得还比较少。

但是，随着高性能复合材料航空航天结构件的大量应用，各有关研究院所和企业积极研究和试验使用复合材料模具，因此复合材料模具也很快会成为国内复合材料构件的主要成型模具。

2复合材料模具的主要优点热膨胀性能匹配复合材料模具最大优点是热膨胀系数小，且与复合材料的热膨胀系数比较相匹配，从而可以获得外形准确性和尺寸精度符合设计要求的构件。

为了更深入地认识模具材料的热膨胀性能对复合材料构件质量的影响，首先分析在复合材料构件固化成型过程中，模具与构件之间相互关系发生变化的过程：开始加热时，随着温度的升高，模具受热膨胀，其尺寸跟着增大，这时的构件坯料还是软的，所以它也跟着模具一起增大；继续升温，在树脂体系的凝胶温度下，受热膨胀的模具与构件坯料具有相同的尺寸，这时的树脂体系只有部分固化，性能还比较低；当加热到最后的固化温度时，模具和半固化的构件坯料以各自的热膨胀率膨胀，如果它们的热膨胀率不同，构件中将产生内应力；在保温阶段，构件在已经膨胀到最大尺寸的模具中得到进一步固化；保温结束后，从固化温度开始冷却至室温的过程中，模具和构件都以各自的收缩率收缩。

复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术摘要：复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术，在当代航空复合材料发展阶段具备重要意义,在该项技术帮助下，复合材料构件成型质量会大幅提升，帮助企业控制制造成本，让主体制造周期变得更短，促使我国航空制造技术朝着现代化方向发展。

另外，复合材料具备比强度高、耐高温等特点，与航空航天技术发展需求一致。

本文以实际工作开展情况为基础，对复合材料构件模具数字化设计与制造内容进行总结。

关键词：复合材料；模具：数字化在数字化设计与制造发展过程中，能够为模具加工精度以及配合协调提供有利条件。

复合材料成型模具数字化设计制造阶段，技术人员需要将模具外部形状、内部材料等信息整合到一起，根据模具数字化设计、数字化仿真分析等内容，执行模具设计和制造任务，此时，复合材料成型之后，便不需要进行过多加工便能满足具体设计需求。

因此，企业和技术人员应提升复合材料构件模具数字化设计与制造技术重视程度，助力企业获得更多发展机会。

1.复合材料成型模具概述相比于金属材料制造过程，复合材料制作的灵活性优势更加明显。

例如，树脂基复合材料在成型制作时，涉及到的方式在30种以上。

其中，最为常见的方式包括手工成型、缠绕成型以及真空袋成型等等。

由于成型方式不同，对于模具结构形式以及模具材料要求也不一致，具备代表性的模具结构有缠绕成型模具、金属框架式模具以及RMT成型模具等。

缠绕成型阶段，需要利用合适的芯模强化复合材料构件成型质量。

为了让芯模设计更加合理，保证纤维损伤降低到最低状态，设计人员应尽可能控制好构件尺寸，将其内部残余应力尽可能消除。

当艺模处于重复使用状态时，还需要确保证制件得到固话后，让构件和芯模处于完整状态，只有这样，才能保证芯模以及制件保持相互分离。

另外，在金属框架式模具应用时，可完成复合材料热压罐成型任务，该过程对于模具型板尺寸精度以及表面质量等要求较高，同时还要将其传热优势展示出来。

另外，RTM成型工艺在应用时，应保证上下模具配合精度较高，确定好注射口以及排气孔等位置所在，该过程对于模具密封性以及复合材料构件脱模装置要求很高[1]。

无人机机翼成型方法主要包括复合材料成型和手工制作两种方式。

复合材料成型是一种高效、高强度的制作方法，主要用于工业级或专业级无人机。

这种方法主要采用预浸料成型法和自动复合成型法等工艺，可以大幅提高机翼的质量和强度，同时实现轻量化。

在复合材料成型过程中，会将预浸了树脂的纤维制成所需的形状，经过固化和加工后制成物件。

这种方法的优点是高质量、高强度、高刚度等，被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。

手工制作方法则相对简单，主要适用于小型无人机或者模型飞机。

这种方法可以通过切割泡沫块材形成内衬模型，然后根据内衬模型制作上模具和下模具，使用薄膜隔离后进行预合模、裁剪、铺设机翼蒙皮材料、合模、固化等步骤，最后取出机翼产品。

以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅无人机书籍或咨询无人机专业人士。

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）。