韩国航天工业(KAI)于2019年至2023年间完成了多架大型热塑性复合材料(TPC)和液态树脂模塑、非热压罐(OOA)示范机，并持续研发，以提升其作为全球一级供应商的专业能力，推动下一代单通道和eVTOL复合材料机体的高速生产。

    韩国航空工业(KAI)是韩国最大且最全面的航空航天制造商。KAI总部位于泗川，成立于1999年，由三星航空航天、大宇重工航空部门和现代航天飞机公司合并而成。KAI设计、开发和制造军用及商用飞机，提供飞机维护和升级服务，并为空中客车、波音、巴西航空工业、贝尔直升机、以色列航天工业、Aernnova和柯林斯航天等公司提供零部件。它还设计和制造无人机、卫星和航天运载火箭组件。

    KAI(韩国航空宇宙公司)已稳步提升其专业能力，通过与洛克希德·马丁公司联合开发的T-50超音速战斗机，将技术扩展至大型复合材料主承力结构，包括尾翼、控制面以及结构重量占比超过30%的KUHSurion直升机，涵盖复合材料尾梁和旋翼叶片。韩国KF-21“猎鹰”战斗机项目标志着KAI实现了从复合材料独立设计与分析能力的转型，涉及机翼、尾翼及机身面板等关键部件。

    作为全球空客和波音供应链的一部分，KAI开发了机翼和机身组件的自动铺丝(AFP)和先进热压罐固化技术。公司还投资了树脂转移成型(RTM)，并开始研究其他非热压罐(OOA)工艺以及热塑性复合材料(TPC)。公司继续在其业务中推进复合材料的应用，并配备先进的制造和研发设施。

    一个关键例子是KAI2019-2023年开发的3米高、2米宽的TPC机身段，包括AFP蒙皮、连续压缩成型(CCM)长桁、冲压成型连接角片和回收材料的压缩成型窗框，以及采用感应焊和电阻焊组装。公司刚刚公布了一个长1.5米的感应焊接TPC机翼控制面。

    在2019-2023年的另一个项目中，KAI探索了OOA结构，包括4.1×1.5米的弯曲机翼蒙皮段，配有树脂注入制成的集成长桁，以及使用注入和相同合格RTM(SQRTM)的扭力箱演示机。

    类似于空客主导的多合作伙伴项目，如MFFD和明日之翼，KAI完成了这些开发，旨在探索相较于传统复合材料的潜在竞争优势和技术成熟度。“我们得到了韩国政府的支持，进一步提升了作为下一代单通道飞机和eVTOL机体结构高产量一级供应商的理解、专业知识和地位，”KAI材料与工艺团队负责人宋敏焕(MinHwanSong)博士说。

    KAI的TPC机身面板演示件从下面的工艺步骤开始制造蒙皮

    TPC机身演示件

    宋称：“我们通过这架演示件，旨在为未来飞机可能采用TPC结构做准备，并拓宽OEM厂商的选择范围。”为此，KAI与韩国制造商、研究机构和大学合作，同时也得到了荷兰皇家航空航天中心(NLR，Marknesse)的协助，并借助了东丽先进复合材料(荷兰尼弗达尔TAC)的专业知识，采用了来自英国克利夫利斯的Victrex的LMPAEK聚合物制成的TC1225碳纤维预售产品。

    “我们选择这种材料是因为它在生产初级结构时的加工温度相对低于PEEK和PEKK，”KAI公司TPC高级研究工程师李海东(HaedongLee)说。“由于TPC的特性，较高的加工温度使得建立工艺窗口变得更加困难。它们还增加了加工时间，并因辅助材料劣化和模具热膨胀而难以稳定质量。”

    该项目首先开发了一个宽1.3米、高1.0米的技术准备部件(TRP-technicalreadinesspart)，配备两条长桁、三个框和两个窗框，用于识别潜在问题并在最终演示机生产前确定工艺参数。尺寸根据可用设备和预算选定。

    AFP蒙皮+固结

    AFP的机身蒙皮铺设和机身壁板的固结工作在NLR使用Coriolis(法国魁旺)自动铺丝机和0.25英寸宽的单向(UD)胶带完成。宋说：“我们评估了热压罐、烤箱和原位固结，”后者因其铺设速度缓慢且内部孔隙度高，需要加热模具以缓解热应力，最终淘汰了后者。为了生产更具行业挑战性和成本竞争力的零件，我们选择了烤箱固结技术，并达到了与热压罐固结样品相当或相当的孔隙度水平。”

    “由于热塑性树脂的高粘度，在VBO(仅真空袋)工艺中，仅用1巴压力控制3×2米的大型蒙皮在烤箱中压实时产生的内部空隙，是最具挑战性的部分，”李指出。“随着蒙皮厚度和尺寸的增加，空洞风险也随之增加。”为解决此问题，KAI优化了袋装材料的布置方式—具体而言，在蒙皮的内模线(IML)和外模线(OML)上应用剥离布，并在自动铺丝(AFP)过程中对铺层边缘进行分步处理，以改善固结过程中挥发物的边缘排出效果。

    KAI还采用了两步固结，完成时间为<7小时。宋说：“首次停留在285°C下使预制品/模具达到热平衡。”“这导致预制体整体均匀熔化，减少了最终停留在355°C前的滞留空气。TAC推荐了这一固结循环,封袋材料包括来自AirtechInternational(美国加利福尼亚州亨廷顿海滩)的产品:A8003G粘性胶带、ReleaseEase234TFP剥离胶合板、UHTAirweave风格US7781玻璃纤维呼吸器以及50微米厚的热亚米亚胺袋装膜。还使用了铝片包裹，以及来自UBE公司的Upilex耐热聚酰胺释放膜（日本东京）。

    TPC蒙皮的铺层与固化模具由四块焊接在一起的科瓦尔(Kovar)合金构成(左图)，而金属框架则用于将完成的蒙皮垂直定位，以便使用结构化蓝光扫描仪进行检测(右图)。

    在铺层和固结模具中，KAI希望使用Kovar，这是一种具有极低热膨胀系数(CTE)的铁-镍-钴合金，类似于Invar的铁镍合金。然而，在项目计划中很难获得与机身蒙皮相同表面积的大型科瓦材料。“所以，我们获得了四块科瓦尔并焊接在一起，”李说道。“高温烘烤炉固结过程中存在真空泄漏风险，但在NLR的技术支持下，我们成功使用模具，没有出现重大问题。”

    该模具设计时包含了因模具与零件之间CTE差异及冷却期间内部应力造成的变形补偿。李说：“这意味着用于铺设和固结的模具轮廓与CAD中规定的不同，不适合用作OML检测工具来检查成品变形。”

    相反，KAI制作了一个具有正确弯曲度的金属框架，安装在鸭脚上，以便竖立时检查蒙皮。这防止了重力导致表面平直曲线的变形。每300毫米间隔施加4.5公斤的载荷——这是复合材料行业数十年来的标准方法——以确保与检验框架的接触。使用ATOS5(德国奥伯科亨蔡司)结构蓝光扫描仪对IML表面进行计量扫描显示效果良好，而塞尺显示金属框架与OML表面间隙几乎为零。

    成功完成的蒙皮铺设速度快达每分钟30米，孔隙率<1%，并通过无损检测(NDI)和破坏性测试(包括DSC)证明了足够的结晶度。宋说：“我们确认AFP与烤箱固结是薄结构中热压罐的可行替代方案。”“然而，热压罐固结提供了更高的压力，以减少厚结构的空隙和孔隙度。对于机身外壳，我们在窗户周围铺设了40层，效果良好，因此我们将继续探索这一限制的起点。”

    CCM-Continuouscompressionmolding长桁

    宋说，CCM(连续压缩模塑)非常适合生产像长桁这样的零件。然而，最终演示机的欧米伽形长桁需要12层，按堆叠顺序[45，0，-45，90，45，0，0，-45，90，-45，-45，0，45]。他解释说：“这需要对标准0°UD材料进行加工，”以+/-45°和90°切割，接缝焊接后再卷片以制作相应方向的滚筒——这需要大量时间和精力。如果材料供应商能提供这些预制滚筒，那么CCM将带来显著的生产优势。然而，其竞争力仍不确定，因为材料预计价格远高于传统热固性预售料。”

    为了生产十二根1.9米长的长桁，KAI决定避免材料预备，而是采用点焊，将12英寸宽的UD带制成平板。随后，这些材料在韩国大邱的韩国纺织开发研究所使用Teubert(德国布伦贝格)CCM机器制成。

    连续压缩成型（CCM）被用于制造十二根1.9米长的长桁，这些龙骨后来焊接到成品TPC蒙皮上。

    李说，早期由于CCM冲压机加热区温度不足和结晶不足，厚度中出现裂纹。CCM设备在压床区设有加热区，负责加热、成形(同时保持温度)和冷却(凝固)。他解释说：“如果冷却速度过快，热塑性树脂无法完全结晶，当冷却区内的成型压力施加时，厚度方向可能出现裂纹。这些问题在较小的TRP演示机生产过程中被发现并解决。通过优化加热区温度，我们实现了100%结晶，并消除了最后1.9米的长桁裂纹。我们还通过基于成型和冷却过程中变形的分析，在模具中加入了补偿，实现了<1%的孔隙率、近乎恒定的厚度和精确的几何形状。”

    冲压成型框、连接角片

    KAI冲压成型了TPC机身壁板演示件的框和连接角片

    宋称，根据压机的大小，冲压成型被认为是生产中大型TPC零件(约≈3米)最坚固的工艺。KAI使用其自家研发的1000千吨压机，配备500×500毫米台板，生产尺寸为120×30×60毫米(L、W、H)的较小连接角片，以及其350-4000千牛顿的Langzauner(奥地利Lambrechten)压机，配备2000×1000毫米台板，生产长夹(680×30×60毫米)和框(1200×50×60毫米)的连接角片。

    UDTC1225胶带层压板由张紧器固定在框架中，先在红外烤箱预热，然后由机器人转移到压机。初始TRP零件验证了变形补偿的模具，同时通过优化层压板和张紧器，利用AniForm软件(荷兰恩斯赫德AniFormEngineering)进行成形分析，减少了压制过程中的皱纹。最终，为最终演示器制作了四个1.5米长的框，以及更复杂的双折叠和L型连接角片，纤维体积分数(FVF-fibervolumefraction)为58-60%，晶体度足够，厚度恒定，孔隙率<0.1%。

    李表示：“最具挑战的部分是开发用于冲压成型大型曲面框架的工艺。”每个框架均分为三部分制造，以便适应冲压设备，随后通过紧固件组装成一体化单元。但过去用于此类框架的典型准各向同性层合材料在冲压成型过程中易导致纤维起皱。以往，我们发现在自动铺丝(AFP)过程中需要进行纤维转向以解决此问题，但在本项目中，我们通过优化张力成功克服了这一难题。

    再生材料压缩成型

    KAI希望探索利用回收废料和工艺废料制造零件，因此设计了600×450毫米窗框，用于机身模块的演示。制造蒙皮、长桁、框和连接角片时产生的TC1225UD废弃材料被收集并粉碎。

    来自蒙皮、长桁、框和连接角片的废料被切碎并筛分成约1英寸长的薄片，与纯树脂混合后进行挤出，随后放入匹配模具中进行压缩模塑成窗框。

    李说：“我们想用1英寸长的纤维以获得更高的机械性能，”并试图在切碎过程中调节这些特性，但仍有更长和更短的纤维。我们使用滤网获得相对均匀的片状物，并在高温下混合LMPAEK纯树脂颗粒以增强成形性。”挤出后的混合物随后被放入匹配模具进行压缩成型。

    宋指出：“尽管混合材料在模具内分布相对不均，但高树脂比例使得空腔能够完全填充。”“树脂分数较低的区域增加了表面缺陷，降低纤维的可扩散性，导致产品内的FVF差异。”尽管如此，KAI成功成型出具有<0.1%孔隙率、100%结晶率和平均30%FVF的零件。

    机身板件组装

    组装工作从感应焊接将长桁焊接到机身蒙皮开始。KAI采用了来自Ambrell(纽约州罗切斯特)的10千瓦感应加热系统，并集成了内部机械臂。“我们最初与NLR合作，共同探索织物有机片材和单向预浸料两种材料。”李说道。“设计和优化胶带的感应线圈更具挑战性。”

    TPC示范件的组装始于感应焊接长桁(图中蓝色)到蒙皮(顶部)。感应焊接头(右上角)使用了多个滚轮和空气冷却(蓝色管)。长连接胶片是电阻焊接在蒙皮上的，而双折角片、L形角片和拼接件则采用粘接。

    “焊接过程中，我们用滚筒施加压力，”他继续说，“但很难将其定位在感应加热熔融界面的精确位置。我们还用空气冷却感应线圈旁的复合材料表面，因为容易过热。我们在感应焊缝界面实现了快速的加热和冷却，但冷却阻碍了足够的结晶，导致变形。为此，我们在焊接模具中使用加热筒来减缓冷却度。”

    为了组装框，KAI采用电阻焊接将长角片固定在蒙皮上，同时用航空航天环氧胶胶粘剂将小角片—双折角片、L型角片和拼接件—粘接到机身蒙皮和框上。窗框随后通过机械紧固件固定。

    在两种焊接工艺中，KAI都控制了接缝及周围层压板的温度，以实现高强度焊接且不破坏材料。这包括解决边缘效应和减少未焊接区域。李说：“对于长桁”25.4毫米宽度中约有17毫米进行了感应焊接，在单次叠接剪切测试中达到了25兆帕的强度。超声C扫描结果显示焊接接头的超声波衰减低，完整性好。”

    KAI一直在持续开发。李说：“通过改进施加压力及其他方面，我们现在可以通过感应焊接实现32-35兆帕的焊接强度，无需感应膜或树脂膜。”他指出，KAI尚未尝试对已装有金属网雷击保护（LSP-）的结构进行感应焊接。对于这个演示机，LSP是在感应焊接后添加的。“但这是我们正在研究的方向，”李说，“此外，我们还在探索是否可以通过在成型部件的外层放置碳纤维织物来实现回收材料零件的感应焊接组装。”

    机翼蒙皮示范件

    KAI的第二个主要项目使用液体树脂成型技术制造机翼蒙皮和扭力箱结构。同样，TRP研究原型被用于识别潜在缺陷并优化工艺参数。对于机翼蒙皮演示机，1.5米×1.2米的TRP被放大为4.1×1.5米，蒙皮的几何形状和曲率更为复杂。

    KAI的机翼蒙皮模块演示件采用干纤维单向预浸料带的AFP铺层工艺制备蒙皮和长桁坯料，利用热压成型技术加工L形长桁预成型件，并通过树脂注入法对组装后的蒙皮-长桁铺层进行固化，以生产最终的集成结构。

    与《明日之翼》节目中展示的无卷曲织物(NCF)不同，KAI采用了带干胶带的AFP。宋称：“这使我们能够生产出具有竞争力的原型，与NCF的材料损失相较，最大限度地减少了材料损失。”“本次演件机采用了翼展15.3米单通道飞机主翼的机翼形状，选定了一个代表性部分以捕捉关键特征，包括全皮翼长桁、短长桁和检查舱口。”

    经过评估和分析，KAI选择了Hexcel(美国康涅狄格州斯坦福)的HiTapeUD胶带和HexFlowRTM6-2环氧树脂。AFP铺设0.25英寸宽胶带，速度为0.6米/秒。长桁最初是AFP毛坯，利用热悬垂成型(HDF-hotdrapeforming)设备成型成预成型件。“该系统是通过KAI的工具和固定装置合作伙伴开发的，”李说。“它位于烤箱内，使用可重复使用的硅胶膜，达到特定烤箱温度后施加真空压力。”

    长桁在120°C下预成型15分钟，随后与AFP蒙皮组装。宋解释道：“为确保长桁定位准确，在根部和尖端部位均放置了导向模具。”“为确定较短长桁的初始位置，除根部部位的导向模具外，还专门制造并使用了一个独立夹具。”

    烤箱内注入树脂

    完成的蒙皮-长桁组件随后被真空袋封装并准备进行树脂注入。宋指出：“要克服树脂缺乏的问题，关键在于从一开始就确定树脂入口和出口的设计和容量，以及整体输注装置。另一个关键因素是树脂制动器—即从零件最大包络线末端（无流动介质）起的长度—控制树脂的面内流量。其他关键因素包括所用流网层数和模具表面粗糙度，这两者都影响树脂流动”

    注入和固化均在烤箱中进行。“我们这样做是为了确保温度分布均匀，因为树脂的粘度对温度非常敏感，”李说。“树脂供料线采用耐热材料，并采用铜管以增强热耐力。”第一次停留120分钟，温度为120±5°C，以确保树脂浸渍充足;第二次停留180±5°C，实现固化。未进行后固化。

    该零件取得成功，使KAI能够积累专业知识，将模拟结果与实际树脂流动和工艺时间进行比较，并评估这些与OEM生产力要求的差异。

    扭力箱使用输注，SQRTM(samequalifiedresintransfermolding)

    该项目的下一部分是制造两架多梁扭力箱示范件，这些演示件基于大型飞机水平尾翼的设计。两者均由两块蒙皮和四根梁组成（箱体中的主载荷加强筋与仅加强蒙皮的长桁之间的比较），一种采用树脂注入工艺，另一种采用SQRTM工艺。SQRTM工艺以预浸料铺层替代干纤维预制体起始，通过匹配模具的树脂传递模塑(RTM)工艺注入预浸料中的相同树脂。如2010年《复合材料世界》（CW）一篇文章所述：“树脂的作用并非浸润预浸料，而是仅用于在模具内维持稳定的静水压力。”其结果是使用已通过认证的航空航天材料制造出的高质量部件。

    宋称：“我们能够比较结果，评估每个过程的优缺点。”“我们还优化了每个工艺的扭力箱形状、成本和交货时间，并获得了关于质量、生产时间和成本的实际经验。”

    KAI树脂注入扭力箱演示机的工艺步骤包括对蒙皮-梁层压组件进行双层包装，以及公司在烤箱中进行树脂浸注工艺。

    树脂注入的扭转箱长5.3米，宽0.9米，使用来自美国俄亥俄州辛辛那提A&PTechnology的QISO三轴编织织物。“这次选择始于对编织预设体及其特性的研究，”KAI高级研究工程师吴承秀(Seung-suWoo)说。由于单组RTM6树脂的危险品运输限制，KAI采用了两组分的HexFlowRTM6-2。Hexcel表示其化学成分和性能相同，但吴指出RTM6-2需要额外的预处理、预热和混合。

    材料被切割后手工铺设在模具上。机翼梁最初采用HDF成型。随后将蒙皮、梁组件真空袋封入。“树脂注入的一个缺点是泄漏风险较高，”吴说。“为了克服这个问题，我们采用了一种叫做双重袋装的技巧。我们先用普通真空袋材料，然后用封袋膜做主真空袋。随后我们添加了呼吸材料和一层额外的封袋膜，形成了第二个真空袋。即使第一个袋子漏气，第二个袋子也能维持真空压力，有效消除泄漏风险。”

    双层包覆膜被放入烤箱进行树脂浸渍。RTM6-2被脱气后注入干式预成型件，模具温度为95-100°C，树脂温度为90-95°C。注入时间为70-80分钟，固化时间为120分钟，温度为180±5°C。

    该结构成功生产，并通过超声C扫描以及层压板中玻璃转变温度和固化度的测试验证其质量。使用激光追踪器对蒙皮进行了尺寸检查，同时还测量了主梁的位置、厚度和半径。事实上，测试中发现的最显著问题是梁半径几何形状，特别是真空袋侧，存在不一致，李博士说。“结论是，这个问题需要通过改进模具或改进制造工艺来解决。”

    扭力箱演示机KAI采用相同合格树脂转移成型(SQRTM)生产的步骤

    SQRTM扭力箱较小，长1.2米×宽0.4米，以降低匹配模具的成本。KAI使用HexcelHexPly8552环氧树脂预浸料，配合平织碳纤维和RadiusEngineering(美国犹他州盐湖城)的RTM设备进行树脂注入，配合KAILangzauner压机施加固结压力。树脂在104±°C注入，并在180±5°C大约5小时内固化。

    “我们通过生产TRP原型机不断完善工艺，并取得了极为满意的结果，”吴说道。“尽管我们通过树脂注入实现了高质量结构，但我们认为SQRTM或RTM更适合这些箱体结构，因为匹配的模具能实现更精确的几何形状。树脂注入的单模具设计在袋侧部件的准确性上存在问题。最终，这项工作进一步提升了我们在OOA流程中的内部技术能力和专业知识。”

    合格材料，未来生产

    KAI已获得韩国适航权威机构批准，涵盖TC1225材料以及HiTape干纤维UD胶带和HexFlowRTM6-2树脂。宋称：“这些材料允许量可用于国产机体零部件的开发”。“不过，根据结构的不同，可能需要测试额外的性能。特别是对TPC而言，这为未来在国内自主飞行器中的应用奠定了基础。”

    “然而，我们认为焊接技术仍需进一步研究，才能达到热固性复合粘合工艺(共粘、共固化、二次粘合)的成熟水平，”李博士说。“KAI正在继续研究感应焊、电阻焊和超声波焊接，我们也认为废弃TPC材料的成型是一种环保工艺。尽管纤维长度和分布不均可能带来物理性质差异的部分，但随着进一步开发，我们看到未来在二级结构中的应用潜力巨大。”

    宋称：“我们继续专注于为主要OEM项目开发和生产机身零部件。”“我们的目标是支持下一代单通道飞机月产60至100架。这些示范项目发挥了关键作用，帮助我们精准选择高质量复杂复合结构的最具竞争力工艺，并缩短转速时间。随着客户要求更高的产量，我们将建设满足这些需求的基础设施。”

    原文《KAIdemonstratesthermoplasticandinfusedstructuresforfutureairframes》

    编后感言

    民机复材发展十分迅猛！机身用热塑复材、机翼用热固复材，是当今技术先进的标志。韩国KAI紧跟这一发展趋势，开展了实质性研发工作。从本文看，KAI已经掌握了其中核心技术。

    C929如果从CR929算起，至今快十年了。当初明确宣布“对标波音787或空客A350”。这两款飞机结构中的热塑复材，仅仅制造机身中一些连接角片。它与今日制造机身受力结构件的，高温、高强热塑复材完全不可同日而语。制造机翼虽然使用热固复材，但从材料和制造工艺均有改进。

    民机是一种特殊商品。希望日后上市的C929不仅对标B787和A350，在复材技术领域达到当时的水平。

    杨超凡