热塑性复合材料自动化成型技术及自动化设备配套

    从复合材料的价值链来看,原材料的附加值为30%,而结构件制造的附加值占55%,预浸料等中间产品占10%。项及第三项成本具有相对稳定性,降低结构件的制造成本是关键,而目前有效的方法是采用自动化及大批量生产工艺。根据国外2005年的统计,在复合材料制造工艺中手工占20%,自动纤维铺放只占17%,因此采用一体化模压成型以及铺带、丝束铺放自动化检验尚有很大的发展空间。自动铺丝、自动铺带以及自动模压成型等大批量生产工艺,是促进复合材料产品降低成本、进入市场的必由之路。
   热塑性复合材料自动化成型技术及自动化设备配套
   1 自动化成型技术
   一体化热成形法批量生产热塑性复合材料零件是未来又一发展趋势。未来的飞机为了节能和减少CO2 排放,将采用轻重量结构,热塑性碳纤维增强复合材料将在此发挥越来越重要的作用。目前的障碍是缺少经济、快速、可靠的零件制造工艺。例如聚苯硫醚(PPS)、聚醚胺(PEI)及聚醚醚酮(PEEK)已被波音、空客经过认证,并用于飞机结构,尽管如此,热塑性复合材料的应用依然不多,只用在空客的A340-600和A380机翼前缘(J形鼻)、龙骨梁或副翼,原因是目前的热成型法的效率不高。
    为此,德国的不来梅纤维所、施塔德复合材料技术中心以及不来梅大学生产工程系开发了高度自动化热塑性CFRP/GFRP的制造单元。目前的热成型工艺不包括无损检验、型面切削和打标记,因此零件生产成本非常高,因为这些工艺不是组合在一起的。而自动化热成型工艺的目标是将工艺各个步骤组合在一起,以保证周期为1min。其中一个关键要素是用超声试验以及数字成像分析法检验,检验的对象是孔穴、分层、纤维取向、结晶度以及几何形状。
   除以上创新点外,在热塑性复合材料成型方面德国弗劳恩荷夫生产技术所开发了用激光辅助铺热塑性复合材料预浸料的自动化技术生产承力结构的能力。这一技术是在红外、微波以及激光辅助缠绕技术的基础上进一步开发的。
    此外,由于航空制造是多品种、小批量生产,手工劳动量大,因此,用机器人代替手工劳动的需求显得越来越突出,近年来在该方面进展突出,据国外专家指出,凡是能用手工劳动的地方,均可用机器人操作。
2 自动化设备的配套
    由于复合材料结构件品种多、结构复杂,其加工既需要通用自动化设备,也需专用设备。以HITCO公司为例,配备了一系列的复合材料自动化加工设备,自动化投资主要取决于工件及结构种类,设备总成本可达几百万美元。
    该公司配备了2~3台自动铺带机和1~2台自动铺丝机来取代某些复合材料手工铺层工艺。此外,自动铺带及铺丝机的采购还需要有相应的配套设备,包括CNC钻孔机及层板切割系统、运送设备、热压罐等。HITCO公司增加了2台新热压罐,其中1台长12.2m、高4.6m。此外,该公司还配备了Gerber技术公司提供的CNC铺层切割系统、1台从Flow国际公司采购的六坐标喷水切割机、1 台由Virtek Vision国际公司提供的激光定位系统、1台来自铺层技术公司(英国)的热隔膜成型机、1台购自Radivs工程公司的自动化三角型材拉挤设备。
    复合材料自动化检测技术
    复合材料检测技术的自动化是传统检测技术的发展,极大地推动了检测技术的进步。其中激光超声、相控阵超声检测等是发展迅速的领域。与传统检验相比,相控阵超声检验改进了探测的概率,并明显加快了检测速度。传统超声检测要用许多不同探头来做综合分析,而相控阵检验用一个多元探头即可达到同样的结果。
    GE公司开发了复合材料检测用的相控阵技术,该公司有UTxx先进缺陷探测器,该探测器采用NuScan成像软件包,NuScan相控阵机既可采用脉冲回波技术,也可采用穿透技术,它有128元探头,每一个10cm宽。全部探头以同一顺序启动,而不是离散分批启动,扫描速度达到20m2/h。这种NuScan相控阵缺陷探测器的一个非常重要的特征是可以检测半径范围及边角的缺陷,其原理是“逆向延迟”,方法是将所有的探头指向半径范围,根据返回每一探头的响应时间测定曲率半径,然后将半径范围转换为平面。检测结果可以用各种形式显示,包括A、B、C、D扫描以及三维成像。通过波束的自扫描、面积测量以及横断面的切取即可对缺陷进行探测,确定其尺寸。
    相控阵超声试验机已在航空界用于复合材料结构的检测,如JAS 39机体结构、发动机风扇叶片。检测疏松的灵敏度可达3%,已成功用于分层、脱胶、孔隙的检验,可以提供极好的探测概率和重复性好的检验结果,并达到复合材料制造所需的检验速度。
    激光超声利用高能激光脉冲来激发超声波并用激光来检测超声回波,具有非接触、远距离探测、频带宽以及检测可达性好等优点。尤其适用于处于一些恶劣环境(如高温、腐蚀、辐射)及具有较快运动速度的被检件。
    目前,激光超声主要用于检测复合材料结构,由洛马公司开发的Laser UT用于F-22进气道的检测。该系统有2个激光器,一个激光器通过热弹性膨胀的机理在复合材料中产生超声,在此过程中,在构件表面之上10~100μm范围内激光能转变成热,温度的升高使材料产生局部膨胀。如果激光器加热的速度快(10~100ns),膨胀将在超声频率范围内(1~10MHz)产生,超声波将垂直于表面传播而与激光的入射角无关,其入射角可以达到45°,而传统的水浸系统,入射角必须保持在3°以内才能产生超声。
    该系统可检测零件的厚度、大小及几何形状,至今已检测了厚达43mm的构件。据悉,该系统检测零件实际并无尺寸及几何形状方面的限制,唯一受到限制的是材料的匹配性。采用该系统检测,所用时间不到2h,而采用代检测设备则需花费24h,检验时间减少90%,制造周期可缩短数周。