無(wú)人機(jī)上復(fù)合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的,像X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”上都運(yùn)用了90%的復(fù)合材料。面對(duì)如此大的用量以及未來(lái)潛在的高使用量,就迫切需要開發(fā)高效、低成本的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù),來(lái)滿足項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可承受性要求。這些需求具體來(lái)說(shuō),包括:在預(yù)浸料成形方面,使用機(jī)器人來(lái)代替笨重的機(jī)床進(jìn)行鋪放,以及采用各種無(wú)需熱壓罐的低成本、高效固化方式;在干纖維成形方面,按照液體成形方式設(shè)計(jì)大型整體結(jié)構(gòu)件,并改善制造工藝,甚至開發(fā)革命性的增材制造方法,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形;在制造工裝方面,降低金屬工裝成本、提升復(fù)合材料工裝性能、開發(fā)高效自加熱工裝。
機(jī)器人鋪放
自從復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)絲束鋪放首次變成可行生產(chǎn)工藝以來(lái),機(jī)床供應(yīng)商通常為大型飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造大型且昂貴的機(jī)床,不過近年來(lái)情況有所轉(zhuǎn)變,機(jī)床供應(yīng)商開始開發(fā)較小型且更經(jīng)濟(jì)的機(jī)床,以應(yīng)對(duì)更廣泛的需求。特別是在自動(dòng)絲束鋪放方面,利用商用機(jī)器人作為小尺寸復(fù)合材料鋪絲設(shè)備的平臺(tái)正在成為機(jī)床供應(yīng)商的基本做法。
預(yù)計(jì)未來(lái)幾年各種配置和尺寸的自動(dòng)鋪絲機(jī)床將出現(xiàn),機(jī)器人平臺(tái)將用于更多的復(fù)合材料鋪絲系統(tǒng)。機(jī)器人平臺(tái)與復(fù)合材料絲束鋪放技術(shù)相結(jié)合被證明是非常成功的,復(fù)合材料鋪絲設(shè)備品種的擴(kuò)展意味著更小的復(fù)合材料車間可根據(jù)他們所需的尺寸和價(jià)格選用自動(dòng)鋪設(shè)備。最終,復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備將像在金屬加工業(yè)中的5坐標(biāo)CNC機(jī)床一樣,將成為復(fù)合材料工業(yè)的常態(tài)。對(duì)于尺寸外形和采購(gòu)數(shù)量各異的無(wú)人機(jī)平臺(tái)來(lái)說(shuō),這類機(jī)器人鋪放工藝及裝備的開發(fā),將顯著降低復(fù)合材料機(jī)體的制造生產(chǎn)成本。
非熱壓罐制造
由于無(wú)人機(jī)造價(jià)相對(duì)較低、尺寸相對(duì)較小,因此更加重視復(fù)合材料構(gòu)件的低成本成形,非熱壓罐制造是無(wú)人機(jī)制造技術(shù)開發(fā)中的重點(diǎn)之一。而且,隨著F-35戰(zhàn)斗機(jī)、先進(jìn)復(fù)合材料貨運(yùn)飛機(jī)以及民用飛機(jī)上很多復(fù)合材料部件非熱壓罐制造技術(shù)的驗(yàn)證工作取得進(jìn)展,未來(lái)的無(wú)人機(jī)必將大量采用類似的技術(shù)來(lái)制造復(fù)合材料構(gòu)件,降低生產(chǎn)成本。在這個(gè)方面,預(yù)浸料真空袋固化工藝以及干纖維液體成形工藝一直是研發(fā)的重點(diǎn),而且還發(fā)展出了一些創(chuàng)新的工藝,比如革命性的復(fù)合材料增材制造工藝。
(1)預(yù)浸料真空袋固化工藝
航空復(fù)合材料零件采用真空袋的非熱壓罐制造并不是新技術(shù),次承力構(gòu)件(襟翼及整流罩等類似結(jié)構(gòu)件)的真空袋壓預(yù)浸料法由于具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而引起無(wú)人機(jī)制造商格外的興趣。
上世紀(jì)90年代中期,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)就開始在復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)可承受計(jì)劃(CAI)中關(guān)注預(yù)浸料真空袋固化。第一代非熱壓罐(OOA)真空袋(VOB)預(yù)浸料,典型的如英國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)(ACG)的LTM系列,如LTM45EL,用在了多款無(wú)人機(jī)上,如DARPA/洛馬的“暗星”、波音X-45A、諾格X-47A等。然而,由于在較低溫度和真空壓力下固化,成本較低,但是力學(xué)性能不足,而且生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。
2005~2006年時(shí),兩種非熱壓罐預(yù)浸料體系,ACG的MTM45以及Cytec工程材料公司的CYCOM 5215的力學(xué)性能已經(jīng)接近熱壓罐固化預(yù)浸料。這兩種非熱壓罐預(yù)浸料具有可變的固化時(shí)間,在66~79℃時(shí)較長(zhǎng),但在121℃時(shí)只需2小時(shí)。此外,在350℃的獨(dú)立后固化后,濕玻璃化溫度(Tg)可超過150℃。這兩種材料體系實(shí)現(xiàn)了DARPA所要求的小于1%孔隙率要求,但是10~12天粘性壽命和最多21天的開模壽命不符合美國(guó)空軍和DARPA要求,因?yàn)榇笮蛷?fù)雜結(jié)構(gòu)件需要最少3~4周鋪貼和袋壓。為此,ACG和Cytec公司分別開發(fā)了XMTM-47和CYCOM 5320-1,目標(biāo)是比21天更長(zhǎng)的粘性和至少30天的開模壽命。
2007年,美國(guó)國(guó)防部突破性制造技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃啟動(dòng),非熱壓罐制造技術(shù)是5個(gè)核心領(lǐng)域之一。DARPA、波音公司聯(lián)合AFRL實(shí)施啟動(dòng)非熱壓罐計(jì)劃,建立了開發(fā)OOA體系的目標(biāo),即提供當(dāng)時(shí)熱壓罐固化質(zhì)量水平的環(huán)氧材料。為此,ACG開發(fā)了MTM45-1、MTM-44和MTM-46,Cytec開發(fā)了CYCOM X5320。波音公司評(píng)估了三種試驗(yàn)樹脂配方,并選擇了X5320進(jìn)行商業(yè)化。之后,各種驗(yàn)證件被制造并進(jìn)行有限的無(wú)損和解剖評(píng)估。HITCO碳復(fù)合材料公司制造了一個(gè)3.65米×4.57米的帽形帶加強(qiáng)筋蒙皮的主結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件;極光飛行科學(xué)公司制造了11.6米長(zhǎng)的無(wú)人機(jī)翼梁,以及為“鬼眼”無(wú)人機(jī)驗(yàn)證機(jī)制造的三部分組成的機(jī)翼,長(zhǎng)45.7米;波音制造了“鬼眼”驗(yàn)證機(jī)的尾梁和尾翼縮比件,還草擬了碳預(yù)浸料的材料規(guī)范和工藝規(guī)范。