這個(gè)由Radius Engineering（猶他州鹽湖城）制造的網(wǎng)狀單元化部件是一個(gè)原型旋翼機(jī)頂部部件，作為SARAP-Survivable Affordable Repairable Airframe Program（可生存、可負(fù)擔(dān)、可修復(fù)機(jī)身計(jì)劃） 計(jì)劃的一部分生產(chǎn)。約 250 lb/~120 kg“格柵加筋”部件的底視圖顯示了其四根較厚的集成縱梁和幾個(gè)較輕的垂直框架以及集成的加筋上蒙皮。

 

完成艙頂?shù)母┮晥D顯示了整體式上蒙皮以及轉(zhuǎn)子傳動(dòng)的開(kāi)口和整體支撐。艙頂?shù)拇致猿叽鐬?9.5 英尺乘 6.2 英尺乘 1 英尺（2.9 米乘 1.9 米乘 0.3 米），與其他機(jī)身部件結(jié)合在一起（見(jiàn)第 48 頁(yè)的照片）。艙頂部分為減少機(jī)身零件數(shù)量和重量的前瞻性方法建模

 

一個(gè)完整的SARAP機(jī)身原型，在直升機(jī)行業(yè)貿(mào)易活動(dòng)上展出。SQRTM 制造的屋頂組件是組件的一部分，其中還包括其他創(chuàng)新的復(fù)合材料設(shè)計(jì)。據(jù)報(bào)道，西科斯基公司正在考慮將 SQRTM 技術(shù)用于未來(lái)的直升機(jī)制造項(xiàng)目

 

步驟 1：如圖所示，在早期階段，復(fù)雜的艙頂部分的疊層包括在下半模上放置分解的預(yù)浸料和干燥的預(yù)成型件（如步驟3所述）的組合

 

步驟2：艙頂蒙皮的預(yù)浸料疊層就位，將形成屋頂部分梁和垂直框架表面的工裝嵌件網(wǎng)絡(luò)就位。

 

步驟 3：這個(gè)特寫(xiě)顯示了在垂直和水平元素的交叉處使用的“pi”預(yù)制件。在垂直加勁肋腹板與梁翼緣或零件蒙皮相遇的任何地方，pi 預(yù)成型件的兩個(gè)支腿形成一個(gè)槽，該槽接受腹板，而垂直預(yù)成型件元件平放在水平翼緣或蒙皮上。預(yù)成型件的作用是填充腹板和蓋或法蘭之間的半徑，用于零件的眾多梁和框架

 

步驟4：疊層已經(jīng)完成，安裝了多個(gè)模具鑲塊，模具閉合。此時(shí)，使用與預(yù)浸料相同的樹(shù)脂進(jìn)行注射，以保持模具內(nèi)穩(wěn)定的靜水壓力。

 

步驟 5：注射后，開(kāi)始固化。如圖所示，SQRTM能夠?qū)崿F(xiàn)更快的加工，因?yàn)閴毫C(jī)和工具的導(dǎo)熱系數(shù)更高，可以更快地加熱和冷卻。RTM固化可以比熱壓循環(huán)短兩個(gè)小時(shí)

 

步驟6：當(dāng)固化的艙頂部件從工具底座上升起時(shí)，會(huì)顯示出來(lái)。工具左側(cè)可見(jiàn)的是加熱臺(tái)板壓力機(jī)，其上下墊由焊接鋼制成，研磨平整至高公差，用于加熱和夾緊工具

目前的熱壓罐外加工趨勢(shì)是由制造商生產(chǎn)更大零件以幫助降低制造成本的競(jìng)爭(zhēng)需求驅(qū)動(dòng)的。盡管在過(guò)去的幾年里已經(jīng)引入了許多 OOA材料和方法，但很少有材料和方法能超越SQRTM的優(yōu)雅，SQRTM是相同質(zhì)量樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型的縮寫(xiě)。SQRTM由 Radius Engineering 股份有限公司（猶他州鹽湖城）開(kāi)發(fā)，目前正在商業(yè)化過(guò)程中，它是一種封閉成型方法，結(jié)合預(yù)浸處理和液體成型，生產(chǎn)真正的網(wǎng)狀、高度統(tǒng)一的航空航天零件。簡(jiǎn)而言之，SQRTM的設(shè)計(jì)目的是在沒(méi)有熱壓罐的情況下生產(chǎn)出熱壓罐質(zhì)量的零件。

Radius Engineering 總裁 Dimitrije Milovich 表示：“在過(guò)去幾年中，復(fù)合航空航天零件的規(guī)模和復(fù)雜性顯著增加。”。“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可行的替代方案，它復(fù)制了合格的熱壓罐工藝，同時(shí)提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。”SQRTM方法已成功應(yīng)用于多個(gè)航空航天項(xiàng)目，包括RQ-1B全球鷹無(wú)人機(jī)的翼尖擴(kuò)展。

但迄今為止，它最艱難的測(cè)試是根據(jù)西科斯基飛機(jī)公司（康涅狄格州斯特拉特福德）和美國(guó)陸軍航空應(yīng)用技術(shù)局（弗吉尼亞州尤斯蒂斯堡 AATD）之間的合作協(xié)議，根據(jù)“可幸存的可負(fù)擔(dān)可修復(fù)機(jī)身計(jì)劃”（SARAP-Survivable Affordable Repairable Airframe Program）生產(chǎn)的一個(gè)極其復(fù)雜的一體式原型直升機(jī)機(jī)艙頂部，SQRTM制造的屋頂是其中不可或缺的一部分，實(shí)現(xiàn)了積極的重量減輕和成本降低目標(biāo)。在機(jī)艙頂部的成功工作幫助SARAP虛擬樣機(jī)和驗(yàn)證開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)贏得了美國(guó)直升機(jī)協(xié)會(huì)國(guó)際2008年羅伯特·L·平克尼獎(jiǎng)（以一位著名的波音制造工程師的名字命名），該獎(jiǎng)項(xiàng)表彰了垂直飛行飛機(jī)或部件制造研發(fā)方面的顯著成就。

液態(tài)成型+預(yù)浸料

SQRTM 與標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）的區(qū)別在 于，它取代了干纖維預(yù)成型件，而是用預(yù)浸料疊層代替。預(yù)浸料層被布置在模具內(nèi)，模具被關(guān)閉，然后，有點(diǎn)違反直覺(jué)的是，液體樹(shù)脂被注射到工具中。Milovich 說(shuō)：“這就是使該工藝類似于熱壓罐工藝的原因。”他指出，注入的樹(shù)脂與預(yù)浸料中使用的樹(shù)脂相同，因此，采用該工藝的人無(wú)需重新鑒定材料。

工具內(nèi)精密設(shè)計(jì)的澆口和通道有助于在注射前從疊層中排出空氣，并使注射的樹(shù)脂能夠在約 100psi/6.89bar 的均勻流體壓力下沿著整個(gè)零件的邊緣填充所有空腔。Milovich 解釋道：“樹(shù)脂并不是用來(lái)浸漬預(yù)浸料坯的，只是為了在模具內(nèi)保持穩(wěn)定的靜水壓力。這種壓力使揮發(fā)物和水蒸氣保持在溶液中，以防止形成空隙。”

事實(shí)上，傳統(tǒng)的熱壓罐工藝有時(shí)會(huì)使用高溫橡膠邊壩或其他材料作為疊層和裝袋的一部分，以防止樹(shù)脂在熱壓罐的壓力下從預(yù)浸料中逸出——如果有足夠的樹(shù)脂擠出，層壓板的靜水壓下降，疊層內(nèi)樹(shù)脂中流出的任何空氣或揮發(fā)物都會(huì)產(chǎn)生空隙。然后，在SQRTM工藝中，注入的加壓樹(shù)脂充當(dāng)“流體壩”，防止樹(shù)脂擠出，同時(shí)在固化過(guò)程中復(fù)制高壓釜的固結(jié)壓力。

Radius 的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)主管Tom Coughlin聲稱：“使用SQRTM而不是熱壓罐更容易控制層壓板的質(zhì)量，因?yàn)闃?shù)脂的靜水壓力是由樹(shù)脂注射器直接控制的，而不是取決于熱壓罐容器內(nèi)的變量和袋下的層壓板。”

為了適應(yīng)其 SQRTM 工藝，Radius 設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)大型臺(tái)板沖壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了焊接鋼制的上下墊，研磨平整至高公差。當(dāng)裝載的雙面工具放置在壓力機(jī)內(nèi)時(shí)，下?lián)u枕由一系列類似于消防軟管的安全氣囊支撐。Milovich 指出，在注射之前，袋子被充氣，迫使下墊抵住工具，上墊以優(yōu)化夾緊力。

Coughlin說(shuō)，上下墊枕都是分區(qū)電加熱和水冷 的，可以在固化過(guò)程中調(diào)節(jié)溫度。他解釋道：“如果一個(gè)工具的質(zhì)量根據(jù)零件配置而變化，其中一個(gè)區(qū)域比另一個(gè)區(qū)域更厚，則區(qū)域加熱允許沖壓機(jī)在完成工具的完整熱輪廓后，在較厚的區(qū)域施加更多的熱量，這樣零件總是能看到一致的熱循環(huán)。”

SQRTM與RTM的相似之處在于，在工具上抽真空，并加熱壓機(jī)和工具。然而，在SQRTM中，在熱壓罐條件下，以與預(yù)浸料坯相同的升溫速率加熱，并通過(guò)過(guò)程控制器注入樹(shù)脂，該過(guò)程控制器還監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)壓機(jī)溫度。Coughlin 補(bǔ)充道，SQRTM工藝的獨(dú)特之處還在于所使用的真空度。他指出，Radius 開(kāi)發(fā)的真空泵可產(chǎn)生<0.5 毫米/汞柱的真空度，這“比標(biāo)準(zhǔn)車間泵所能產(chǎn)生的真空度還要高”，因?yàn)閴簷C(jī)和工具的較高導(dǎo)熱率允許更快的加熱和冷卻，所以 SQRTM 固化周期可以比熱壓罐周期短兩個(gè)小時(shí)。

與傳統(tǒng) RTM 相比還有其他優(yōu)點(diǎn)。零件厚度由匹配的工具控制，避免了真空裝袋過(guò)程中固有的潛在厚度變化。從完全浸漬、合格、增韌的預(yù)浸料開(kāi)始，消除了注射過(guò)程中出現(xiàn)干斑的風(fēng)險(xiǎn)，也消除了通過(guò)液體樹(shù)脂將增韌劑引入零件的需要。此外，由于該工藝嚴(yán)格遵循使用先前合格材料的標(biāo)準(zhǔn)熱壓罐加工步驟，因此風(fēng)險(xiǎn)較小，客戶的舒適度也高得多。Milovich說(shuō)，盡管這一工藝在一定程度上更適合平面型零件，但SARAP機(jī)艙頂部表明，非常大規(guī)模、復(fù)雜的零件完全在其范圍內(nèi)。

網(wǎng)狀、格柵加強(qiáng)件

“我們的重點(diǎn)是網(wǎng)狀部件，” Milovich 說(shuō)。“我們正在尋找集成多個(gè)零件的方法，以減少組裝勞動(dòng)力、降低成本和減輕重量。”這一理念推動(dòng)了SARAP項(xiàng)目SQRTM的發(fā)展，該項(xiàng)目專注于尋找創(chuàng)新的方法來(lái)減少結(jié)構(gòu)重量和緊固件數(shù)量，并提高旋翼機(jī)零件的損傷容限。除了Radius，SARAP團(tuán)隊(duì)還包括Automated Dynamics（紐約州斯克內(nèi)克塔迪）和GKN Aerospace Services Alabama（阿拉巴馬州塔拉塞）。Automated Dynamics制造了一個(gè)熱塑性復(fù)合材料下機(jī)身部件， GKN制造了機(jī)身框架、側(cè)蒙皮和后艙壁，并組裝了最終的SARAP技術(shù)驗(yàn)證文章。

機(jī)艙頂部的概念驗(yàn)證試驗(yàn)于2006年開(kāi)始，全尺寸工具設(shè)計(jì)于 2007年進(jìn)行。Radius負(fù)責(zé)根據(jù)Sikorsky提供的設(shè)計(jì)和有限元分析（FEA-finite element analysis ）建模，開(kāi)發(fā)屋頂?shù)闹圃旃に嚒?/span>

根據(jù) Milovich 的說(shuō)法，屋頂原型是迄今為止最復(fù)雜的網(wǎng)狀單元結(jié)構(gòu)之一。“格柵加筋”部件的大致尺寸為9.5 英尺乘 6.2 英尺乘 1 英尺（2.9 米乘 1.9 米乘 0.3米），重量約為250 磅/120 公斤，它集成了四根厚縱梁和幾個(gè)較輕的垂直框架、一個(gè)帶加強(qiáng)筋的整體上蒙皮和轉(zhuǎn)子傳動(dòng)的整體支架，所有這些都在一個(gè)共同加固的部件中。Milovich 承認(rèn)，顯然，Radius內(nèi)部進(jìn)行的工具設(shè)計(jì)至關(guān)重要，最終“非常復(fù)雜”。

10.8 英尺乘 7.5 英尺乘 1.5 英尺（3.3 米乘 2.3 米乘0.5 米）的鋁制工具由一家專有工具供應(yīng)商制造，由兩個(gè)大的外部工具半部組成，它們形成了客艙頂部的內(nèi)表面和外表面。Milovich指出，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化鋁是該公司大多數(shù)大型 SQRTM項(xiàng)目的典型產(chǎn)品，因?yàn)樗鼉r(jià)格合理，比鋼輕，加熱能耗低，而且更容易處理。

250多個(gè)單獨(dú)的工具細(xì)節(jié)，無(wú)論是心軸還是插入件，都經(jīng)過(guò)機(jī)加工并裝配在一起，形成了零件的所有內(nèi)表面。配合公差小于±0.005 英寸（±0.125 mm）。

Milovich 表示：“我們的方法是創(chuàng)建一個(gè)帶有大量可拆卸插件的單一、多部分工具。”“每個(gè)插件都注冊(cè)到大型外部工具上，以確保精確的尺寸。”盡管該工具明顯復(fù)雜且昂貴，但如果西科斯基選擇采用需要二次后緊固組裝的多部件解決方案，它就消除了單獨(dú)零件所需的多個(gè)工具。米洛維奇承認(rèn)：“制作起來(lái)很復(fù)雜，但最終它只制作了一個(gè)零件，不需要組裝工具，也不需要?jiǎng)趧?dòng)力將多個(gè)零件固定在一起。”

為了制造艙頂制品，首先將預(yù)浸料切割成形，以形成大部分零件。艙頂制品中使用的預(yù)浸料是來(lái)自 Cytec Engineered Materials股份有限公司（Tempe，Ariz.）的Cytec 5250-4，其是由于其與Cytec的5250-4 液體 RTM樹(shù)脂固有的化學(xué)相容性而選擇的。

預(yù)浸/注射樹(shù)脂匹配是 SARAP 艙頂制品的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)榈湫偷?SQRTM 工藝有所改變，包括注入一些干燥的紡織材料，如下文所述，與預(yù)浸料組合。Sikorsky 的機(jī)身開(kāi)發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Tom Carstensen 指出，使用相同的基礎(chǔ)樹(shù)脂系統(tǒng)消除了人們對(duì)樹(shù)脂混合以及可能導(dǎo)致的機(jī)械性能潛在變化的擔(dān)憂。

將配套的單向碳/環(huán)氧膠帶和編織織物預(yù)浸料在工具外單獨(dú)分解，以去除任何截留的空氣或樹(shù)脂濃度的局部區(qū)域——這是通常為材料指定的步驟。根據(jù)材料規(guī)范，將切割好的簾布層鋪在加熱的平板或桌子上，裝袋并置于真空下。在達(dá)到基于所需的減粘水平的最高溫度后，在約一小時(shí)內(nèi)對(duì) 11 層預(yù)浸料堆進(jìn)行減粘。然后，將拆散的疊層或“書(shū)本”轉(zhuǎn)移到工具上，開(kāi)始疊層，這一過(guò)程花了兩名技術(shù)人員近兩周的時(shí)間才完成。

在疊層中，預(yù)浸料坯形成了零件的腹板和凸緣。這些由編織的三維干“π”預(yù)制件連接在一起，因其與希臘字母π相似而得名。（編者按：Pi 預(yù)制件技術(shù)由總部位于得克薩斯州沃思堡的洛克希德馬丁公司開(kāi) 發(fā)，并在美國(guó)空軍和海軍資助的復(fù)合材料可承受性倡議（CAI-Composites Affordability Initiative ）項(xiàng)目下進(jìn)行了演示。這些預(yù)成型件由 Bally Ribbon Mills（Bally，Pa）和 Albany Engineered Composites（Rochester，N.H.）制 造。在垂直加勁肋腹板與梁翼緣或零件蒙皮相遇的任何地方，pi（pi 相當(dāng)希臘字母“π”）（預(yù)成型件的兩條腿都形成了一個(gè)接受腹板的槽，而垂直預(yù)成型件元件平放在水平凸緣或蒙皮上）。預(yù)成型件的作用是填充腹板和蓋或凸緣之間的半徑，為零件的眾多梁和框架提供所需的剛度和強(qiáng)度。

Milovich 說(shuō)，在組裝工具時(shí)，精密加工的工具插入件和細(xì)節(jié)壓縮并鞏固了每個(gè)預(yù)制件細(xì)節(jié)，形成了“凈斜邊”。在三向交叉處，預(yù)成型件在插入工具之前進(jìn)行手工切割，以形成斜接接頭。“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了斜接預(yù)成型交叉點(diǎn)的方法，以創(chuàng)建干凈且功能齊全的接頭。最大的好處是消除了邊緣修整的需要，并且在固化后大大減少了后續(xù)的零件加工。”

在連接儀器并在工具上抽真空后，以高壓釜指定的斜坡速率加熱壓機(jī)，并在斜坡過(guò)程中的停留期間注入樹(shù)脂。注射大約需要 45 分鐘，并且在大約 4 小時(shí)內(nèi)完成固化。Milovich 說(shuō)，通過(guò)在低于固化溫度約 70°F（21°C）的溫度下，在工具仍然熱的情況下拆除零件，可以緩解對(duì)鋁工具熱膨脹系數(shù)（CTE-coefficient of thermal expansion）問(wèn)題的任何擔(dān)憂。

從原型到程序

迄今為止，已有三個(gè)艙頂組件通過(guò) SQRTM 成功生產(chǎn)。由于匹配工具的嚴(yán)格公差，零件上的所有表面都顯示出嚴(yán)格的尺寸控制，在±0.005 英寸（±0.125 mm）以內(nèi)。固化后，只需對(duì)梁的邊緣和端部進(jìn)行輕微修整。因此，西科斯基公司正在考慮未來(lái)升級(jí)美國(guó)陸軍 UH-60 直升機(jī)平臺(tái)的技術(shù)，并計(jì)劃在其他項(xiàng)目中對(duì)該技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。

西科斯基并不是唯一一家對(duì) SQRTM 感興趣的航空航天主制造商。波音公司（華盛頓州西雅圖）最近發(fā)布了一份工藝規(guī)范，涵蓋了 SQRTM 工藝，在封閉成型工藝中使用BMS-8-276 增韌預(yù)浸料。Radius 報(bào)告稱，波音公司及其至少一家一級(jí)供應(yīng)商已經(jīng)測(cè)試了通過(guò) SQRTM 制造的面板、子元件和全尺寸零件，并發(fā)現(xiàn)其與熱壓罐加工等效。Milovich 總結(jié)道：“它正在被接受，并將引領(lǐng)其他應(yīng)用程序?qū)⒍鄠€(gè)零件集成到一個(gè)組件中，從而節(jié)省大量資源。”

END

注：原文見(jiàn)，《SQRTM enables net-shape parts》 2010.8.31 楊超凡 2023.8.16