Spintech在制造機翼和進氣道演示上使用其智能工具、干纖維預成型件和RTM/VARTM技術，顯著節省了成本和勞動力。

樹脂傳遞模塑碳纖維復合材料戰術飛機演示機翼

Spintech Holdings股份有限公司及其制造部門霍索恩復合材料公司（Hawthorn Composites）正在使用這種小型戰術無人機機翼等演示部件，以測試和驗證注入和預成型技術在更具成本效益的航空航天和國防部件中的應用。

多年來，預浸料和熱壓罐固化一直是航空航天和國防復合材料部件的常用技術。Spintech Holdings股份有限公司（Xenia，Ohio，U.S.）及其制造部門霍索恩復合材料（Hawthorn Composites，Xenia）正在努力證明，通過使用現有技術（如樹脂注入和編織干纖維預制件），可以以新的方式制造更具成本效益、勞動密集度更低的航空復合材料零件。

Spintech最初是從Cornerstone Research Group（美國俄亥俄州邁阿密斯堡）分拆出來的，專注于開發其創新的智能模具形狀記憶聚合物（SMP- shape memory polymer ）模具技術，該技術由可再成型的囊、莖或芯模組成，可重復使用多達100個生產周期。2010年公司成立后的頭幾年，Spintech主要由Spirit AeroSystems（美國堪薩斯州威奇托）資助，這使該公司能夠擴大其技術規模，以生產具有共固化框、長桁和蒙皮的單通道商用飛機機身。

2015年，Spintech擴展到更廣泛的航空航天市場，并于2016年調整了其智能工具技術的制造流程。Spintech Holdings股份有限公司總裁兼首席執行官克雷格·詹寧斯（Craig Jennings）表示：“我們從需要一套專用金屬模具來制造智能工具的RTM（樹脂轉移成型）工藝，到能夠使用真空輔助樹脂轉移模塑（VARTM- vacuum-assisted resin transfer molding）制造智能工具，并在循環之間使用同一套模具來改造智能工具。這減少了部署智能工具約40%的資本成本，因此從成本承受能力的角度來看，它確實為我們打開了一個更廣闊的市場。從那以后，我們一直在增長。”

除了智能工具，Spintech還擴展到最終用途組件的制造，最近成立的制造部門Hawthorn Composites以及與A&P Technology（美國俄亥俄州辛辛那提市）合作供應編織產品，與代頓大學研究所（美國奧州代頓市UDRI）合作開發和供應使用定制纖維放置或技術刺繡工藝制造的纖維預制件，進一步鞏固了這一舉措。

“樹脂注入并不是什么新鮮事，但這是航空航天工業現在以一種新的方式采用的技術，因為它們能夠在具有相同甚至更好性能的復合材料部件上實現大幅降價。”

在過去的幾年里，Spintech已經證明RTM和VARTM工藝，結合智能工具和使用自動化技術制造的干纖維預成型件，可用于航空航天、國防和其他市場中更具成本競爭力的最終用途組件。

詹寧斯說：“使用干式碳纖維包覆或定制纖維預成型件和樹脂注入，我們可以顯著降低材料成本和勞動力要求，并且與預浸料、熱壓罐固化部件相比，能夠以相同的重量提供相同的質量，在某些情況下甚至更低。我們認為這是未來十年市場的發展方向。”。“我們正在傾聽客戶的聲音，我們正在定位這個部門，以利用市場的發展方向和客戶的發展方向。”

迄今為止，Spintech已經證明了RTM和VARTM在各種部件上的成本效益，包括最近的飛機機翼和進氣道。

戰術無人機機翼：展示正壓RTM

步驟1. 智能工具用干燥的碳纖維套筒包裹。

多年來，Spintech一直為小型飛機和無人機（UAV）的預浸料、熱壓罐固化機翼和控制面提供智能工具解決方案。鑒于預浸料和熱壓罐固化的高成本，該公司認識到，這是一種可以將RTM與智能工具和編織預成型件相結合的應用。為了證明這項技術和工藝，Spintech最近根據用于全面客戶項目的設計建造了一個小型戰術無人機機翼演示器。該演示器也是大型飛機控制面的適當規模和復雜性。

機翼演示器的復合材料疊層

步驟2. 在RTM工具的下半部分，QISO織物層和包裹的智能工具被放置成對齊狀態。

為了制作機翼，首先，將兩層A&P的QISO準各向同性編織三軸織物鋪設在RTM工具的下半部分，形成下機翼蒙皮。三個智能工具包裹在A&P Technology提供的編織干碳纖維套管中，并固定在QISO織物層的頂部。為了制作機翼的后緣，將A&P供應的網狀面條預制棒（一種橫截面為三角形的編織繩）放入工具中。“下蒙皮和上蒙皮在網狀面條幾何形狀上結合在一起，

步驟3. 定制的“面條”預成型件被放置在智能工具之間的間隙內，并沿著零件的后緣。

Spintech Holdings股份有限公司總裁湯姆·馬格拉夫（Tom Margraf）表示：“我們有一個連續的產品，我們只需按長度切割并放入。”工具下半部分的QISO織物切割得足夠長，多余的部分可以折疊在面條區域，然后將兩層最上面的皮層蒙皮放在對齊的智能工具和后緣上完成上鋪。然后將上半模蓋在下半模上，密封并栓接在一起。接下來是中間密封板，其中包含孔，以便空腔貫穿三個智能工具。真空袋通過智能工具腔插入并密封到中間密封板上。隨后，添加壓板以密封模具。

步驟4. RTM工具已關閉并密封。

一旦RTM工具關閉并密封，就會抽真空，馬格拉夫說，“這為我們提供了一個密封的腔體，現在可以容納干燥的纖維預制棒。通過創造密封的環境，我們還可以在智能工具的內部施加正壓。這是市場上其他解決方案無法做到的一件非常獨特的事情。”

對于機翼演示器，智能工具內部施加了75 psi的壓力。在RTM過程中，智能工具處于熱彈性狀態，內腔壓力形成半剛性壁，以注入樹脂。馬格拉夫說：“只要我們保持20psi的壓差，使智能工具的內部始終比RTM壓力高20psi，我們就可以保證智能工具處于適當的位置，并且我們在層壓板上得到了良好的壓實。”。

步驟5. 真空袋被拉過智能工具并加壓。

他補充道：“智能工具的設計尺寸小于復合材料層壓板的體積系數，因此它們略小于實際的最終內模線零件定義。我們這樣做是為了降低RTM的力要求。”

注入過程在爐內進行，注入容器內的樹脂溫度升高到125°F，零件溫度加熱到176°F。注入后，溫度升至250°F進行零件固化（據說Smart Tools與高達375°F的固化溫度兼容），一旦干燥的纖維預制棒完全潤濕，工具內的樹脂入口就會關閉，使75 psi的內腔壓力能夠完全固化層壓板并排出多余的樹脂。

馬格拉夫說：“我們可以用熱壓罐式纖維體積創建低壓RTM工藝。”。“由于層壓板最初沒有變松，樹脂將比使用匹配金屬模具的傳統RTM工藝更容易流動和滲透到干燥的纖維預制棒中。”Spintech團隊在內部稱之為“反向熱壓罐效應”

步驟6. 該零件在霍索恩的工業規模烤箱內高溫注入。

系統成本節約來自使用烤箱而不是熱壓罐按，以及使用低壓RTM系統。馬格拉夫說：“我們不需要在RTM系統上達到200或400 psi；我們的大多數零件都是在50 psi或更低的正壓下注入的。我們不僅不使用熱壓罐，而且還使用了低壓RTM系統，從而大大降低了成本。”。

步驟7. 最后一部分從工具中提取出來。

詹寧斯（Jennings）補充道：“我們發現，僅材料節約就可能是購買預浸料制造相同零件的三分之一，而且還可以節省大量勞動力。”。“總的來說，這樣的節省很容易在零件總成本的20-50%范圍內。

步驟8. 然后可以對智能工具進行改造以供進一步使用。

這項技術也可用于其他通用航空部件。在2020年底和2021年初，Spintech使用RTM展示了一種制造多腔通用航空油箱的低成本方法。根據馬格拉夫的說法，用預浸料制造儲罐的成本約為每罐30000美元。通過使用智能工具和編織預成型件轉換為RTM，每罐的成本降低到約10000美元。他說：“與預浸料方法相比，我們采用這種方法的成本大約是三分之一，而且它是一個結構上等效的部件，實際上比預浸料部件輕約15%，因為我們能夠使用連續的編織物，而不是層壓和連接在一起的不連續的預浸料層。”。這種方法還將生產時間從大約一周縮短到不到一天。

VARTM用于商業化更具成本效益的進氣導管

Spintech還展示了VARTM用于內部成型線最重要的組件，從戰術無人機入口導管開始，該導管與機翼演示器一樣，基于該公司已經制造的預浸料/熱壓罐設計。據馬格拉夫介紹，霍索恩公司首先為其客戶制造了五個進氣管零件，使用碳纖維預浸料在Smart Tool上鋪設，并在熱壓罐中固化。然而，Spintech知道，改用樹脂注入的編織預成型件可以節省勞動力和材料成本，并想確切地知道節省了多少。“然后，我們自費使用VARTM進行了結構等效的編織部件的制造，然后分析了從預浸料到編織注入的轉換所節省的成本，”他說。

馬格拉夫解釋說，管道的預成型件是在A&P Technology辛辛那提工廠的編織機上預先制造成適當幾何形狀的。一旦交付給霍索恩公司，預成型件就會手工施加到芯模上。他說：“這是手工疊層，但它仍然可以節省大量時間，因為我們在一個預成型套筒中應用了一個覆蓋整個濕潤區域的完整編織層。我們在大約五分鐘內拉動并定位了一層，而用預浸料層壓板做同樣的工作需要兩個多小時，因為你可能有幾十塊單獨的預浸料來獲得與12k編織層相同的結構等效性。”

一個完成的進氣導管演示器（右）坐在其相應的智能芯模（左）旁邊。

客戶考慮了使用多件式鋁心模與智能工具解決方案，但僅在工具上節省的資金就減少了46%，從75000美元減少到40000美元。通過從預浸料到干纖維編織和浸漬的轉換，生產零件的接觸時間也減少了67%。馬格拉夫說，總體而言，每個零件的客戶成本將降低近50%。

2月1日，Spintech宣布，霍索恩公司已獲得Kratos Defense&Security Solutions股份有限公司（美國加州圣地亞哥）的制造合同，為XQ-58A Valkyrie無人機提供12個進氣道，使用智能工具、VARTM和編織預制件。

“最終，這項技術正在向多個不同的客戶和多個不同市場過渡，” 馬格拉夫說。“從通用航空油箱到大型戰術無人機零件，再到最終的商用飛機零件。”

航空復合材料的未來

Spintech團隊認為，這項技術是許多航空航天和國防部件的發展方向?，F有客戶已經報告稱，與傳統流程相比，成本降低了20-50%，因此大規模接受的目標似乎觸手可及。

詹寧斯（Jnenings）說：“當你考慮航空航天制造業的前沿技術時，樹脂注入并不是什么新鮮事，但這是航空航天業現在以一種新的方式采用的技術，因為他們能夠在具有相同甚至更好性能的復合材料零件上實現大幅降價。”。“最前沿的部分是自動化。我們現在有能力用編織預成型件和定制纖維放置等尚未被廣泛采用的自動化方法來實現這一點。自動化與低成本的干纖維和樹脂相結合，使一切變得不同。”

原文見，《 Braided preforms and resin infusion for next-generation aerocomposites 》 2021.5.18

美國空軍和俄亥俄州的復合材料團隊開發了S形飛機結構的新工藝。

在樹脂注入之前，顯示了一個11英尺長的進氣管預成型件，這是美國空軍研究實驗室（AFRL）計劃的一部分，該計劃旨在降低無人機系統的成本，如奎托斯防御與安全解決方案公司為美國空軍低成本可磨損打擊演示器計劃設計和制造的奎托斯XQ-58 Valkyrie（如圖所示），該計劃是AFRL低成本易損壞飛機技術項目組合下的一部分。

美國空軍2030年科技戰略的一部分包括大規模部署低成本無人機系統，以協助未來的作戰。為了實現這一愿景，必須確定新的制造策略，以支持以比目前使用傳統工藝更低的成本快速制造高質量的航空航天零件。

空軍研究實驗室（AFRL，美國俄亥俄州代頓）制造和工業技術部以及美國俄亥俄州Cornerstone研究集團（代頓）、A&P Technology（辛辛那提）和Spintech LLC（Xenia）的承包商團隊進行了研究，以量化用干纖維編織預制件和真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）代替傳統預浸料手工鋪層制造11英尺長的s形復合材料發動機進氣道的好處。

飛機發動機進氣管道提供恒定的空氣供應，以防止發動機壓縮機失速。進氣口必須產生盡可能小的阻力。氣流供應中的最小間隙可能會導致嚴重的發動機問題以及顯著的效率損失。如果進氣管要提供足夠的空氣和最小的湍流，它必須清潔無瑕。

S形進氣道的新型制造方法取代了在多件式鋼芯模上手工鋪疊預浸料，然后用自動包覆工藝進行熱壓罐固化，該工藝采用干纖維。非常重的多件式鋼芯模被輕質的單件式形狀記憶聚合物（SMP-shape-memory polymer）芯模所取代。干編織碳纖維使用VARTM與低成本環氧樹脂和烘箱固化加工成復合材料結構。

該團隊完成了對過沖結構的分析，以及SMP成型工具和SMP芯模的制造，SMP芯模在預成型件過沖過程中用作工具。由于S形進氣道的復雜幾何形狀，需要多次迭代來優化過沖機設置并最大限度地減少復合材料起皺。將制造總共四個進氣管道，并將傳統零件成本和生產時間與新設計進行比較。

AFRL制造和工業技術部低成本易磨損飛機技術倡議的制造負責人雷格·內斯倫克（Craig Neslen）表示：“我們認為，引入可重復使用的形狀記憶聚合物芯模以及自動過沖工藝和基于烤箱的VARTM復合材料固化將顯著降低成本和周期時間。量化制造效益和驗證結構完整性對于建立積極的商業案例以及說服設計師和制造商將新材料和工藝納入未來的低成本發動機進氣道設計至關重要。”

最終的進氣道將交付給美國空軍，以進一步整合到美國空軍研究實驗室航空航天系統局的補充機身設計和制造計劃中。航空航天飛行器部門將對集成編織機身和進氣道結構進行靜態地面測試。

“雖然我們還沒有確定磨損公差對設計標準以及由此使用的制造材料和工藝的所有影響，但我們確實有一個強度和剛度閾值要求的基線，我們將通過全尺寸機身地面測試進行評估，”航空航天部的航空航天工程師雷·費舍爾（Ray Fisher）說。

AFRL是美國空軍的主要科學研究和開發中心。它在為我們的空中、太空和網絡空間部隊發現、開發和整合負擔得起的作戰技術方面發揮著不可或缺的作用。AFRL在全球9個技術領域和40個其他業務部門擁有11000多名員工，提供從基礎到高級研究和技術開發的多樣化科學技術組合。

原文見，《 AFRL evaluates braiding, SMP tooling and VARTM for lower-cost future engine inlet ducts 》 2020.4.3

注：導彈殼體

編譯者寄語

形狀記憶聚合物（SMP-shape-memory polymer）芯模是近十多年來，研發較成功的一種特殊工藝。目前還處于專利、商業保密階段。對我們復材制造企業的應用，還需要進一步開發研究。但是，對翼面類組件，如襟翼、副翼、擾流板，可以用金屬芯模制造多梁（多腔）結構。多梁（多腔）結構顯然易見，零件數量少、連接件少、重量輕。由此聯想到C929。如果C929的襟翼、副翼、擾流板也用多梁（多腔）結構，無疑C929在這一點上超過空客A350了。