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新的非熱壓罐工藝將樹脂傳遞模塑與預(yù)浸料相結(jié)合，用于復(fù)雜的直升機(jī)零件。
該凈形單元化組件由Radius工程公司（猶他州鹽湖城）制造，是作為SARAP（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)的旋翼機(jī)艙頂原型零件。 ~250 lb/~120 kg “格柵加勁”組件的底視圖顯示了其四根厚的整體縱梁和幾個(gè)較輕的垂直框架以及整體上蒙皮加勁件。
完工艙頂?shù)母┮晥D顯示了整體上蒙皮以及轉(zhuǎn)子變速器的開口和整體支架。艙頂?shù)拇笾鲁叽鐬?.5英尺×6.2英尺×1英尺（2.9米×1.9米×0.3米），與其他機(jī)身部件組合在一起（見第48頁照片）。艙頂部分為減少機(jī)身部件數(shù)量和重量的預(yù)期方法建模。
一個(gè)完整的SARAP機(jī)身原型，在直升機(jī)行業(yè)的貿(mào)易活動(dòng)展覽。SQRTM裝配式艙頂組件作為組件的一部分可見，其中還包括其他創(chuàng)新復(fù)合材料設(shè)計(jì)。據(jù)報(bào)道，西科斯基正在考慮未來直升機(jī)制造項(xiàng)目的SQRTM技術(shù)。
步驟1. 復(fù)雜艙頂零件的鋪層，如早期階段所示，包括在下半模上放置去空隙預(yù)浸料和干燥預(yù)制件（如步驟3所述）的組合。
步驟2. 艙頂蒙皮的預(yù)浸料鋪層已就位，將梁和垂直框架艙頂面的工裝嵌塊網(wǎng)格已同時(shí)就位。
步驟3. 這個(gè)特寫顯示了垂直和水平元素交叉處使用的“pi”預(yù)制件。在垂直加勁肋腹板與梁緣條或零件蒙皮相交的任何地方，pi預(yù)制件的兩個(gè)支
腿形成一個(gè)槽，接受腹板，而垂直預(yù)制件元件平放在水平梁緣條或蒙皮上。預(yù)制件用于填充腹板和蓋或緣條之間的半徑，用于零件的許多梁和框架。
步驟4. 已完成鋪層，已安裝多個(gè)工具鑲塊，并關(guān)閉模具。此時(shí)，使用與預(yù)浸料相同的樹脂進(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，開始治療。如圖所示，SQRTM能夠?qū)崿F(xiàn)更快的加工，因?yàn)閴簷C(jī)和工具的更大導(dǎo)熱系數(shù)允許更快的加熱和冷卻。RTM固化比熱壓罐循環(huán)短兩小時(shí)。
步驟6. 固化的艙頂部件從工具底座提起時(shí)顯示。工具左側(cè)可見加熱壓板壓力機(jī)，帶有焊接鋼上下襯墊，磨平至高公差，用于加熱和夾緊工具。
目前，非熱壓罐(OOA-out-of-autoclave)加工的趨勢(shì)是由制造商生產(chǎn)更大零件以幫助降低制造成本的競爭需求驅(qū)動(dòng)的。盡管在過去幾年中引入了許多OOA材料和方法，但很少有超過SQRTM的優(yōu)雅，SQRTM是同一合格樹脂傳遞模塑的縮寫。SQRTM由Radius Engineering Inc.(猶他州鹽湖城)開發(fā)，目前正在商業(yè)化過程中。SQRTM是一種封閉成型方法，將預(yù)浸料加工和液體成型相結(jié)合，以生產(chǎn)真正的凈形狀、高度統(tǒng)一的航空航天零件。簡言之，SQRTM設(shè)計(jì)用于在不使用熱壓罐的情況下生產(chǎn)熱壓罐質(zhì)量零件。
Radius工程公司總裁米特里耶·米洛維奇說：“在過去幾年中，復(fù)合材料航空航天部件的規(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，在復(fù)制合格熱壓罐工藝的同時(shí)提供顯著優(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全球鷹無人機(jī)(UAV)的翼尖擴(kuò)展。但迄今為止，最艱難的測試是一個(gè)極其復(fù)雜的整體式原型直升機(jī)座艙頂部，它是根據(jù)可生存可負(fù)擔(dān)可修復(fù)機(jī)身計(jì)劃(SARAP-Survivable Affordable Repairable Airframe Program )生產(chǎn)的，SARAP是西科斯基飛機(jī)（康涅狄格州斯特拉特福德）和美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)(AATD，F(xiàn)t.Eustis，Va.)之間的合作協(xié)議。SARAP機(jī)身的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造(SQRTM裝配式艙頂是其中的一個(gè)組成部分)實(shí)現(xiàn)了積極的重量減輕和成本降低目標(biāo)。在座艙頂部的成功工作幫助SARAP虛擬樣機(jī)和驗(yàn)證開發(fā)團(tuán)隊(duì)贏得了美國國際直升機(jī)協(xié)會(huì)2008年的Robert L.Pinckney獎(jiǎng)（以表彰杰出的波音制造工程師命名），該獎(jiǎng)項(xiàng)表彰了垂直飛行飛機(jī)或組件制造研發(fā)方面的顯著成就。
液態(tài)模塑+預(yù)浸料
SQRTM與標(biāo)準(zhǔn)樹脂傳遞模塑(RTM)的區(qū)別在于，它代替了干纖維預(yù)制件，代替了預(yù)浸料鋪層。預(yù)浸料層布置在模具內(nèi)，模具關(guān)閉，然后，有點(diǎn)違反直覺，液體樹脂注入到工具中。米洛維奇說：“這使得該工藝類似于讓熱壓罐工藝。”他指出，注入的樹脂與預(yù)浸料中使用的樹脂相同，因此，采用該工藝的人無需重新鑒定材料。
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，并使注射的樹脂能夠在約100 psi/6.89 bar的均勻流體壓力下沿整個(gè)零件邊緣填充所有空腔。“樹脂不是用來浸漬預(yù)浸料的，”米洛維奇解釋說，“只是為了在模具內(nèi)保持一個(gè)穩(wěn)定的靜水壓力。這個(gè)壓力保持揮發(fā)物和水蒸氣在溶液中，以防止空洞的形成。”
事實(shí)上，傳統(tǒng)的熱壓罐工藝有時(shí)使用高溫橡膠邊緣擋塊或其他材料作為疊層和裝袋的一部分，以防止樹脂在熱壓罐壓力下從預(yù)浸料中逸出——如果有足夠的樹脂擠出，層壓靜水壓下降，疊層內(nèi)樹脂中逸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，注入的加壓樹脂起到“流體壩”的作用，防止樹脂擠出，同時(shí)復(fù)制固化過程中熱壓罐的固化壓力。
Radius業(yè)務(wù)開發(fā)負(fù)責(zé)人湯姆·考林聲稱：“使用SQRTM比使用熱壓罐更容易控制層壓質(zhì)量，因?yàn)闃渲o水壓力直接由樹脂注射器控制，而不是取決于熱壓罐容器內(nèi)的變量和袋下層壓。”
為了適應(yīng)其SQRTM工藝，Radius設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)大型壓盤系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了高公差的焊接鋼磨平的上下支撐。當(dāng)加載的雙面工具放置在壓力機(jī)內(nèi)時(shí)，下部靠墊由一系列類似于消防軟管的氣囊支撐。
米洛維奇指出，在注射之前，袋子被充氣，迫使下?lián)u枕向上靠著工具和上搖枕，以優(yōu)化夾緊力。
考夫林說，上部和下部的墊子都是電加熱和水冷的，在治療過程中可以調(diào)節(jié)溫度。“如果一個(gè)工具有一個(gè)可變質(zhì)量，根據(jù)零件配置，一個(gè)區(qū)域比另一個(gè)區(qū)域厚，”他解釋說，“分區(qū)加熱允許壓機(jī)在完成工具的完整熱分布后，在較厚的區(qū)域施加更多的熱量，以便零件始終看到一致的熱循環(huán)。”
SQRTM與RTM類似，在工具上抽真空并加熱壓力機(jī)和工具。然而，對(duì)于SQRTM，在熱壓罐條件下，以與預(yù)浸料相同的升溫速率進(jìn)行加熱，并通過過程控制器注入樹脂，該控制器還監(jiān)控和調(diào)整壓力機(jī)溫度。另外，SQRTM工藝的獨(dú)特之處在于所使用的真空度，考夫林補(bǔ)充道，并指出Radius開發(fā)的真空泵可產(chǎn)生<0.5 mm/Hg的真空度，這“比標(biāo)準(zhǔn)車間泵所能產(chǎn)生的真空度更高”.
由于壓機(jī)和工具的較高熱導(dǎo)率允許更快的加熱和冷卻，因此SQRTM固化周期可比高壓釜周期短兩個(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裝控制，避免了真空裝袋過程中固有的潛在厚度變化。從完全浸漬、合格、增韌預(yù)浸料開始，消除了注射過程中出現(xiàn)干點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，并且需要通過液體樹脂將增韌劑引入零件。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)熱壓罐處理步驟，因此對(duì)客戶來說風(fēng)險(xiǎn)更小，舒適度更高。盡管這種工藝在某種程度上更適合平面型零件，米洛維奇說，SARAP艙室的艙頂表明，非常大的規(guī)模，復(fù)雜的零件在其范圍內(nèi)。
網(wǎng)格加筋零件的凈形狀
“我們的重點(diǎn)是凈形狀的部分，”米洛維奇說。“我們正在尋找集成多個(gè)零件的方法，以減少裝配勞動(dòng)、降低成本和重量。”這一理念推動(dòng)了SARAP項(xiàng)目SQRTM的開發(fā)，該項(xiàng)目側(cè)重于尋找創(chuàng)新方法，以減少結(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(阿拉巴馬州塔拉塞市)。Automated Dynamics制造了熱塑性復(fù)合材料下機(jī)身組件，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)證組件。
為了制艙屋頂組件，預(yù)浸料首先被切割成型，以形成大部分零件。艙頂組件中使用的預(yù)浸料為氰特的Cytec 5250-4，該預(yù)浸料是由于其與Cytec的5250-4液體RTM樹脂具有固有的化學(xué)兼容性而選擇的。
預(yù)浸/注射樹脂匹配是SARAP艙頂制品的一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)榈湫偷?span style="margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; color: rgb(55, 106, 204); --tt-darkmode-color: #376ACC;">SQRTM工藝有所改變，包括一些干紡織材料的灌注以及預(yù)浸料。西科斯基的機(jī)身開發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人湯姆·卡斯滕森指出，使用相同的基礎(chǔ)樹脂系統(tǒng)消除了對(duì)樹脂混合和可能導(dǎo)致的機(jī)械性能潛在變化的擔(dān)憂。
配套的單向碳/環(huán)氧膠帶和機(jī)織物預(yù)浸料在工具外部單獨(dú)去膠，以去除任何截留的空氣或樹脂濃度的局部區(qū)域-通常為材料規(guī)定的步驟。根據(jù)材料規(guī)范，將切割層鋪在加熱的平模胎板或工作臺(tái)上，裝袋并置于真空下。11層預(yù)浸料堆在達(dá)到基于所需減粘水平的最高溫度后約1小時(shí)內(nèi)減粘。然后將去毛刺的鋪層或“書本”轉(zhuǎn)移到工具上，開始鋪層，這一過程需要兩名技術(shù)人員將近兩周的時(shí)間才能完成。
在鋪層過程中，預(yù)浸料形成零件的腹板和凸緣。這些由編織的三維干燥“π”預(yù)制件連接，因其與希臘字母π相似而得名。這些預(yù)制件由Bally Ribbon Mills和Albany Engineered Composites制造。在垂直加勁肋腹板與梁翼緣或零件蒙皮接觸的任何地方，pi預(yù)制件的兩個(gè)支腿形成一個(gè)槽，接受腹板，而垂直預(yù)制件元件平放在水平翼緣或蒙皮上。預(yù)制件的作用是填充腹板和每個(gè)零件的眾多梁和框架的蓋或法蘭之間的半徑，提供所需的剛度和強(qiáng)度。
米洛維奇說，隨著工具的組裝，精密加工的工具嵌入件和細(xì)節(jié)壓縮并整合了每個(gè)預(yù)制件細(xì)節(jié)，形成了“凈斜邊”。在三向交叉處，在插入工具以形成斜接接頭之前，對(duì)預(yù)制件進(jìn)行手工切割。“我們開發(fā)了斜接預(yù)成型交叉點(diǎn)的方法，以創(chuàng)建干凈和功能性的接頭。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)零件加工。”
連接儀器并在工具上抽真空后，以熱壓罐規(guī)定的升溫速率加熱壓力機(jī)，并在升溫過程中停留期間注入樹脂。注射大約需要45分鐘，固化大約需要4小時(shí)。米洛維奇說，通過在低于固化溫度約70°F（21°C）的情況下，在工具仍然熱的情況下脫模零件，可以緩解鋁工具的熱膨脹系數(shù)問題。
從原型到方案
迄今為止，已成功使用SQRTM生產(chǎn)了三個(gè)艙頂組件。由于匹配工具的嚴(yán)格公差，零件上的所有表面顯示嚴(yán)格的尺寸控制，在±0.005英寸（±0.125 mm）范圍內(nèi)。固化后只需對(duì)梁的邊緣和端部進(jìn)行微調(diào)。因此，西科斯基正在考慮未來升級(jí)美國陸軍UH-60直升機(jī)平臺(tái)的技術(shù)，并計(jì)劃在其他項(xiàng)目中評(píng)估該技術(shù)。
西科斯基不是唯一對(duì)SQRTM感興趣的航空制造商。波音公司最近發(fā)布了涵蓋SQRTM工藝的工藝規(guī)范，使用BMS-8-276增韌預(yù)浸料進(jìn)行封閉成型。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)對(duì)通過SQRTM制造的面板、子元件和全尺寸零件進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其與熱壓罐處理相當(dāng)。米洛維奇總結(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。”。
編者按：可生存可負(fù)擔(dān)可修復(fù)機(jī)身計(jì)劃由航空應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)和西科斯基飛機(jī)公司根據(jù)第DAAH10-03-2-0003號(hào)技術(shù)投資協(xié)議提供部分資金。使用此信息并不意味著得到美國政府或陸軍部的認(rèn)可。
編后語
昨天發(fā)了一篇《客艙無窗戶的公務(wù)機(jī) -幻影3500》，很快就有同仁回微信表示，對(duì)此工藝感興趣。其中原昌飛負(fù)責(zé)復(fù)材龍國榮副總，希望進(jìn)一步了解細(xì)節(jié)。為此，將2010年一篇舊文，編譯出來，供同仁們學(xué)習(xí)、參考！
原文，《SQRTM enables net-shape parts》 2010.8.31
楊超凡 2025.7.1