韓國(guó)航空宇宙產(chǎn)業(yè)公司（KAI）是韓國(guó)最大、業(yè)務(wù)最全面的航空航天制造商。KAI總部位于泗川，于1999年由三星航空航天公司、大宇重工航空航天部門以及現(xiàn)代宇宙航空公司合并而成。KAI設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)并制造軍用及商用飛機(jī)，提供飛機(jī)維護(hù)和升級(jí)服務(wù)，并為空客公司、波音公司、巴西航空工業(yè)公司、貝爾直升機(jī)公司、以色列航空航天工業(yè)公司、Aernnova和柯林斯宇航公司提供零部件。KAI還設(shè)計(jì)制造無(wú)人機(jī)以及衛(wèi)星及太空發(fā)射運(yùn)載工具所需的部件。

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KAI于2019-2023年間成功制造了多個(gè)大型的熱塑性復(fù)合材料(TPC)和液態(tài)樹(shù)脂成型、非熱壓罐制造的演示件，并持續(xù)開(kāi)展研發(fā)，以提升其作為全球一級(jí)供應(yīng)商的專業(yè)能力，高產(chǎn)率地制造下一代單通道飛機(jī)和eVTOL所需的復(fù)合材料機(jī)體

KAI穩(wěn)步提升了其專業(yè)能力，已經(jīng)能夠規(guī)模化地制造大型復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)，包括：與洛克希德·馬丁公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了T-50超音速戰(zhàn)斗機(jī)，KAI負(fù)責(zé)制造了該機(jī)的尾翼和各類操控面板；KUH Surion直升機(jī)，在該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)重量中，有超過(guò)30%的結(jié)構(gòu)采用了復(fù)合材料，KAI制造了復(fù)合材料的尾梁和旋翼葉片。韓國(guó)的KF-21 Boramae戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目，標(biāo)志著KAI公司在戰(zhàn)斗機(jī)的關(guān)鍵復(fù)合材料部件（包括機(jī)翼、尾翼和機(jī)身面板）上，實(shí)現(xiàn)了具備完全自主設(shè)計(jì)和分析能力的跨越。

作為空客和波音全球供應(yīng)鏈的一部分，KAI針對(duì)機(jī)翼和機(jī)體組件開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化的纖維鋪放（AFP）和先進(jìn)的熱壓罐固化技術(shù)。該公司還投資使用了樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）工藝，并開(kāi)始研究其他非熱壓罐（OOA）工藝以及熱塑性復(fù)合材料（TPC）相關(guān)技術(shù)。得益于其世界一流的制造和研發(fā)設(shè)施，該公司繼續(xù)在其各大業(yè)務(wù)板塊中推進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用。

一個(gè)關(guān)鍵例子是，KAI于2019-2023年間開(kāi)發(fā)了一個(gè)3米高、2米寬的TPC機(jī)身段，包括AFP蒙皮、連續(xù)模壓成型（CCM）的桁條、沖壓成型的夾板、采用回收材料模壓成型的窗框，以及采用感應(yīng)焊接和電阻焊接實(shí)現(xiàn)的組裝。該公司還剛剛展示了一個(gè)1.5米長(zhǎng)、采用感應(yīng)焊接技術(shù)制造的TPC翼面控制舵面。

在于2019-2023年開(kāi)展的另一個(gè)項(xiàng)目中，KAI探索了OOA結(jié)構(gòu)，包括采用樹(shù)脂灌注工藝一體成型的一個(gè)4.1米×1.5米的帶有縱向加強(qiáng)筋的彎曲機(jī)翼蒙皮段，以及采用樹(shù)脂灌注和相同資質(zhì)的RTM（SQRTM）工藝制造的扭力箱示范件。

與空客主導(dǎo)、多家合作伙伴參與的項(xiàng)目（如MFFD和明日之翼）類似，KAI已完成了這些研發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)是探索相較于傳統(tǒng)復(fù)合材料，可能達(dá)到怎樣的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)成熟度。“我們已獲得韓國(guó)政府的支持，旨在進(jìn)一步提升我們作為一級(jí)供應(yīng)商的能力、專業(yè)知識(shí)和市場(chǎng)地位，以實(shí)現(xiàn)下一代單通道客機(jī)和電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）所需的機(jī)體結(jié)構(gòu)的大規(guī)模量產(chǎn)。”KAI的材料與工藝團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Min Hwan Song博士表示。

TPC機(jī)身演示件

“我們開(kāi)發(fā)這個(gè)演示件的目標(biāo)，是為將來(lái)在飛機(jī)上可能應(yīng)用TPC結(jié)構(gòu)做好技術(shù)儲(chǔ)備，并拓寬OEM的選擇范圍。”Song表示。為此，KAI與韓國(guó)的制造商、研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)展開(kāi)了合作，同時(shí)也得到了荷蘭皇家航空航天中心（簡(jiǎn)稱NLR，Marknesse）的協(xié)助，并借助了東麗先進(jìn)復(fù)合材料公司（簡(jiǎn)稱TAC，荷蘭奈維爾達(dá)爾）的專業(yè)知識(shí)，采用了其TC1225碳纖維預(yù)浸料，該預(yù)浸料由威格斯（英國(guó)克利夫利斯）的LMPAEK聚合物制成。

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KAI對(duì)TPC機(jī)身面板演示件的研制始于對(duì)蒙皮的制造

“我們選用這種材料，是因?yàn)榕cPEEK和PEKK相比，它在制造主承力結(jié)構(gòu)時(shí)所需的加工溫度相對(duì)較低。”KAI的TPC高級(jí)研發(fā)工程師Haedong Lee說(shuō)道，“由于TPC的屬性，較高的加工溫度使得確定工藝窗口變得較為困難。此外，還會(huì)延長(zhǎng)加工時(shí)間，并因輔助材料的劣化和模具的熱膨脹而難以穩(wěn)定質(zhì)量。”該項(xiàng)目首先開(kāi)發(fā)了一個(gè)寬1.3米、高1.0米的技術(shù)準(zhǔn)備部件(TRP)，其中包含兩根桁條、3個(gè)框架和兩個(gè)窗框，目的是，在制造最終的演示件之前，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并確定工藝參數(shù)。尺寸的選擇是基于現(xiàn)有設(shè)備和預(yù)算而確定的。

AFP蒙皮+固結(jié)

NLR使用其配備的Coriolis Composites（法國(guó)魁文）的AFP機(jī)器和0.25英寸寬的單向帶，完成了機(jī)身蒙皮的AFP鋪放和固結(jié)。“我們?cè)u(píng)估了熱壓罐、烘箱和原位固結(jié)工藝，淘汰了后者，因?yàn)楹笳叩匿亴铀俣嚷覂?nèi)部孔隙率高，而高孔隙率問(wèn)題又需要通過(guò)加熱模具來(lái)緩解熱應(yīng)力才能得到解決。”Song說(shuō)道，“為生產(chǎn)更具行業(yè)挑戰(zhàn)性和成本競(jìng)爭(zhēng)力的部件，我們選用了烘箱固結(jié)工藝，并實(shí)現(xiàn)了與熱壓罐固化樣品相當(dāng)或相近的孔隙率水平。”

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KAI對(duì)TPC機(jī)身面板演示件的研制始于對(duì)蒙皮的制造

“由于熱塑性樹(shù)脂的黏度高，在僅使用1個(gè)大氣壓的真空袋(VBO)烘箱固化工藝中，控制大型(3米×2米)蒙皮內(nèi)部的孔隙是最具挑戰(zhàn)性的部分。”Lee說(shuō)道， “隨著蒙皮厚度和尺寸的增加，出現(xiàn)孔隙的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。”為此，KAI優(yōu)化了袋裝材料的布置——特別是在蒙皮的內(nèi)模線(IML)和外模線(OML)上，都鋪放了脫模布——并在AFP過(guò)程中將鋪層的邊緣做成階梯狀，以便揮發(fā)物從邊緣逸出。

KAI還采用了兩步固結(jié)法，完成時(shí)間<7小時(shí)。“首先在285℃下保溫，以使預(yù)制件和模具整體達(dá)到均勻的溫度。”Song說(shuō)道，“這能使整個(gè)預(yù)制件均勻熔化，從而在355℃的溫度下進(jìn)行最終保溫之前，減少滯留在內(nèi)部的空氣。”固結(jié)周期由TAC推薦，同時(shí)由TAC推薦的還包括來(lái)自Airtech International公司（美國(guó)加利福尼亞亨廷頓海灘）的以下袋壓材料：A8003G粘性膠帶、Release Ease 234 TFP剝離層、UHT Airweave風(fēng)格的US7781玻纖透氣材料以及Thermalimide 牌 50微米厚的真空袋膜。同時(shí)，還使用了一塊鋁制模板，以及UBE Corp.（日本東京）的Upilex耐熱聚酰亞胺脫模薄膜。

對(duì)于鋪層和固結(jié)模具，KAI希望使用Kovar，這是一種熱膨脹系數(shù)(CTE)極低的鐵-鎳-鈷合金，與鐵鎳合金Invar相似。然而，在項(xiàng)目計(jì)劃時(shí)間內(nèi)，很難獲得與機(jī)身蒙皮表面積一樣大的Kovar合金材料。“所以，我們獲得了4塊Kovar合金并將它們焊接在一起。”Lee說(shuō)道，“在高溫爐內(nèi)進(jìn)行固結(jié)的過(guò)程中，存在真空泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，但在NLR的技術(shù)支持下，我們成功地使用了該模具，并未出現(xiàn)任何重大問(wèn)題。”

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用于制造TPC蒙皮的鋪層與固結(jié)模具由4塊Kovar合金焊接而成（左），此外，還使用了一個(gè)金屬框架，用于豎直定位成型后的蒙皮，以便利用結(jié)構(gòu)藍(lán)光掃描儀進(jìn)行檢測(cè)（右）

在設(shè)計(jì)該模具時(shí)，考慮并加入了補(bǔ)償措施，用于抵消因模具與部件之間的CTE差異以及冷卻期間內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的部件變形。“這意味著實(shí)際用于鋪層和固結(jié)的模具，其形狀與最初的CAD模型不符。因此，該模具不適合用作OML檢測(cè)工具來(lái)驗(yàn)證最終部件是否發(fā)生了變形。”Lee說(shuō)道。

為了解決大型曲面部件在平放檢測(cè)時(shí)因自重而變形的問(wèn)題，KAI制作了一個(gè)具有精確曲率的金屬支撐框架，并將該框架安裝在一種被稱為“鴨腳”的直立支撐裝置上，這樣，就可以豎直固定部件以便進(jìn)行檢測(cè)。每隔300毫米，對(duì)蒙皮施加4.5公斤的載荷——這是復(fù)合材料行業(yè)幾十年來(lái)一直采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，用以確保其與檢測(cè)框架緊密接觸。使用ATOS 5(蔡司，德國(guó)奧伯科亨)結(jié)構(gòu)藍(lán)光掃描儀對(duì)IML表面進(jìn)行計(jì)量掃描，顯示效果良好，而塞尺檢測(cè)顯示，金屬框架與OML表面之間的間隙幾乎為零。

蒙皮制造的成功，體現(xiàn)在3個(gè)方面，包括：30米/分鐘的快速鋪層速度、通過(guò)無(wú)損檢測(cè)(NDI)和破壞性檢測(cè)(包括DSC)而得到驗(yàn)證的<1%的孔隙率，以及足夠的結(jié)晶度。“我們確認(rèn)，對(duì)于較薄的結(jié)構(gòu)，采用AFP結(jié)合烘箱固結(jié)是替代熱壓罐工藝的可行方案。”Song說(shuō)道，“然而，對(duì)于較厚的結(jié)構(gòu)，熱壓罐固結(jié)提供了更高的壓力，可以有效消除空隙和孔隙。對(duì)于機(jī)身蒙皮，我們?cè)诖皯糁車鷳?yīng)用了40層復(fù)合材料，效果很好。因此，我們將以此為基礎(chǔ)，通過(guò)更多的測(cè)試，弄清楚到底用多少層才是最優(yōu)化、最經(jīng)濟(jì)的方案。”

CCM桁條

Song表示，連續(xù)模壓成型(CCM)工藝非常適合制造像桁條這類的部件。然而，用于最終演示件的歐米伽形狀的桁條，需要按照45、0、-45、90、45、0、0、-45、90、-45、0、45的順序鋪放12層。“這需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的0°鋪放的UD料卷進(jìn)行再加工，按+/-45°和90°進(jìn)行切割，縫合焊接后，將具有新的纖維方向的材料卷成新的料卷。這會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。”他解釋道，“如果材料供應(yīng)商能以預(yù)制卷材的形式提供這些材料，那么CCM在生產(chǎn)效率上就具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但其競(jìng)爭(zhēng)力依然存疑，因?yàn)檫@種材料的預(yù)計(jì)價(jià)格會(huì)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱固性預(yù)浸料。”

為了生產(chǎn)12根1.9米長(zhǎng)的桁條，KAI決定避免在材料制備上浪費(fèi)時(shí)間，而是采用點(diǎn)焊，將12英寸寬的UD帶制成平板，然后，由韓國(guó)紡織開(kāi)發(fā)研究所(韓國(guó)大邱)使用Teubert(德國(guó)布倫貝格)的CCM機(jī)器來(lái)成型這些平板。

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采用連續(xù)模壓成型（CCM）工藝制造12根1.9米長(zhǎng)的桁條，再將這些桁條焊接到最終的TPC蒙皮上

Lee表示，早期，由于CCM壓機(jī)的加熱區(qū)溫度不足以及結(jié)晶不充分，導(dǎo)致沿厚度方向產(chǎn)生了裂紋。CCM設(shè)備的壓制區(qū)域有一個(gè)加熱區(qū)，負(fù)責(zé)加熱、成型（同時(shí)保溫）和冷卻（凝固）。他解釋說(shuō)：“如果冷卻速度過(guò)快，熱塑性樹(shù)脂就無(wú)法完全結(jié)晶，當(dāng)成型壓力被施加到處于冷卻區(qū)的部件上時(shí)，就可能在部件的厚度方向上產(chǎn)生裂紋。這些問(wèn)題是在制造小型TRP演示件的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并解決的。通過(guò)優(yōu)化加熱區(qū)溫度，我們最終實(shí)現(xiàn)了100%的結(jié)晶，并成功消除了1.9米長(zhǎng)桁條的裂紋問(wèn)題。基于對(duì)成型和冷卻過(guò)程中變形情況的分析，我們還在模具中加入了補(bǔ)償設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了<1%的孔隙率、近乎恒定的厚度和精確的幾何形狀。”

沖壓成型的框架和角片

Song表示，在具備適合的大型壓機(jī)的前提下，沖壓成型是生產(chǎn)中大型TPC部件（約3米）最可靠的工藝。KAI使用其自主研發(fā)的1000千牛壓機(jī)（壓板尺寸為500毫米×500毫米）來(lái)制造小型夾板（長(zhǎng)寬高尺寸為120毫米、30毫米和60毫米），并使用其350-4000千牛的Langzauner（奧地利Lambrechten）壓機(jī)（壓板尺寸為2000毫米×1000毫米）來(lái)制造較長(zhǎng)的夾板（長(zhǎng)寬高尺寸為680毫米、30毫米和60毫米）和框架（長(zhǎng)寬高尺寸為1200毫米、50毫米和60毫米）。

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KAI沖壓成型了用于TPC機(jī)身面板演示件的框架和夾板（圖片來(lái)源：KAI）

由框架內(nèi)張緊裝置固定的UD TC1225帶層壓板，在紅外線烘箱中預(yù)熱后，由機(jī)器人轉(zhuǎn)移到壓機(jī)中。最初制造的TRP部件驗(yàn)證了“變形補(bǔ)償”模具的有效性，同時(shí)，通過(guò)利用AniForm軟件（AniForm Engineering，荷蘭恩斯赫德）進(jìn)行成型分析，以及通過(guò)優(yōu)化鋪層設(shè)計(jì)和張緊裝置，減少了成型過(guò)程中產(chǎn)生的褶皺問(wèn)題。最終，制成了4個(gè)用于最終演示件的1.5米長(zhǎng)的框架，以及更復(fù)雜的雙折疊L型角片。所有這些部件都擁有58%-60%的纖維體積含量（FVF）、足夠的結(jié)晶度和恒定的厚度，孔隙率<0.1%。

“最困難的部分是為制造大型曲面框架開(kāi)發(fā)沖壓成型工藝。為了能放入壓機(jī)中成型，每個(gè)框架都被分成3個(gè)部分來(lái)制造，然后通過(guò)緊固件組裝成一個(gè)完整的部件。”Lee說(shuō)道，“但是，在沖壓成型過(guò)程中，用于制作這些部件的典型的準(zhǔn)各向同性疊層，可能導(dǎo)致內(nèi)部纖維發(fā)生褶皺。我們發(fā)現(xiàn)，過(guò)去在進(jìn)行AFP鋪層時(shí)，必須使用纖維轉(zhuǎn)向技術(shù)，而在此項(xiàng)目中，我們通過(guò)優(yōu)化張力解決了這一問(wèn)題。”

模壓成型回收材料

KAI希望探索利用回收的邊角料和加工廢料來(lái)制造零部件，為此設(shè)計(jì)了可用于機(jī)身模塊的600毫米×450毫米的窗框，以此作為該理念的示范項(xiàng)目。制造蒙皮、桁條、框架和夾板時(shí)產(chǎn)生的TC1225 UD廢料被收集起來(lái)并切碎。

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將蒙皮、桁條、框架和夾板制造過(guò)程中產(chǎn)生的廢料切碎并篩分成大約1英寸長(zhǎng)的碎片，與純樹(shù)脂混合后擠出，然后放入匹配的模具中，模壓成型成窗框。

“我們本想使用1英寸長(zhǎng)的纖維來(lái)獲得更高的力學(xué)性能，并嘗試在切碎過(guò)程中對(duì)此長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)控，但最終得到的纖維仍存在長(zhǎng)短不一的情況。”Lee說(shuō)道，“我們使用篩網(wǎng)獲得了相對(duì)均勻的碎片，然后在高溫下將其與LMPAEK純樹(shù)脂顆粒混合在一起，以增強(qiáng)其可成型性。擠出的混合物隨后被放入匹配的模具中進(jìn)行模壓成型。”

“盡管這種混合材料在模內(nèi)的分布相對(duì)不均勻，但較高的樹(shù)脂含量使得模具型腔能夠被完全填充。”Song說(shuō)道，“樹(shù)脂含量較低的區(qū)域會(huì)增加表面缺陷，并降低纖維的可擴(kuò)散性，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部纖維體積含量（FVF）存在差異。”盡管如此，KAI仍成功地成型出孔隙率<0.1%、結(jié)晶率達(dá)100%、平均FVF 達(dá)30%的部件。

機(jī)身組裝

組裝工作從將桁條感應(yīng)焊接到機(jī)身蒙皮上開(kāi)始。KAI采用了來(lái)自Ambrell（美國(guó)紐約州羅切斯特）的10千瓦感應(yīng)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)與一個(gè)自主研發(fā)的機(jī)械臂集成在一起。“我們最初是與NLR合作，旨在探索使用織物有機(jī)片材和單向帶兩種材料，但為使用這種帶材而設(shè)計(jì)并優(yōu)化感應(yīng)加熱線圈卻更具挑戰(zhàn)性。”Lee說(shuō)道。

“焊接過(guò)程中，我們用滾輪施壓，但很難將其定位在感應(yīng)加熱熔融界面的精確位置。”他繼續(xù)說(shuō)道，“我們還用空氣來(lái)冷卻感應(yīng)線圈旁的復(fù)合材料表面，因?yàn)檫@里容易過(guò)熱。我們?cè)诟袘?yīng)焊接的界面上實(shí)現(xiàn)了快速的加熱和冷卻，但這種冷卻卻阻礙了充分結(jié)晶，導(dǎo)致變形。為此，我們?cè)诤附幽＞咧惺褂眉訜嵬瞾?lái)減緩冷卻速度。”

為了組裝框架，KAI采用電阻焊接將長(zhǎng)夾板固定到蒙皮上，同時(shí)使用一種航空航天領(lǐng)域使用的環(huán)氧膏狀粘合劑將小角片（雙折、L型和拼接件）粘接到機(jī)身蒙皮和框架上，然后使用機(jī)械緊固件將窗框固定好。

圖片來(lái)源：KAI

TPC演示件的組裝始于將桁條（圖中藍(lán)色）感應(yīng)焊接到蒙皮上（上圖）。感應(yīng)焊接頭（上右）使用了多個(gè)滾輪和空氣冷卻（藍(lán)色管）。將長(zhǎng)的夾板電阻焊接到蒙皮上，而雙折夾、L形夾和拼接件則采用粘接的方式。

在這兩種焊接工藝中，KAI通過(guò)精確控制焊接接頭及周圍層壓材料的溫度，來(lái)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度焊接，同時(shí)避免材料性能的下降，這包括解決邊緣效應(yīng)問(wèn)題以及減少未焊接的區(qū)域。“對(duì)于桁條，在25.4毫米的總寬度中，大約有17毫米的寬度采用了感應(yīng)焊接工藝，并且在單搭接剪切測(cè)試中達(dá)到了25兆帕的強(qiáng)度。超聲波C掃描結(jié)果顯示，該焊接接頭的超聲衰減較低，完整性良好。”Lee說(shuō)道。

“通過(guò)改進(jìn)施壓方法和其他技術(shù)環(huán)節(jié)，我們現(xiàn)在能夠在不使用susceptor或樹(shù)脂膜的情況下，僅通過(guò)感應(yīng)焊接就實(shí)現(xiàn)32-35兆帕的焊接強(qiáng)度。”他指出。KAI目前還沒(méi)有嘗試過(guò)在已裝有金屬網(wǎng)狀雷擊防護(hù)層(LSP)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行感應(yīng)焊接。對(duì)于該演示件，LSP是在感應(yīng)焊接之后被添加的。“但這是我們正在研究的一項(xiàng)工作，同時(shí)我們也在探索一種可能性：通過(guò)在成型部件的外層放置一層碳纖維織物，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回收部件的感應(yīng)焊接組裝。”Lee說(shuō)道。

機(jī)翼蒙皮演示件

KAI的第二個(gè)主要項(xiàng)目使用液態(tài)樹(shù)脂成型技術(shù)來(lái)制造機(jī)翼蒙皮和扭力箱結(jié)構(gòu)。他們同樣利用TRP研究原型來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷并優(yōu)化工藝參數(shù)。對(duì)于機(jī)翼蒙皮演示件，將1.5米×1.2米的TRP放大為4.1米×1.5米，并且蒙皮的幾何形狀和曲率更為復(fù)雜。

圖片來(lái)源：KAI

KAI的機(jī)翼蒙皮模塊演示件：采用AFP將干纖維單向帶鋪放成預(yù)定的形狀，分別制作出蒙皮和桁條的坯料，然后熱懸垂成型出L型的桁條預(yù)成型件，對(duì)組裝好的蒙皮-桁條疊層進(jìn)行樹(shù)脂灌注，生產(chǎn)出最終的一體化結(jié)構(gòu)。

與“明日之翼”項(xiàng)目使用的無(wú)卷曲織物（NCF）不同，KAI選擇使用了AFP鋪放干帶材的工藝。“這使我們能夠生產(chǎn)出具有競(jìng)爭(zhēng)力的原型，與NCF預(yù)制件相比，最大程度地減少了材料消耗。”Song說(shuō)道，“對(duì)于該演示件，我們借助了一架15.3米單通道飛機(jī)的主翼外形，選擇了一個(gè)代表性翼段來(lái)捕捉關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，包括貫穿的蒙皮桁條、短于蒙皮的桁條以及檢查口蓋。”

經(jīng)過(guò)評(píng)估和分析，KAI選用了赫氏（美國(guó)康涅狄格州斯坦福）的HiTape UD帶和HexFlow RTM6-2環(huán)氧樹(shù)脂。AFP鋪放0.25英寸寬的帶材，速度為0.6米/秒。桁條的制作始于采用熱懸垂成型（HDF）設(shè)備將AFP坯料成型為預(yù)制件。“該系統(tǒng)是通過(guò)KAI的模具及固定裝置合作伙伴開(kāi)發(fā)的。”Lee說(shuō)道，“它位于烘箱內(nèi)，使用可重復(fù)使用的硅膠膜，一旦達(dá)到特定的烘箱溫度，就施加真空壓力。”

這些桁條在120℃下預(yù)成型15分鐘，然后與AFP蒙皮組裝在一起。“為了確保桁條定位準(zhǔn)確，將導(dǎo)模分別安裝在根部和尖端部分。”Song解釋道，“為了確定較短桁條的初始位置，除了根部段的導(dǎo)模外，還專門制作并使用了一個(gè)單獨(dú)的夾具。”

烘箱內(nèi)的樹(shù)脂灌注

用真空袋封裝好已完成的蒙皮-桁條組件，準(zhǔn)備進(jìn)行樹(shù)脂灌注。“要克服樹(shù)脂浸潤(rùn)不足的問(wèn)題，關(guān)鍵是從一開(kāi)始就要確定好樹(shù)脂入口和出口的設(shè)計(jì)與容量，以及整個(gè)灌注系統(tǒng)的總體設(shè)置。”Song指出，“另一個(gè)關(guān)鍵因素是樹(shù)脂制動(dòng)——即從無(wú)流動(dòng)介質(zhì)的部件最大包絡(luò)線（MEOP）末端算起的一段長(zhǎng)度，來(lái)控制樹(shù)脂的面內(nèi)流量。其他關(guān)鍵因素包括所用流網(wǎng)層數(shù)和模具表面粗糙度，這兩者都影響樹(shù)脂流動(dòng)。”

灌注和固化均在烘箱中進(jìn)行。“我們這樣做是為了確保溫度分布均勻，因?yàn)闃?shù)脂黏度對(duì)溫度非常敏感。”Lee說(shuō)道，“樹(shù)脂進(jìn)料管采用了耐熱材料，并整合了一根銅管以增強(qiáng)其耐熱性。”首先在120±5℃下加熱120分鐘，讓樹(shù)脂充分滲透和浸潤(rùn)，然后在180±5℃下實(shí)現(xiàn)固化，無(wú)需后固化步驟。

該部件取得了成功，這使KAI能夠積累專業(yè)知識(shí)，將模擬結(jié)果與實(shí)際樹(shù)脂流動(dòng)和工藝時(shí)間進(jìn)行比較，并將上述結(jié)果與OEM提出的生產(chǎn)率要求進(jìn)行比對(duì)和評(píng)估。

采用灌注和SQRTM制成的扭力箱

該項(xiàng)目的下一階段包括制造兩個(gè)多翼梁扭力箱演示件，這些演示件是基于某大型飛機(jī)水平尾翼的設(shè)計(jì)方案制作而成的。兩個(gè)演示件均由兩塊蒙皮和4根梁（扭力箱內(nèi)的主承載加強(qiáng)件與僅用于加強(qiáng)蒙皮的桁條）組成，一個(gè)采用樹(shù)脂灌注工藝制成，另一個(gè)采用SQRTM工藝制成，后者從預(yù)浸料鋪層而非干纖維預(yù)成型件開(kāi)始，并通過(guò)RTM工藝向匹配的模具中注射與預(yù)浸料相同的樹(shù)脂。

正如《復(fù)合材料世界》2010年發(fā)表的一篇文章所解釋的：在此工藝中，樹(shù)脂的主要作用不是浸透預(yù)浸料，而是為了在模內(nèi)形成一個(gè)均勻的壓力環(huán)境。結(jié)果是使用已獲得航空航天領(lǐng)域認(rèn)證的材料制成了一個(gè)高質(zhì)量的部件。

“我們能夠比較結(jié)果，并評(píng)估每項(xiàng)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。”Song說(shuō)道，“我們還針對(duì)每項(xiàng)工藝優(yōu)化了扭力箱的形狀、成本和交貨時(shí)間，并獲得了有關(guān)質(zhì)量、生產(chǎn)時(shí)間和成本的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。”

圖片來(lái)源：KAI

KAI采用樹(shù)脂灌注工藝制造扭力箱演示件的工藝步驟，包括：對(duì)蒙皮-梁層壓組件進(jìn)行雙重真空袋封裝，以及采用該公司特有的“爐內(nèi)樹(shù)脂灌注”工藝。

采用樹(shù)脂灌注工藝制造的扭力箱長(zhǎng)5.3米，寬0.9米，使用了A&P Technology（美國(guó)俄亥俄州辛辛那提）提供的QISO三軸編織織物。“這一選擇始于對(duì)編織預(yù)制件及其特性的研究。”KAI的SQRTM高級(jí)研究工程師Seung-su Woo介紹說(shuō)。由于單組分RTM 6樹(shù)脂受到危險(xiǎn)品運(yùn)輸限制，KAI采用了雙組分的HexFlow RTM6-2。赫氏公司聲稱，其材料具有相同的化學(xué)成分和性能，但Woo指出，RTM6-2確實(shí)需要額外的預(yù)處理、預(yù)熱和混合步驟。

將材料切割后，由人工將其鋪放到模具上。首先采用HDF預(yù)成型翼梁，然后將蒙皮/梁組件放入真空袋。“樹(shù)脂灌注的一個(gè)缺點(diǎn)是泄漏風(fēng)險(xiǎn)高。”Woo說(shuō)道，“為了解決這一問(wèn)題，我們采用了一種名為雙重袋裝(double bagging)的技術(shù)。我們先應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的真空袋材料，然后是袋膜，以形成第一真空袋，然后再使用透氣材料和第二層袋膜，以形成第二真空袋。這樣，即使第一個(gè)袋子漏氣，第二個(gè)袋子也能維持真空壓力，從而有效消除了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。”

將雙重袋裝的疊層放入烘箱中，然后灌注樹(shù)脂。RTM6-2經(jīng)脫氣處理后，將其注射到干的預(yù)成型件上，此時(shí)模具溫度為95-100℃，樹(shù)脂溫度為90-95℃，灌注時(shí)間為70-80分鐘，固化時(shí)間為120分鐘，固化溫度180±5℃。

該結(jié)構(gòu)被成功制成，并通過(guò)超聲波C掃描檢測(cè)、層壓板中的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度驗(yàn)證及固化度測(cè)試而確認(rèn)了其質(zhì)量合格。使用激光追蹤器檢查了蒙皮尺寸，同時(shí)還測(cè)量了梁的位置、厚度和半徑。事實(shí)上，檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的最重要的問(wèn)題是翼梁（特別是真空袋一側(cè)的）的圓角幾何形狀存在不一致。“結(jié)論是，這個(gè)問(wèn)題需要通過(guò)改進(jìn)工裝/模具或者優(yōu)化制造工藝來(lái)解決。”Lee說(shuō)道。

圖片來(lái)源：KAI

KAI采用相同資質(zhì)的樹(shù)脂傳遞模塑工藝（SQRTM）制造扭力箱演示件的工藝步驟。

采用SQRTM工藝制成的扭力箱較小（長(zhǎng)1.2米、寬0.4米），這最大程度地降低了匹配模具的成本。在樹(shù)脂灌注中，KAI使用了赫氏的HexPly 8552環(huán)氧預(yù)浸料（采用了平紋編織碳纖維）和Radius Engineering(美國(guó)猶他州鹽湖城)的RTM設(shè)備，并結(jié)合使用了KAI的 Langzauner壓機(jī)來(lái)施加固結(jié)壓力。樹(shù)脂在104±℃的溫度下被注入，并在180±5℃下固化大約5小時(shí)。

“我們通過(guò)制造TRP原型來(lái)不斷完善工藝，并取得了極為滿意的效果。”Woo說(shuō)道，“盡管我們通過(guò)樹(shù)脂灌注工藝獲得了高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，但我們認(rèn)為，對(duì)于這類箱體結(jié)構(gòu)，SQRTM或RTM更為適合，因?yàn)槠淦ヅ涞哪＞吣軒?lái)更精確的幾何形狀。灌注工藝僅使用單面模具，導(dǎo)致在真空袋一側(cè)的部件特征精度難以保證。總之，這項(xiàng)工作進(jìn)一步提升了我們?cè)贠OA工藝方面的技術(shù)實(shí)力和專業(yè)知識(shí)。”

合格材料，未來(lái)生產(chǎn)

KAI已獲得韓國(guó)適航權(quán)威機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)，允許其使用TC1225材料以及HiTape干纖維UD帶和HexFlow RTM6-2樹(shù)脂。“這些材料許用值可用于國(guó)產(chǎn)飛機(jī)機(jī)體部件的研發(fā)，但根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的不同，可能需要測(cè)試更多的性能參數(shù)。特別是對(duì)TPC而言，目前已為其在未來(lái)國(guó)產(chǎn)自主飛行器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。”Song說(shuō)道。

“但我們認(rèn)為，仍需對(duì)焊接技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步的研究，只有這樣，才能使該技術(shù)的成熟度達(dá)到熱固性復(fù)合材料膠接工藝（共膠接、共固化、二次粘接）的水平。KAI正在持續(xù)研究感應(yīng)焊接、電阻焊接和超聲波焊接。”Lee說(shuō)道，“我們還認(rèn)為，對(duì)廢棄TPC材料的成型是一種環(huán)保工藝。雖然纖維長(zhǎng)度和分布的不均可能會(huì)導(dǎo)致部件具有不穩(wěn)定的力學(xué)性能，但隨著研發(fā)的推進(jìn)，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)在次結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將具有巨大的潛力。”

“我們不斷地專注于為主要的OEM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)并制造機(jī)架部件。” Song說(shuō)道， “我們的目標(biāo)是，為新一代單通道飛機(jī)實(shí)現(xiàn)每月60到100架的產(chǎn)量提供支持。這些示范項(xiàng)目發(fā)揮了關(guān)鍵作用，幫助我們?yōu)橹圃旄哔|(zhì)量的復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而確定了最具競(jìng)爭(zhēng)力的工藝，并縮短了節(jié)拍時(shí)間。隨著客戶對(duì)產(chǎn)量要求的提高，我們將建立必要的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)滿足他們的要求。”

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