English
簡體中文
韓國航天工業(KAI)于2019年至2023年間完成了多架大型熱塑性復合材料(TPC)和液態樹脂模塑、非熱壓罐(OOA)示范機，并持續研發，以提升其作為全球一級供應商的專業能力，推動下一代單通道和eVTOL復合材料機體的高速生產。
韓國航空工業(KAI)是韓國最大且最全面的航空航天制造商。KAI總部位于泗川，成立于1999年，由三星航空航天、大宇重工航空部門和現代航天飛機公司合并而成。KAI設計、開發和制造軍用及商用飛機，提供飛機維護和升級服務，并為空中客車、波音、巴西航空工業、貝爾直升機、以色列航天工業、Aernnova和柯林斯航天等公司提供零部件。它還設計和制造無人機、衛星和航天運載火箭組件。
KAI(韓國航空宇宙公司)已穩步提升其專業能力，通過與洛克希德·馬丁公司聯合開發的T-50超音速戰斗機，將技術擴展至大型復合材料主承力結構，包括尾翼、控制面以及結構重量占比超過30%的KUHSurion直升機，涵蓋復合材料尾梁和旋翼葉片。韓國KF-21“獵鷹”戰斗機項目標志著KAI實現了從復合材料獨立設計與分析能力的轉型，涉及機翼、尾翼及機身面板等關鍵部件。
作為全球空客和波音供應鏈的一部分，KAI開發了機翼和機身組件的自動鋪絲(AFP)和先進熱壓罐固化技術。公司還投資了樹脂轉移成型(RTM)，并開始研究其他非熱壓罐(OOA)工藝以及熱塑性復合材料(TPC)。公司繼續在其業務中推進復合材料的應用，并配備先進的制造和研發設施。
一個關鍵例子是KAI2019-2023年開發的3米高、2米寬的TPC機身段，包括AFP蒙皮、連續壓縮成型(CCM)長桁、沖壓成型連接角片和回收材料的壓縮成型窗框，以及采用感應焊和電阻焊組裝。公司剛剛公布了一個長1.5米的感應焊接TPC機翼控制面。
在2019-2023年的另一個項目中，KAI探索了OOA結構，包括4.1×1.5米的彎曲機翼蒙皮段，配有樹脂注入制成的集成長桁，以及使用注入和相同合格RTM(SQRTM)的扭力箱演示機。
類似于空客主導的多合作伙伴項目，如MFFD和明日之翼，KAI完成了這些開發，旨在探索相較于傳統復合材料的潛在競爭優勢和技術成熟度。“我們得到了韓國政府的支持，進一步提升了作為下一代單通道飛機和eVTOL機體結構高產量一級供應商的理解、專業知識和地位，”KAI材料與工藝團隊負責人宋敏煥(MinHwanSong)博士說。
KAI的TPC機身面板演示件從下面的工藝步驟開始制造蒙皮
TPC機身演示件
宋稱：“我們通過這架演示件，旨在為未來飛機可能采用TPC結構做準備，并拓寬OEM廠商的選擇范圍。”為此，KAI與韓國制造商、研究機構和大學合作，同時也得到了荷蘭皇家航空航天中心(NLR，Marknesse)的協助，并借助了東麗先進復合材料(荷蘭尼弗達爾TAC)的專業知識，采用了來自英國克利夫利斯的Victrex的LMPAEK聚合物制成的TC1225碳纖維預售產品。
“我們選擇這種材料是因為它在生產初級結構時的加工溫度相對低于PEEK和PEKK，”KAI公司TPC高級研究工程師李海東(HaedongLee)說。“由于TPC的特性，較高的加工溫度使得建立工藝窗口變得更加困難。它們還增加了加工時間，并因輔助材料劣化和模具熱膨脹而難以穩定質量。”
該項目首先開發了一個寬1.3米、高1.0米的技術準備部件(TRP-technicalreadinesspart)，配備兩條長桁、三個框和兩個窗框，用于識別潛在問題并在最終演示機生產前確定工藝參數。尺寸根據可用設備和預算選定。
AFP蒙皮+固結
AFP的機身蒙皮鋪設和機身壁板的固結工作在NLR使用Coriolis(法國魁旺)自動鋪絲機和0.25英寸寬的單向(UD)膠帶完成。宋說：“我們評估了熱壓罐、烤箱和原位固結，”后者因其鋪設速度緩慢且內部孔隙度高，需要加熱模具以緩解熱應力，最終淘汰了后者。為了生產更具行業挑戰性和成本競爭力的零件，我們選擇了烤箱固結技術，并達到了與熱壓罐固結樣品相當或相當的孔隙度水平。”
“由于熱塑性樹脂的高粘度，在VBO(僅真空袋)工藝中，僅用1巴壓力控制3×2米的大型蒙皮在烤箱中壓實時產生的內部空隙，是最具挑戰性的部分，”李指出。“隨著蒙皮厚度和尺寸的增加，空洞風險也隨之增加。”為解決此問題，KAI優化了袋裝材料的布置方式—具體而言，在蒙皮的內模線(IML)和外模線(OML)上應用剝離布，并在自動鋪絲(AFP)過程中對鋪層邊緣進行分步處理，以改善固結過程中揮發物的邊緣排出效果。
KAI還采用了兩步固結，完成時間為<7小時。宋說：“首次停留在285°C下使預制品/模具達到熱平衡。”“這導致預制體整體均勻熔化，減少了最終停留在355°C前的滯留空氣。TAC推薦了這一固結循環,封袋材料包括來自AirtechInternational(美國加利福尼亞州亨廷頓海灘)的產品:A8003G粘性膠帶、ReleaseEase234TFP剝離膠合板、UHTAirweave風格US7781玻璃纖維呼吸器以及50微米厚的熱亞米亞胺袋裝膜。還使用了鋁片包裹，以及來自UBE公司的Upilex耐熱聚酰胺釋放膜（日本東京）。
TPC蒙皮的鋪層與固化模具由四塊焊接在一起的科瓦爾(Kovar)合金構成(左圖)，而金屬框架則用于將完成的蒙皮垂直定位，以便使用結構化藍光掃描儀進行檢測(右圖)。
在鋪層和固結模具中，KAI希望使用Kovar，這是一種具有極低熱膨脹系數(CTE)的鐵-鎳-鈷合金，類似于Invar的鐵鎳合金。然而，在項目計劃中很難獲得與機身蒙皮相同表面積的大型科瓦材料。“所以，我們獲得了四塊科瓦爾并焊接在一起，”李說道。“高溫烘烤爐固結過程中存在真空泄漏風險，但在NLR的技術支持下，我們成功使用模具，沒有出現重大問題。”
該模具設計時包含了因模具與零件之間CTE差異及冷卻期間內部應力造成的變形補償。李說：“這意味著用于鋪設和固結的模具輪廓與CAD中規定的不同，不適合用作OML檢測工具來檢查成品變形。”
相反，KAI制作了一個具有正確彎曲度的金屬框架，安裝在鴨腳上，以便豎立時檢查蒙皮。這防止了重力導致表面平直曲線的變形。每300毫米間隔施加4.5公斤的載荷——這是復合材料行業數十年來的標準方法——以確保與檢驗框架的接觸。使用ATOS5(德國奧伯科亨蔡司)結構藍光掃描儀對IML表面進行計量掃描顯示效果良好，而塞尺顯示金屬框架與OML表面間隙幾乎為零。
成功完成的蒙皮鋪設速度快達每分鐘30米，孔隙率<1%，并通過無損檢測(NDI)和破壞性測試(包括DSC)證明了足夠的結晶度。宋說：“我們確認AFP與烤箱固結是薄結構中熱壓罐的可行替代方案。”“然而，熱壓罐固結提供了更高的壓力，以減少厚結構的空隙和孔隙度。對于機身外殼，我們在窗戶周圍鋪設了40層，效果良好，因此我們將繼續探索這一限制的起點。”
CCM-Continuouscompressionmolding長桁
宋說，CCM(連續壓縮模塑)非常適合生產像長桁這樣的零件。然而，最終演示機的歐米伽形長桁需要12層，按堆疊順序[45，0，-45，90，45，0，0，-45，90，-45，-45，0，45]。他解釋說：“這需要對標準0°UD材料進行加工，”以+/-45°和90°切割，接縫焊接后再卷片以制作相應方向的滾筒——這需要大量時間和精力。如果材料供應商能提供這些預制滾筒，那么CCM將帶來顯著的生產優勢。然而，其競爭力仍不確定，因為材料預計價格遠高于傳統熱固性預售料。”
為了生產十二根1.9米長的長桁，KAI決定避免材料預備，而是采用點焊，將12英寸寬的UD帶制成平板。隨后，這些材料在韓國大邱的韓國紡織開發研究所使用Teubert(德國布倫貝格)CCM機器制成。
連續壓縮成型（CCM）被用于制造十二根1.9米長的長桁，這些龍骨后來焊接到成品TPC蒙皮上。
李說，早期由于CCM沖壓機加熱區溫度不足和結晶不足，厚度中出現裂紋。CCM設備在壓床區設有加熱區，負責加熱、成形(同時保持溫度)和冷卻(凝固)。他解釋說：“如果冷卻速度過快，熱塑性樹脂無法完全結晶，當冷卻區內的成型壓力施加時，厚度方向可能出現裂紋。這些問題在較小的TRP演示機生產過程中被發現并解決。通過優化加熱區溫度，我們實現了100%結晶，并消除了最后1.9米的長桁裂紋。我們還通過基于成型和冷卻過程中變形的分析，在模具中加入了補償，實現了<1%的孔隙率、近乎恒定的厚度和精確的幾何形狀。”
沖壓成型框、連接角片
KAI沖壓成型了TPC機身壁板演示件的框和連接角片
宋稱，根據壓機的大小，沖壓成型被認為是生產中大型TPC零件(約≈3米)最堅固的工藝。KAI使用其自家研發的1000千噸壓機，配備500×500毫米臺板，生產尺寸為120×30×60毫米(L、W、H)的較小連接角片，以及其350-4000千牛頓的Langzauner(奧地利Lambrechten)壓機，配備2000×1000毫米臺板，生產長夾(680×30×60毫米)和框(1200×50×60毫米)的連接角片。
UDTC1225膠帶層壓板由張緊器固定在框架中，先在紅外烤箱預熱，然后由機器人轉移到壓機。初始TRP零件驗證了變形補償的模具，同時通過優化層壓板和張緊器，利用AniForm軟件(荷蘭恩斯赫德AniFormEngineering)進行成形分析，減少了壓制過程中的皺紋。最終，為最終演示器制作了四個1.5米長的框，以及更復雜的雙折疊和L型連接角片，纖維體積分數(FVF-fibervolumefraction)為58-60%，晶體度足夠，厚度恒定，孔隙率<0.1%。
李表示：“最具挑戰的部分是開發用于沖壓成型大型曲面框架的工藝。”每個框架均分為三部分制造，以便適應沖壓設備，隨后通過緊固件組裝成一體化單元。但過去用于此類框架的典型準各向同性層合材料在沖壓成型過程中易導致纖維起皺。以往，我們發現在自動鋪絲(AFP)過程中需要進行纖維轉向以解決此問題，但在本項目中，我們通過優化張力成功克服了這一難題。
再生材料壓縮成型
KAI希望探索利用回收廢料和工藝廢料制造零件，因此設計了600×450毫米窗框，用于機身模塊的演示。制造蒙皮、長桁、框和連接角片時產生的TC1225UD廢棄材料被收集并粉碎。
來自蒙皮、長桁、框和連接角片的廢料被切碎并篩分成約1英寸長的薄片，與純樹脂混合后進行擠出，隨后放入匹配模具中進行壓縮模塑成窗框。
李說：“我們想用1英寸長的纖維以獲得更高的機械性能，”并試圖在切碎過程中調節這些特性，但仍有更長和更短的纖維。我們使用濾網獲得相對均勻的片狀物，并在高溫下混合LMPAEK純樹脂顆粒以增強成形性。”擠出后的混合物隨后被放入匹配模具進行壓縮成型。
宋指出：“盡管混合材料在模具內分布相對不均，但高樹脂比例使得空腔能夠完全填充。”“樹脂分數較低的區域增加了表面缺陷，降低纖維的可擴散性，導致產品內的FVF差異。”盡管如此，KAI成功成型出具有<0.1%孔隙率、100%結晶率和平均30%FVF的零件。
機身板件組裝
組裝工作從感應焊接將長桁焊接到機身蒙皮開始。KAI采用了來自Ambrell(紐約州羅切斯特)的10千瓦感應加熱系統，并集成了內部機械臂。“我們最初與NLR合作，共同探索織物有機片材和單向預浸料兩種材料。”李說道。“設計和優化膠帶的感應線圈更具挑戰性。”
TPC示范件的組裝始于感應焊接長桁(圖中藍色)到蒙皮(頂部)。感應焊接頭(右上角)使用了多個滾輪和空氣冷卻(藍色管)。長連接膠片是電阻焊接在蒙皮上的，而雙折角片、L形角片和拼接件則采用粘接。
“焊接過程中，我們用滾筒施加壓力，”他繼續說，“但很難將其定位在感應加熱熔融界面的精確位置。我們還用空氣冷卻感應線圈旁的復合材料表面，因為容易過熱。我們在感應焊縫界面實現了快速的加熱和冷卻，但冷卻阻礙了足夠的結晶，導致變形。為此，我們在焊接模具中使用加熱筒來減緩冷卻度。”
為了組裝框，KAI采用電阻焊接將長角片固定在蒙皮上，同時用航空航天環氧膠膠粘劑將小角片—雙折角片、L型角片和拼接件—粘接到機身蒙皮和框上。窗框隨后通過機械緊固件固定。
在兩種焊接工藝中，KAI都控制了接縫及周圍層壓板的溫度，以實現高強度焊接且不破壞材料。這包括解決邊緣效應和減少未焊接區域。李說：“對于長桁”25.4毫米寬度中約有17毫米進行了感應焊接，在單次疊接剪切測試中達到了25兆帕的強度。超聲C掃描結果顯示焊接接頭的超聲波衰減低，完整性好。”
KAI一直在持續開發。李說：“通過改進施加壓力及其他方面，我們現在可以通過感應焊接實現32-35兆帕的焊接強度，無需感應膜或樹脂膜。”他指出，KAI尚未嘗試對已裝有金屬網雷擊保護（LSP-）的結構進行感應焊接。對于這個演示機，LSP是在感應焊接后添加的。“但這是我們正在研究的方向，”李說，“此外，我們還在探索是否可以通過在成型部件的外層放置碳纖維織物來實現回收材料零件的感應焊接組裝。”
機翼蒙皮示范件
KAI的第二個主要項目使用液體樹脂成型技術制造機翼蒙皮和扭力箱結構。同樣，TRP研究原型被用于識別潛在缺陷并優化工藝參數。對于機翼蒙皮演示機，1.5米×1.2米的TRP被放大為4.1×1.5米，蒙皮的幾何形狀和曲率更為復雜。
KAI的機翼蒙皮模塊演示件采用干纖維單向預浸料帶的AFP鋪層工藝制備蒙皮和長桁坯料，利用熱壓成型技術加工L形長桁預成型件，并通過樹脂注入法對組裝后的蒙皮-長桁鋪層進行固化，以生產最終的集成結構。
與《明日之翼》節目中展示的無卷曲織物(NCF)不同，KAI采用了帶干膠帶的AFP。宋稱：“這使我們能夠生產出具有競爭力的原型，與NCF的材料損失相較，最大限度地減少了材料損失。”“本次演件機采用了翼展15.3米單通道飛機主翼的機翼形狀，選定了一個代表性部分以捕捉關鍵特征，包括全皮翼長桁、短長桁和檢查艙口。”
經過評估和分析，KAI選擇了Hexcel(美國康涅狄格州斯坦福)的HiTapeUD膠帶和HexFlowRTM6-2環氧樹脂。AFP鋪設0.25英寸寬膠帶，速度為0.6米/秒。長桁最初是AFP毛坯，利用熱懸垂成型(HDF-hotdrapeforming)設備成型成預成型件。“該系統是通過KAI的工具和固定裝置合作伙伴開發的，”李說。“它位于烤箱內，使用可重復使用的硅膠膜，達到特定烤箱溫度后施加真空壓力。”
長桁在120°C下預成型15分鐘，隨后與AFP蒙皮組裝。宋解釋道：“為確保長桁定位準確，在根部和尖端部位均放置了導向模具。”“為確定較短長桁的初始位置，除根部部位的導向模具外，還專門制造并使用了一個獨立夾具。”
烤箱內注入樹脂
完成的蒙皮-長桁組件隨后被真空袋封裝并準備進行樹脂注入。宋指出：“要克服樹脂缺乏的問題，關鍵在于從一開始就確定樹脂入口和出口的設計和容量，以及整體輸注裝置。另一個關鍵因素是樹脂制動器—即從零件最大包絡線末端（無流動介質）起的長度—控制樹脂的面內流量。其他關鍵因素包括所用流網層數和模具表面粗糙度，這兩者都影響樹脂流動”
注入和固化均在烤箱中進行。“我們這樣做是為了確保溫度分布均勻，因為樹脂的粘度對溫度非常敏感，”李說。“樹脂供料線采用耐熱材料，并采用銅管以增強熱耐力。”第一次停留120分鐘，溫度為120±5°C，以確保樹脂浸漬充足;第二次停留180±5°C，實現固化。未進行后固化。
該零件取得成功，使KAI能夠積累專業知識，將模擬結果與實際樹脂流動和工藝時間進行比較，并評估這些與OEM生產力要求的差異。
扭力箱使用輸注，SQRTM(samequalifiedresintransfermolding)
該項目的下一部分是制造兩架多梁扭力箱示范件，這些演示件基于大型飛機水平尾翼的設計。兩者均由兩塊蒙皮和四根梁組成（箱體中的主載荷加強筋與僅加強蒙皮的長桁之間的比較），一種采用樹脂注入工藝，另一種采用SQRTM工藝。SQRTM工藝以預浸料鋪層替代干纖維預制體起始，通過匹配模具的樹脂傳遞模塑(RTM)工藝注入預浸料中的相同樹脂。如2010年《復合材料世界》（CW）一篇文章所述：“樹脂的作用并非浸潤預浸料，而是僅用于在模具內維持穩定的靜水壓力。”其結果是使用已通過認證的航空航天材料制造出的高質量部件。
宋稱：“我們能夠比較結果，評估每個過程的優缺點。”“我們還優化了每個工藝的扭力箱形狀、成本和交貨時間，并獲得了關于質量、生產時間和成本的實際經驗。”
KAI樹脂注入扭力箱演示機的工藝步驟包括對蒙皮-梁層壓組件進行雙層包裝，以及公司在烤箱中進行樹脂浸注工藝。
樹脂注入的扭轉箱長5.3米，寬0.9米，使用來自美國俄亥俄州辛辛那提A&PTechnology的QISO三軸編織織物。“這次選擇始于對編織預設體及其特性的研究，”KAI高級研究工程師吳承秀(Seung-suWoo)說。由于單組RTM6樹脂的危險品運輸限制，KAI采用了兩組分的HexFlowRTM6-2。Hexcel表示其化學成分和性能相同，但吳指出RTM6-2需要額外的預處理、預熱和混合。
材料被切割后手工鋪設在模具上。機翼梁最初采用HDF成型。隨后將蒙皮、梁組件真空袋封入。“樹脂注入的一個缺點是泄漏風險較高，”吳說。“為了克服這個問題，我們采用了一種叫做雙重袋裝的技巧。我們先用普通真空袋材料，然后用封袋膜做主真空袋。隨后我們添加了呼吸材料和一層額外的封袋膜，形成了第二個真空袋。即使第一個袋子漏氣，第二個袋子也能維持真空壓力，有效消除泄漏風險。”
雙層包覆膜被放入烤箱進行樹脂浸漬。RTM6-2被脫氣后注入干式預成型件，模具溫度為95-100°C，樹脂溫度為90-95°C。注入時間為70-80分鐘，固化時間為120分鐘，溫度為180±5°C。
該結構成功生產，并通過超聲C掃描以及層壓板中玻璃轉變溫度和固化度的測試驗證其質量。使用激光追蹤器對蒙皮進行了尺寸檢查，同時還測量了主梁的位置、厚度和半徑。事實上，測試中發現的最顯著問題是梁半徑幾何形狀，特別是真空袋側，存在不一致，李博士說。“結論是，這個問題需要通過改進模具或改進制造工藝來解決。”
扭力箱演示機KAI采用相同合格樹脂轉移成型(SQRTM)生產的步驟
SQRTM扭力箱較小，長1.2米×寬0.4米，以降低匹配模具的成本。KAI使用HexcelHexPly8552環氧樹脂預浸料，配合平織碳纖維和RadiusEngineering(美國猶他州鹽湖城)的RTM設備進行樹脂注入，配合KAILangzauner壓機施加固結壓力。樹脂在104±°C注入，并在180±5°C大約5小時內固化。
“我們通過生產TRP原型機不斷完善工藝，并取得了極為滿意的結果，”吳說道。“盡管我們通過樹脂注入實現了高質量結構，但我們認為SQRTM或RTM更適合這些箱體結構，因為匹配的模具能實現更精確的幾何形狀。樹脂注入的單模具設計在袋側部件的準確性上存在問題。最終，這項工作進一步提升了我們在OOA流程中的內部技術能力和專業知識。”
合格材料，未來生產
KAI已獲得韓國適航權威機構批準，涵蓋TC1225材料以及HiTape干纖維UD膠帶和HexFlowRTM6-2樹脂。宋稱：“這些材料允許量可用于國產機體零部件的開發”。“不過，根據結構的不同，可能需要測試額外的性能。特別是對TPC而言，這為未來在國內自主飛行器中的應用奠定了基礎。”
“然而，我們認為焊接技術仍需進一步研究，才能達到熱固性復合粘合工藝(共粘、共固化、二次粘合)的成熟水平，”李博士說。“KAI正在繼續研究感應焊、電阻焊和超聲波焊接，我們也認為廢棄TPC材料的成型是一種環保工藝。盡管纖維長度和分布不均可能帶來物理性質差異的部分，但隨著進一步開發，我們看到未來在二級結構中的應用潛力巨大。”
宋稱：“我們繼續專注于為主要OEM項目開發和生產機身零部件。”“我們的目標是支持下一代單通道飛機月產60至100架。這些示范項目發揮了關鍵作用，幫助我們精準選擇高質量復雜復合結構的最具競爭力工藝，并縮短轉速時間。隨著客戶要求更高的產量，我們將建設滿足這些需求的基礎設施。”
原文《KAIdemonstratesthermoplasticandinfusedstructuresforfutureairframes》
編后感言
民機復材發展十分迅猛！機身用熱塑復材、機翼用熱固復材，是當今技術先進的標志。韓國KAI緊跟這一發展趨勢，開展了實質性研發工作。從本文看，KAI已經掌握了其中核心技術。
C929如果從CR929算起，至今快十年了。當初明確宣布“對標波音787或空客A350”。這兩款飛機結構中的熱塑復材，僅僅制造機身中一些連接角片。它與今日制造機身受力結構件的，高溫、高強熱塑復材完全不可同日而語。制造機翼雖然使用熱固復材，但從材料和制造工藝均有改進。
民機是一種特殊商品。希望日后上市的C929不僅對標B787和A350，在復材技術領域達到當時的水平。
楊超凡