【航空航天】大型夾層碳纖維增強復合材料組件的自動化生產

速度快、重量輕、耗油少:空中客車公司的高速直升機Racer的飛行速度可以達到400公里/小時的新紀錄。其外皮的外殼部件尺寸達到3.4 x 5米,是用一種新的、高度自動化的制造工藝制造的。德國弗勞恩霍夫研究所IGCV的一個研究小組與空客直升機公司共同開發了這一工藝。
 
該直升機被設計為每小時超過400公里的巡航速度(來源:空中客車直升機公司)
  
直升機側殼的覆蓋層由碳纖維增強復合材料制成,夾層核心由酚醛樹脂蜂窩構成。到目前為止,這種大尺寸的夾層碳纖維增強復合材料部件都是通過手工鋪設制造的,這是一個耗時、耗資的過程。
  
"以前也是用碳纖維增強的輕量化材料制造外殼,但我們進一步發展了制造工藝,新的工藝是基于自動纖維放置過程"。弗勞恩霍夫IGCV的科學家托馬斯·曾克這樣說。
  
一個機器人自動沉積連續纖維增強的預浸漬材料。在新的工藝中使用單向帶(UDT),因為它具有更好的機械性能,比基于織物的復合材料半成品造成的浪費更少。酚醛樹脂蜂窩的夾層核心有助于提高復合材料的剛度,而覆蓋層纖維則提供強度。一層膠膜確保了芯材和覆蓋層之間的力的傳遞。
  
纖維沉積物遵循一種專門開發的編程方法。該工具方案是專門為這個新的工藝鏈開發的。它的表面定義了纖維在自動放置時應采取的形狀。不同形狀的夾層口袋的復雜幾何形狀都被考慮到了。因此,帶被準確地放置在后期組件結構所需的位置。
 
其中一個固化的側殼,準備安裝在直升機原型機上(來源:空中客車)
  
根據分層和纖維的不同,通過自動纖維鋪設(AFP)生產的碳纖維增強復合材料件可以達到比鋼構件更高的承載能力,而重量卻大大減輕。節省下來的材料使殼段的重量減少了5%。根據生產中使用的能源組合,每個殼段的生態足跡可以因此提高15%。
  
此外,進一步開發的夾層碳纖維增強復合材料件的制造工藝帶來了額外的優勢:例如,由于更有效的工藝,曾克和他的團隊能夠將生產浪費從45%減少到20%。根據生產直升機的數量,與傳統的手工生產相比,自動流程也能節省生產成本。例如,以每年65架直升機的生產速度計算,這就是20%。