【“威”视制造】无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）

美国洛马公司的“深海幽灵”舰载弹射起飞型无人察打一体飞机方案想象图（洛马公司图片）

《空天防务观察》此前已先后推出12期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。本期，刘亚威先生将为我们解读“无人机复合材料结构低成本制造技术”。

无人机在复合材料的使用比例上基本是所有航空器上最高的，像X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上都运用了90%的复合材料。面对如此大的用量以及未来潜在的高使用量，就迫切需要开发高效、低成本的复合材料结构制造技术，来满足项目的经济可承受性要求。这些需求具体来说，包括：在预浸料成形方面，使用机器人来代替笨重的机床进行铺放，以及采用各种无需热压罐的低成本、高效固化方式；在干纤维成形方面，按照液体成形方式设计大型整体结构件，并改善制造工艺，甚至开发革命性的增材制造方法，实现复杂结构外形；在制造工装方面，降低金属工装成本、提升复合材料工装性能、开发高效自加热工装。

一、机器人铺放

自从复合材料自动铺带和自动丝束铺放首次变成可行生产工艺以来，机床供应商通常为大型飞机设计和制造大型且昂贵的机床，不过近年来情况有所转变，机床供应商开始开发较小型且更经济的机床，以应对更广泛的需求。特别是在自动丝束铺放方面，利用商用机器人作为小尺寸复合材料铺丝设备的平台正在成为机床供应商的基本做法。

Coriolis公司机器人自动铺丝系统

预计未来几年各种配置和尺寸的自动铺丝机床将出现，机器人平台将用于更多的复合材料铺丝系统。机器人平台与复合材料丝束铺放技术相结合被证明是非常成功的，复合材料铺丝设备品种的扩展意味着更小的复合材料车间可根据他们所需的尺寸和价格选用自动铺设备。最终，复合材料自动铺丝设备将像在金属加工业中的5坐标CNC机床一样，将成为复合材料工业的常态。对于尺寸外形和采购数量各异的无人机平台来说，这类机器人铺放工艺及装备的开发，将显著降低复合材料机体的制造生产成本。

二、非热压罐制造

由于无人机造价相对较低、尺寸相对较小，因此更加重视复合材料构件的低成本成形，非热压罐制造是无人机制造技术开发中的重点之一。而且，随着F-35战斗机、先进复合材料货运飞机以及民用飞机上很多复合材料部件非热压罐制造技术的验证工作取得进展，未来的无人机必将大量采用类似的技术来制造复合材料构件，降低生产成本。在这个方面，预浸料真空袋固化工艺以及干纤维液体成形工艺一直是研发的重点，而且还发展出了一些创新的工艺，比如革命性的复合材料增材制造工艺。

（1）预浸料真空袋固化工艺

航空复合材料零件采用真空袋的非热压罐制造并不是新技术，次承力构件（襟翼及整流罩等类似结构件）的真空袋、烘炉固化材料体系已经建立。但是，利用这种材料体系制造出孔隙率低于1%，并且达到热压罐成形的力学性能水平的主承力构件则是新技术，如机翼、机身、带加强筋的尾翼零件。虽然真空辅助的液体成形工艺和最新一代压模工艺在制造高载荷结构件上逐渐被人们接受，但是采用传统手工铺贴以及自动铺放方法的真空袋压预浸料法由于具有独特优势而引起无人机制造商格外的兴趣。

上世纪90年代中期，美国空军研究实验室（AFRL）和国防预先研究计划局（DARPA）就开始在复合材料经济可承受计划（CAI）中关注预浸料真空袋固化。第一代非热压罐（OOA）真空袋（VOB）预浸料，典型的如英国先进复合材料集团（ACG）的LTM系列，如LTM45EL，用在了多款无人机上，如DARPA/洛•马的“暗星”、波音X-45A、诺•格X-47A等。然而，由于在较低温度和真空压力下固化，成本较低，但是力学性能不足，而且生产时间较长。

“暗星”隐身战略侦察无人机的前机体

2005~2006年时，两种非热压罐预浸料体系，ACG的MTM45以及Cytec工程材料公司的CYCOM 5215的力学性能已经接近热压罐固化预浸料。这两种非热压罐预浸料具有可变的固化时间，在66~79°C时较长，但在121°C时只需2h。此外，在350°C的独立后固化后，湿玻璃化温度（Tg）可超过150°C。这两种材料体系实现了DARPA所要求的小于1%孔隙率要求，但是10~12天粘性寿命和最多21天的开模寿命不符合美国空军和DARPA要求，因为大型复杂结构件需要最少3~4周铺贴和袋压。为此，ACG和Cytec公司分别开发了XMTM-47和CYCOM 5320-1，目标是比21天更长的粘性和至少30天的开模寿命。

2007年，美国国防部突破性制造技术创新计划启动，非热压罐制造技术是5个核心领域之一。DARPA、波音公司联合AFRL实施启动非热压罐计划，建立了开发OOA体系的目标，即提供当时热压罐固化质量水平的环氧材料。为此，ACG开发了MTM45-1、 MTM-44和MTM-46，Cytec开发了CYCOM X5320。波音公司评估了三种试验树脂配方，并选择了X5320进行商业化。之后，各种验证件被制造并进行有限的无损和解剖评估。HITCO碳复合材料公司制造了一个3.65m× 4.57m的帽形带加强筋蒙皮的主结构验证件；极光飞行科学公司制造了11.6m长的无人机翼梁，以及为“鬼眼”无人机验证机制造的三部分组成的机翼，长45.7m；波音制造了“鬼眼”验证机的尾梁和尾翼缩比件，还草拟了碳预浸料的材料规范和工艺规范。

“鬼眼”无人机验证机45.7m长的机翼

（2）液体成形工艺

液体成形工艺的特点是用液体树脂以不同的方式注入干纤维然后成形，它可以节省大量的纤维预浸、运输、保管费用，一般能耗也较低，一般来说也无需使用热压罐，是一种低成本工艺。液体成形工艺主要有树脂转移模塑（RTM），以及派生出来的树脂浸渍（RFI）、真空辅助树脂转移模塑（VARTM）、波音拥有的可控大气压力树脂浸渍（CAPRI）、空客拥有的真空辅助工艺（VAP）等若干种工艺。

随着美国国防部的采办项目逐渐向多品种小批量转变，要求在有限时间和成本限制下完成制造，诺•格在斯普利特航空系统公司的支持下进行了低成本复合材料飞机的尝试 。在国防部ManTech计划的快速机体生产集成验证（RAPID）项目资助下，诺•格完成了一个复杂胶接中机身结构的装配。项目持续18个月，涉及对X-47B无人作战飞机（UCAV）中机身段重新进行概念设计、制造和装配，这是复合材料机体结构中最具挑战性的一个部分。这个胶接结构的复杂性从以下方面体现出来，一个集成的进气道、非常高载荷的外形和前起落架金属隔框。

X-47B中机身结构验证件

在复合材料经济可承受计划（CAI）的成果支持下，RAPID项目验证了低成本地制造和装配机体的方法。这个创新的“更快、更好、更便宜”的制造方法，结合非热压罐固化复合材料、3D编织预形件、胶接以及其它广泛使用的技术，使得复合材料机体制造或装配都只使用了极少的工装，比常规复合材料结构节省很多。一次性工装成本初步估计减少超过50%，重复性装配成本减少15%。这还没有计算取消掉数千气流紧固件的费用。这个概念还非常“方便更改”，使得在设计周期中很晚再进行修改成为可能，不再非常昂贵且对项目造成的破坏降低。如果成功转移到未来的项目中，大型无人机制造中昂贵的装配夹具、热压罐以及传统复合材料固化工装的绝大部分可能都会成为历史。

（3）增材制造工艺

革命性的增材制造工艺注定会在无人机复合材料结构的制造中大放异彩。洛•马P-175“臭猫”无人机研制中，复合材料零件的增材制造是一个亮点，即让碳纳米管和基体粉末在输送过程中由激光烧结成型，而全机仅200个主要的复合材料零件，从项目启动到首飞，仅用了18个月的时间。橡树岭国家实验室正与洛•马合作开发低成本的熔融沉积成形（FDM）机床，实现大型无人机机翼结构（18m-30m）的增材制造。AFRL也在支持无人机保形栅格结构和蜂窝材料的选区激光烧结（SLS）工艺开发，以及基于增材制造的无人机系统（集成传感器结构、推进装置和系统）集成。NASA格伦研究中心、兰利研究中心和霍尼韦尔等正在进行“以增材制造实现非金属燃气涡轮发动机”的项目，除了采用FDM工艺制造进气道导流叶片、消声蜂窝衬垫等树脂基复合材料构件外，2014年工作的一个亮点就是采用喷射粘结剂工艺制造高压涡轮喷嘴等碳化硅陶瓷基复合材料构件。

增材制造的复合材料无人机机翼段

三、低成本制造工装

复合材料制造工装在航空制造中往往默默无闻，然而复合材料结构件的质量以及制造成本却与其密切相关，因此实际上工装扮演了幕后英雄的角色。理想的复合材料制造工装特点应该是高精度、高刚度、便于使用，抗高压、无渗漏，不损坏零件，尤其重要的两点是工装材料与零件材料的热膨胀系数（CTE）匹配以及成本低廉。通用的工装材料主要有铝、钢、殷钢、环氧树脂基复合材料、双马树脂（BMI）基复合材料和石墨或碳纤维复合材料，其中殷钢和复合材料本身因其较低的CTE，非常适合航空结构件制造，但其制造成本和固化能耗往往不够理想。目前在航空复合材料制造领域，针对热压罐固化和OOA固化，国外发展出了多种新工装材料和新工装技术，以改进工艺、减少时间、降低能耗、节约成本，这些技术都可以用于并且部分已经用于无人机的制造中。

美国试金石实验室开发了一种电加热工装（EHT），一种用于OOA工艺的自加热泡沫（CFOAM） 。CFOAM产自粉末沥青煤，经由压入敞口模，在高温下处理并在热压罐中加压，泡沫板粘结在一起形成近无余量薄坯板料，加工成想要的外形。工装表面由HexTOOL材料这样的复合材料成形。EHT工装拥有不变的横截面以及工装表面之下的电阻加热泡沫加热元件。石墨电极与元件相连以提供电力，元件本身与工装剩余部分电绝缘。这样，电阻加热就只发生在工装表面之下，使其更节能，而且里面的泡沫基体由于与表面隔热，也不会被加热，减少了热损耗。工装表面使用的碳纤维比碳泡沫导电性强，如果纤维和泡沫接触，短路将造成不均匀加热，通过加热元件的电绝缘，可以实现工装表面的一致性加热。试验结果表明，无论对于平滑的还是复杂的工装外形，该工装的机械属性都与标准的热压罐固化工装相当。

“阴影”200无人机机翼蒙皮制造EHT工装

本文为刘亚威先生文章的部分节选，如各位读者有兴趣进一步咨询和了解，可通过给本号留言或向我们在文末之后提供的邮箱地址发送邮件。

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供12篇“‘威’视制造”专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期
1	美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造	2月16日
2	非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产	2月23日
3	热塑性复合材料加速进入民机主承力结构	2月25日
4	轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔	2月27日
5	增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”	3月11日
6	2014，美国国家制造创新网络雏形初现	4月8日
7	揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋	4月22日
8	美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景	5月27日
9	美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者	6月1日
10	“数字制造”VS“智能制造”	8月17日
11	你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构	8月24日
12	波音采用创新技术制造NASA新概念飞机机身	9月28日

以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可在本号中搜寻阅读。

（航空工业发展研究中心 刘亚威）

作者简介：

刘亚威，航空工业发展研究中心青年学者，国防制造创新问题研究专家，足迹遍布全球几十个国家，对国外先进制造技术、智能制造、制造成熟度等有深入研究与独到见解。

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