航空模压成型工艺模板.doc

航空模压成型工艺为追求轻质商用飞机，一个最新开启前沿是飞机内部托架轻质生产，其中很多托架全部是长型材形式。这些关键但不常常被见到飞机组装部件C形通道、H形梁、U型剖面、L形和T形桁条、和空心梯形桁条，长久以来全部是由铝制成。模压成型，一个和汽车和工业复合材料关系更紧密加工工艺，将改变这种铝制托架局面。模压成型(CCM)，是一个自动半连续加工过程，能够将增强可作热压成形输入料带入到模具中，然后制作有效无限长异形型材和平面板。由一人操作，该计算机控制过程生产产品速度，和拉挤成型生产速度靠近，异形型材生产速度高达40米/小时（131英尺/小时），而平面板生产速度高达91米/小时（300英尺/小时）。 左边为CCM异形型材生产线，右边为CCM平面板生产线。这两条生产线全部是自动化，由一人操作。 每一条生产线全部含有电脑控制喂料、挤压、切割和堆积功效。不像热塑性拉挤成型，热塑性树脂在模具中被注入到干纤维中去，模压成型采取输入料，和航空环氧预浸料相同，是高均衡、用高端热塑性塑料浸渍过连续纤维增强材料，包含聚醚醚酮(PEEK)、PEKK、聚醚酰亚胺（PEI）和聚苯硫醚（PPS）。对于非航空应用而言，聚丙烯（PP）和其它工程塑料是常见基体材料。由此产生热塑性结构含有了航空等级优质质量，不可用部分通常少于1%（已经过层压显微照片得到证实），而对于经热压处理复合材料而言，要求不可用部分少于2%。 Xperion企业已经采取模压成型工艺，为用于固定空客A330/A340飞机室内侧壁板 碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置，制作长型材和托架（如本图所表示）。现在为止，商业产品制作已经使用碳纤维或玻璃纤维（尽管她们能够由芳纶或其它纤维制成），其中包含高负荷结构构件，比如，用来固定空客A330/A340飞机室内侧壁板碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置。CCM制造商Xperion Aerospace GmbH企业（在德国黑尔福德）表示，已经生产出3万多个这么扣件，这些复合材料扣件替换了传统铝制扣件，重量减轻约50%，生产成本降低了21%，两年后，部件拒绝率将小于0.1%。 工艺历史 模压成型(CCM)不是一个新型工艺，20世纪90年代初，Dornier飞机制造企业（在德国）Ulrich Spelz一位热塑性复合材料(TPC)先驱，开发了此工艺并取得了专利。1999年，Ulrich Spelz创建了ACM企业（即Advanced Composites and Machines GmbH, 在德国，马克多夫），目标是为了推进CCM工艺发展；为用户测试新热塑性复合材料及原型模具；并使部件投入到批量生产中去。 一个早期成功产品是用于Bico AG企业（在瑞士，Schnis）创新板条床设计卡条，该卡条被提名为JEC奖候选产品。为适应模压成型，ACM企业和Dyne Design Engineering企业（在瑞士，Niederlenz）及制造商Ngeli Swiss AG企业（在瑞士，Gttingen）合作，调整了卡条设计。CCM机器中装入了五层Gurit企业Plytron 60% 玻璃增强聚丙烯单向预浸带后，就开始加热并挤压这种材料。由此产生加固片材自动被切割成650毫米200毫米（25.6英寸7.9英寸）板块。这些板块被送入到一台双面图案成形液压机内，液压机对其加热直到能够压印为止，每50秒，压印25根发条，每根卡条25毫米宽，大约70毫米长，1.4毫米厚（0.98英寸2.75英寸0.06英寸）。到为止，经过这种工艺平均每十二个月生产卡条有140万根。 Xperion采取模压成型工艺，为Bico AG企业压制复合材料床用卡条， 从到一共生产了800万根卡条。，ACM企业和波音企业幻影工作室合作，帮助其开发用于未来飞机（比如787梦想飞机）热塑性复合材料部件。合作计划中包含了用作圣路易斯工厂研究平台可生产板材和异形型材CCM机器。这促进ACM企业寻求一个更大制造商合作者，来负担这项重大投资。Xperion企业完成了对Dornier企业部分收购并于正是成立，该企业于1月1日收购了ACM企业，Spelz仍然任命首席技术经理一职。 Xperion企业于交付了CCM机器，在Spelz领导下，企业继续和波音合作，利用模压成型工艺，制造多种热塑性复合材料飞机部件。“波音企业需要更多更大部件”，Spelz回想道：“所以Xperion企业开始考虑在美国成立一个工厂好处。”于是一个和CDI企业（Cutting Dynamics Inc.在俄亥俄州）合资企业出现了，各自拥有50%股份。CDI企业是Sikorsky企业（在康涅狄格州，斯特拉特福）长久机械加工金属部件供给商，也是波音企业及Bell Helicopter企业（在德克萨斯州）合格供给商。该企业有丰富热塑复合材料经验，已经购置了Fiberforge企业自动铺带装置，将其和传统图案成形液压机一同使用，为飞机座椅生产TPC部件。新成立合资企业总部设在CDI企业Avon工厂内，今年就能够为波音787飞机生产热塑性复合材料吊顶部件。空客飞机部件将继续由Xperion企业德国工厂提供。 工艺过程 CCM模具得益于广泛发展。“大量从事热塑性复合材料行业供给商来自于注射成型业或有过从事深扛成形汽车零部件工作经历，在深扛成形过程中，模具相当复杂和昂贵”，Spelz指出，“在Xperion企业，基于快速改变模块，我们开发了一个新模具系统。”全部CCM模具是为符合机器上一个标准模式安装孔而改装。很多个形状可由一套模具制得，全部不一样阳模和阴模能够结合起来，而且很轻易更改和调整。比如，一个L形阴模可和不一样阳模一起使用，来达成不一样厚度或外半径（假如部件腿儿尺寸是一样），而不用设计新密封件或加热装置。Spelz表示组合模具节省了大量时间和成本，尤其是在原型制作中。 模压成型工艺灵活性能够经过一个事实得以加强证实：不用停止机器运作，经过添加预浸带层和/或改变堆积次序就能够改变部件接头处，只需要添加、移除和/或替换进料绕线轴架上线圈（预浸带），并将她们放置到轴架上适宜位置。Spelz说明了这么做好处：“对于长线线圈而言，能够在高装载地方增加线圈厚度。”模压成型工艺可能被改善，用于较小较薄部件连续高速生产。 “因为模压成型许可单独改变每一个变量，在原型制作和快速达成处理方案上，这种工艺是很经得起检验”，Xperion/CDI合资工厂常务董事Bill Carson说道。她也指出异形型材机器能产生垂直方向和水平方向压力，生产出型材没有起皱，即便是复杂几何型材也是如此，这全部是选择了很高质量复合材料结果。Carson表示这是传统真空袋成型工艺不轻易达成。Carson也看到了热塑性复合材料可循环利用灵活性。 现实状况及前景展望 Xperion/CDI合资工厂第一批产品将是用于梦想787飞机吊顶部件，包含C形件和L形件，大约2英寸/51毫米宽，这些吊顶部件将为头顶行李架承载全部负荷。尽管空客飞机侧壁扣件由TenCate企业碳纤维/聚醚酰亚胺织物预浸料制成，但787飞机部件，将最可能采取碳纤维/PEEK或碳纤维/PEEK单向预浸带制成。 半成品TPC输入料被装上进料绕线轴架“我们已经使用CCM模压板材制作了飞机内部侧壁板，不过对于这么大一个部件来说，使用材料太过昂贵了，而现在使用酚醛材料，价格很廉价”，Spelz说道。另外，用于侧壁生产大型机器不太利于CCM（模压成型工艺）加工。“内部侧壁板后面很多小部件很适合采取热塑性复合材料和CCM工艺”，她又说道。 “我们认为，相关某一部件生产，选择什么材料，什么工艺最好，大家必需要老实”，Spelz说道。她欣然认可，并非全部部件全部适合采取热塑性复合材料，空心部件和夹层结构更适合热固性加工。 在Institut fr Verbundwerkstoffe GmbH研究中心（在德国，凯撒斯劳滕），已经有夹层结构和空心件制作方面新突破。，该非营利性研究机构展示了经过模压成型制成空心型材连续生产，这种型材制成过程采取了一个改良后设计模具中央有一个浮动模芯。这项工作也探究了PBT（聚对苯二甲酸丁）参与加工过程，PBT是在单体CBT（cyclic butylene terephthalate）加工过程中形成，CBT易发生化学反应。Cyclics企业（在纽约斯克内克塔迪）制作过程是将聚对苯二甲酸丁（PBT）分解成环状齐聚物形式，然后将其加热到指定温度，待环状齐聚物成为水一样粘质时，就会促进纤维浸润。待催化并冷却后，环状齐聚物就又成为较常见粘质，并组成长链、高分子量PBT热塑性塑料。Cyclics企业表示，这种材料含有热塑性性能，但可进行热固性加工。为形象化这两种材料益处，一位关键CBT作家Steve Winckler指出，大家必需将CBT想象为奶油溶化粘质，把PBT看成橡皮泥，她们性能更靠近环氧树脂，比聚丙烯性能好，纯树脂价格为6美元/镑到8美元/镑仅略高于聚醚酰亚胺（PEI，5美元/镑到6美元/镑），是PEEK 及 PEKK价格（30美元/镑）一部分。Winckler也解释道，CBT作为一个基体，天生“想”去浸润复合增强材料，从而造成愈加好树脂和纤维分布，也有利于达成和环氧树脂相近力学性能。相关汇报指出，CBT使用加紧了生产速度，大大降低了生产成本，但力学性能没有损失。 Spelz和Carson同意，下一步要将高力学性能（以前只有热固性复合材料才能够实现）、快速度、高质量及低成本结合起来用于模压成型工艺，首先用来生产飞机吊顶桁条和加固件及结构部件，最终生产蒙皮桁条组件及地板等。CMM异型型材和平面板材能够进行熔接，以形成很长组件，快速而节省成本。Carson看到了对Xperion/CDI开放一个全新世界。“基于CDI企业悠久供给历史，我们知道航空部件制作需要花费材料成本和劳动力成本。 现在我们能够利用新材料，生产出可替换铝制结构或其它金属结构复合材料结构。这么重量最少减30%, 成本却很廉价，而且我们能够轻而易举地回收这些复合材料结构”，Carson说道。