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飞机结构件的灌注 - 减重一半的工艺
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美国碳纤维复合材料制造商CFC公司,采用一种并非最新但仍然新颖的双真空袋灌注技术来制造发动机罩等飞机结构件,较原有工艺可使部件的重量减轻50%。

20多年前,美国航空航天局(NASA)以及多个航空航天公司和独立咨询公司几乎在同时开发出各种不同形式的双真空袋成型工艺。这种工艺与单真空袋灌注、 湿法铺层和其他方法相比,可生产出重量更轻、强度更大的飞机部件。尽管该工艺需要很好的模具准备并严格控制工艺参数,但只要做到这些,加工商就能从中获得 回报。据称,与其他成型方法相比,由双真空袋工艺制成的部件的重量可减轻50%。

在过去两年中,碳纤维复合材料公司(CFC公司,西弗吉尼亚州哈里肯)总裁Brian Alley已将过去采用的湿法铺层工艺全部转换成双真空袋成型工艺。双真空袋工艺率先由Russell Emanis开发,他现在是Dyna Max复合材料公司(北卡罗来纳州亨特斯维尔)的共同拥有人。CFC公司现在采用该工艺成型二级市场的飞机部件,包括用于老式Wittman Tailwind飞机上的一个碳纤维发动机罩。Wittman Tailwind是由已故传奇飞机比赛飞行员和Oshkosh Fly-in合伙人Sylvester Wittman采用木头和织物设计而开发,并由Aircraft Spruce公司(加利福尼亚州科罗纳)销售的一种小飞机。因为该机型的配套部件要求较高,所以配套部件制造商依赖像CFC公司这样的领先的复合材料生产商。

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新工艺,新创新

CFC公司采用开模湿法铺层成型复合材料发动机罩已有11年了。大约一年前,由于担心工人长期暴露于开模成型可能发生健康损害的问题,Alley决定用双真空袋灌注替代湿法铺层来生产发动机罩。但他的第一次尝试却进行得并不顺利。

“这主要是对该工艺缺乏经验,” Alley说,“当用太大的压力进行灌注时,树脂会产生泡沫,看上去就像泄漏。”后来Emanis帮他解决了工艺问题,从而成功实现了两个工艺的转换。 Alley现在是这个工艺的积极倡导者,原因之一就是:在将发动机罩从湿法铺层转到双真空袋成型工艺后,Alley发现部件的质量从18lb(约 8.2kg)减少到不到10lb(约4.5kg)。“这种双真空袋成型工艺能够连续生产含有70%纤维(体积分数)的部件,这已通过独立测试并获确 认,”Alley补充道,“采用单真空袋成型工艺,如果幸运的话,可以得到的最好结果是50%~60%。”

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Step 1: The cowling mold is prepared with four coats of Sealer GP and four to six coats of Flex-Z 5.0 high-slip mold release, both supplied by Zyvax Inc. (Ellijay, Ga.). Source: Carbon Fiber Composites Inc.

Tailwind飞机的发动机罩前部宽约38in/965mm,长约38in/965mm,高约12in/305mm,后部扩大到18in/457mm的 高度。该部件从以前的玻璃纤维/乙烯基酯发动机罩演变而来,Alley将它用在为自己建造的一架小飞机上。为了制备Tailwind发动机罩模具的模 塞,Alley对已成型好的玻璃钢发动机罩模具进行了修改。新模具的上部和下部被熔合,形成一个单一的模塞,并在两侧沿中间蚀刻了一条线作为分模线。重新 修改的模具改正了左侧和右侧进气口之间的不对称,并且开口的直径增加了,以适应直径12in/305mm的螺旋桨毂盖。此模塞需用美国复合材料公司(佛罗 里达州西棕榈滩)提供的一种聚酯胶衣进行表面处理,还要用1000号砂纸进行湿法打磨,然后打蜡。

模具从模塞上脱下:两层聚酯模具胶衣被喷涂在处理过的模塞上,每层0.014in/0.36mm厚。固化的胶衣用两层3~6oz(1oz=28.35g)的玻璃纤维毡支撑,然后用聚酯湿法铺敷,模具的总厚度为0.125~0.375in(18~9.53mm)。

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Step 2: Four layers of 6-oz plain-weave 3K carbon fiber fabric are cut and laid into the bottom, front and sides of the mold. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

Alley报告称,一个关键的突破是发现一种环氧树脂,可以高性价比地提供所需的刚度。Alley试用的大多数灌注级环氧树脂,在脱模后都形成了柔软橡胶 状的部件。它们需要在一个高温烘箱中进行固化。在Emanis的建议下,Alley试验了采用Endurance技术公司(明尼苏达州南圣保罗)的两种环 氧树脂(Endurance 4218A和4286B)配制的一种低黏度双组份环氧树脂,在模具内室温下固化即取得了所需的力学性能。这种双组份环氧树脂具有 250~270cP(1cP=1mPa.s)的黏度,由Dyna Max复合材料公司提供。

更好的工艺,更好的准备

双真空袋成型工艺需要在成型周期的每一个阶段进行调整。例如,在进行湿法铺放发动机罩时,预制的模具需要涂覆4~6次蜡类脱模剂。而且,低黏度环氧树脂的 成功灌注还需要更坚固的模具系统。Alley报告称,灌注过程中,当环氧树脂渗入蜡并和模具表面粘接时,会损坏模具。技术人员要警惕这种可能性,正确的做 法是:首先涂覆4层Zyvax(乔治亚州埃利杰)的Sealer GP,并使每一层有15min的干燥时间。作为一种密封剂,Sealer GP可形成与基材附着力强的一层透明、高模量的弹性薄膜,从而成为保护模具的屏障。然后在模具内每隔15min涂覆一层Zyvax的Flex-Z 5.0高润滑脱模剂,共涂覆4~6层,且对每层抛光。在涂覆完最后一层且经过30min后,模具可用于生产。此时,模具具有非常光滑的表面,在脱模过程中 可以使固化的部件从几乎垂直的模具壁上脱下。

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Step 3: A peel ply is laid over the carbon fiber and taped to the flange of the mold. Note the use of two rows of tape for the two bags. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

为了保持铺放的织物不错位并避免桥接,Alley还在模具内涂覆一层Zyvax StayZ增粘剂。然后,铺放4层6oz平纹3K碳纤维织物。Alley从多个来源中购买碳纤维,并指出价格是他选材的首要标准。“飞机发动机罩子更像一 个整流罩,因为部件上没有结构载荷。只要做到轻质、刚性,即可满足该部件的要求。”Alley解释说。

在袋压之前,操作人员在碳纤维层上铺上一层由Airtech先进材料集团(加利福尼亚州亨廷顿比奇)提供的用聚四氟乙烯涂覆的Dacron剥离层织物(织 物质量为1.4oz)。然后在织物上涂覆流动介质——通常是轻质尼龙网格——以保持袋和铺层堆之间的间隙,确保树脂流动顺畅。

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Step 4: Two vacuum tubes are attached to the front of the mold. The main vacuum line is connected to a manifold that permits the operator to alternate vacuum control between two different pumps, a dry pump capable of drawing 26 inches/Hg of vacuum, and a wet pump capable of 29.5 inches/Hg of vacuum. A perimeter layer of CoreMat nonwoven polyester functions as a breather and a dam to prevent resin being sucked out of the line before all the air is removed. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

Emanis还建议Alley使用一层美国复合材料公司提供的CoreMat层来替代传统的螺旋包层,作为围绕袋周边的透气材料。因为CoreMat是一种带有嵌入式微球的非织造聚酯,它的灌注性虽然不好,但可起到阻隔作用,防止树脂在所有空气排出之前进入真空管线。

CFC公司使用了由Airtech先进材料集团和其他供应商提供的普通尼龙真空袋材料。当第一层袋铺设到位并用胶带固定时,Alley称他更喜欢多使用一 些袋膜,并且不担心皱折。“我希望袋子不要拉伸,因为那需要消耗真空的能量,”他解释说,“我希望所有的能量用于压实铺层。”

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Step 5: This view shows the light nylon mesh flow media that was laid over the peel ply to ensure smooth flow of the resin into the laminate. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

两个袋,两台泵

两台泵被连接到一个歧管:一台是可以抽真空到1bar(1bar=0.1MPa)的湿泵,另一台是可以抽真空到0.88bar的干泵。Alley报告称,该系统用歧管上的一系列球阀精确地控制两个袋上抽气的次序和抽气压力。

内袋铺好后,操作人员打开干泵的阀门并在40s不到的时间内抽真空至0.88bar。Alley说:“这里之所以使用干泵,是因为它可以抽取大量的空 气。”然后关闭干泵的阀门,观察压力表,检查是否有泄漏。如果内袋无泄漏,打开湿泵的阀门,在20~30s内将内袋抽真空至1bar。阀门保持打开,在袋 压保持的情况下,进行45min的脱气和压实干铺层。当再次确认袋子无泄漏后,将一层类似于用于纱帘的细网眼布放置在内袋的顶部作为透气材料,同时外袋用 胶带粘贴到位,并将一根单独的真空管线与外袋连接。随后,操作人员使用湿泵对第二个袋子抽真空(1bar),然后关闭阀门,检查泄漏。当内袋上的干泵压力 下降到大约0.68bar时,开始灌注。

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Step 6: The inner or first bag in place. Operators lay an excess of bag so that all the energy of the vacuum is being used to compress the laminate. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

外袋与内袋间的压力差是关键的工艺特征。“在灌注过程中,当树脂流过模具时,流体前锋后面不再是真空。”Alley解释道。在压实过程中,铺层的压实会储 存能量,而当流锋通过时,真空除去,能量被释放。他继续说:“压缩的增强材料“会弹回,这为树脂的吸收创造了更多的空间。而外袋不会受到这种流体动力学的 影响,它在铺层上保留了完整的压实,这就是为什么部件可以减重50%的原因。”

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Step 7: A vacuum of 29.5 inches/Hg is drawn with the wet pump and held on the inner bag for 45 minutes to degas and compress the laminate. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

在Emanis的双真空袋系统中,环氧树脂在灌注前以适当的比例自动混合。用于整流罩的双组份Endurance系统是一种非临界配比的环氧树脂,这意味 着可以控制其黏度,以获取更长的适用期。Alley通常以4:1的树脂/固化剂比例进行混合,如采用5:1的比例可以进一步延长适用期,并不会显著降低部 件的力学性能。

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Step 8: The second bag is taped in place and the mold is ready to be infused. During infusion operators hold about 20 inches/Hg of vacuum on the inner bag and about 29.5 inches/Hg of vacuum on the top bag. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

完全的浸湿通常需要15~18min。然后保持内袋真空度0.68bar和外袋真空度1bar,直到部件被完全固化(5~6h)。在26~32℃的环境温度下,固化放热的温度峰值约为51.7℃。脱模部件经过金刚石切割轮修整后,即可装运。

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Step 9: After bags are leak checked, operators switch to the dry pump for the inner bag only and bleed pressure down to 20 inches/Hg while pulling 29.5 inches/Hg with the wet pump on the outer bag. Infusion is started and can be seen at the upper right. Source: Carbon Fiber Composites Inc.

小成功,大未来

CFC公司每年成型6~12个Tailwind飞机的发动机罩子。Alley说,这一业务虽不是一棵巨大的摇钱树,却起到了非常有价值的双重作用——既可 以培训员工,又可为来访的潜在客户展示双真空袋成型工艺。目前,CFC公司已经从两个新的生产合同中获得了双真空袋工艺带来的丰厚红利(见“相关链 接”)。

Alley的团队在掌握该技术更多的细节后,准备采用双真空袋工艺大批量生产飞机部件。

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Step 10: The demolded part, shown here after trimming with a diamond wheel, is ready for shipment. Source: Carbon Fiber Composites

双真空袋灌注吸引新客户

双真空袋灌注工艺凭借其固有的能力——无需使用热压罐即可制备轻质高强碳纤维复合材料部件,在制造飞机和其他航空航天零部件中拥有值得信赖的未来。碳纤维复合材料公司(CFC公司)最新获得两个生产小飞机平台部件的合同即是很好的证明。

CFC公司将为新建立的ION飞机公司(明尼苏达州圣保罗)的ION 100飞机制造约一半的模具和所有的部件,这是一款双座飞机,其设计符合美国联邦航空局轻型运动飞机的标准。CFC公司将为该飞机生产约30个部件,它们 都具有泡沫芯碳纤维夹层结构。CFC公司总裁Brian Alley介绍说,特定牌号的碳纤维尚未确定,但ION飞机公司已指定采用DIAB公司(德克萨斯州德索托)提供的Divinycell HT航空级泡沫芯材。Alley预计铺层设计将包含1~8层碳纤维,这要取决于具体部件的结构功能。第一个完整的套件将于今年年底交付给客户。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/23/2015)
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