用于批量生產成本效益高的CFRP航空結構的HP-RTM
通過HP-RTM在幾分鐘內完成初級航空結構CTC已經證明了HP-RTM零件具有60%的纖維體積和小于2%的空隙，在20分鐘內成型，例如這種1.5米乘0.5米的CFRP肋，代表了可能的航空航天主要結構
SPARTA演示器的汽車創新工具Alpex Technologies在SPARTA項目中與空客直升機公司和克勞斯瑪菲公司合作，利用汽車最佳實踐設計和制造了HP-RTM工具，該工具用于為空客A350乘客門生產演示框架，目前由空客直升機公司使用低壓RTM制造
SPARTA演示器HP-RTM工具的示意圖
輸液和注射工具用于樹脂灌注CFRP機翼的鋁鋪層模具MS-21噴氣式客機
一種用于A330擾流板鉸鏈的新型自動化RTM工具
用于A330擾流板鉸鏈配件的RTM工具投入使用，展示了Alpex的經驗和創新
大約十年前，當樹脂傳遞模塑（RTM）開始轉變為高壓RTM（HP-RTM）時，它在汽車應用中受到了廣泛贊譽，將復合材料零件的循環時間從幾個小時縮短到了2分鐘以下。關于將這項技術應用于航空航天零部件的說法較少。飛機工業有著悠久的傳統RTM歷史，包括其在?生產用于商用飛機發動機的數千個碳纖維增強塑料（CFRP）風扇葉片和風扇罩。空中客車公司甚至使用RTM為空中客車A320制作了一個7米長的一體式復合材料多段襟翼的原型。但是，有可能在幾分鐘內將這種長達數小時的過程轉化為復合材料飛機零件的全自動成型嗎？幾位關鍵人物表示這是可能的。
傳統的RTM，為了清楚起見，這里稱為LP-RTM，通常使用10-20巴的注射壓力。另一方面，HP-RTM使用30-120巴的注射壓力。
Alpex Technologies（奧地利米爾斯）的研發負責人Bernhard Rittenschober表示：“10年前，我們通過一個歐盟資助的制造機身框的項目開始從事航空航天RTM加工。“當時的預測是，（空客）A350的許多零件將使用RTM制造，但這并沒有實現。”然而，Alpex繼續研究這項技術，作為汽車和航空航天行業的供應商，開始研究如何將這兩個行業使用的工藝合并。Rittenschober解釋道：“我們的想法是使用航空航天領域適航取證的赫氏RTM6環氧樹脂，但采用汽車工具的最佳實踐和自動化注射系統，以縮短循環時間。”
其結果是，Alpex與合作伙伴空中客車直升機公司（德國多納沃斯工廠）、設備供應商克勞斯瑪菲公司（德國慕尼黑）、測試專家航空航天和先進復合材料公司（AAC，維也納-諾伊施塔特，奧地利）和樹脂供應商赫氏公司（美國康涅狄格州斯坦福德）共同參與了2013-2015年由奧地利政府資助的一項名為“起飛”的研究項目。該項目表明，HP-RTM使A350門框的成本降低了30%，并進行了重大的技術開發，包括使用雙組分（2K）樹脂系統、通過模內傳感器進行智能注射和固化監測，以及進一步縮短零件循環時間的能力。Alpex一直在繼續開發，并認為這種HP-RTM技術有潛力幫助克服當前的復合材料生產問題。
支持這一觀點的是，空客運營有限公司的子公司復合材料技術中心（CTC）也在開發自動化RTM已有十年，首先是LP-RTM，然后在大約五年前過渡到HP-RTM。CTC生產系統項目負責人兼RTM技術負責人Jan Schiller解釋道：“HP-RTM解決了注射和固化的瓶頸，因為它的高速混合可以使用高活性樹脂。”。“我們開發了一種工藝，可以在20分鐘的循環時間內生產出尺寸為1-2米的復雜幾何零件，滿足航空航天要求（例如，60%的纖維體積和小于2%的空隙）。”從而使A320飛機的生產率更高。“我們現在正在為這些產品開發特定的加工工藝，今年正在努力將其投入批量生產。”
HP-RTM A350門框
Alpex的開發是通過一個名為SPARTA的項目通過奧地利起飛計劃完成的。Rittenschober回憶道：“空中客車直升機公司選擇了這個部件。”。“當你打開門走進A350時，你會看到這個門框。它大約有2米高，200-250毫米寬，8-10毫米厚，形狀和設計特點復雜，以滿足組裝門的各種要求，組裝門是主要結構。”A350門由德國多納沃斯的空中客車直升機公司使用LP-RTM制造的14個部件組成。為SPARTA選擇的門框是該門最具挑戰性的部分之一。Rittenschober補充道：“這是一個很好的演示部分，因為我們可以直接將HP-RTM與標準航空航天LP-RTM進行比較。”
Alpex設計并制造了目前用于空客直升機公司A350門框生產的LP-RTM工具。對于HP-RTM工具的設計和制造，它將應用更多的汽車思維方式。“我們的目標是在航空航天復合材料零部件生產中實現汽車型自動化，”Rittenschober說。“如果空中客車公司要以每月60至100架飛機的速度制造一架未來的A320飛機，并配備更多的復合材料部件，這是必要的。”
他繼續說道：“?我們是為寶馬公司生產模具的，寶馬公司正積極嘗試簡化其零件和工藝，以減少循環時間，而空客公司則來自以前的航空航天復雜性。例如，當我們開始時，空中客車直升機公司問這個模具將有多少零件。”注意，目前生產的LP-RTM門包括復雜的多件式工具。Rittenschober說：“我們解釋說，HP-RTM工具只有一個上模具和一個下模具。”
因此，Alpex從簡單的模具設計開始，然后添加了一些功能，使加工更加穩健和靈活，例如用于大批量汽車生產的密封系統。“此外，我們已經將所有的傳感器集成到模具中，”他指出。
預制件和工藝
目前用于A350門框的預成型件使用編織材料，需要多個脫模步驟，因此生產周期為三天。Rittenschober說：“我們決定改用非卷曲織物。”。“這大大降低了價格和循環時間。我們最終還用赫氏合格的編織預成型件展示了一些零件，但我們看到了航空航天以外的復合材料行業的轉變，SGL和其他公司的發展從機織物轉向了膠帶和非卷曲織物等低成本形式。”
當被問及注射點和纖維清洗的任何問題時，Rittenschober解釋說，HP-RTM工具只有一個注射點，但沒有纖維清洗，因為預成型件是夾緊的，因此它固定在模具中，非常穩定。
另一個關鍵點是，Alpex選擇使用雙組分（2K）樹脂系統，而不是空客直升機公司目前使用的單組分RTM6。Rittenschober聲稱，2K系統可以更具反應性，更適合HP-RTM，并且可以節省成本，因為它不是預混合的，也不需要運輸危險材料。然而，它確實需要180°C的更高溫度。“這對我們來說是最具挑戰性的部分，”Rittenschober說，“因為我們更習慣于在120°C下加工。”
KraussMaffei在其位于德國慕尼黑的輕型技術中心安裝了RimStar Compact HP-RTM系統中的成品模具，該系統具有自動高壓（高達80巴/1100磅/平方英寸）混合、計量和注射功能。然后，它制造了20個演示器零件。Rittenschober描述了基線過程：在80°C下注射，升溫至120°C，保持一小時，升溫至180°，保持90分鐘固化，下降（2°C/分鐘）并脫模。“注射只需要20秒，”他說，“但整個成型周期約為4小時。”
周期時間和成本
SPARTA門框仍然很長的固化周期是由空客適航認證的赫氏 RTM6樹脂配方和加工驅動的Rittenschober指出：“我們能夠在180°C下實現30分鐘的固化循環，然后在真空下進行額外的后固化，以消除熱應力并確保機械性能。”他補充道，這些性能非常好，與LP-RTM部件相當。
Rittenschober說：“我們表明，您可以使用該工藝并自動化生產，以獲得更高的零件量。”。“你可以在模具中注射和固化，然后在壓機外后固化。”他承認這需要額外的工具，但只有一個壓機和注射單元。“有了這個系統，您可以減少700歐元的零件成本，這使您能夠以每年500到1000個零件的生產率輕松支付設備費用，這甚至不是一個很高的產量。”
CTC進程的發展和示范
除了工具和工藝外，HP-RTM門項目還包括纖維形式的創新使用。席勒回憶道：“我們從已經通過空中客車公司認證的機織紡織品開始，非常成功。”“然后我們繼續使用非卷曲和更具創新性的紡織品。”后者包括干纖維鋪設和與展開的絲束層交織以提高韌性，但后者存在纖維和層緊密堆積的問題，導致滲透性差，阻礙樹脂滲透。他補充道：“也有一些發展來解決這一問題，例如使用特殊纖維的非卷曲來提高滲透性。”
關于HP-RTM的壓力，Schiller強調，使用該工藝的決定更多地是由聚氨酯行業的混合技術驅動的，而不是由高工藝壓力驅動的。他解釋道：“我們使用HP-RTM只是為了使高反應性樹脂得到良好的混合。”。“模具中可能有更高的壓力，但這是快速注射的次要影響。對于循環時間為2分鐘的汽車零件，它們必須比我們更快地用樹脂滲透到干燥的預成型件中。我們的15分鐘固化時間允許更多的樹脂滲透時間，這也降低了模具中的壓力。”
同時，壓力機噸位取決于零件尺寸。Schiller說：“制造尺寸不超過2米的零件效果很好（約1500噸），但尺寸為4-6米的零件需要計算商業案例，因為沖壓投資變得非常高。”。CTC在2018年的JEC World上展示了一個1.5米乘0.5米的CFRP肋，代表了任何可能的航空航天主結構。它還將在2019年底獲得更高噸位的壓力機。
2K樹脂和基于傳感器的QA
Schiller觀察到，所有以前的RTM飛機結構都只使用了供應商混合的1K系統，然后供應商對混合物進行認證，并負責確保樹脂符合資格要求。“現在我們正在考慮2K系統，但挑戰在于確保混合質量，”他解釋道。預混合的1K系統需要冷運輸和儲存，以防止在零件加工之前發生反應。因此，2K系統的優點包括消除了這種費用以及用于更快處理的更高反應性。然而，一個問題是質量保證（QA）將從樹脂供應商轉移到零件制造商。“這項質量保證要求檢測混合比和混合樹脂質量。這兩項都是空客公司對新材料進行鑒定所必需的。因此，這意味著在混合前對兩種成分進行測量，并在混合后對樹脂進行測量。如今，我們在混合頭前只有傳感器，顯示混合料中計量加入了多少樹脂和多少硬化劑。這還不夠鑒定。”
與此同時，Alpex正在努力開發一個在線質量系統，以提供空客所需的100%正確混合樹脂的驗證。Rittenschober指出：“從開發之初，我們就與Netzsch合作開發模具傳感器。”“現在Netzsch與Kistler（瑞士溫特圖爾）合作，新技術已經問世。我們可以通過一個傳感器監測溫度、壓力和樹脂的固化，我們將其包括在模具中。”
Schiller說：“Alpex說要使用模具內傳感器，混合/注射設備供應商說傳感器應該在他們的系統中。”“兩者都是對的。”但他指出，后者也需要改進。
Schiller解釋道：“在汽車HP-RTM中，樹脂混合比是在整個過程中測量的，所以這是一個平均值。”“然而，我需要在過程中的每個離散點進行測量，這樣我就知道混合比總是正確的，即使在注射過程的最后半秒也是如此。我們需要在測量系統中提高時間分辨率。”Schiller建議，在混合頭之前、混合頭內部和模具中可能需要傳感器。“我們正在進行這項QA開發，同時評估航空航天應用中的2K樹脂，我們與機器供應商一起確定了能夠提供足夠分辨率的傳感器系統。它們將在今年內得到驗證。”
Alpex還在試驗一種由Aerospace&Advanced Composites（AAC，Wiener Neustadt，Austria）開發的新型混合多功能壓電傳感器。它被放置在RTM模具上，作為一個壓力傳感器來監測模具中的樹脂流動前沿。一旦預成型件被樹脂浸漬并開始固化，傳感器就利用阻抗譜的變化來確定固化程度。一旦固化完成，壓電傳感器在零件表面上共同固化，用于結構健康監測，無論是在被動模式下作為聲發射傳感器，還是在主動模式下使用引導超聲波。它們已被證明可用于監測成品零件的沖擊和損壞。
請注意，工業4.0智能生產系統可以分析這些過程數據，以確定進一步提高質量和效率的途徑。也可以為每個零件的數字孿生記錄該過程數據。
未來潛力
Rittenschober表示，HP-RTM技術唯一真正的障礙是認證：“我們正在向空中客車直升機公司證明這一過程是可行的，但必須有人來認證。”Schiller同意，尋找誰將是第一個總是一個障礙，但他也計算了去年許多零件的商業案例。“對于每年200個零件來說，這是沒有意義的。然而，例如，對于A320上的零件來說，它變得很有吸引力。每個月，我們都會看到A320項目的目標費率更高。這些零件中的許多是在20世紀80年代設計的，都是手動生產的，所以使用HP-RTM可以很容易地提高效率。”
CTC證明零件循環時間為20分鐘，HP-RTM對電動垂直起降(eVTOL)飛機市場也很有吸引力，空中出租車制造商UBER建議將每年5000架飛機的產量作為上限。
Rittenschober表示，Alpex將繼續開發一系列RTM進步。“我們相信HP-RTM具有真正的潛力，可以通過更具成本效益的碳纖維增強塑料航空結構工業化生產來幫助解決一些問題。”Schiller對此表示贊同，并指出，對于許多目標A320應用，每艘機組都有許多碳纖維增強材料部件。“因此，更高效的工藝的好處開始積累。如果我們能在生產中獲得第一個應用，那么還會有其他應用。”
《 Multi-material steel/composite leaf spring targets lightweight,high-volume applications 》
隨著復合材料工藝制造水平的提高，生產規模的不斷擴大和自動化程度的巨大進步，復合材料被更廣泛地應用于航空航天、汽車、軌道交通等領域，其應用水平已經成為衡量新一代裝備先進性的重要標志。我國復合材料在全球約占30%的市場份額，因此前瞻性、適時性地對復合材料行業的發展背景、產銷情況、市場規模、競爭格局等行業現狀進行分析，并結合多年來復合材料行業發展軌跡及實踐經驗，對復合材料行業的未來進行探索，有著極為重要的意義。
HP-RTM工藝是近年來推出的一種應對大批量生產高性能熱固性復合材料零件的新型RTM工藝技術，采用配套預成型技術，通過在密閉抽真空模腔內高壓混合注射完成樹脂對纖維的浸漬和固化，可實現低成本、短周期（大批量）、高質量生產。
會議由復材網、天津市天鍛壓力機有限公司主辦，廊坊市飛澤復合材料科技有限公司、湖南精正設備制造有限公司協辦，將于8月3-5日在天津市舉辦“2023第一屆復合材料HP-RTM工藝技術交流會暨自動化成型裝備演示培訓會”。會議期間，還將安排參觀天津市天鍛壓力機有限公司、廊坊市飛澤復合材料科技有限公司，觀摩成型裝備及生產現場操作演示，在實踐中學習高效、低成本、定制化的輕量化解決方案，共同探討復合材料新技術、新應用和新發展，助力企業頂層設計及戰略規劃，在市場競爭中占據領先優勢。
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參 觀 企 業
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