SQRTM 制造網狀、格柵結構
這個由Radius Engineering（猶他州鹽湖城）制造的網狀單元化部件是一個原型旋翼機頂部部件，作為SARAP-Survivable Affordable Repairable Airframe Program（可生存、可負擔、可修復機身計劃） 計劃的一部分生產。約 250 lb/~120 kg“格柵加筋”部件的底視圖顯示了其四根較厚的集成縱梁和幾個較輕的垂直框架以及集成的加筋上蒙皮。
完成艙頂的俯視圖顯示了整體式上蒙皮以及轉子傳動的開口和整體支撐。艙頂的粗略尺寸為 9.5 英尺乘 6.2 英尺乘 1 英尺（2.9 米乘 1.9 米乘 0.3 米），與其他機身部件結合在一起（見第 48 頁的照片）。艙頂部分為減少機身零件數量和重量的前瞻性方法建模
一個完整的SARAP機身原型，在直升機行業貿易活動上展出。SQRTM 制造的屋頂組件是組件的一部分，其中還包括其他創新的復合材料設計。據報道，西科斯基公司正在考慮將 SQRTM 技術用于未來的直升機制造項目
步驟 1：如圖所示，在早期階段，復雜的艙頂部分的疊層包括在下半模上放置分解的預浸料和干燥的預成型件（如步驟3所述）的組合
步驟2：艙頂蒙皮的預浸料疊層就位，將形成屋頂部分梁和垂直框架表面的工裝嵌件網絡就位。
步驟 3：這個特寫顯示了在垂直和水平元素的交叉處使用的“pi”預制件。在垂直加勁肋腹板與梁翼緣或零件蒙皮相遇的任何地方，pi 預成型件的兩個支腿形成一個槽，該槽接受腹板，而垂直預成型件元件平放在水平翼緣或蒙皮上。預成型件的作用是填充腹板和蓋或法蘭之間的半徑，用于零件的眾多梁和框架
步驟4：疊層已經完成，安裝了多個模具鑲塊，模具閉合。此時，使用與預浸料相同的樹脂進行注射，以保持模具內穩定的靜水壓力。
步驟 5：注射后，開始固化。如圖所示，SQRTM能夠實現更快的加工，因為壓力機和工具的導熱系數更高，可以更快地加熱和冷卻。RTM固化可以比熱壓循環短兩個小時
步驟6：當固化的艙頂部件從工具底座上升起時，會顯示出來。工具左側可見的是加熱臺板壓力機，其上下墊由焊接鋼制成，研磨平整至高公差，用于加熱和夾緊工具
目前的熱壓罐外加工趨勢是由制造商生產更大零件以幫助降低制造成本的競爭需求驅動的。盡管在過去的幾年里已經引入了許多 OOA材料和方法，但很少有材料和方法能超越SQRTM的優雅，SQRTM是相同質量樹脂轉移成型的縮寫。SQRTM由 Radius Engineering 股份有限公司（猶他州鹽湖城）開發，目前正在商業化過程中，它是一種封閉成型方法，結合預浸處理和液體成型，生產真正的網狀、高度統一的航空航天零件。簡而言之，SQRTM的設計目的是在沒有熱壓罐的情況下生產出熱壓罐質量的零件。
Radius Engineering 總裁 Dimitrije Milovich 表示：“在過去幾年中，復合航空航天零件的規模和復雜性顯著增加。”。“我們設計了一種可行的替代方案，它復制了合格的熱壓罐工藝，同時提供了顯著的優勢。”SQRTM方法已成功應用于多個航空航天項目，包括RQ-1B全球鷹無人機的翼尖擴展。
但迄今為止，它最艱難的測試是根據西科斯基飛機公司（康涅狄格州斯特拉特福德）和美國陸軍航空應用技術局（弗吉尼亞州尤斯蒂斯堡 AATD）之間的合作協議，根據“可幸存的可負擔可修復機身計劃”（SARAP-Survivable Affordable Repairable Airframe Program）生產的一個極其復雜的一體式原型直升機機艙頂部，SQRTM制造的屋頂是其中不可或缺的一部分，實現了積極的重量減輕和成本降低目標。在機艙頂部的成功工作幫助SARAP虛擬樣機和驗證開發團隊贏得了美國直升機協會國際2008年羅伯特·L·平克尼獎（以一位著名的波音制造工程師的名字命名），該獎項表彰了垂直飛行飛機或部件制造研發方面的顯著成就。
液態成型+預浸料
SQRTM 與標準樹脂傳遞模塑（RTM）的區別在 于，它取代了干纖維預成型件，而是用預浸料疊層代替。預浸料層被布置在模具內，模具被關閉，然后，有點違反直覺的是，液體樹脂被注射到工具中。Milovich 說：“這就是使該工藝類似于熱壓罐工藝的原因。”他指出，注入的樹脂與預浸料中使用的樹脂相同，因此，采用該工藝的人無需重新鑒定材料。
工具內精密設計的澆口和通道有助于在注射前從疊層中排出空氣，并使注射的樹脂能夠在約 100psi/6.89bar 的均勻流體壓力下沿著整個零件的邊緣填充所有空腔。Milovich 解釋道：“樹脂并不是用來浸漬預浸料坯的，只是為了在模具內保持穩定的靜水壓力。這種壓力使揮發物和水蒸氣保持在溶液中，以防止形成空隙。”
事實上，傳統的熱壓罐工藝有時會使用高溫橡膠邊壩或其他材料作為疊層和裝袋的一部分，以防止樹脂在熱壓罐的壓力下從預浸料中逸出——如果有足夠的樹脂擠出，層壓板的靜水壓下降，疊層內樹脂中流出的任何空氣或揮發物都會產生空隙。然后，在SQRTM工藝中，注入的加壓樹脂充當“流體壩”，防止樹脂擠出，同時在固化過程中復制高壓釜的固結壓力。
Radius 的業務開發主管Tom Coughlin聲稱：“使用SQRTM而不是熱壓罐更容易控制層壓板的質量，因為樹脂的靜水壓力是由樹脂注射器直接控制的，而不是取決于熱壓罐容器內的變量和袋下的層壓板。”
為了適應其 SQRTM 工藝，Radius 設計并制造了一個大型臺板沖壓系統，該系統配備了焊接鋼制的上下墊，研磨平整至高公差。當裝載的雙面工具放置在壓力機內時，下搖枕由一系列類似于消防軟管的安全氣囊支撐。Milovich 指出，在注射之前，袋子被充氣，迫使下墊抵住工具，上墊以優化夾緊力。
Coughlin說，上下墊枕都是分區電加熱和水冷 的，可以在固化過程中調節溫度。他解釋道：“如果一個工具的質量根據零件配置而變化，其中一個區域比另一個區域更厚，則區域加熱允許沖壓機在完成工具的完整熱輪廓后，在較厚的區域施加更多的熱量，這樣零件總是能看到一致的熱循環。”
SQRTM與RTM的相似之處在于，在工具上抽真空，并加熱壓機和工具。然而，在SQRTM中，在熱壓罐條件下，以與預浸料坯相同的升溫速率加熱，并通過過程控制器注入樹脂，該過程控制器還監測和調節壓機溫度。Coughlin 補充道，SQRTM工藝的獨特之處還在于所使用的真空度。他指出，Radius 開發的真空泵可產生<0.5 毫米/汞柱的真空度，這“比標準車間泵所能產生的真空度還要高”，因為壓機和工具的較高導熱率允許更快的加熱和冷卻，所以 SQRTM 固化周期可以比熱壓罐周期短兩個小時。
與傳統 RTM 相比還有其他優點。零件厚度由匹配的工具控制，避免了真空裝袋過程中固有的潛在厚度變化。從完全浸漬、合格、增韌的預浸料開始，消除了注射過程中出現干斑的風險，也消除了通過液體樹脂將增韌劑引入零件的需要。此外，由于該工藝嚴格遵循使用先前合格材料的標準熱壓罐加工步驟，因此風險較小，客戶的舒適度也高得多。Milovich說，盡管這一工藝在一定程度上更適合平面型零件，但SARAP機艙頂部表明，非常大規模、復雜的零件完全在其范圍內。
網狀、格柵加強件
“我們的重點是網狀部件，” Milovich 說。“我們正在尋找集成多個零件的方法，以減少組裝勞動力、降低成本和減輕重量。”這一理念推動了SARAP項目SQRTM的發展，該項目專注于尋找創新的方法來減少結構重量和緊固件數量，并提高旋翼機零件的損傷容限。除了Radius，SARAP團隊還包括Automated Dynamics（紐約州斯克內克塔迪）和GKN Aerospace Services Alabama（阿拉巴馬州塔拉塞）。Automated Dynamics制造了一個熱塑性復合材料下機身部件， GKN制造了機身框架、側蒙皮和后艙壁，并組裝了最終的SARAP技術驗證文章。
機艙頂部的概念驗證試驗于2006年開始，全尺寸工具設計于 2007年進行。Radius負責根據Sikorsky提供的設計和有限元分析（FEA-finite element analysis ）建模，開發屋頂的制造工藝。
根據 Milovich 的說法，屋頂原型是迄今為止最復雜的網狀單元結構之一。“格柵加筋”部件的大致尺寸為9.5 英尺乘 6.2 英尺乘 1 英尺（2.9 米乘 1.9 米乘 0.3米），重量約為250 磅/120 公斤，它集成了四根厚縱梁和幾個較輕的垂直框架、一個帶加強筋的整體上蒙皮和轉子傳動的整體支架，所有這些都在一個共同加固的部件中。Milovich 承認，顯然，Radius內部進行的工具設計至關重要，最終“非常復雜”。
10.8 英尺乘 7.5 英尺乘 1.5 英尺（3.3 米乘 2.3 米乘0.5 米）的鋁制工具由一家專有工具供應商制造，由兩個大的外部工具半部組成，它們形成了客艙頂部的內表面和外表面。Milovich指出，硬質陽極氧化鋁是該公司大多數大型 SQRTM項目的典型產品，因為它價格合理，比鋼輕，加熱能耗低，而且更容易處理。
250多個單獨的工具細節，無論是心軸還是插入件，都經過機加工并裝配在一起，形成了零件的所有內表面。配合公差小于±0.005 英寸（±0.125 mm）。
Milovich 表示：“我們的方法是創建一個帶有大量可拆卸插件的單一、多部分工具。”“每個插件都注冊到大型外部工具上，以確保精確的尺寸。”盡管該工具明顯復雜且昂貴，但如果西科斯基選擇采用需要二次后緊固組裝的多部件解決方案，它就消除了單獨零件所需的多個工具。米洛維奇承認：“制作起來很復雜，但最終它只制作了一個零件，不需要組裝工具，也不需要勞動力將多個零件固定在一起。”
為了制造艙頂制品，首先將預浸料切割成形，以形成大部分零件。艙頂制品中使用的預浸料是來自 Cytec Engineered Materials股份有限公司（Tempe，Ariz.）的Cytec 5250-4，其是由于其與Cytec的5250-4 液體 RTM樹脂固有的化學相容性而選擇的。
預浸/注射樹脂匹配是 SARAP 艙頂制品的一個重要考慮因素，因為典型的 SQRTM 工藝有所改變，包括注入一些干燥的紡織材料，如下文所述，與預浸料組合。Sikorsky 的機身開發項目負責人 Tom Carstensen 指出，使用相同的基礎樹脂系統消除了人們對樹脂混合以及可能導致的機械性能潛在變化的擔憂。
將配套的單向碳/環氧膠帶和編織織物預浸料在工具外單獨分解，以去除任何截留的空氣或樹脂濃度的局部區域——這是通常為材料指定的步驟。根據材料規范，將切割好的簾布層鋪在加熱的平板或桌子上，裝袋并置于真空下。在達到基于所需的減粘水平的最高溫度后，在約一小時內對 11 層預浸料堆進行減粘。然后，將拆散的疊層或“書本”轉移到工具上，開始疊層，這一過程花了兩名技術人員近兩周的時間才完成。
在疊層中，預浸料坯形成了零件的腹板和凸緣。這些由編織的三維干“π”預制件連接在一起，因其與希臘字母π相似而得名。（編者按：Pi 預制件技術由總部位于得克薩斯州沃思堡的洛克希德馬丁公司開 發，并在美國空軍和海軍資助的復合材料可承受性倡議（CAI-Composites Affordability Initiative ）項目下進行了演示。這些預成型件由 Bally Ribbon Mills（Bally，Pa）和 Albany Engineered Composites（Rochester，N.H.）制 造。在垂直加勁肋腹板與梁翼緣或零件蒙皮相遇的任何地方，pi（pi 相當希臘字母“π”）（預成型件的兩條腿都形成了一個接受腹板的槽，而垂直預成型件元件平放在水平凸緣或蒙皮上）。預成型件的作用是填充腹板和蓋或凸緣之間的半徑，為零件的眾多梁和框架提供所需的剛度和強度。
Milovich 說，在組裝工具時，精密加工的工具插入件和細節壓縮并鞏固了每個預制件細節，形成了“凈斜邊”。在三向交叉處，預成型件在插入工具之前進行手工切割，以形成斜接接頭。“我們已經開發出了斜接預成型交叉點的方法，以創建干凈且功能齊全的接頭。最大的好處是消除了邊緣修整的需要，并且在固化后大大減少了后續的零件加工。”
在連接儀器并在工具上抽真空后，以高壓釜指定的斜坡速率加熱壓機，并在斜坡過程中的停留期間注入樹脂。注射大約需要 45 分鐘，并且在大約 4 小時內完成固化。Milovich 說，通過在低于固化溫度約 70°F（21°C）的溫度下，在工具仍然熱的情況下拆除零件，可以緩解對鋁工具熱膨脹系數（CTE-coefficient of thermal expansion）問題的任何擔憂。
從原型到程序
迄今為止，已有三個艙頂組件通過 SQRTM 成功生產。由于匹配工具的嚴格公差，零件上的所有表面都顯示出嚴格的尺寸控制，在±0.005 英寸（±0.125 mm）以內。固化后，只需對梁的邊緣和端部進行輕微修整。因此，西科斯基公司正在考慮未來升級美國陸軍 UH-60 直升機平臺的技術，并計劃在其他項目中對該技術進行評估。
西科斯基并不是唯一一家對 SQRTM 感興趣的航空航天主制造商。波音公司（華盛頓州西雅圖）最近發布了一份工藝規范，涵蓋了 SQRTM 工藝，在封閉成型工藝中使用BMS-8-276 增韌預浸料。Radius 報告稱，波音公司及其至少一家一級供應商已經測試了通過 SQRTM 制造的面板、子元件和全尺寸零件，并發現其與熱壓罐加工等效。Milovich 總結道：“它正在被接受，并將引領其他應用程序將多個零件集成到一個組件中，從而節省大量資源。”
END
注：原文見，《SQRTM enables net-shape parts》 2010.8.31 楊超凡 2023.8.16
