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复合材料热压罐成型的技术发展方向

供稿人:吴春莹  供稿时间:2020-12-2   关键字:复合材料  热压罐成型  技术  

热压罐成型工艺是聚合物基复合材料构件成型的主要方法之一,由于其广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹芯结构及复合材料胶接结构的成型,已成为航空航天领域的主承力和次承力结构件成型的首选工艺。备受关注的波音787飞机机体主要结构大规模地采用碳纤维预浸料-热压罐成型制造复合材料技术,将复合材料热压罐成型制造技术引向了新的发展方向,实现了向基于复合材料机体的飞机复合材料制造技术的跨越。

热压罐成型工艺是将复合材料毛坯、蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上,置于热压罐中,在真空(或非真空)状态下,经过升温→加压→保温(中温或高温)→降温和卸压等过程,使其成为所需要的形状和质量的成型工艺方法。典型热压罐工艺如图1所示。

图1 典型热压罐工艺示意图

资料来源:李树健,湛利华,等.先进复合材料构件热压罐成型工艺研究进展.稀有金属材料与工程.2015,44(11):2927-2931

通过分析技术沿革情况不难发现,复合材料热压罐成型正朝着向智能化、降低生产成本以及提高成型产品质量的方向发展(图2)。

智能化是新一轮科技革命的突出特征之一,也是新一代信息技术的核心。复合材料热压罐成型的智能化可以表现在人工智能技术的发展和应用。波音公司在专利US10059061B2揭示了机器学习算法在复合材料热压罐成型中的应用,以增加组成部件或复合结构至限定质量目标的提高,可以根据示例实现使用并且可能混合的人工智能技术的示例包括:强化学习和深层神经网络、贝叶斯推理和专家系统等。

由于热压罐成型工艺存在能耗大、成本高的缺点,寻找低成本的工艺路线成为业界研究的焦点。专利EP3023234A1描述,使用模块化工具制造加强复合板(例如飞机机翼蒙皮),以降低加工成本和缩短固化时间。专利EP2225093A1提出,采用铝代替昂贵的镍-36钢构成支撑元件的由复合纤维材料生产型材的方法。

提高复合材料制件的质量和性能亦成为同行追逐的目标。例如:在碳纤维增强聚合物(CFRP)材料复合结构的制造过程中,由于制造过程或工程设计的问题,可能在复合材料中产生不期望的空隙或者空区域,而空隙减少和低孔隙度水平是获得良好的机械性能的保证,因此提出降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统。

图2 复合材料热压罐成型的专利技术路线分析图

资料来源:incoPat全球专利数据库,上海科技情报研究所分析整理

 

相关链接

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2. The Boeing Company. Wireless transmission of process data from within pressure vessels. EP2099272B1.

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