在航空航天領(lǐng)域，自動化是提高熱塑性復(fù)合材料部件制造水平的重要手段。飛機制造商（OEM）和各級零部件供應(yīng)商采用LMPAEK等高性能聚合物并結(jié)合新型加工技術(shù)，有望通過輕型復(fù)合材料來增加產(chǎn)能、減少缺陷、提高效率，進而降低生產(chǎn)成本。
復(fù)合材料技術(shù)所帶來的輕量化和機械性能優(yōu)勢已得到廣泛認可。自用于飛機制造以來，復(fù)合材料在該行業(yè)一直保持穩(wěn)定增長，預(yù)計到2026年將達到4.65億美元。展望未來，復(fù)合材料尤其是熱塑性復(fù)合材料單向帶在降低系統(tǒng)成本和提高產(chǎn)能方面可為航空航天業(yè)帶來更大優(yōu)勢?？梢哉f，熱塑性復(fù)合材料是一種適用性更強的生產(chǎn)材料。它可以重復(fù)加工，無放熱風險，也不太可能受到異物碎屑的影響,同時還可以提高加工速度，使生產(chǎn)線更加清潔，并加快實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
尺寸均勻一致：單向帶
熱塑性復(fù)合材料單向帶（TPUD）常被用于自動化生產(chǎn)，因為其尺寸均勻（寬度、厚度一致），孔隙率低，在大規(guī)模生產(chǎn)時具有一定的可預(yù)測性。如今，我們研發(fā)出了各種專用非高壓釜制造工藝，以充分利用熱塑性復(fù)合材料的潛能。
以下皆為高度自動化并且已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的制造技術(shù)：
-
自動鋪帶（ATL）和熱壓固化
-
現(xiàn)場自動鋪絲（AFP）
-
自動鋪絲和真空袋成型
-
自動鋪絲和固化爐固化
-
連續(xù)模壓成型（CCM）
-
纖維貼片鋪放（FPP）
-
模壓成型
-
編織
然而，自動化生產(chǎn)工藝并非一帆風順。自從航空航天工業(yè)開始使用復(fù)合材料以來，手工作業(yè)一直是主要的生產(chǎn)方式。從手工作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊に嚳梢哉f是自然而然的事，但是工藝和檢測技術(shù)的驗證并使其成為規(guī)范需要一定的時間。如今，為正確的應(yīng)用選擇合適的材料成為了一大挑戰(zhàn)。
采用熱塑性復(fù)合材料與采用金屬材料的設(shè)計為何大相徑庭呢？
對于設(shè)計工程師而言，金屬材料和復(fù)合材料屬于不同的知識領(lǐng)域，后者具有各向異性（即方向性）。如果您需要的是各向同性特性（即在各個方向測量時性能都相同），那么您可能會問為什么要使用各向異性材料呢。原因有二：
-
首先，碳復(fù)合材料（密度約為1.6 g/cm3）與常用的航空航天金屬材料如鋁材（密度約為2.8 g/cm3）和鈦材（密度為4.4 g/cm3）相比，密度上存在較大差異：大約比鋁材輕三分之一，比鈦材輕三分之二。但這不是唯一的原因。
-
其次，我們還需要看材料的比強度（通常稱為強度重量比）。鋁合金6061-T6和5級鈦合金6AI-4V的比強度分別為107和214，而復(fù)合材料的比強度達到了1515，真是令人嘆為觀止。憑借這一特性，即使在施加均勻載荷的情況下，復(fù)合材料的表現(xiàn)也可以同樣令人信服。它們之間還有一個重要的區(qū)別：復(fù)合材料的強度具有明顯的方向性。
在所受載荷不均勻的應(yīng)用中，復(fù)合材料因為具有各向異性特性，所以可以根據(jù)需求進行定制。有了這些定制特性，就可以進一步降低層壓板的厚度，從而使其重量比同等性能的準各向同性材料和金屬材料更輕。因此，對于與ATL或AFP生產(chǎn)設(shè)備打交道的工程師來說，這種設(shè)計自由度具有不可思議的價值。
優(yōu)化性能和制造工藝
在部件設(shè)計之初，就需要將制造工藝考慮在內(nèi)。制造設(shè)計可推動應(yīng)用設(shè)計。加工知識對于按時、按預(yù)算完成項目目標至關(guān)重要。例如，在嵌件注塑工藝中，部件設(shè)計能夠促進模具設(shè)計，還可以通過迭代設(shè)計工藝來優(yōu)化部件的性能和生產(chǎn)可行性。設(shè)計復(fù)合材料部件與設(shè)計金屬部件之間的根本區(qū)別在于，復(fù)合材料部件所用材料價格昂貴，但時間成本不高（因為生產(chǎn)周期短），而金屬設(shè)計則恰恰相反——材料相對便宜，但加工時間成本昂貴。 因此，您必須明智地選擇合作伙伴，確保他們對現(xiàn)有熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)有深刻的了解。這有助于設(shè)計工程師為應(yīng)用選擇合適的工藝和材料組合。
合格材料供應(yīng)
采用熱塑性復(fù)合材料的另一大阻力是缺乏有關(guān)合格材料的數(shù)據(jù)庫。畢竟，金屬材料在航空領(lǐng)域已經(jīng)使用了超過100年，并且都已經(jīng)標準化，大部分甚至已經(jīng)商品化了。而熱塑性塑料則更加復(fù)雜，因為您需要的不是為特定材料創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，而是需要有關(guān)特定熱塑性復(fù)合材料和制造工藝的數(shù)據(jù)。隨著材料和工藝標準的確立，這一問題會變得越來越無關(guān)緊要，但這也表明設(shè)計和制造的合作方式對有效實施熱塑性復(fù)合材料解決方案至關(guān)重要。于是，問題就變成了這樣：我們應(yīng)投資于可能處于生命周期末期的成熟材料和技術(shù)，還是應(yīng)跨越鴻溝，開發(fā)出新的材料和工藝組合，從而保證未來的效率？如果OEM廠商的投資是一個風向標，我覺得會是后者。
熱塑性復(fù)合材料前景光明
復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的前景似乎比以往任何時候都更光明。隨著熱塑性復(fù)合材料自動化生產(chǎn)技術(shù)的日益成熟和普及，我們發(fā)現(xiàn)，商用飛機、先進無人機和旋翼飛機等各種飛機平臺對復(fù)合材料的使用與日俱增。隨著材料鑒定方法的不斷進步，以及航空航天業(yè)在設(shè)計中能夠更加有效地利用各種材料和工藝，復(fù)合材料解決方案在航空航天領(lǐng)域可能會繼續(xù)呈現(xiàn)出增長態(tài)勢，進而研制出可大規(guī)模生產(chǎn)的輕型飛機。
關(guān)于作者
Jonathan Sourkes，威格斯航空航天事業(yè)部銷售負責人
Jonathan Sourkes是威格斯航空航天事業(yè)部的銷售負責人，擁有超過13年的復(fù)合材料應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗。他還發(fā)表過多篇關(guān)于復(fù)合材料自動化生產(chǎn)和航空航天復(fù)合材料行業(yè)的文章。
原文始發(fā)于微信公眾號（威格斯Victrex）：自動化在復(fù)合材料生產(chǎn)中的重要作用