树脂转移成型碳纤维复合战术飞机示范翼

Spintech Holdings Inc.及其制造部门Hawthorn Composites正在使用类似这种小型战术无人机机翼的演示组件来测试和验证注入和预成型技术的使用,以提高航空和国防组件的成本效益。图片来源:Spintech Holdings Inc.

预浸料和高压釜治疗已经是航空航天和防御复合组件多年来的领域。Spintech Holdings Inc .)(Xenia,俄亥俄州,美国)及其制造部门山楂复合材料(Xenia)正在寻求证明通过使用现有技术 - 如树脂输注和编织的干纤维预成型件,可以制造更具成本效益,更少的劳动密集型机动复合部件 - 以新的方式制造。

斯宾德最初纺出来基石研究组(迈阿密堡,俄亥俄州,美国),重点是发展创新智能工具形状记忆聚合物(SMP)模具技术,包括可重复使用多达100个生产循环的可重塑性膀胱,临界或心轴组成。(对于智能工具的深入解释,观看斯宾奇的数字演示)。For the first few years after the company was formed in 2010, Spintech was funded primarily by Spirit AeroSystems (Wichita, Kan., U.S.), which allowed the company to scale up its technology for the possible manufacture of a single-aisle commercial aircraft fuselage with co-cured frames, stringers and skin.

2015年,斯宾德扩展到了更广泛的航空航天市场,并在2016年旋转了智能工具技术的过程。“我们从RTM [树脂转移成型]过程中,需要专用金属模具组织制造智能工具,以便能够用VARTM [真空辅助树脂转印成型]并使用相同的模具设定为改革循环之间的智能工具,“斯宾克控股公司总裁兼首席执行官Craig Jennings说:”这消除了大约40%的资本成本来部署智能工具,因此它真的从成本的价格看起来更广泛地开启了一个更广泛的市场。从那以后我们一直在增长。“

除了智能工具之外,斯宾奇还分支到最终用途组件的制造中,移动凝固最近创建其制作师,山楂复合材料以及与伙伴关系科艺技术和代顿大学研究所(UDRI,代顿,俄亥俄州,美国)开发和供应使用定制纤维放置或技术刺绣工艺生产的纤维预制体。

“树脂灌注不是什么新技术,但它是航空航天行业目前正在采用的一种新技术,因为它能够大幅降低复合材料部件的成本,同时具有相同甚至更好的性能。”

在过去的几年里,斯宾奇已经证明,使用自动化技术制造的智能工具和干纤维预成型的RTM和Vartm Prefers可用于航空航天,防御和其他市场的更具成本竞争的最终用途组件。

“使用干碳纤维overbraid或定制预先形成纤维和树脂注入,我们可以显著降低材料的成本以及劳动力需求,并能够提供同样的质量同样的重量,甚至少半固化片相比,在某些情况下,autoclave-cured部分。我们认为这才是未来十年市场的发展方向。“我们在倾听客户的意见,我们的定位是,充分利用市场和客户的需求。”

到目前为止,Spintech已经展示了RTM和VARTM对各种部件的成本效益,包括最近的飞机机翼和进气道。

战术UAV翼:展示正压RTM

纺织演示的综合上篮

步骤1。智能工具用干燥的碳纤维套筒包裹。

多年来,Spintech为小型飞机和无人机(UAV)提供了基于预浸料,高压灭菌的翅膀和控制表面的智能工具解决方案。鉴于预浸料和高压釜治疗的高成本,该公司认识到这是一个可以获得与智能工具和编织预制件相结合的RTM的优势的应用。为了证明这项技术和过程,斯波特最近根据用于全规模客户项目的设计建立了一款小型战术UAV翼示范器。该示威者还将是较大飞机的控制面的适当规模和复杂性。

纺织演示的综合上篮

步骤2。在RTM工具的下半部分,QISO织物层和包裹的智能工具放置成对齐。

为了使机翼,首先,两层A&P的Qiso Quasi-各向同性编织的三轴织物被铺设进入RTM工具的下半部分,以形成下翼棉。三个智能工具包装在A&P技术提供的编织干燥碳纤维套管中,并在Qiso织物层顶部的正确对准中固定。为了创建机翼的后缘,将作为具有三角形横截面的编织绳索的A&P供应的网状面料预制件放入工具中。“下肢和上部皮肤聚集在一起,净形面条几何形状,

纺织演示的综合上篮

步骤3.定制“面条”预制件放置在智能工具之间的间隙内,沿着部件的后缘置于间隙内。

纺织演示的综合上篮

which greatly simplifies and reduces the touch time for lamination, because we’re not having to roll our own noodles or put a bunch of individual carbon tows in there [to make the trailing edge shape],” says Tom Margraf, president of Spintech Holdings Inc. “We’ve got one continuous product that we just cut to length and drop in.” The QISO fabric in the bottom half of the tool is cut long enough that the excess is folded over the noodle area, and then the two top skin layers are brought over the aligned Smart Tools and trailing edge to complete the layup. The upper mold half is then closed over the lower mold half and sealed and bolted together. Attached next are intermediate seal plates, which contain holes so that a cavity runs all the way through the three Smart Tools. Vacuum bags are inserted through the Smart Tool cavities and sealed to the intermediate seal plates. This is followed by adding pressure plates to seal the mold.

树脂转移成型碳纤维复合战术飞机示范翼

步骤4. RTM工具关闭并密封。

一旦RTM工具关闭并密封,拉动真空,马格拉夫说,“给出了我们的密封腔,其中现在含有干纤维预制件。通过创建密封环境,它还允许我们在智能工具内部施加正压。这是一个真正独特的事情,市场上没有其他解决方案可以做到。“

对于机翼演示,在智能工具内部施加75 psi的压力。在RTM过程中,智能工具处于热的弹性状态,内部腔体压力会产生半刚性壁来注入树脂。Margraf说:“只要我们保持20psi的压差,智能工具的内部压力始终比RTM压力高20psi,我们就可以保证智能工具处于正确的位置,并在层压板上获得良好的压实效果。”

树脂转移成型碳纤维复合战术飞机示范翼

步骤5.真空袋通过智能工具拉动并加压。

他补充说,“智能工具被设计为尺寸由复合层压体积系数尺寸尺寸,因此它们略小于模具线内部定义的实际最终决定性。我们这样做,实际上降低了RTM的力量要求。“

输注过程在烘箱内发生,其中输注容器内的树脂温度升高至125°F,并且将部分温度加热至176°F。输注后,温度升温至250°F以进行部件固化(智能工具均据说与固化温度高达375°F),一旦干燥纤维预制件完全润湿,工具内的树脂入口就会关闭,允许75-psi内腔压力完全整合层压材料并排出过量的树脂。

“我们可以使用高压灭菌光纤卷创建一个低压RTM过程,”Margraf说。“因为层压材料没有最初去剥离,树脂将流动和渗透,该干纤维比具有匹配金属工具的传统RTM方法更容易更容易更容易。”在内部,闪光灯团队称之为“反向高压灭菌效果”。

用于烤箱中复合演示器部件的树脂转移

步骤6.该部件在Hawthorn工业型烤箱内的高温下注入。

系统成本的节省来自于使用烤箱而不是高压釜,以及使用低压RTM系统。“在RTM系统中,我们不需要将压力降至200或400 psi;我们的大部分部件都是在50 psi或更低的正压力下注入的。我们使用的资本成本显著降低,不仅不使用高压釜,还使用了低压RTM系统,”Margraf说。

复合碳纤维机翼演示

步骤7.最终部分是从工具中提取的。

“我们发现的是,单独的材料储蓄可能是购买预浸料制作同一部分的三分之一,然后还有很大的劳动力储蓄,”詹宁斯增加了。“总的来说,像这样的东西的节省很容易在20-50%的范围内,这是零件总成本的。”

综合演示翼的智能工具

步骤8.然后可以改革智能工具以供进一步使用。

该技术也可用于其他通用航空部件。在2020年代后期和2021年初,施工技术用途RTM证明了制造多腔通用航空箱的较低成本方法。根据Margraf的说法,带有预浸料的坦克的制造价格约为每辆坦克30,000美元。通过智能工具和编织预制件转换为RTM,每罐减少成本为约10,000美元。“We were roughly one-third of the cost going with this approach versus the prepreg approach, and it’s a structurally equivalent part that is actually about 15% lighter weight than the prepreg part, because we were able to use a continuous braid instead of discontinuous layers of prepreg laminated and joined together,” he says. This approach also reduced production time from about a week to less than a day.

用于商业化更具成本效益的入口管道的VARTM

Spintech还已经展示了内部模板最重要的部件的vartm,从公司已经制作的Prepreg / Autoclave设计的战术UAV入口管道开始。根据Margraf,Hawthorn首次为其客户制造了五个入口管零件,使用碳纤维预浸料铺设在智能工具上,屏障释放并在高压釜中固化。然而,闪光沟知道,通过树脂输注切换到编织预制件,将节省劳动力和物质成本,并希望确切地找到节省的数量。“以我们自己的费用,我们使用Vartm经历并实际制造了结构等效的编织部分,然后分析了与预浸料到编织输注的转换相关的成本节约,”他说。

Margraf解释表的管道预制件,预制到A&P技术的辛辛那提设施的编织机上的适当几何形状。一旦送到山楂,预制件就会向心轴施加。“它的手持量,但它仍然节省了很大的时间,因为我们正在应用一个完整的辫子层,覆盖一个预制套筒中的整个湿润区域。We pull on and locate the one layer in about five minutes, whereas the equivalent work to do that with a prepreg laminate layer took in excess of two hours because you’ve got potentially dozens of separate pieces of prepreg to get the same structural equivalency as one 12k braid layer,” he says.

复合入口管道和智能工具

一个完成的入口管道演示器(右)旁边是相应的智能工具(左)。

客户看着使用多件式铝心轴与智能工具解决方案,但单独的工具的资本减少46%,从75,000美元到40,000美元。触摸时间还减少了67%,以产生从预浸料到干纤维编织和输注的转化件。总体而言,客户的成本将减少近50%,Margraf说。

2月1日,斯宾德宣布山楂已被授予制造合同Kratos国防与安全解决方案公司(San Diego, california, U.S.)提供12个进气管道valkyrie.无人行的战斗机,使用智能工具,疣和编织预制件。

“最终,这项技术正在向多个不同的客户和多个不同的市场过渡,”Margraf说。“从通用航空坦克,到大型战术无人机组件,最终到商用飞机组件。”

航空复合材料的未来

闪光灯队认为这项技术是许多航空航天和防御部件的前进方向。随着现有客户已经报告了传统流程的20-50%的成本减少,肯定似乎在达到范围内的大规模接受的目标。

“As you consider what’s cutting-edge for aerospace manufacturing, resin infusion isn’t new, but it’s the technology that the aerospace industry is adopting in a new way right now because they’re able to achieve big dollar reductions in composite parts with the same or even better properties,” Jennings says. “The cutting-edge part is the automation. We now have the ability to do it with automated methods like braided preforms and tailored fiber placement that have yet to be widely adopted. The automation, in combination with lower cost dry fiber and resin, makes all the difference.”

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