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无人机复合材料结构低成本制造技术新进展

发布日期:2015-10-22  来源:中国航空新闻网我要投稿我要评论

(2)液体成形工艺

液体成形工艺的特点是用液体树脂以不同的方式注入干纤维然后成形,它可以节省大量的纤维预浸、运输、保管费用,一般能耗也较低,一般来说也无须使用热压罐,是一种低成本工艺。液体成形工艺主要有树脂转移模塑(RTM),以及派生出来的树脂浸渍(RFI)、真空辅助树脂转移模塑(VARTM)、波音拥有的可控大气压力树脂浸渍(CAPRI)、空客拥有的真空辅助工艺(VAP)等若干种工艺。

随着美国国防部的采办项目逐渐向多品种小批量转变,要求在有限时间和成本限制下完成制造,诺格在斯普利特航空系统公司的支持下进行了低成本复合材料飞机的尝试 。在国防部ManTech计划的快速机体生产集成验证(RAPID)项目资助下,诺格完成了一个复杂胶接中机身结构的装配。项目持续18个月,涉及对X-47B无人作战飞机(UCAV)中机身段重新进行概念设计、制造和装配,这是复合材料机体结构中最具挑战性的一个部分。这个胶接结构的复杂性从以下方面体现出来,一个集成的进气道、非常高载荷的外形和前起落架金属隔框。

在复合材料经济可承受计划(CAI)的成果支持下,RAPID项目验证了低成本地制造和装配机体的方法。这个创新的“更快、更好、更便宜”的制造方法,结合非热压罐固化复合材料、3D编织预形件、胶接以及其他广泛使用的技术,使得复合材料机体制造或装配都只使用了极少的工装,比常规复合材料结构节省很多。一次性工装成本初步估计减少超过50%,重复性装配成本减少15%。这还没有计算取消掉数千气流紧固件的费用。这个概念还非常“方便更改”,使得在设计周期中很晚再进行修改成为可能,不再非常昂贵且对项目造成的破坏降低。如果成功转移到未来的项目中,大型无人机制造中昂贵的装配夹具、热压罐以及传统复合材料固化工装的绝大部分可能都会成为历史。

(3)增材制造工艺

革命性的增材制造工艺注定会在无人机复合材料结构的制造中大放异彩。洛马P-175“臭鼬”无人机研制中,复合材料零件的增材制造是一个亮点,即让碳纳米管和基体粉末在输送过程中由激光烧结成型,而全机仅200个主要的复合材料零件,从项目启动到首飞,仅用了18个月的时间。橡树岭国家实验室正与洛马合作开发低成本的熔融沉积成形(FDM)机床,实现大型无人机机翼结构(18~30米)的增材制造。AFRL也在支持无人机保形栅格结构和蜂窝材料的选区激光烧结(SLS)工艺开发,以及基于增材制造的无人机系统(集成传感器结构、推进装置和系统)集成。NASA格伦研究中心、兰利研究中心和霍尼韦尔等正在进行“以增材制造实现非金属燃气涡轮发动机”的项目,除了采用FDM工艺制造进气道导流叶片、消声蜂窝衬垫等树脂基复合材料构件外,2014年工作的一个亮点就是采用喷射黏结剂工艺制造高压涡轮喷嘴等碳化硅陶瓷基复合材料构件。

低成本制造工装

复合材料制造工装在航空制造中往往默默无闻,然而复合材料结构件的质量以及制造成本却与其密切相关,因此实际上工装扮演了幕后英雄的角色。理想的复合材料制造工装特点应该是高精度、高刚度、便于使用,抗高压、无渗漏,不损坏零件,尤其重要的两点是工装材料与零件材料的热膨胀系数(CTE)匹配以及成本低廉。通用的工装材料主要有铝、钢、殷钢、环氧树脂基复合材料、双马树脂(BMI)基复合材料和石墨或碳纤维复合材料,其中殷钢和复合材料本身因其较低的CTE,非常适合航空结构件制造,但其制造成本和固化能耗往往不够理想。目前在航空复合材料制造领域,针对热压罐固化和OOA固化,国外发展出了多种新工装材料和新工装技术,以改进工艺、减少时间、降低能耗、节约成本,这些技术都可以用于并且部分已经用于无人机的制造中。

美国试金石实验室开发了一种电加热工装(EHT),一种用于OOA工艺的自加热泡沫(CFOAM)。CFOAM产自粉末沥青煤,经由压入敞口模,在高温下处理并在热压罐中加压,泡沫板粘结在一起形成近无余量薄坯板料,加工成想要的外形。工装表面由HexTOOL材料这样的复合材料成形。EHT工装拥有不变的横截面以及工装表面之下的电阻加热泡沫加热元件。石墨电极与元件相连以提供电力,元件本身与工装剩余部分电绝缘。这样,电阻加热就只发生在工装表面之下,使其更节能,而且里面的泡沫基体由于与表面隔热,也不会被加热,减少了热损耗。工装表面使用的碳纤维比碳泡沫导电性强,如果纤维和泡沫接触,短路将造成不均匀加热,通过加热元件的电绝缘,可以实现工装表面的一致性加热。试验结果表明,无论对于平滑的还是复杂的工装外形,该工装的机械属性都与标准的热压罐固化工装相当。

 
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标签:  无人机 无人机材料
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