复合材料液体成型(LCM)工艺应用现状

  液体成型(LCM)工艺广泛应用于航空航天、船舶和汽车等各种工业领域,欧美先进工业国家如英、美、德、法和瑞典等国近年来RTM制品的增长率已连续多年达10%以上,这一增长速率超过了复合材料的平均增长速率,并且对于LCM工艺的原材料、机械设备、模具结构等的研究也已发展到相当成熟的程度,应用也相当普遍。

  以民用产品为例,早在八十年代初,美国的保龄球娱乐中心就使用了由LCM工艺生产的座椅,以后各国相继开发了汽车外壳、汽车遮光板、净化槽、游艇壳体、引擎盖、汽车保险杠等产品。从简单的手推车车身到复杂的小汽车、面包车的整体车身及高性能复合材料结构件(汽车底盘、飞机垂直尾翼)都可以采用LCM工艺制造,如法国Renault Clio旅行车、游艇都是RTM成型的;Birchwood牌游艇的复合材料壳体是采用真空模塑成型(Vacuum Molding)。

  澳大利亚悉尼公司采用真空浸渍RTM工艺成型船体,与手糊工艺相比,没有苯乙烯挥发,树脂消耗量下降30%,模塑周期和废品率都下降2/3;Lotus公司最先在赛车的小批量生产中应用LCM工艺制造整体车身结构;美国Chrysler公司生产的Dodge Viper采用RTM工艺小批量生产高品质车身板,其引擎罩、挡风玻璃框、门边框、行李箱盖及前后保险杠采用SRIM工艺制造。

      法国Sotiraes公司及欧洲多种车型采用RTM工艺生产泡沫芯材扰流板,随着RTM工艺引入1995 Ford Fiesta后扰流板的制造,该工艺在非结构件上的应用已基本成熟;通用汽车所有车型的前保险杠的年产量超过115000件均采用LCM工艺。另外液体成型技术在半结构座椅构件,如德国BMW300系列椅背的大批量生产中应用也具有很好的潜力。

  在军用产品上,LCM工艺的应用更加广泛。为了适应高质量航空航天构件对低成本复合材料的要求,美国国防部在其低成本复合材料计划中计划从1996到2007年,使其军机用先进复合材料成本降低50%。由于制造成本占了复合材料成本的80%一85%,目前洛克希德·马丁公司的AAI(Advanced Affordability Initiative)计划、VPDI(Virtual Product Development Initiative)技术,以及波音公司的CAI计划等都牵涉到DFM(Design for Manufacture)技术(即设计制造一体化技术)。

  CAI计划中建立了几个主要的验证平台,比如JSF,F/A-18E/F,F-22,CVN,RAH-66等,到2001年末这些平台基本都已经实现了计算机模拟制造。波音公司集成了PATRAN、NASTRAN和FiberSim(专门为复合材料设计和制造研发的软件)形成的DMAPS(Design forManufacturing and Productivity Simulation)工具,同时建立了VR(Virtual Reality)模型,使从设计到模拟装配都便于进行修改,并可实现“design anywhere,build anywhere”。

  以这些技术为基础,美国军机V-22、B-2外翼蒙皮,JSF进气道,F-35平尾都采用了大面积整体成型技术,取得了显著的成果。而作为美军第四代主力战机的F-22则是首例大量利用RTM复合材料件优点的飞机;F-22有400多个部件使用了RTM,应用范围从进气唇口到机翼中承载的正弦形波纹梁,如前机身的部分隔框和构架、燃油箱骨架和箱壁,中机身的武器舱门帽型加强筋、机翼中间梁,尾翼的梁和肋等。

  F-22的双垂尾集中了许多RTM件,每一垂尾含有10个复合材料I-型梁,每侧又含有15个复合材料肋,它们全由RTM制造,只是在高应力处用铸钛小梁支撑。尤其值得提及的是机翼正弦形波纹梁,波音公司使用RTM法使其成本减少20%,安装梁时机翼中所需的加强件减少一半。

    洛克希德·马丁公司及其主要子承包商组成的一体化生产团队在3个不同地方设计和装配F-22,这就更需要零件尺寸特别精确,RTM正好能满足这种需求。Intelitech公司和Dow-UT公司是用RTM制造F-22复合材料件的开发者,F-22上RTM的成功应用表明他们10多年的工作已取得突破,也是RTM第一次在飞机上的重大应用。

  LCM工艺的生产效率也在不断提高,以RTM工艺为例,其生产效率目前已经达到每30分钟制造一个制品的程度,将来有可能实现制品形状不受限制、铺层随意设计的机械化、自动化工艺生产线。另外,目前国外已经开始注意各种RTM用树脂的配套研发,如Cytec的Dycom5250-4RTM,所以可以说LCM技术已成为低成本复合材料技术发展的主要方向,形成了先进复合材料技术的一个主要研究热点。这些都表明LCM工艺具有重要的技术、环保和市场意义,预示着LCM工艺将成为21世纪复合材料的主导成型工艺之一。

 

  阅读延伸:《碳纤维复合材料的液体成型工艺简介