复合材料低成本制造Word文档格式.docx
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为F-14（雄猫）在70年代初制造的复合材料稳定器是另一个重要的里程碑。
随后就有F-15（雄鹰）稳定器，F-16的方向舵和稳定器，AV-B（猎兔狗）和F-18（黄蜂）的复合材料机翼等。
几乎所有的新型军机上都大量采用了先进复合材料，最著名的例子就是F-22隐形歼击机和B-2隐形轰炸机。
80年代末海湾战争结束直到现在，是复合材料产业开始有所转型，应用领域逐步拓展的阶段。
海湾战争的结束加速了复合材料向民用工业的转型和过度，这是因为伴随冷战的结束，东西方两大阵营的军事实力的对比已趋于明显，西方国家特别是美国大幅度的削减国防经费预算，大批从事军工的复合材料的部门和机构转向民用产品的开发，笔者1991年正在美国出席美国尖端材料协会（SAMPE）举办的学术年会和展览会，经与同行们交流，对这一趋势身感同受，用复合材料制造的高档体育休闲用品如复合材料自行车、网球拍、钓鱼杆等开始陆续涌向市场，美国的复合材料制造商抓住这一企机，使复合材料自行车在美国风行了两年。
而一些低成本的成型技术如树脂递模塑成型（RTM）和拉挤技术（pultrution）已初见端倪，可以说，海湾战争结束是复合材料发展的重要转折点。
作为一种新材料，复合材料具有多种优良性能，但目前居高不下的成本仍然是制约其广泛应用的主要原因，业内专家指出，用碳纤复合材料制造的飞机结构件，与铝合金的同类结构相比，成本可高出1到2倍，这无疑极大地限制了复合材料在飞机上的大量使用，如果说国防和军事上采用高成本的复合材料是出于一个国家战略地位的考虑，那么，对于其它民用工业部门，成本就是一个必须慎重考虑的问题。
因此复合材料的发展，除了要继续研究开发高性能的材料品种之外，一个重要的问题就是如何降低成本，扩大应用范围，更大程度上满足国民经济发展的需要。
复合材料的高成本主要表现为以下几方面：
●原材料的价格高，碳纤维、芳纶和高性能树脂基体的价格居高不下；
●手工操作为主，效率低，周期长；
●设备投入和使用费用高，能耗大，辅助材料价格高，用量大；
●整体设计欠缺，制件整体性差，仍需要大量的紧固件。
针对以上问题，特别是进入新世纪后，复合材料的市场需求急剧上升，而成本问题也就更为突出，为了应对这一局面，各国都采取了相应的措施和策略，由性能最优先改为重视性能／成本的平衡，实现复合材料结构低成本化而又不改变复合材料的强度优越性。
在此背景之下，近年来，低成本复合材料结构的开发在世界范围内空前活跃。
在欧洲，复合材料低成本结构在运输机主翼上的适用性研究处于最终阶段；
在美国，空军及NASA的各种计划，以国家的规模在进行着。
其有代表性的是ACT计划，相对现有铝结构，开发目标是降低25%的成本。
该目标非常之高，如以原有复合材料价格为标准，成本降低超过50%。
欧美研究开发计划的特点是现实目标明确，面向实机改进和提高性能，面向批量生产降低成本等。
这些计划的概况示于表1。
表1 美国的低成本复合材料结构研究开发计划［2］
计划名称
资助者
参加公司
预算
期间
研究目的
主要低成本技术
DMLCC
（低成本复合材料设计和制造）
空军
波音
麦道
通用电气
贝尔
$50M
～97
以F-22飞机的批生产飞机低成本制造
工艺研究，与以往复
合材料结构相比降低
成本50%
RTM龙骨框架,
纤维束铺放蒙皮,
热帘子布成型的桁条，
热塑性长切纤维（LDF），
拉挤,纤维缠绕,编织,
拉挤的小型杆
AFS
（先进机身结构）
海军
NASC
$30M
3年
以F／A-18E／F的固
定翼外壳为对象减重
20%，降低成本30%
杜邦长切纤维预浸料等
LCCP
（低成本复合材料成型）
Pratt&
Whitney
小批量、试制机的低成本制造工艺研究
纤维缠绕管头，
石膏模具等
ACT
（先进复合材料技术）
NASA
等多公司
10年
材料开发，计算技术，
革新设计，制造方法
的开发，比原金属结构降低成本25%
纺织预型件RTM,
粉末喷涂预浸料,
丝束交织预浸料,
净型纤维预型件，
3维编织，编结，横向缝纫等
ATCAS
（先进技术复合材料，机身结构）
以宽体商用机机身为
对象，开发减重低成
本复合材料结构，代
替金属结构
（1）DMLCC（低成本复合材料设计和制造）
由Boeing（波音）、MDC（麦道）、GE（通用电气）、Bell（贝尔）四公司分担任务，到1997年为止投入5千万美元的预算，以F-22为模型机，进行批生产飞机的低成本制造方法研究，目标是与以往类型的复合材料结构相比降低50%的成本。
Boeing公司承担大型机身结构，并以F-22为对象开发2m规模的实际大小机身的夹具和组装方案，并试制该结构。
低成本技术包括RTM（树脂传递模塑）框架、ATP（AutomatedTowPlacement纤维束铺放）外板／热覆盖成型纵梁补强壁板、热塑性长切纤维LDF（DuPont公司的LongDiscontinuousFiber，是处于以往长纤维或短纤维中间的材料，成型性好、强度也高）以及拉挤成型和FW（纤维缠绕）成型。
MDC公司承担ATP及自动组装方案；
GE公司承担编织和ATP；
Bell公司担当全胶接装配的大型主翼结构（V-22垂直起落飞机），低成本技术有热塑性复合材料肋，RTM肋、拉挤成型小竿以及SyncoreR 夹层板。
（2）LCCP（低成本复合材料成型）计划
研究针对小批量生产或试制飞机的低成本加工方法，Pratt&
WhitneyAircraft和MDC二公司参加。
P&
W公司试制湿法FW管，MDC公司试制1.2×
2.4m的主翼盒结构。
低成本化的方法有直接使用石膏的低成本模具、不用热压罐等。
（3）ACT（先进复合材料）计划
NASA订出10年计划，以国家规模进行研究，以技术实用化为目标，产学官共同进行材料开发、分析技术开发、研究新的设计方法和制造方法。
对降低成本提出高目标：
比原有金属结构降低成本25%，零件数减半。
设计、制造、财务等各部门组成一个团队，从设计的初期阶段就一起活动。
研究范围很广，有热塑性复合材料、纺织预成型、RTM、粉末涂层预浸料、搀混预浸料、网状纤维预成型、三元织物、编织、针织、缝合等。
屈曲后的非线性行为、破坏模式、剪裁等设计技术也得到广泛研究。
Lockheed公司开发了适用技术，把织物预成型件用于运输机的机身结构，与以往金属结构相比减轻重量，并取得降低成本20～25%的效果。
2．通过成本分析，复合材料成本主要高在制造成型
成本估算和分析对于一个公司的运作非常重要，一种产品能以低成本产出将具有极大的市场竞争力。
实际上，成本估算并不仅仅是财会人员和营销人员的事，制造工程师对产品的成本起着关键的作用，任何一种新产品的设计或现有产品设计的改变，都离不开制造工程师的参预。
复合材料产品的成本可分成两大类：
临时成本和经常成本。
临时成本又叫固定成本，属于一次性计入成本的费用，主要包括：
●用于生产的直接投资，如工装模具、设备、组装线等，其折旧费用应计入成本，以及相关的税款和保险等；
●行政管理费用；
●间接费用：
是与生产没有直接关系但必须计入成本的费用，如工程技术服务费用、非技术性服务费用及办公费用等；
●广告和营销费用。
经常成本又叫变动成本，是以工作日为计算基础的成本，也叫营运成本，主要有：
●用于产品的直接材料成本，包括：
纤维、树脂、添加剂及表面涂料等；
●用于支持生产的非直接材料成本，如：
脱模剂、透气布、真空布等；
●直接的人力成本，如：
制造、机械加工、装配、质量检验等；
如果是手糊成型，直接的人力成本包括：
预浸料切割、工装模具清理、施加脱模剂、预浸料层片铺叠和质量检查、真空设备准备、进入热压罐并操作热压罐、成型后的整理工作等；
●非直接的人力成本，如技术咨询及故障处理；
●设备运行及维修、水电及其它；
●产权的费用；
●包装运输；
●废料处理和损耗。
为了便于分析，将上述两大类成本作图如下：
总成本总收益
变动成本总成本
固定成本收支平衡点
（a）产量（b）产量
从上图可以看出，总成本随着产量的增加而上升（图a），但产量达到收支平衡点之后，随着产量的增加，收益也将增加（图b）。
所以，要提高收益，只有两条途径，一是降低成本（图b中总成本直线位置下降，收支平衡点朝左下移动）；
一是增加产量。
增加产量受市场制约，但降低成本却是产业自己挖潜的问题。
实际上两者有着内在联系，采用高效的自动化的先进成型技术，既可降低成本，又能增加产出。
上述两种成本又可分为生产性成本和非生产性成本。
生产性成本包括材料、设备、工装模具、人力、能源消耗等，非生产性成本指行政管理和市场营销等。
国外曾对复合材料产品的成本进行过多种渠道的分析，得出如下一般性的结论：
1）材料：
30%
2）设备：
28%
3）模具：
10%
4）人力：
22%
5）其它：
由此可知，除材料外，其它项都关系到制造成本，一般而言，制造成本可高达60~70%。
上述各种成本的比例关系会会随着产量的变化而发生变化。
产量增加越多，材料的成本也增加得越多，设备和模具成本下也降得越多，人力成本基本不变。
提高产量，使设备和模具得以充分利用，因而降低了成本。
对于同一类产品，可以有多种成型方法供选择，不同的成型方法会产生不同的成本。
例如复合材料管材，则可以采用纤维缠绕成型、搓管成型、热压罐成型、拉挤成型或树脂传递模塑等不同方法制造，对于小批量的生产，适合用搓管成型，因为基本上没有设备的投入，而大批量的生产，最好用自动化程度高的拉挤成型。
因此，成本分析的一个重要目的就是对各种设计和制造方案进行比较，选出最佳的设计和制造方案。
实现产品性能与成本的最佳平衡。
3．开发低成本成型，是要实现性能与成本的平衡
先进复合材料主要的性能优势体现在航空航天工程的应用上，为确保飞机的安全可靠性，对材料的性能、试验及质量要求都很严格。
因此开发低成本的成型技术，最终是要实现性能与成本的平衡，在满足性能要求的前提下，降低制造成本。
复合材料是通过增强纤维和树脂基体的复合而得到的一类新型材料，其性能主要决定于所用的组成材料的性能与采用何种复合成型技术。
对于结构复合材料，最重要的性能就是强度和使用温度。
复合材料的高强度，是通过纤维的增强来实现的，纤维是承载的主体，纤维的含量是一非常重要的参数。
现在一直沿用的手工铺叠预浸料层片并用热压罐成型的复合材料，纤维含量可达65%甚至更高，而且纤维分布均匀密实，有效的保证了复合材料质轻高强的优点。
而RTM是目前低成本成型的热点，它是一种湿法成型，先将纤维编织的预型件放置于模腔中，再将树脂注入，最后在模腔中固化成型。
编织的预型件可以是二维的或三维的，还可以编成复杂的形状，这样能提高制件的整体性，但它所得到的纤维含量目前最多只到50%，但最近有报道，采用改进的真空辅助的RTM成型（VARTM），纤维含量可达70%，RTM制件一般只能室温固化，这在某种程度上限制它在航空航天领域内高性能结构的应用。
拉挤成型和缠绕成型，都是高效的成型技术，但一般用于管材和棒材的制造，并不适合于薄壳结构的飞机结构。
因此，在低成本的成型技术中，一方面要保证制件的纤维含量，另一方面，就是如何进行高效快速的纤维铺放。
如RTM、拉挤、纤维缠绕以及大丝束纤维和预浸带连续缠绕等，改变了预浸料的手工铺放程序，大大提高了生产效率。
复合材料另一个重要性能是使用温度，这取决于所用的树指基体的耐温性。
一般而言，
耐高温的树脂基体都需要热压罐内进行高温固化，高成本高能耗的热压罐大大提高了复合材料的成本，所以低成本成型的另一条技术途径就是摆脱热压罐的固化，而采用新型的固化方法如电子束高速固化法、超声波固化法、.X线固化法等。
这样可以减少设备投资和能耗，从而降低成本。
另一种途径就是研究开发低温固化而又耐高温的新型树脂体系，从而就免除了高温固化的大量能耗。
为了降低成本，制造方面的低成本技术，首先就是提高自动化程度。
如美国的ACT计划中采用ATP（AutoTowPlacement）多轴装置，使机身复杂角落的自动铺层成为可能，有报告说这种方法可使材料利用率提高约40%。
自动化的另一个优点是，能使产品形成系列化和规范化，从而能保证不同批次产品的质量稳定性，有效的降低因产品质量保证所带来的费用。
现在，在引人注目的湿法工艺中，在树脂浸渗性这一点上，RFI（ResinFilmInfusion）法比RTM优越，适合大型结构。
有报告说，湿法成型比传统手糊法降低成本超过30%。
但需解决的问题是随着采用对模而带来的模具成本问题。
改进这一问题的是SCRIMP（SeemanCompositeResinInfusionMoldingProcess）系统。
该方法仅采用一面刚性模具，而另一面采用真空袋。
SCRIMP系统已在民用领域适用，而用于飞机部件则有进一步降低成本的可能。
湿法成型的模具费用占整个预算的60～70%，要开发更简易而又廉价的适用模具材料和结构。
在批量生产成本中，模具成本为10%左右，如模具能反复长期使用，最终就会有稳定的批量生产成本。
从低成本成型的研发现状看，大致可分为以下5方面的内容：
（1）对热固性复合材料一直沿用的方法进行改进和提高效率，如：
FilamentWinding（FW，纤维缠绕）、Pultrusion（拉挤）、Braiding（编织）、Towplacement（丝束排布）、自动成套裁剪、预浸材料激光样板切割（Lasertemplate）等自动化技术。
（2）湿法工艺技术：
RTM、RFI等在纤维增强体的预型件上再注入浸渍树脂。
（3）热塑性复合材料的易成型新材料开发及IN-SITU（原位）成型方法：
Directconsolidate（直接固结）、Commingledyarn（搀混纱线）、Powdercoatedtowpreg（粉末涂覆丝束预浸）等热塑性复合材料的新成型方法。
（4）不用热压罐的新固化技术：
用微波、电子束、超声波、X线等高效率能量的新固化方法。
（5）CAD／CAM模拟技术：
铺层、浸渍、成型、固化等工序的模型化／模拟技术，有助于保证产品质量，提高生产效率。
从目前现状看，热点是湿法工艺和配套的纤维多维编织技术。
此外，设计方法也要实现低成本化。
飞机机体结构的成本在设计阶段大半已经确定。
为了与新的低成本成型方法相适应，应改变改变传统概念的设计模式，研究开发与新的低成本成型方法相适应的新设计观念。
除强调重量方面要求外，外还应把成本作为一个重要方面来考虑。
设计开发的最终目标是取得适航性证明，该过程中也有低成本的余地。
有关复合材料结构适航性的数据及技术情况应尽可能做到共享，并要求主管部门的管理程序进一步标准规范化。
4．国外低成本成型的现状及发展趋势
如前所述，从上世纪80年代后期开始，由于复合材料的军事需求相对减少，民用需求逐步上升，复合材料实现由性能最优先到性能/价格平衡的转变，因而低成本成型技术相应得到开发的应用。
低成本成型技术当前发展的主流是湿法成型技术，也称液体模塑成型技术（简称LCM），主要有树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂渗透成型工艺（SCRIMP）和结构反应注射模塑等。
其中最重要的是树脂传递模塑技术（RTM）以及由此而发展起来的VARTM。
RTM最早出现在40～50年代，但直至80年代末，随着美国复合材料的产业转型，RTM才成为热点。
该方法是指先将纤维预型体放在闭合模腔中，再将液态树脂用专用的设备注入，树脂在流动充模时完成树脂/纤维的浸润并经固化成制件。
与这种方法配套的是3维或2维编织的纤维增强预型件，预型件是用自动化的纤维编织机编织而成。
这种几乎近于“净尺寸”的制件具有整体性能高的优点，由于纤维预型件中有一定比例的贯穿厚度方向的纤维，所以大大提高了制件的抗分层能力，而分层则是目前用得最多的层压复合材料的致命问题。
RTM技术可以成型带有夹芯、加筋、预埋件等的大型构件，可按照结构要求来设计纤维预型件的各种参数，如：
纤维种类、纤维含量，纤维的方向和编织程序等。
RTM免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片然后再铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。
是目前国际上发展应用最快，并在航空工业应用最多的低成本技术之一。
从国际上看，美国在湿法成型技术上处于领先地位，特别是在航空航天领域内，在过去十年里，美国应用RTM技术的增长率为20-25%。
据美国塑料工程学会预测，在今后五年里美国应用RTM技术的增长率将提高到30-32%。
美国基本形成了RTM有关的材料体系、制造工艺、技术装备和验证系统，并在武器装备上得到批量应用，应用范围从次结构件发展到主结构件，包括机翼主承力正弦波梁，其它构件包括前机身隔框、油箱构架和壁板、中机身武器舱门帽型加强筋、机翼中间梁、尾翼梁和加强筋等。
RTM技术的成熟和发展，为美国的航空工业带来巨大的经济效益，如美国军用战斗机Ｆ-35垂尾及
Ｆ/A18-E/F襟翼整流罩上的应用是使用该项技术制造的最大尺寸的零部件，前者长3.6ｍ，重约90ｋｇ。
又如美国F-22机上采用RTM技术制造的各种复合合材料部件达400件，占复合材料结构总量的1/4，单这一项就比原设计节省开支约2.5亿美元。
欧洲是湿法成型发展较快的另一地区，RTM制件的增长率为8-10%。
业内人士估计，20年以后大多数大型的复合材料结构或半结构部件都将是RTM制品，所有重型卡车的壳体只有用RTM生产。
而由RTM开发出来的VARTM和SCRIMP工艺近年来更是发展迅速，这种方法改变了RTM采用双边闭合模的办法，而只采用单边硬模，用来铺放纤维增强体，另一面则采用真空袋覆盖，由电脑控制的树脂分配系统先使树脂胶液迅速在长度方向充分流动渗透。
然后在真空压力下向厚度方向缓慢浸润，大大改善了浸渍效果，减少了缺陷发生，产品性能的均匀性和重复性以及质量都能得到有效的保证。
在同样原材料的情况下，与手糊制件相比，成本节约可达50%，树脂浪费率低于5%，而制件的强度、刚度及其它的物理特性可提高30%-50%以上。
SCRIMP工艺另一个突出的优点是加工过程的环保性，由于采用闭模成型，挥发性有机物和有毒空气污染物均受到很好的控制，VOC排放不超过5PPm的标准，而开模成型的苯乙烯的挥发量超过500PPm。
SCRIMP工艺使大尺寸、几何形状复杂、整体性要求高的的制件的制造成为可能，目前它可成型面积达185m2、厚度为3-150mm、纤维含量达70-80%、孔隙率低于1%的制品。
树脂浪费率低于5%，节约劳动成本50%以上。
在船艇制造、风机叶片、桥梁、汽车部件及其它民用和海洋基础工程等方面得到广泛应用。
如：
英国的VOSPERTHORNYCROFT公司自1970年以来为英国皇家海军制造了270艘复合材料雷艇，最大的扫雷艇体总长达52.5mm，总重达470t。
起初，该系列艇FRP部件约占总重量的30%，由于SCRIMP工艺的引入，FRP制品的比例有望达到35-40%。
VT公司应用SCRIMP工艺开展的项目还涉及制造运输船、作业艇、救生艇船体和海洋港口工程结构，如桥梁甲板、大型冷冻仓等。
VT公司还为ComptonMarine及Westerly等公司提供技术支持，用经济的SCRIMPR替代原有的开模方法制造长度14m游艇。
以及开发新一代游艇系列。
瑞典海军的轻型护卫舰Visby艇长达73m（舰上有10.4m的梁），这是目前建造的最大的FRP夹芯结构。
舰上的部件如船体、甲板和上层建筑都是用SCRIMP法制造的。
该工艺确保了高纤维含量、优异的制品性能、质量量稳定性和快速成型。
PeichellPugh公司开发了Corum快速游艇（OD48系列）。
游艇使用SPX7309环氧室温固化注射树脂，制造周期仅为30min。
Ciba-
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