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為了降低自身重量,提高飛行速度和飛行時長,通常會選擇鈦合金來生產。隨著新型材料研究的深入,碳纖維、玻璃纖維等復合材質的也相繼問世。其中,碳纖維因為強度和剛性更高等特別,碳纖維制品定做,備受青睞。 碳纖維的生產工藝一直都比較繁瑣,大量的生產環(huán)節(jié)都需要人力的投入,因此就有人提出來,是否可以通過全自動的方式,完成對碳纖維的生產,自此碳纖維跟3D打印開始有了聯(lián)系。
3D打印的基材可以鋁合金、軟木、聚碳酸酯、鋼、玻璃纖維、碳纖維和鈦合金,其中鋁合金的使用頻次較高,鈦合金成本太高,碳纖維難度較大。 相信很多人了解過3D打印碳纖維相關的資料,有通過3D打印環(huán)氧酯主體,搭配碳纖維蒙皮的方式,也有上面所說的真3D打印碳纖維主體部件的方式,這些與傳統(tǒng)的手工設計和制作碳纖維的方式進行對比,可以發(fā)現(xiàn)精度和強度明顯相差好幾個檔次。 傳統(tǒng)手工碳纖維通過鋪層、熱壓成型、脫模、粗磨、噴漆、精磨、檢測等多道程序加工而成,其中熱壓成型采用高溫熱壓技術,讓碳纖維預浸料之間更加密實,大幅度提升強度和韌性,讓碳纖維的使用壽命更長。對碳纖維有強度要求的企業(yè),韶山碳纖維制品,目前還是建議采用傳統(tǒng)生產工藝的廠家。
近些年來,航空業(yè)界熱門的話題莫過于美國波音飛機公司的B-787型商用飛機,波音公司把這款飛機命名為“夢想”,其背后包含兩層意思,其一是要挽回B-767與空客A-330競爭中的失利,隨著世界民航市場份額不斷流向空客,波音公司寄希望推出一款新的機型來實現(xiàn)重振昔日雄風的夢想;其二是該機性地采用了許多設計新概念和新技術,其中引人注目的是飛機結構采用了50%的碳纖維復合材料制造,這是的。應用碳纖維復合材料后,不但能夠比它的上一代機型降低20%的油耗,而且具有更舒適的客艙環(huán)境。
之所以使用碳纖維復合材料,是因為它相對于已經(jīng)使用長達半個世界的鋁合金材料更具有輕質高強的優(yōu)點,用碳纖維復合材料制造飛機結構,同鋁合金相比,減重效果可達20%–40%,在節(jié)能減排上體現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。要知道,飛機結構每減重11b,產生的燃油節(jié)能效益,都要用“百萬美元”來計算。
也正是因為用了碳纖維復合材料,使制造工藝在有改進,B-787在總裝時不再像以前那么復雜,比如B-787采用了復合材料整體機身,就代替了原來需要的1500張鋁板和幾萬個緊固件。盡管碳纖維復合材料目前要比鋁合金貴得多,但這一不足已經(jīng)通過改進制造工藝和降低制造成本而得到了彌補。
些外,B-787飛機許多設計上的新概念,比如客艙更寬敞、更舒適,窗口開得更大,視野更好,起飛降落噪聲更低,采用智能監(jiān)控,飛行更安全等,前提都是因為使用了碳纖維復合材料。
半個世紀以來,隨著復合材料的優(yōu)點被越來越多的人認識和接受,以及使用經(jīng)驗的不斷積累,預言,今后20–30年碳纖維復合材料將迎來發(fā)展新時期,它的大規(guī)模采用將帶來航空制造產業(yè)鏈革命的變革。
自動鋪絲技術是在纖維纏繞和自動鋪帶技術的基礎上發(fā)展起來的一種復合材料成型技術,對降低碳纖維復合材料構件制造成本,提高生產效率和構件性能方面具有極大的作用。
與一般的碳纖維復合材料成型技術相比,碳纖維制品供應商,自動鋪絲技術可以實現(xiàn)每一根絲束的獨立夾緊、切斷和重送,甚至是每個絲束都能有各自的鋪放速度,并根據(jù)構件形狀自動切紗以適應邊界,減小廢料率,并通過局部加厚、加筋、開口鋪層補強等方式滿足多種設計要求,適應大曲率復雜構件的自動化成型,特別適合帶窗口的機身段、機翼大梁及帶凹凸面的翼面鋪放。
但是國內在該方面的技術起步很晚,南京航空航天大學在“九五”期間才開始調研該項目,后來,哈爾濱工業(yè)大學、武漢理工大學、北京航空制造工程研究所等才陸續(xù)著手該技術的相關研究。
而國外在該技術方面起步較早,美國在上世紀70年代就開始了自動鋪絲技術的研究,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,該技術在美國和歐洲的航空工業(yè)中得到了成熟和廣泛的應用,例如波音B787“夢想”飛機在機身、機翼、垂尾、平尾、地板梁、后承壓框等部位中大量使用了碳纖維復合材料,其中機身高達23%部分的碳纖維復合材料就是采用自動鋪料技術完成的。
目前國內的、復雜曲面的碳纖維復合材料構件基本上仍以手工鋪疊為主,自動鋪絲技術只在大飛機項目中的部位如碳纖維復合材料翼梁中得到使用,至于自動鋪放設備的研制和實際應用基本上還還處于剛起步的階段,這種狀況極大地制約了碳纖維復合材料結構件在航空領域的大規(guī)模應用。
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