热铺成型：提升复合材料生产效率

本在线专栏旨在汇总CW多年来关于热铺成型的报道，整合为一处实用资源。以下摘录自2010至2020年多篇文章，配以照片展示热铺成型如何助力复合材料生产自动化。

2010年，GKN航空航天，A400M翼梁

来源：“复合材料翼梁承载巨大涡桨发动机”

GKN航空航天技术总监兼首席技术专家Phil Grainger解释，早期A400M翼梁手工铺设速度慢，典型铺设速率仅0.75千克/小时（1.5磅/小时）。但量产时，零件将平铺，采用自动化铺带机（ATL），随后热铺成型成型为C型截面。届时可达25千克/小时（50磅/小时）铺设速率。Grainger强调，这些是真实零件在轮班生产中可实现的平均速率。

为实现自动化，GKN投资了一台床身长20米/63英尺的大型ATL，由MTorres（西班牙纳瓦拉）制造。ATL能用单向预浸料按展开形状铺设复杂预成型件，采用Cytec工程材料公司（现Solvay，英国雷克瑟姆）供应的977-2碳纤维/增韧环氧单向带。成型C型截面时，预成型件从铺带机移至Aeroform公司（英国多塞特郡普尔）提供的热铺成型机。为抽真空，铺层将夹在两层Kapton聚酰亚胺薄膜之间，薄膜由杜邦电子技术公司（俄亥俄州圆环城）供应。薄膜间空间抽真空后，从零件上方施加红外加热，在一小时内将温度升至60°C/140°F，确保最厚根部中心材料也均匀升温。随后施加轻压成型层压板，受两层膜约束，覆盖在精确代表梁内表面的轻量工装上。C型成型过程极缓慢，历时20分钟。（成型后Kapton膜废弃。）

2014年，FACC，A321襟翼

来源：“FACC AG：航空复合材料巨头”

在3号工厂，制造各类襟翼、整流罩和飞行控制面。此处同样利用自动化铺带（ATL）和热铺成型提升效率。后者对平铺ATL预成型件施加热压，利用芯材和柔性成型垫生产三维形状（见图7）。案例之一是正在进行的A321襟翼生产，采用Fill（奥地利古尔滕）定制的尖端自动化工作单元。

2018年，Fill，自动化预成型

来源：“自动化预成型，第7部分：Fill公司”

在Sara Black和我撰写的以色列高性能复合材料考察文章中，我们注意到大多数公司使用热铺成型。Elbit Cyclone导游Jonathan Hulaty甚至表示：“我不知道没有热铺成型如何进行这种高速预浸料零件生产”，指波音787组件的梁和支柱。热铺成型机（HDF）也被FBM和以色列航空航天工业视为不可或缺。

Fill多年来供应HDF系统，包括FACC生产线上的多台设备。它们本质是真空成型系统，配备红外或其他加热元件及可重复使用硅橡胶膜，在固化前对工装上的预浸料铺层进行加热压实——脱泡。HDF成为下图完整航空复合材料生产线的关键环节。

2018年，FBM，787零件

来源：“创业型金属中心企业合并首进复合材料领域”

CW首先被带入洁净室，工人铺设各类零件。当天多个工位配备电脑辅助铺层屏幕，重点生产波音787零件。易懂触屏清晰显示每层铺设角度及在工装上定位方式。Century Design（美国加州圣地亚哥）的“断头台”切割机，配备2米直径旋转工作台和中心刀刃，可快速从碳/环氧预浸料切割任意角度铺层。787门框工装为异形钢芯轴，通常长大于宽，几厘米至约2米长，用于生产数百个框架、支架和夹具。Assyst-Bullmer公司（英国韦克菲尔德）自动化平板切割台供铺层技术员一次切割多达50层铺层。

FBM洁净室内小零件切割、成套铺设，用于各类小型高压釜固化零件。图片来源：CW，Sara Black。

FBM热铺成型机，由以色列Electrotherm Industry供应，省去中间脱泡步骤，一次成型多达50层单向铺层，大幅加速固化前铺层工艺。图片来源：CW，Sara Black。

洁净室核心是热铺成型机（HDF）。由ElectroTherm Industry（以色列米格达尔哈埃梅克）制造，该固定式设备（也生产移动推车版）为定制真空成型系统，配备红外加热元件和硅橡胶膜，在固化前对工装上的复合材料铺层进行加热压实。HDF可一次成型多达50层铺层，Poliker称，无中间脱泡步骤：“我们旨在消除工艺复杂性，一次成型完成铺层。”预浸料在HDF加热固结后，在装袋前覆盖整个铺层的模套。模套由碳纤维复合材料制成，表面粗糙。Poliker不透露专有材料细节，但称可耐177°C高压釜固化温度：“它模拟匹配模具。”他补充，芯轴工装按需内部翻新。装袋耗材由Airtech International（美国加州亨廷顿比奇）供应。

2018年，Elbit Cyclone，787零件

来源：“服务以色列和美国复合材料界”

右侧，波音787零件洁净室工人铺设预浸料，生产从小夹具、支柱到复杂J型、I型、C型梁，以及多件起落架舱门。预浸料使用Assyst Bullmer（英国韦克菲尔德）自动化织物切割机和断头台切割机切割厚叠铺层。预浸料冰箱紧邻洁净室。Hulaty指出，有时预浸料叠层经切割、成套后放回冰箱。洁净室内Aligned Vision（美国马萨诸塞州切尔姆斯福德）激光投影系统辅助手工铺层。

碳纤维增强塑料（CFRP）机身梁零件在公制芯轴上铺设。Hulaty详述精简流程：“我们先铺设预浸料叠层，再整体贴合到芯轴。比逐片贴装工装节省大量时间。铺层后覆盖自制CFRP模套，确保零件100%重复性。”

一台热铺成型机靠洁净室后墙，每循环可脱泡多个零件。“我不知道没有热铺成型如何进行这种高速预浸料零件生产，”Hulaty谈到梁、支柱等零件时说。但他承认此步骤非瓶颈，高压釜也非瓶颈。“固化后末端加工才是瓶颈，”他坚持认为，对于长机身梁，铺设简单叠层后加工更快。“高压釜不是问题，因为我们可堆叠大量零件一次固化，”他补充，“所以每固化周期产率其实不错。”

2018年，IAI，航空结构

来源：“以色列航空国防基石，全球拓展蓄势待发”

IAI使用热铺成型机批量脱泡厚预浸料铺层，省去传统中间脱泡步骤。图片来源：以色列航空航天工业

IAI复合材料业务涵盖公务机、民用飞机、无人机及军用飞机的零部件制造和总装。产品包括垂尾/平尾、方向舵、机翼结构、发动机整流罩、机身梁、门框、结构隔框、肋条、加强筋、控制面、整流罩和雷达罩。制造能力包括预浸料手工铺层和自动化铺带（ATL）、热铺成型、高压釜和非高压釜固化（OOA），含液体成型工艺如树脂灌注和树脂传递模塑（RTM），以及复杂粘接和总装。公司自主设计制造工装，持有所有关键航空航天和复合材料质量认证，通过全面无损检测提供质量保证。

• IAI产能显著，拥有10台高压釜，其中7台属航空总装事业部，尺寸从长4.5米、直径2米到最大长14米、直径4.7米。
• 预浸料铺层固化前用热铺成型机（6.9×2.7×3.1米）脱泡，由Electrotherm Industry（以色列米格达尔哈埃梅克）供应。

2020年，Strata，A350-900内侧襟翼

来源：“Strata交付100套A350-900内侧襟翼”

内侧襟翼（IBF）安装于机翼后缘，旨在起飞降落时增加机翼面积、提升升力，改善飞行稳定性。Strata计划利用热铺成型（HDF）和计算机控制的机器人自动化铺带（ATL）机器全自动化IBF制造，今年早些时候已获首件合格（FPQ）和FAI设计质量验证。

工艺中，HDF机器预成型碳纤维部件用于飞机零件，实现高质量复合零件快速生产，其红外辐射加热系统快速均匀软化碳纤维，交付精准零件，称无应力起皱。此外，Strata两台ATL机器将单向预浸料铺设于平床，再转移至模具进一步加工。据Strata称，其2.5米×10米工作包络可自动化处理大型复合铺层，省去单独超声波切割机，缩短加工时间。

2020年，Techni-Modul，机翼肋和弦杆

来源：“面向未来航空结构的压缩RTM生产”

“对我们而言，OPTICOMS项目也关乎自动化，”Chevallet表示。Techni-Modul Engineering不仅为OPTICOMS项目提供C-RTM注射系统，还提供拾取放置机器人和热铺成型（HDF）机，集成为全自动化生产单元。……“我们用机器人拾取放置实现了经典手工叠层自动化，”Chevallet说，“机器人从自动切割机拾取铺层，转移至加热预成型工装，工装置于压实台上[步骤1和6]。”随后铺设离型膜（步骤6蓝膜）、透气毡（步骤6白色材料）和铰链式可重复使用真空膜（步骤2和6左侧浅蓝），抽真空加热预成型并排除纤维堆叠间气体（热铺成型，HDF），同时熔化薄热塑性纱布形成紧实预成型件。

OPTICOMS机翼肋和弦杆

步骤2. 预成型工装置于压实台，铰链式可重复使用真空膜（左侧蓝色）用于每5-8层铺层进行一次加热脱泡。所有图片来源：Tecni-Modul Engineering。

步骤3. 每个弦杆预成型循环生产一个C型梁预成型件（两个组成I型梁腹板）和一个平法兰预成型件。此处展示每个I型梁弦杆所需的两套。

步骤5. 采用HDF预成型件和RTM工艺制造的I型梁弦杆，用于Clean Sky 2 OPTICOMS项目。

步骤6. 机器人在加热预成型工装上放置切割铺层。每5-8层完成一次加热脱泡以压实预成型件。

脱泡前铺设蓝色离型膜。

透气毡用于抽取预成型件上空气。

最终脱泡后，预成型件在工装上冷却并修切切口。

步骤10. 肋预成型件经RTM和环氧树脂成型。

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“一次可压实多少层取决于材料和零件形状，”Chevallet解释，“像机翼蒙皮这种低曲率零件，可能每50层压实一次。但OPTICOMS肋有90度直角，测试I型梁弦杆为T型，必须小心避免铺层预成型时起皱。”他补充，此类复杂形状可能要求每5-8层压实一次，仍可作为大批量工业化流程：叠层、2分钟HDF压实、打开继续叠层，重复压实循环，最后预成型件在工装冷却后转移至RTM模具。