压缩树脂传递模塑（C-RTM）推进航空复合材料结构高效制造

复合材料因其高强轻量化特性及更低维护成本，已在商用飞机机身结构中占据核心地位。新一代宽体与窄体机型预计将继续增加复合材料用量，前提是材料与工艺能满足低成本、高产率的严苛目标。尽管热压罐固化环氧预浸料长期主导碳纤维增强聚合物（CFRP）机身，但下一代飞机开发商正积极追求集成自动化与在线检测的非热压罐（OOA）技术，作为未来工业4.0量产的关键赋能器。

干法增强材料的开发

Hexcel液体复合材料模塑技术支持工程师Rémy Pagnac表示：“我们视液体复合材料模塑（LCM）为解决降本、产能就绪与一级结构性能三大挑战的答案。”Hexcel开发了HiMax无捻织物（NCF）与HiTape单向（UD）碳纤维材料，以满足LCM工艺下一级结构性能需求。HiMax适用于机翼蒙皮等大型平板结构的快速铺设；HiTape则适用于大型复杂结构的定制化铺层，废料极少。Pagnac补充道：“我们能实现媲美新一代UD预浸料的性能。”

Hexcel通过采用20 dTex细缝纫纱，降低HiMax NCF的体积并改善铺贴性。HiMax材料在英国莱斯特前Formax工厂生产（Hexcel于2016年收购），该厂生产的轻量化展宽多轴向织物早已在竞赛游艇、超级跑车及F1赛车等高要求应用中验证。NCF材料已应用于空客防务与航天（西班牙加的斯）与Danobat（西班牙埃尔戈伊巴尔）完成的机翼演示器项目（采用后者的自动化干法材料铺放技术ADMP），以及空客赞助的ZAero零缺陷CFRP结构项目（如加筋机翼蒙皮）。

HiMax与HiTape均集成了薄层低面密热塑性纤维纱幕作为粘结剂，省去了干法预成型与液体模塑中传统的粉末粘结剂。HiMax中纱幕夹在NCF层间；HiTape则双面覆盖碳纤维单向带。Pagnac解释：“这消除了用粉末粘结剂固定UD层的需求。HiTape经标定、非切割带，无毛刺、宽度变异小，利于AFP加工。热塑性纱幕还提升终极层压板韧性，我们已在新一代AFP设备上验证高材料沉积率。”2015年SAMPE论文显示，采用0.25英寸宽HiTape、搭载激光的Coriolis Composites AFP机，铺设速度达1米/秒；配合Electroimpact AFP设备，全尺寸翼梁结构沉积率高达150公斤/小时。

C-RTM工艺原理与航空航天适配

图1 压缩RTM工艺示意
C-RTM中，干法预成型件置入RTM模具，模具仅部分闭合，干法预成型件与上模面留有间隙。抽真空后注入树脂，压机闭合间隙，液态树脂沿Z向贯穿整个预成型件。Techni-Modul Engineering工艺工程师Thomas Chevallet解释：“这比树脂在平面内渗透快得多。”

C-RTM源自汽车高压RTM（HP-RTM）。Techni-Modul Engineering在Clean Sky 2“优化复合结构”（OPTICOMS）项目中看到将C-RTM适配航空航天的机遇。该项目旨在通过一体化结构与自动化制造降低小型飞机（如支线客机）生产成本，探索预浸料与液体树脂两条路线。OPTICOMS设计了复合机翼演示器，含下蒙皮、多根肋条及上蒙皮（三根翼梁一体化成型）。全尺寸机翼（图2）属AIRFRAME创新技术验证机（ITD），用于评估技术成熟度至TRL 6，服役于2025年后次世代飞机。以色列航空航天工业（IAI）牵头，联盟成员包括Piaggio Aerospace、Techni-Modul Engineering、Coriolis Composites与Danobat。

Chevallet表示：“C-RTM业界熟知，但HP-RTM仍需大型压机。我们的创新在于适配快速注射的低压C-RTM，以更低成本生产高纤维体积含量、纤维取向精准、低气孔的航空航天部件。OPTICOMS项目中0.7米×0.2米机翼肋注射时间从40分钟缩至5分钟；另一I型梁弦条测试（900毫米长、150毫米高）注射时间从1小时缩至5分钟以内。”对于全尺寸机翼蒙皮或直升机旋翼叶片等大型件，注射时间优势更显著。C-RTM还允许注射高粘度树脂、使用低压注射系统与低吨位压机，模具压力仅6 bar，远低于HP-RTM，却能兼顾大型薄壁件与小型复杂件的航空航天级质量。

自动化预成型

除快速低成本注射与OOA模塑，工艺链仍需材料裁切、铺层、预成型等多步骤。Chevallet强调：“OPTICOMS对我们也是自动化课题。”Techni-Modul Engineering不仅提供C-RTM注射系统，还集成了拾取放置机器人与热成型（HDF）机，构建全自动生产单元。

2016年OPTICOMS启动后不久，其子公司CAC凭借自动化3D预成型单元斩获CAMX 2016 ACE设备与工装创新奖制造类大奖。该单元利用真空吸盘从自动裁切机拾取、放置、折叠裁片至加热预成型模具。Techni-Modul Engineering与CAC开发软件将2D材料裁片转化为复杂可展开曲面。该单元在OPTICOMS与I型梁测试项目中进一步迭代。

工艺流程详解

步骤1

拾取放置机器人从自动裁切机取片，铺设于加热预成型工装。

步骤2

预成型工装置于压实台，铰链式可复用真空膜（蓝色）每5-8层完成一次热压实。

步骤3

每个弦条预成型循环产出一个C型梁预成型件（两个组成I型梁腹板）与一个平板法兰预成型件，每根I型梁弦条需两套。

步骤4

四件I型梁弦条预成型件置入RTM模具，抽真空，5分钟完成树脂注射。

步骤5

90分钟固化后脱模，修整树脂飞边，完整件循环4.5小时。

步骤6 肋条预成型

机器人将裁片铺设于加热预成型工装，每5-8层完成一次热压实。压实前铺设蓝色离型膜，透气毡抽取预成型件内空气，最终压实冷却后修整切口。

Chevallet表示：“我们将经典手工叠层自动化为机器人拾取放置。机器人从自动裁切机取片，转移至置于压实台的加热预成型工装。铺设隔离层（蓝膜）、透气毡（白色）、铰链式可复用真空膜（浅蓝），抽真空加热预成型并熔融薄热塑性纱幕形成致密预成型件（热成型HDF）。”压实层数取决于材料与零件形状：低曲率机翼蒙皮可每50层压实一次；OPTICOMS肋条含90°角、I型梁弦条含T型结构，需每5-8层压实防皱，仍可工业化高产：叠层→2分钟HDF压实→重复循环→最终工装冷却→转移RTM模具。自动化单元铺设节拍15秒/层，OPTICOMS肋条（<20层）20分钟完成；I型梁弦条因形状复杂、层板厚度1.2-6毫米变化，耗时45分钟，仍远快于人工，降低误差、提升重复性与质量、降低成本。

步骤7-10 肋条RTM成型

OPTICOMS肋条RTM模具由多部件组成。预成型件置入，抽真空注射树脂渗透，90分钟固化。压机打开显示固化件，脱模后修整飞边，完整件循环4小时。

智能控制系统

Techni-Modul Engineering自动化预成型单元的关键特性是集成SMART CONTROL系统：以相机系统与多功能软件为核心，将加工过程图像与零件CAD数据库比对，实现预成型件形状识别、纤维取向控制、铺层定位及缺陷/异物（FOD）检测。反馈指令机器人按正确序列与时机拾取放置，并向操作员报警。可配置为人工剔除缺陷层并重启，或开发自动化剔除纠错方案。同一光学图像亦用于纤维取向控制。大尺寸零件（如2米长）可能需高位相机识别铺层边缘，再近距离检查纤维取向；每种零件校准序列。褶皱与FOD检测基于缺陷数据库，深度学习算法随时间优化，旨在实现自适应系统。

循环时间与未来量产展望

OPTICOMS肋条用HiMax，I型梁弦条用HiTape，树脂均为Hexcel HexFlow RTM6单组分（1K）液体环氧树脂，180°C固化90-120分钟，是两演示件循环中最长工序（表1）。

目前RTM6是唯一获航空航天结构RTM认证的环氧树脂。但对双组分（2K）体系兴趣日增：混合头混合，提高固化周期灵活性，免除RTM6预混树脂冷藏运输储存以防过早反应。空客直升机（德国多瑙沃特）联合Alpex Technologies（奥地利米尔斯）在SPARTA项目中演示HP-RTM工艺，用双组分HexFlow RTM6实现A350门框（2米高、200-250毫米宽、8-10毫米厚复杂一级结构）180°C下30分钟固化。空客复合技术中心（CTC，德国施塔德）亦演示1.5米×0.5米CFRP肋条，HP-RTM达20分钟模塑周期，60%纤维体积含量、<2%气孔。过去一年CTC助力多家一级供应商将A320手工预浸料件转HP-RTM。但2K树脂需获航空结构认证，CTC担忧现场持续保证混合质量。Alpex利用Netzsch与Kistler模内传感器攻关，其他方案也在开发中。

即使无2K体系，高产量仍可行。SPARTA项目门框经180°C初始30分钟固化后脱模，真空后固化消除热应力确保力学性能。Alpex研发总监Bernhard Rittenschober指出：需额外工装套，但仅单压机单注射单元；额外工装成本被更低工艺与压机成本抵消，即便年产500-1000件也能快速收回。

Pagnac总结：“演示器最大成果是用短时间树脂注射制造一级航空结构，而传统航空RTM工艺中，UD碳纤维增强大型件渗透极其困难耗时。”Chevallet补充：“我们才刚触及智能自动化预成型与C-RTM加工的潜力，未来有望实现一体化加筋蒙皮结构的更具成本效益、可持续量产。”