高压RTM：CFRP航空结构高效低成本生产新路径

约十年前树脂传递模塑（RTM）向高压RTM（HP-RTM）过渡时，多因汽车应用获赞誉，将复合件循环时间从小时级压缩至2分钟以内。鲜有讨论将此技术用于航空航天零件。航空业与常规RTM渊源深厚，含用其生产数千片商用航空发动机碳纤维增强塑料（CFRP）风扇叶片与包容舱。空客甚至用RTM原型制造过7米长一体式复合材料多梁襟翼（A320）。但能否将小时级工艺经验转化为分钟级全自动模塑复合航空部件？多方关键玩家称完全可能。

为清晰起见，此处将传统RTM称为LP-RTM，典型注射压力10-20 bar。HP-RTM则用30-120 bar注射压力。

“十年前我们通过欧盟资助项目做航空RTM加工，制造机身框架，”Alpex Technologies（奥地利米尔斯）创新工装系统供应商、研发负责人Bernhard Rittenschober说。“当时预测A350许多部件将用RTM制造，但未成现实。”Alpex持续钻研技术，作为汽车与航空双供应商，开始探索两行业工艺融合。“思路是用航空认证的[Hexcel] RTM6环氧树脂，结合汽车工装最佳实践与自动注射系统降低循环时间，”Rittenschober解释。

成果为2013-2015年奥地利政府资助研究项目TAKE OFF，Alpex联合空客直升机（德国多瑙沃特厂）、设备商KraussMaffei（德国慕尼黑）、测试专家Aerospace and Advanced Composites（AAC，奥地利维纳诺伊施塔特）、树脂供应商Hexcel（美国康涅狄格斯坦福德）参与。项目证明HP-RTM使A350舱门框成本降30%，并实现关键技术发展：双组分（2K）树脂体系应用、模内传感器智能注射固化监测、进一步缩短零件循环时间潜力。Alpex持续开发，见此HP-RTM技术有潜力破解当前CFRP生产难题。

支持此观点，空客运营公司子公司复合技术中心（CTC）十年来开发自动化RTM，先LP-RTM约五年前转向HP-RTM。（CompositesWorld 2016年考察其设施时曾记录CTC的KraussMaffei HP-RTM机器与开发工作。）“HP-RTM解决了注射固化瓶颈，其高速混合允许使用高反应性树脂，”CTC生产系统项目负责人、RTM技术主管Jan Schiller解释。“我们开发出工艺，在20分钟循环内生产1-2米尺寸的中等复杂几何零件，满足航空要求（如60%纤维体积率、<2%空隙率）。”他补充，去年走访交流空客供应商后，识别出多个部件可转HP-RTM，提升A320高产率生产。“现正开发专用工艺，今年力争投入批量生产。”

HP-RTM A350舱门框

Alpex开发通过奥地利TAKE OFF计划下SPARTA项目完成。“空客直升机选定该部件，”Rittenschober回忆。“这是打开A350舱门时看到的门框。约高2米、宽200-250mm、厚8-10mm，形状复杂，含满足组装舱门（主要结构）各项要求的设计特征。”A350舱门含14个部件，由空客直升机德国多瑙沃特厂用LP-RTM制造。SPARTA选定的框架是较具挑战性部件之一。“它是好演示件，可直接对比HP-RTM与标准航空LP-RTM，”Rittenschober补充。

Alpex设计制造现用于空客直升机A350舱门框生产的LP-RTM工装。为HP-RTM工装设计制造，将应用更汽车化思维。“目标是让汽车式自动化进入航空复合部件生产，”Rittenschober说。“空客要用更多复合部件、月产60-100架造未来A320，这至关必要。”

他续道：“我们从给宝马做模具而来，宝马积极简化零件工艺降循环；空客来自航空复杂传统。起步时空客直升机问模具几块件。”注：现行LP-RTM舱门生产含复杂多件模具。“我们解释HP-RTM模具仅一上一下两半模，”Rittenschober说。

因此Alpex从简易模具设计起步，再添特征强化工艺鲁棒性与灵活性——如高产汽车生产用密封系统。“且所有传感器集成在模具内，”他注。

预制件与工艺

现用A350舱门框预制件用织物材料，需多次脱鼓，导致三天生产周期。“我们决定用无捻布（NCF），”Rittenschober说。“大幅降价缩周期。虽也用Hexcel认证织物预制件演示部分件，但看复合行业在航空外正从织物向带材与NCF等低成本形式转型，SGL等在推进。”

问及注射点与纤维冲刷问题，Rittenschober解释HP-RTM模具仅单注射点，但预制件夹紧固定于模具极稳定，故无纤维冲刷。

另一关键点：Alpex选用双组分（2K）树脂体系，而非空客直升机现用单组分RTM6。Rittenschober断言2K体系反应性更强，更适配HP-RTM，且因非预混、免危险品运输可省成本。但需180°C更高温度。“这是我们最具挑战部分，”Rittenschober说，“习惯120°C加工。”

KraussMaffei在慕尼黑轻量化技术中心装配完成工装于其RimStar Compact HP-RTM系统，含自动高压（至80 bar/1,100 psi）计量混合注射。试制20件演示件。Rittenschober描述基线工艺：80°C注射，升至120°C保压1小时，升至180°C保压固化90分钟，降温（2°C/分钟）脱模。“注射仅20秒，但总模塑循环约4小时。”

循环时间与成本

SPARTA舱门框仍长的固化周期由Hexcel RTM6树脂配方与空客认证工艺驱动。“我们用附加真空后固化去热应力、保力学性能，在180°C实现30分钟固化循环，”Rittenschober注，“性能相当好，可比LP-RTM件。”

“我们证明了可用该工艺自动化生产实现高产量，”Rittenschober说。“可在模内注射固化，后固化移出压机。”承认需额外工装套，但仅单压机单注射单元。“此系统可降零件成本€700，产率500-1,000件/年即可轻松收回设备投资，并非极高产量。”

CTC工艺开发与演示件

工装工艺外，HP-RTM舱门项目还创新用纤维形式。“从空客认证织物起步，非常成功，”Schiller回忆。“继而用NCF与更创新纺织品。”后者含干法铺放与铺展丝束层间插层增韧，但紧密堆积导致透气性差、阻碍树脂渗透。“也有发展解决此，如特种纤维NCF改善透气性。”

HP-RTM压力方面，Schiller强调选用该工艺更多源于聚氨酯行业混合技术而非高工艺压力。“我们用HP-RTM仅为高反应性树脂良好混合，”他解释。“模内可能有较高压力，但这是快速注射的次要效应。汽车件2分钟循环需极快渗透干预制件，我们15分钟固化允许更多渗透时间，也降低模内压力。”

压机吨位视件尺寸而定。“2米内件效果好（约1,500吨），4-6米件需算商业案例因压机投资极高，”Schiller说。CTC 2018年JEC World展出1.5m×0.5m CFRP肋条代表任意航空主要结构。2019年底将接收更高吨位压机。

2K树脂与基于传感器的质量保证

Schiller观察到以往RTM飞机结构仅用供应商预混1K体系，供应商认证混合物并承担责任确保树脂满足认证要求。“现考虑2K体系，挑战是确保混合质量，”他解释。预混1K需冷链运输储存防反应。2K优势含免此费用、更高反应性利于快速加工。但质量保证（QA）将从树脂供应商转移至部件制造商。“此QA需检测混合比和混合树脂质量。两者均为空客认证新材料所需。即混合前两组分测量与混合后树脂测量。现仅混合头前有传感器显示计量树脂与固化剂量。这不足够认证。”

Alpex同步开发在线质量系统，提供空客要求的100%混合合格树脂验证。“从开发伊始我们用Netzsch模内传感器，”Rittenschober注。“现Netzsch与Kistler（瑞士温特图尔）合作，新技术可用。单一传感器监测温度、压力、树脂固化度，我们集成在模具内。”

“Alpex说用模内传感器，混合/注射设备商说传感器应在他们系统里，”Schiller说。“两者皆对。”但他注后者也需改进。“汽车HP-RTM中树脂混合比测量全过程平均值，”Schiller解释，“但我需每个离散时间点测量，知晓甚至注射最后半秒混合比也正确。需要测量系统更高时间分辨率。”Schiller建议传感器可能需布置在混合头前、混合头内和模内。“我们并行推进此QA开发与2K树脂航空评估，与机器供应商已识别出有望满足分辨率的传感器系统，将在年内验证。”

Alpex也在试用Aerospace & Advanced Composites（AAC，奥地利维纳诺伊施塔特）开发的新型混合多功能压电传感器。置于RTM模具上，作压力传感器监测模内树脂流动锋面。预制件经树脂浸渍固化开始后，阻抗谱变化用于确定固化度。固化完成后，压电传感器共熔固化于零件表面，用于结构健康监测——被动模式作声发射传感器、主动模式用导引超声波。已演示成品冲击损伤监测。

注：此工艺数据可被工业4.0智能生产系统分析，识别质量效率提升路径。也可记录为每个零件的数字孪生。

未来潜力

Rittenschober称HP-RTM技术唯一真正障碍是认证：“我们向空客直升机证明工艺可行，但需有人认证。”Schiller同意总有谁先行难题，但过去一年算过许多部件商业案例。“年产200件不划算。但A320部件则具吸引力。每月A320目标产率升高。许多部件设计于1980年代、人工生产，用HP-RTM极易大幅提效。”

CTC演示件循环20分钟，HP-RTM也可能吸引电动垂直起降（eVTOL）飞机市场，网约车制造商UBER曾建议年产5,000架为上限。

Alpex将持续开发系列RTM进阶技术，Rittenschober说：“我们相信HP-RTM有真实潜力帮助解决CFRP航空结构更具成本效益、工业化生产的问题。”Schiller赞同，指出许多目标A320应用每架次含多个CFRP部件。“高效工艺收益将累积。首个应用投产后，后续将接踵而至。”

下一代
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