树脂灌注环架四件预制件
空客直升机公司将铝H135环形框架重新设计为碳纤维增强环氧树脂,使用已经合格的粘结干织物,使用四种预成型工具成型,形成如图所示的1、2、3A和3B预成型,以及与无增强聚合物加固填料(如图4所示)组装,以包含使用成本效益高的树脂灌注和烘箱固化制成的单件初级结构。所有图片的荣誉:空中客车直升机

H135轻型双引擎直升机据报道是欧洲第一紧急医疗服务(EMS)/空中救护直升机,以其可靠性、多功能性和成本竞争力而闻名。H135也被用于搜索和救援、军事、警察以及风力发电厂和其他海上设施的支持飞行,它是由德国多瑙维尔的空中客车直升机公司制造的,并具有该公司标志性的带冠尾翼的小窗。空客直升机号称拥有同类直升机中最低的运营和维护成本,目前有1350多架H135直升机在60多个国家服役,有300多家运营商使用。

多年来,随着H135机队飞行时间的增加,定期的例行维护显示,连接碳纤维增强聚合物(CFRP)尾翼和CFRP尾翼护罩的铝环框架可能出现疲劳和腐蚀问题。这需要更详细的检查和增加维修费用。为了改进检查并提高H135的安全标准,空中客车直升机寻求一种耐腐蚀和抗疲劳的设计。

“我们的第一个目标是使用钛,”空中客车直升机多瑙沃斯公司的高级模具设计专家Jan-Christoph Arent回忆道。“但那必须要进行加工,这很昂贵,而且原材料也很昂贵。”随后,多学科开发团队使用预浸料、空客公司专利的真空辅助注入工艺(VAP)和树脂转移成型(RTM)对复合材料进行了分析。“与铝和钛相比,CFRP环框架不仅提供了最坚固的解决方案,而且还减轻了重量,”他解释道。“我们开发了一种比钛更便宜的设计。”该设计将使用多片干预制件和VAP进行生产。

绘图:苏珊·克劳斯

满足设计和生产要求

在开展环架设计时提出了几个问题。环形框架是连接尾梁管和尾梁护罩的主要结构。由于新的环形框架取代了现有的部分,周围的结构不能改变,设计的选择有限。Donauwoerth结构设计办公室的Thomas Kunkel说:“我们不能改变尾翼设计或界面区域的护罩。”“我们必须制作一个具有相同连接表面和尺寸的部件,但我们可以改变铆接方式和铆钉数量。”

在与设计、压力和生产工程师会面后,团队获得了足够的信息来评估RTM、VAP和预浸料。“我们早期的分析表明,VAP将是最便宜的方式,”多纳沃斯创新部门的Franz Stadler说。“因此,我们开始与设计师一起开发一种可以以低循环成本生产的部件。我们还试图尽可能地降低工装成本。因此,我们寻找一些我们已经在生产中有经验的标准材料。”

该团队选择的干碳纤维织物已经用于其他空客直升机项目。“强度和尺寸模型已经为我们的压力部门和测试实验室所熟知,”多纳沃斯工业部门的汉斯·奥托说。G0986 2x2斜纹织物来自Hexcel(斯坦福,康涅狄格州,美国)是稳定的环氧粘合剂和非常适合预成型树脂灌注。输液所选用的树脂是Hexcel的单组分RTM6环氧树脂,该环氧树脂注射和RTM通过空客直升机的认证。

然而,由于极端non-developability几何(可展曲面,可以形成容易从一个二维表),一些削减和等级必须设计成平面预先形成,以避免皱纹的平层被压缩,塑造成圆周层(见图1)。在预成型设计,开发和工业化部门紧密合作,以确保生产具有成本效益,并符合负载要求。

多纳沃斯压力部门的安东尼娅·霍斯特曼(Antonia Horstmann)说:“我们发现,为了防止皱纹,我们必须在预制件上做一些切口。”“为了认证,我们切割了几个固化的环框架分段,并测试了环框架的压缩和拉伸部分。通过压缩试验,测试了内法兰的断裂强度。进行了静态和动态拉伸试验,以测试CFRP环件和非增强聚合物扣板填料之间的展开能力和界面。试验结果表明,新型碳纤维复合材料环架设计能够安全承受预期荷载,具有较强的稳定性。

H135 CFRP环框预制件图

H135 CFRP环框预制件示意图

4件套预成型,
单发输液

奥托说,预制设计背后的想法是,不要做太多的预制元素,也不要做太多的切割。他解释道:“我们最终完成了四个预制件,每一个预制件都是由几层组成的。”右边的图像显示了这四个预制体编号为1和2,3包括预制体A和b的形状编号为4是无增强聚合物扣板填充,这确保了在t连接区域的正确铺层。这些预制件在四个特殊的预制件工具上制造(图1),然后将其与环形扣板填料一起组装成最终配置,放入多件固化工具中(图2)。

图1所示。预成型工具
预成型工具被用来从开口图像创建预成型1,2和3。预制件3和1显示在左边(橙色)和右边(蓝色)面板的底部。预制件装配图显示在所有三个面板,与预制件的位置突出的颜色和未加固扣板填充4显示为一个三角形。虚线显示环形预制件组装的中心轴。预制件2和1的预制件工具显示在中间(绿色)和右边(蓝色)面板的顶部。注意,C型型材预制件2与它的预制件工具相反,C面朝上组装。z型预成型件1形成预成型件总成的底部。

H135环框固化工具

图2所示。养护工具
空客直升机公司开发了一种多片式铝固化工具,包括附着在底板上的内芯工具和分裂为多片式上下环型的外部工具。组装好的预制件以绿松石色显示。

Arent描述了固化模具(图2):“整个模具由铝合金制成。我们有内芯工具[蓝色],它固定在底板[灰色]。外环形工装[绿色]和上环形[橙色,黄色]被分割成段。这一特性防止了固化后冷却过程中模具收缩带来的热夹紧力。”

图1所示的预制件在固化工具中组装,图2所示为单个单元(绿松石)。固化工具中的预成型件组装从放置z型预成型件1开始。扣板填充跟随。放置c型坯2后,两个外部坯3 (A和B)完成堆叠。“上部和外部工装的定位完成了整个过程,”Arent指出。

用于固化循环控制的热电偶集成在内核中。铺层和模具组装后,应用真空袋材料,预成型件注入RTM6环氧树脂。

经过铺层和工装组装后,采用典型的VAP真空袋的物料顺序,从而使真空袋的生产效率提高半透膜的使用.然后在室温下进行真空浸泡,然后在烤箱中加热工具和铺层。Arent解释说:“你可以使用自加热的工具进行注入,但我们没有这样做,因为我们没有生产大量需要这种工具的部件。”“固化周期有一个快速斜坡到第一个平台,在此树脂灌注发生。树脂填充完成后,我们将温度调至180°C,进行标准的RTM6固化循环。没有治愈后的治疗方法。固化后,我们进行冷却,然后脱模。该零件然后准备进行边缘加工,然后钻孔。铆钉的钻孔必须要有很高的精度。因此,它们在装配夹具中通过一次钻穿环架和连接结构(尾臂和尾罩)来完成。”

脱模CFRP环框为H135

H135 CFRP环架脱模。

零件必须保持公差±0.4毫米。为了确保满足这些几何要求,Arent解释说,使用有限元(FE)模拟进行了变形分析。“我们选择的部件和纤维设计的结果只显示了一些不关键的位移,”他指出。“有了这些结果,我们有信心,我们的模具设计将实现几何要求的首次权利。的确,没有容忍度问题,也没有必要为硬shimming做特别的努力。我们仅使用液体垫片粘合剂就可以将尾架、环架和护罩连接起来。”

项目的成功

环架的重新设计大约在一年前完成,但在转换生产之前仍需要一些额外的时间。Arent说:“我们必须确保很多事情,包括设计和所有的工艺步骤,以及在连续生产和尾架完井过程中没有问题。”“你必须确保掌握整个过程,而不仅仅是生产单个部件。我们还必须确保工厂的生产指令被更改,每个人都准备好了新的设计,甚至是表面处理和油漆。在我们开始批量生产之前,每个人都必须确保它能正常工作。”

他补充说,培训很重要,“因为当你从金属材料转向复合材料时,你必须知道和思考不同的事情。这不仅仅是对现有的零件进行修改,还需要加工一些加固材料,或者一些额外的层。这是一种技术变革。”最后,一切进展顺利,所有新建的H135直升机都使用了这种复合环架。

最大的挑战是什么?“在不做任何改变的情况下匹配界面,”Arent说。“公差并不是真正的挑战——这些公差在模具开发和选定的设计中得到了很好的管理。如果您查看工具图,您会看到内部和外部工具构建了接口,并且它们准确地生成了。真正具有挑战性的是使生产过程变得稳健和高效。”

阿伦特说,重新设计被认为是一个成功的原因有几个。“通过用耐腐蚀、无疲劳的CFRP环框架取代铝制设计,安全标准显著提高,检查措施得到改善,我们能够减轻约0.5公斤的重量。所有这些都为我们的客户提供了巨大的优势。”

相关内容

  • 复合材料的工具:演化轨迹

    随着工具变得更大、更复杂,新的技术和改进的方法跟上,工具制作变得越来越具有挑战性。

  • 3D打印CFRP模具RTM襟副翼,外骨骼和更多

    慕尼黑工业大学碳复合材料系主任正在通过大规模挤压、连续纤维印花、将加热集成到工具等方式推进复合添加剂制造。

  • 材料与工艺:复合材料的模具

    复合零件是在模具中成形的,也被称为工具。工具几乎可以用任何材料制成。材料类型,形状和复杂性取决于零件和生产运行的长度。这里有一个简短的总结涉及到选举和制造工具的问题。

Baidu