本项目源自航天航空先进复合材料增强用缝合结构预成型体(图1)的快速制造技术需求,属于行业共性技术。研究目标是基于101线迹缝合工艺(图2(a))和改进型锁式缝合工艺(图2(b)),分别研制专用自动化缝合设备,实现产品在航天航空先进复合材料部件上工程应用。
(a) 缝合结构 (b) 缝合机翼部件
图1 缝合结构预成型体及其应用
(a) 101线迹 (b) 改进型锁式缝合
图2 两种工程应用最广的缝合结构
先进复合材料是我国航空、航天等领域赶超国际先进水平的关键材料之一,预成型体(又称立体织物)作为先进复合材料的“骨架”,起到了钢筋混凝土中钢筋的关键增强作用。随着预成型体在航天、航空部件上批量化应用,质量、价格和进度越来越成为衡量一种预成型体制备技术能否扩大应用的三大核心指标。缝合预成型体具有质量轻、力学性能优良、成型速度快、仿形性好、节省原材料、对加工不敏感等显著特点,越来越受到复合材料界的高度重视和认可。
国外在缝合工艺、装备研发方面先我一步,随着我国航天航空材料技术的发展,迫切需要该工艺和制造装备,由于涉及到敏感应用领域,国外对此严加封锁,拒绝技术交流,故要实现关键技术自主可控,必须独立自主发展该项技术,使之成为编织技术、机织技术后的又一大先进复合材料增强体的应用技术。该项目技术正是在此背景下应运而生的,现已完成工程样机的研制,并制备出了工程样件,满足了航天部门的设计指标,成果技术成熟度已达7级标准。
本项目产品分三大类:
① 为航天、航空先进复合材料提供缝合结构预成型体产品。
② 为制造预成型体单位提供缝合设备。
③ 为研发预成型体的科研院所、大专院校和生产型企业提供个性
化技术服务(结构设计、工艺编制、软件开发和产品应用等)。
本成果可在航天、航空先进复合材料预成型体应用,也可推广至舰船和兵器等应用领域,并可由军用向热场材料等民用领域延伸,推广应用前景广阔。未来业务采用校企技术合作,个性化定制服务的产业模式。
预成型体已得到航天航空材料设计单位的广泛认可,应用领域和应用部位正在不断拓展与延伸。目前存在的最大短板是需求和产能存在较大缺口,无法满足我国新时代强军目标的需求。主要原因是现有的高厚编织和多层机织工艺工序繁多,各工序间衔接不紧凑,实现机械化自动化难度很大,主要采用半手工、半机械的生产模式,生产效率较低,质量一致性易波动,无法满足型号大批量和系列化生产需求。缝合工艺是在传统缝纫基础上进行技术研发,最大化的缩短了工艺路径,减少了操作人员,“量体裁衣”精减了原材料,是一项最经济、最易实现自动化和智能化的技术,从石英纤维预成型体平板和异型构件缝合结果比较,相比编织操作人员减少85%以上,生产效率提高50%以上,总制造成本降低60%以上。
缝合预成型体推广应用重点要解决如下关键技术:
(1)不同纱线的可纺性技术(不耐磨易断裂、不集束易分叉);
(2)缝合路径上纱线完整性保持技术;
(3)缝合针脚精确定位和自动化“穿针引线”匹配性技术;
(4)无人值守状态下轨迹规划软硬件控制技术。
目前,已研制出工程样机,采用该样机制备的1:1高超声速飞行器乘波体已通过航天部门应用验证,满足设计要求。缝合技术的成熟度达到工程样机系统运行、例行环境试验合格的七级标准。该项目成果已申报发明专利等自主知识产权,属国内首创,具有独创性。
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