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空客通过3D打印碳纤维复合材料寻求更轻的客舱支架

【论文时间: 2021-12-16 08:17

  碳纤维复合材料是很多碳纤维丝束按照一定的方向排布,然后将它们与树脂、陶瓷、金属等基体混合连接在一起构成的材料。与传统的金属材料相比,碳纤维复合材料具有密度小、比强度/比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。

  如今,3D打印碳纤维复合材料的市场开始发力批量制造,根据3D科学谷的市场观察, Arris Composites 与空中客车公司合作进行复合材料研究,以减轻客舱支架。

  复合材料的3D打印发展三大趋势。一是我们将继续看到流程和系统的工业化,硬件与软件发展的结合将更加支持大批量生产。二是对系统进行更多的传感控制,以实现实时过程控制-热,尺寸和光学传感可提高过程公差。三是用于提高3D打印操作效率的新软件(例如,预处理工作流程,作业管理等)更加成熟,从而更深入的用于多材料零件的新设计和仿线D科学谷

  来自美国加利的Arris Composites透露了与空中客车公司的一项研究项目,该项目专注于机舱支架的生产。该项目旨在通过利用创新的制造方法和材料(包括复合材料)来使得航空排放量的显着减少。

  据Arris Composites称,将金属支架(220 克)替换为拓扑优化、对齐的连续纤维复合材料部件(50 克),重量减轻了 75% 以上。重量的减轻也转化为高度优化的燃油节省,因为数百个这样的支架是一架飞机的一部分。

  如果放到更大的视角来看减重的意义就更大了,假如一年制造 100 架飞机,每架飞机配备 500 个支架,加上 50,000 个重量更轻的支架,这有助于在整个飞机的生命周期中节省 1.13 亿公吨的燃油,并减少 3.57 亿公吨的二氧化碳排放量(参见国际清洁运输委员会关于商业航空的分析报告)。

  根据空客,仿生学设计、拓扑优化设计和先进复合材料是未来,Arris Composites将3D打印的优势与复合材料的优势相结合,正在帮助业界将这些设计和材料理想结合起来,以制造飞行的未来。

  此外,Arris Composites 的增材成型技术结合了增材制造 (AM) 和高速压缩成型工艺,将对更换零件和未来的飞机结构产生巨大影响,证明减少碳排放是可能的。空客本身致力于探索这样的技术途径,以支持为子孙后代实现更可持续的航空旅行的愿景。

  根据《航空复合材料前景广阔,碳纤维复合材料需求旺盛》一文,碳纤维及其复合材料在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域应用日趋广泛,市场需求逐年增加。碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域,如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭和人造卫星等,后伴随着碳纤维生产成本的降低逐步应用于工业和体育领域。从全球市场看,碳纤维市场需求一直不断增加。2020年全球碳纤维需求继2019年之后再次突破10万吨级,达到10.69万吨。

  碳纤维复材按照基体的不同可以分为五大类,其中树脂基复合材料(CFRP)下游的应用最为广泛,超过 80%。按基体的不同,碳纤维复材可分为树脂基复合材料(CFRP)、碳/碳复合材料(C/C)、金属基复合材料(CFRM)、陶瓷基复合材料(CFRC)及橡胶基复合材料(CFRR)等。其中,树脂基复合材料(CFRP),由于其比模量、比强度高、抗疲劳性好、以及优良的耐热性等特点,被广泛应用于宇宙飞行器外表面防热层及火箭喷嘴(酚醛树脂基)、航空航天结构材料(环氧树脂基)、建筑补强等领域。

  在航空航天领域,香港六合总彩,碳纤维复合材料在结构轻量化方面发挥重要作用。与常规材料相比,碳纤维复合材料可使飞机减重20%~40%,可克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增强飞机耐用性。由于其性能优势,碳纤维复合材料在军机、民机的用量比例、范围逐步提高,从20世纪70年代被用于尾翼级的部件制造逐渐发展到今天被广泛应用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等更多核心部件的制造中。

  碳纤维复材主要用在客机的承力构件中,并伴随着客机的升级换代用量逐步提升。从20世纪80年代开始,碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件,在早期的B757,B767上,碳纤维复合材料的占比仅为4%,随着碳纤维相关技术的不断突破,碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在民航客机上,其质量占比也开始逐步提升,到A380时,复材占比已达到 25%,具体应用在客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等,2021年澳门挂牌彩图次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等。在最新 B787以及A350上,复材用料占比都达到50%以上。

  我国国产客机市场潜力大,未来C919、CR929的批量交付将带动碳纤维复材需求量提升。我国国产大客机项目正在不断推进中,根据中国商飞官网披露的数据,C919大型客机已于2015年11月2日完成总装下线年,中国东方航空与中国商飞正式签署购机合同,首批引进5架,预计将在今年交付。在2019年4月27日在杭州云栖小镇举行的2050大会上,中国商飞披露了几个国产客机(按重量占比)统计的复合材料比例:ARJ-21的复材含量占比为2%,C919的复材含量占比为11.5%,CR929的复材含量占比超过50%。综合来看,伴随着国产大飞机的批量交付,碳纤维复材的市场需求有望提升,进而带动预浸料的需求增加。

  从事连续纤维复合材料3D打印生产级应用的创业企业Arris Composites 在2020年4月获得了4850万美金(约人民币3.4亿)的B轮融资,其目的是实现下一代连续纤维复合材料3D打印生产级应用。

  Arris Composites通过其专有的Additive Molding™ 制造技术,将增材制造工艺与模具工艺相结合,实现了高强度和轻量化复合零件的批量生产。这种新工艺以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料。

  Arris的工艺吸引了众多行业的关注,其中一个原因是Arris的增塑成型零件能够比铸件整合更多的零件,一方面是碳纤维带来的经济性及轻量化的优势,另一方面是3D打印带来的结构一体化的优势。

  Arris的工艺过程从干燥的碳纤维丝束开始,纤维束通过浸渍过程预浸成胶带和丝束形式。预浸料带可以是平坦的,或者可以直接形成所需的轮廓形状。Arris Composites 具有预浸料带的生产能力,未来该技术的一项发展是将料带(和丝束)直接送入下一生产步骤。目前,该公司提供的预浸带宽度为1到24英寸(约2.5-61厘米)。

  接下来,专有的机器人设备将预浸料坯进行成型、切割并将其放入模腔内的最终位置。规定的预浸料准备就绪后,模具将合上并向复合材料施加热量和压力以进行固结和固化。

  在该技术中,放置材料的机制与自动胶带铺放和通常意义上的3D打印过程有所不同,Arris 的技术是对预浸料进行成型,而不是在原地进行固结和粘结。这种方式可以提高预成型过的速度。

  这样Arris可以打印连续的碳束,并沿着零件的应力矢量线缠绕整个零件。零件的结构以所称的“近净形状”打印,零件的纤维贯穿整个零件。总体来说,根据3D科学谷的了解,Arris的工艺可以使得零件更加复杂,并拥有很高的分辨率和形状控制能力。

  Arris Composites的技术已在多个市场上获得了应用,利用革命性的连续碳纤维增强功能使得产品更轻、更坚固、更智能。一方面,Arris Composites的解决方案满足了航空航天工业和汽车制造领域对寻求耐腐蚀,高强度和耐用的玻璃纤维和碳纤维结构零件制造的需求。另一方面,Arris Composites的解决方案释放了消费品和体育用品品牌的创新潜力,使得消费领域可以通过提高产品性能和差异化来寻求新的商业优势。

  知之既深,行之则远,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察,有关更多前沿的产业化发展趋势,请关注3D科学谷“”。

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