CN108749029A - 一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法，解决了现有技术成型的油箱厚重、环境适应性差等应用受限问题，改善了整体成型复合材料油箱的适用范围，并有效减重；有效地简化了复合材料整体油箱的成型工艺，改善了复杂结构类油箱工艺复杂、加工难度大、质量不稳定等问题；有效地降低了生产成本开支、生产周期，在保证产品尺寸和使用稳定性的前提下实现了复合材料整体油箱的低成本、快速成型；清理后的泡沫可以二次利用，通过加工成粉末与环氧胶液混合作为无人机机体夹层结构灌封料使用。

Description

一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法

技术领域

本发明属于无人机复合材料成型工艺技术领域，涉及一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法。

背景技术

与传统的复合材料相比，碳纤维复合材料可以兼顾碳纤维和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料，尤其以轻质、比强度和比模量高、材料性能的可剪裁性、成型工艺的多选择性、良好的耐疲劳性和良好的抗腐蚀性，广泛应用于航空航天等领域。碳纤维复合材料油箱通过整体成型不但可以实现设计/制造一体化，而且在满足性能的前提下可以实现机体结构的轻量化和提高空间利用率，是未来高性能无人机油箱的发展趋势。

公告号CN 104626598 B的中国发明专利公布了“一种复合材料油箱及其制造方法”，提出先通过液体成型出各壳体再整体包覆的方式实现复合材料油箱的整体成型，其重量重、环境适应性较差，适用于制造结构简单的厚壁类油箱。

公告号CN 104441355 A的中国发明专利公布了“一种复合材料油箱整体成型的制作方法”，提出通过可溶(熔)芯模及多次湿法手糊成型的方式实现复合材料油箱的整体成型，也存在上述专利存在的问题，只能适用于低温固化、结构性能要求不高的简易油箱的制作。

公告号CN 104044277 B的中国发明专利公布了“一种树脂基复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑成型工艺”，提出通过水溶性或可熔性芯模及液体成型的方式实现复合材料油箱的整体成型，其重量重、成型工艺复杂，适用于制造1mm以上厚度的结构简单类油箱。

公告号CN 106863836 A的中国发明专利公布了“复合材料整体结构油箱及其制造方法”，提出通过气囊芯模成型方式实现了复合材料油箱的整体成型，由于气囊本身结构和特性的局限性，使其生产成本较高，仅适用于结构简单的复合材料油箱成型。

以上四项专利所提供的油箱整体成型方法都不适用于现在工业级无人机复合材料整体油箱轻质、薄壁及适应机身机翼形状的大容量要求，也不利于产品低成本制造需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：鉴于现有技术的局限性，本发明提供了一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型方法，其目的在于在保证性能可靠和尺寸稳定前提下解决复合材料油箱重量重、综合力学性能及环境适应性低、适用范围小、生产周期长等问题，改善研发阶段结构复杂类复合材料整体油箱的性能和适用范围。

本发明的技术方案是：一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制作碳纤维结构油箱芯模，包括以下子步骤：

子步骤一：根据芯模尺寸，采用闭孔刚性泡沫材料制作泡沫毛坯件，并进行烘干处理；

子步骤二：利用三维建模，对泡沫毛坯件进行数控加工，得到泡沫芯模1；

步骤二：对泡沫芯模进行表面处理，包括以下子步骤；

子步骤一：泡沫芯模表面全尺寸性铺贴1层聚四氟乙烯膜2；

子步骤二：在聚四氟乙烯膜上同样覆盖铺贴1层玻纤/聚四氟乙烯膜3。

步骤三：碳纤维预浸料剪裁:通过产品三维数模进行预浸料的展开放样，采用AutoCAD进行预浸料的优化排料设计，使用数控下料机进行预浸料剪裁。

步骤四：碳纤维预浸料铺层，包括以下子步骤：

子步骤一：在泡沫芯模表面整体通铺1层±45°碳布织物预浸料。

子步骤二：在油箱拐角及油路口处加贴2层碳布织物预浸料圆片，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)]；

子步骤三：继续整体通铺1层(0°/90°)碳布织物预浸料，得到产品预成型体15。

步骤五：在产品预成型体15上进行工艺组合和中温固化真空辅助成型。

步骤六：清除泡沫芯模1，整体取出步骤二所述的表面处理材料；清理碳纤维油箱内壁，并干燥处理。

步骤七：在碳纤维油箱内壁涂装1层耐汽油型环氧涂料，待涂料室温固化24小时后得到碳纤维结构油箱成品。

本发明的进一步技术方案是：所述闭孔刚性泡沫材料作为一次性芯模进行碳纤维复合材料整体油箱的低成本制造和快速成型。

发明效果

本发明的技术效果在于：

(1)解决了现有技术成型的油箱厚重、环境适应性差等应用受限问题，改善了整体成型复合材料油箱的适用范围，并有效减重；

(2)有效地简化了复合材料整体油箱的成型工艺，改善了复杂结构类油箱工艺复杂、加工难度大、质量不稳定等问题；

(3)有效地降低了生产成本开支、生产周期，在保证产品尺寸和使用稳定性的前提下实现了复合材料整体油箱的低成本、快速成型；

(4)清理后的泡沫可以二次利用，通过加工成粉末与环氧胶液混合作为无人机机体夹层结构灌封料使用。

附图说明

图1是本发明工艺流程图。

图2是本发明实施例中油箱结构示意图。

图3是实施例中油箱侧视示意图。

图4是实施例中油箱口示意图。

图5是实施例中主要铺层示意图。

图6是实施例中工艺组合示意图。

其中1-泡沫芯模，2-聚四氟乙烯膜，3-玻纤/聚四氟乙烯膜，4-(±45°)方向碳布织物预浸料，5-油箱前端上拐角，6-油箱前端下拐角，7-油箱侧壁下拐角，8-油箱侧壁上拐角，9-油箱油路处前拐角，10-油箱油路处后拐角，11-油箱后壁上拐角，12-油箱后壁下拐角，13-Φ25mm碳布织物预浸料圆片，14-(0°/90°)方向碳布织物预浸料，15-产品预成型体，16-无孔聚四氟乙烯涂层脱模布，17-压花型高延展性真空袋，18-密封胶带，19-热电偶，20-真空系统，21-真空固化炉。

具体实施方式

参见图1-图6，一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法，该工艺包括以下步骤：

步骤1，制作碳纤维结构油箱芯模1：芯模材料采用耐热性良好、热膨胀系数与碳纤维复合材料相接近、抗压缩蠕变性能良好的闭孔刚性泡沫材料。

依据泡沫材料说明书中各项物理性能参数确定使用的泡沫规格及中温固化真空辅助成型下泡沫热膨胀量、压缩蠕变量、加工余量等工艺参数。

利用三维建模，按数模进行泡沫芯模的加工，得到泡沫芯模1；及时对其进行封装防护。

步骤2，对芯模进行表面处理：启封步骤1的泡沫芯模1，并对其外表面进行清理，再进行表面铺贴工序。铺贴时，首先铺贴1层聚四氟乙烯膜2，其既能较好粘连泡沫，形成致密、紧实型面，达到良好地阻隔预浸料加热过程中产生的胶液，又能在脱模时易与泡沫发生分离；再铺贴1层玻纤/聚四氟乙烯膜3，其既能起到较好粘连作用，为产品提供良好的型面，又具有良好的脱模性和强度使其易与产品发生脱离；最后进行真空预压实，即采用0.09MPa以上真空度要求的预压实。

步骤3，预浸料剪裁：通过产品三维数模进行预浸料的展开、放样及排料，再使用数控下料机进行剪裁，并进行铺层标记和叠层放置，剪裁时允许裁片方向偏差为±1°、尺寸偏差为±1mm。

步骤4，碳纤维预浸料铺层：将碳纤维预浸料逐层铺贴在步骤2的芯模表面；铺层过程中用真空预压实的方式使预浸料与泡沫芯模1贴合紧实，直至形成叠状产品预成型体15。铺贴在净化间进行，净化间环境温度22±4℃，相对湿度不大于65％，真空预压实时真空度不小于0.09MPa。

步骤5，工艺组合及固化：在铺贴好的产品预成型体15上依次放置无孔聚四氟乙烯涂层脱模布16及压花型高延展性真空袋17，并通过密封胶带18的粘连形成真空系统20；通过使用该类脱模布16避免余胶逃离产品表面，并得到表面致密且外观质量良好的产品；通过使用真空袋17，可以节约其余辅助材料的使用，又利用其高延展性，使得抽真空过程中更利于拐角及油路处的随型压实。最后按材料规范要求在真空固化炉20中进行固化，主要固化参数为120℃恒温1小时。真空固化炉的控温精度为±3℃，温度均匀性为±5℃，并配有热电偶19插拔装置、真空系统，且系统内的真空度应达到0.09MPa以上。

步骤6，脱模：以物理方式清理芯模主体结构，要求在清理过程中不破坏步骤2的表面处理材料2、3；再以手工拽出的方式使表面处理材料2、3与油箱内壁整体相脱离；最后使用60℃左右温水反复冲刷油箱内壁3次以上，将油箱内壁清理干净后晾干。

步骤7，油箱内壁涂装：在碳纤维油箱内壁附着1层耐汽油型环氧涂料，待涂料室温固化后可以在碳纤维油箱内壁形成一层漆膜，作为防渗漏囊层。注意应及时将废弃的涂料倒入专用的回收桶中以待集中处理，防止对环境产生污染。

下面结合附图说明，本发明作进一步描述：

第一步，制造碳纤维结构油箱芯模。

本实施例中采用中密度聚甲基丙烯酰亚胺泡沫51WF作为芯模材料，该材料具有良好的压缩蠕变性能，保证预浸料固化前、后产品的尺寸稳定性，以及真空加压时受力均匀性。而且其良好的耐热性能，保障了预浸料中温固化要求；同时其刚性好、孔隙小且均匀的特性，保证泡沫芯模机械加工时的稳定性及预浸料铺贴时形状的良好保持性。

首先，根据芯模尺寸要求制作泡沫毛坯件，再进行烘干处理。烘干的具体方法是在烘箱中进行70℃恒温6小时处理；待处理完成后需尽快使用，如未能尽快使用时应进行封装或其他防潮措施，防止吸水变形。

参照图2-4，利用三维建模，按数模进行泡沫芯模的数控加工，得到泡沫芯模(1)。

第二步，对芯模进行表面处理。

启封、清理泡沫芯模1，在其上铺贴1层聚四氟乙烯膜2，确保与泡沫芯模1粘接紧实、无架空现象发生；再铺贴1层玻纤/聚四氟乙烯膜3，形成良好、致密的工作型面。

铺贴完毕后进行真空预压实。真空预压实方法是在上述泡沫芯模1上依次铺贴有孔隔离膜、透气毡、真空袋，通过密封胶带的粘连形成真空系统，通过持续抽真空的方式保持系统内0.09MPa以上的真空度至少10min，确保铺贴的材料与泡沫芯模1进一步贴合紧实。步骤二中使用特殊表面处理材料作为中间层，提供良好的脱模性和致密的工作型面，使得整体油箱芯模易脱模，内壁表面致密、光滑。

第三步，碳纤维预浸料剪裁。

由于PMI泡沫在真空压力下有非常良好的热膨胀性和抗压缩蠕变性，所以本实施例中采用真空辅助预浸料成型方式；且非热压罐成型(OOA)用预浸料最适合作为该成型用预浸料，尤其是单层厚度越薄，成型效果越好。本实施例中采用的预浸料为单层厚度δ0.2mm的MTM28/CF0300-42％碳布织物预浸料，整体铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)]，共2层。

通过三维数模进行预浸料的展开放样，并采用AutoCAD进行预浸料的优化排料设计，以提高材料利用率、降低成本；再使用数控下料机进行剪裁，并对剪裁好的预浸料进行铺贴标记并叠层放置。

第四步，碳纤维预浸料铺层。

参照图5，在已表面处理的泡沫芯模1上整体通铺1层±45°碳布织物预浸料4，将其中标记的各个片层预浸料铺贴于工艺指定位置；铺贴完毕后进行真空预压实，真空预压实如上所述。

将Φ25mm碳布织物预浸料圆片13加贴于各个拐角5、6、7、8、11、12及油箱油路口处9、10进行补强，避免因单层碳布织物预浸料在这些地方(5-12)铺贴疏松可能引起的渗油或漏油；并对油箱油路口处9、10额外进行局部补强，铺贴尺寸为(50×80)mm的2层碳布织物预浸料，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)]，共2处，以确保油路组件安装时有足够的强度和厚度。

继续整体通铺1层(0°/90°)碳布织物预浸料14，同样将其中标记的各个片层预浸料铺贴于工艺规定位置；铺贴完毕后，进行真空预压实，形成产品预成型体15。真空预压实具体要求如上所述。

第五步，工艺组合及固化。

参照图6，在产品预成型体15上依次放置无孔聚四氟乙烯涂层脱模布16、压花型高延展性真空袋17，并通过密封胶带18的粘连形成真空系统20；同时油箱口处非产品层的芯模上放置热电偶19。完成工艺组合后，将产品预成型体15移至真空固化炉21中，抽真空并对拐角及油路处5-12进行手动压实。

进行中温固化真空辅助成型，即先以1-3℃/min的升温速率进行升温，直至到达恒温温度120℃，保温1小时；再以3℃/min的降温速率进行冷却降温，直至55℃以下时出炉；全程抽真空过程中要求真空度达到0.09MPa以上。

第六步，脱模。

清理产品坯体表面的压花型高延展性真空袋17。

以物理方式(本实施例可以使用低成本的钝器，如长直铲刀，单人清理时间一般在2-4小时)清理芯模主体结构，并注意在清理过程中不损伤表面处理材料2、3；待取出泡沫芯模主体后，以手工拽出的方式使表面处理材料2、3与油箱内壁整体相脱离。

清理产品坯体表面的无孔聚四氟乙烯涂层脱模布16。

使用60℃左右温水冲刷油箱内壁，将泡沫粉屑等附着物清理干净后进行烘箱干燥处理。

第七步，油箱内壁涂装。

根据需用量对H06-10环氧漆料进行漆料与固化剂重量比为1：1的组分称量，即先在烧杯或准备好的干净容器内依次称量漆料与固化剂，称量好后进行同方向搅拌，搅拌均匀后进行脱泡处理；脱泡处理时可将事先称量好的漆料混合物放入真空箱内抽真空15min，确保目视可见混合物内的气泡完全逸出。

由于油箱内壁无脱模剂及其他污迹附着，在确保其干燥的情况下，将漆料混合物缓慢倒入油箱内壁中并通过倾斜碳纤维油箱的方式使涂料良好地全覆盖整个内壁，最后将多余的涂料倒出。经室温固化24小时后，得到碳纤维结构油箱成品。

至此，完成了该碳纤维复合材料整体油箱的制造。整体成型的碳纤维复合材料油箱轻质、薄壁，有效地提高了环境适用性、性能可靠性，降低了机体结构的整体重量。

Claims (2)

1.一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制作碳纤维结构油箱芯模，包括以下子步骤：

子步骤一：根据芯模尺寸，采用闭孔刚性泡沫材料制作泡沫毛坯件，并对制作好的泡沫毛坯件进行烘干处理；

子步骤二：利用三维建模，对泡沫毛坯件进行数控加工，得到泡沫芯模(1)；

步骤二：对泡沫芯模进行表面处理，包括以下子步骤；

子步骤一：泡沫芯模表面全尺寸性铺贴1层聚四氟乙烯膜(2)；

子步骤二：在聚四氟乙烯膜上同样覆盖铺贴1层玻纤/聚四氟乙烯膜(3)；

步骤三：碳纤维预浸料剪裁:通过产品三维数模进行预浸料的展开放样，采用AutoCAD进行预浸料的优化排料设计，使用数控下料机进行预浸料剪裁；

步骤四：碳纤维预浸料铺层，包括以下子步骤：

子步骤一：在泡沫芯模表面整体通铺1层±45°碳布织物预浸料；

子步骤二：在油箱拐角及油路口处加贴2层碳布织物预浸料圆片，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)]；

子步骤三：继续整体通铺1层(0°/90°)碳布织物预浸料，得到产品预成型体(15)；

步骤五：在产品预成型体(15)上进行工艺组合和中温固化真空辅助成型；

步骤六：清除泡沫芯模(1)，整体取出步骤二所述的表面处理材料(2、3)；清理碳纤维油箱内壁，并干燥处理；

步骤七：在碳纤维油箱内壁涂装1层耐汽油型环氧涂料，待涂料室温固化24小时后得到碳纤维结构油箱成品。

2.如权利要求1所述的一种中小型无人机碳纤维复合材料油箱整体成型制造方法，其特征在于，所述闭孔刚性泡沫材料作为一次性芯模进行碳纤维复合材料整体油箱的低成本制造和快速成型。