KAI于2019-2023年间成功制造了多个大型的热塑性复合材料（TPC）和液态树脂成型、非热压罐制造的演示件，并持续开展研发，以提升其作为全球一级供应商的专业能力，高产率地制造下一代单通道飞机和eVTOL所需的复合材料机体（图片来源：KAI）

韩国航空宇宙产业公司（KAI）是韩国最大、业务最全面的航空航天制造商。KAI总部位于泗川，于1999年由三星航空航天公司、大宇重工航空航天部门以及现代宇宙航空公司合并而成。KAI设计、开发并制造军用及商用飞机，提供飞机维护和升级服务，并为空客公司、波音公司、巴西航空工业公司、贝尔直升机公司、以色列航空航天工业公司、Aernnova和柯林斯宇航公司提供零部件。KAI还设计制造无人机以及卫星及太空发射运载工具所需的部件。

KAI稳步提升了其专业能力，已经能够规模化地制造大型复合材料主承力结构，包括：与洛克希德·马丁公司联合开发了T-50超音速战斗机，KAI负责制造了该机的尾翼和各类操控面板；KUH Surion直升机，在该机的整体结构重量中，有超过30%的结构采用了复合材料，KAI制造了复合材料的尾梁和旋翼叶片。韩国的KF-21 Boramae战斗机项目，标志着KAI公司在战斗机的关键复合材料部件（包括机翼、尾翼和机身面板）上，实现了具备完全自主设计和分析能力的跨越。

作为空客和波音全球供应链的一部分，KAI针对机翼和机体组件开发了自动化的纤维铺放（AFP）和先进的热压罐固化技术。该公司还投资使用了树脂传递模塑成型（RTM）工艺，并开始研究其他非热压罐（OOA）工艺以及热塑性复合材料（TPC）相关技术。得益于其世界一流的制造和研发设施，该公司继续在其各大业务板块中推进复合材料的应用。

一个关键例子是，KAI于2019-2023年间开发了一个3米高、2米宽的TPC机身段，包括AFP蒙皮、连续模压成型（CCM）的桁条、冲压成型的夹板、采用回收材料模压成型的窗框，以及采用感应焊接和电阻焊接实现的组装。该公司还刚刚展示了一个1.5米长、采用感应焊接技术制造的TPC翼面控制舵面。

在于2019-2023年开展的另一个项目中，KAI探索了OOA结构，包括采用树脂灌注工艺一体成型的一个4.1米×1.5米的带有纵向加强筋的弯曲机翼蒙皮段，以及采用树脂灌注和相同资质的RTM（SQRTM）工艺制造的扭力箱示范件。

与空客主导、多家合作伙伴参与的项目（如MFFD和明日之翼）类似，KAI已完成了这些研发项目，目标是探索相较于传统复合材料，可能达到怎样的竞争优势和技术成熟度。“我们已获得韩国政府的支持，旨在进一步提升我们作为一级供应商的能力、专业知识和市场地位，以实现下一代单通道客机和电动垂直起降飞行器（eVTOL）所需的机体结构的大规模量产。”KAI的材料与工艺团队负责人Min Hwan Song博士表示。

TPC机身演示件

“我们开发这个演示件的目标，是为将来在飞机上可能应用TPC结构做好技术储备，并拓宽OEM的选择范围。”Song表示。为此，KAI与韩国的制造商、研究机构和大学展开了合作，同时也得到了荷兰皇家航空航天中心（简称NLR，Marknesse）的协助，并借助了东丽先进复合材料公司（简称TAC，荷兰奈维尔达尔）的专业知识，采用了其TC1225碳纤维预浸料，该预浸料由威格斯（英国克利夫利斯）的LMPAEK聚合物制成。

 

KAI对TPC机身面板演示件的研制始于对蒙皮的制造（图片来源：KAI）

“我们选用这种材料，是因为与PEEK和PEKK相比，它在制造主承力结构时所需的加工温度相对较低。”KAI的TPC高级研发工程师Haedong Lee说道，“由于TPC的属性，较高的加工温度使得确定工艺窗口变得较为困难。此外，还会延长加工时间，并因辅助材料的劣化和模具的热膨胀而难以稳定质量。”该项目首先开发了一个宽1.3米、高1.0米的技术准备部件（TRP），其中包含两根桁条、3个框架和两个窗框，目的是，在制造最终的演示件之前，发现潜在问题并确定工艺参数。尺寸的选择是基于现有设备和预算而确定的。

AFP蒙皮+固结

NLR使用其配备的Coriolis Composites（法国魁文）的AFP机器和0.25英寸宽的单向带，完成了机身蒙皮的AFP铺放和固结。“我们评估了热压罐、烘箱和原位固结工艺，淘汰了后者，因为后者的铺层速度慢，且内部孔隙率高，而高孔隙率问题又需要通过加热模具来缓解热应力才能得到解决。”Song说道，“为生产更具行业挑战性和成本竞争力的部件，我们选用了烘箱固结工艺，并实现了与热压罐固化样品相当或相近的孔隙率水平。”

 

KAI对TPC机身面板演示件的研制始于对蒙皮的制造（图片来源：KAI）

“由于热塑性树脂的黏度高，在仅使用1个大气压的真空袋（VBO）烘箱固化工艺中，控制大型（3米×2米）蒙皮内部的孔隙是最具挑战性的部分。”Lee说道， “随着蒙皮厚度和尺寸的增加，出现孔隙的风险也随之增加。”为此，KAI优化了袋装材料的布置——特别是在蒙皮的内模线（IML）和外模线（OML）上，都铺放了脱模布——并在AFP过程中将铺层的边缘做成阶梯状，以便挥发物从边缘逸出。

KAI还采用了两步固结法，完成时间<7小时。“首先在285℃下保温，以使预制件和模具整体达到均匀的温度。”Song说道，“这能使整个预制件均匀熔化，从而在355℃的温度下进行最终保温之前，减少滞留在内部的空气。”固结周期由TAC推荐，同时由TAC推荐的还包括来自Airtech International公司（美国加利福尼亚亨廷顿海滩）的以下袋压材料：A8003G粘性胶带、Release Ease 234 TFP剥离层、UHT Airweave风格的US7781玻纤透气材料以及Thermalimide 牌 50微米厚的真空袋膜。同时，还使用了一块铝制模板，以及UBE Corp.（日本东京）的Upilex耐热聚酰亚胺脱模薄膜。

对于铺层和固结模具，KAI希望使用Kovar，这是一种热膨胀系数（CTE）极低的铁-镍-钴合金，与铁镍合金Invar相似。然而，在项目计划时间内，很难获得与机身蒙皮表面积一样大的Kovar合金材料。“所以，我们获得了4块Kovar合金并将它们焊接在一起。”Lee说道，“在高温炉内进行固结的过程中，存在真空泄漏的风险，但在NLR的技术支持下，我们成功地使用了该模具，并未出现任何重大问题。”

 

用于制造TPC蒙皮的铺层与固结模具由4块Kovar合金焊接而成（左），此外，还使用了一个金属框架，用于竖直定位成型后的蒙皮，以便利用结构蓝光扫描仪进行检测（右）（图片来源：KAI）

在设计该模具时，考虑并加入了补偿措施，用于抵消因模具与部件之间的CTE差异以及冷却期间内部应力导致的部件变形。“这意味着实际用于铺层和固结的模具，其形状与最初的CAD模型不符。因此，该模具不适合用作OML检测工具来验证最终部件是否发生了变形。”Lee说道。

为了解决大型曲面部件在平放检测时因自重而变形的问题，KAI制作了一个具有精确曲率的金属支撑框架，并将该框架安装在一种被称为“鸭脚”的直立支撑装置上，这样，就可以竖直固定部件以便进行检测。每隔300毫米，对蒙皮施加4.5公斤的载荷——这是复合材料行业几十年来一直采用的标准方法，用以确保其与检测框架紧密接触。使用ATOS 5（蔡司，德国奥伯科亨）结构蓝光扫描仪对IML表面进行计量扫描，显示效果良好，而塞尺检测显示，金属框架与OML表面之间的间隙几乎为零。

蒙皮制造的成功，体现在3个方面，包括：30米/分钟的快速铺层速度、通过无损检测（NDI）和破坏性检测（包括DSC）而得到验证的<1%的孔隙率，以及足够的结晶度。“我们确认，对于较薄的结构，采用AFP结合烘箱固结是替代热压罐工艺的可行方案。”Song说道，“然而，对于较厚的结构，热压罐固结提供了更高的压力，可以有效消除空隙和孔隙。对于机身蒙皮，我们在窗户周围应用了40层复合材料，效果很好。因此，我们将以此为基础，通过更多的测试，弄清楚到底用多少层才是最优化、最经济的方案。”

CCM桁条

Song表示，连续模压成型（CCM）工艺非常适合制造像桁条这类的部件。然而，用于最终演示件的欧米伽形状的桁条，需要按照45、0、-45、90、45、0、0、-45、90、-45、0、45的顺序铺放12层。“这需要对标准的0°铺放的UD料卷进行再加工，按+/-45°和90°进行切割，缝合焊接后，将具有新的纤维方向的材料卷成新的料卷。这会花费大量的时间和精力。”他解释道，“如果材料供应商能以预制卷材的形式提供这些材料，那么CCM在生产效率上就具有巨大的优势，但其竞争力依然存疑，因为这种材料的预计价格会远高于传统的热固性预浸料。”

为了生产12根1.9米长的桁条，KAI决定避免在材料制备上浪费时间，而是采用点焊，将12英寸宽的UD带制成平板，然后，由韩国纺织开发研究所（韩国大邱）使用Teubert（德国布伦贝格）的CCM机器来成型这些平板。

 

采用连续模压成型（CCM）工艺制造12根1.9米长的桁条，再将这些桁条焊接到最终的TPC蒙皮上（图片来源：KAI）

Lee表示，早期，由于CCM压机的加热区温度不足以及结晶不充分，导致沿厚度方向产生了裂纹。CCM设备的压制区域有一个加热区，负责加热、成型（同时保温）和冷却（凝固）。他解释说：“如果冷却速度过快，热塑性树脂就无法完全结晶，当成型压力被施加到处于冷却区的部件上时，就可能在部件的厚度方向上产生裂纹。这些问题是在制造小型TRP演示件的过程中发现并解决的。通过优化加热区温度，我们最终实现了100%的结晶，并成功消除了1.9米长桁条的裂纹问题。基于对成型和冷却过程中变形情况的分析，我们还在模具中加入了补偿设计，从而实现了<1%的孔隙率、近乎恒定的厚度和精确的几何形状。”

冲压成型的框架和角片

Song表示，在具备适合的大型压机的前提下，冲压成型是生产中大型TPC部件（约3米）最可靠的工艺。KAI使用其自主研发的1000千牛压机（压板尺寸为500毫米×500毫米）来制造小型夹板（长宽高尺寸为120毫米、30毫米和60毫米），并使用其350-4000千牛的Langzauner（奥地利Lambrechten）压机（压板尺寸为2000毫米×1000毫米）来制造较长的夹板（长宽高尺寸为680毫米、30毫米和60毫米）和框架（长宽高尺寸为1200毫米、50毫米和60毫米）。

 

KAI冲压成型了用于TPC机身面板演示件的框架和夹板（图片来源：KAI）

由框架内张紧装置固定的UD TC1225带层压板，在红外线烘箱中预热后，由机器人转移到压机中。最初制造的TRP部件验证了“变形补偿”模具的有效性，同时，通过利用AniForm软件（AniForm Engineering，荷兰恩斯赫德）进行成型分析，以及通过优化铺层设计和张紧装置，减少了成型过程中产生的褶皱问题。最终，制成了4个用于最终演示件的1.5米长的框架，以及更复杂的双折叠L型角片。所有这些部件都拥有58%-60%的纤维体积含量（FVF）、足够的结晶度和恒定的厚度，孔隙率<0.1%。

“最困难的部分是为制造大型曲面框架开发冲压成型工艺。为了能放入压机中成型，每个框架都被分成3个部分来制造，然后通过紧固件组装成一个完整的部件。”Lee说道，“但是，在冲压成型过程中，用于制作这些部件的典型的准各向同性叠层，可能导致内部纤维发生褶皱。我们发现，过去在进行AFP铺层时，必须使用纤维转向技术，而在此项目中，我们通过优化张力解决了这一问题。”

模压成型回收材料

KAI希望探索利用回收的边角料和加工废料来制造零部件，为此设计了可用于机身模块的600毫米×450毫米的窗框，以此作为该理念的示范项目。制造蒙皮、桁条、框架和夹板时产生的TC1225 UD废料被收集起来并切碎。

 

将蒙皮、桁条、框架和夹板制造过程中产生的废料切碎并筛分成大约1英寸长的碎片，与纯树脂混合后挤出，然后放入匹配的模具中，模压成型成窗框（图片来源：KAI）

“我们本想使用1英寸长的纤维来获得更高的力学性能，并尝试在切碎过程中对此长度进行调控，但最终得到的纤维仍存在长短不一的情况。”Lee说道，“我们使用筛网获得了相对均匀的碎片，然后在高温下将其与LMPAEK纯树脂颗粒混合在一起，以增强其可成型性。挤出的混合物随后被放入匹配的模具中进行模压成型。”

“尽管这种混合材料在模内的分布相对不均匀，但较高的树脂含量使得模具型腔能够被完全填充。”Song说道，“树脂含量较低的区域会增加表面缺陷，并降低纤维的可扩散性，这会导致产品内部纤维体积含量（FVF）存在差异。”尽管如此，KAI仍成功地成型出孔隙率<0.1%、结晶率达100%、平均FVF 达30%的部件。

机身组装

组装工作从将桁条感应焊接到机身蒙皮上开始。KAI采用了来自Ambrell（美国纽约州罗切斯特）的10千瓦感应加热系统，该系统与一个自主研发的机械臂集成在一起。“我们最初是与NLR合作，旨在探索使用织物有机片材和单向带两种材料，但为使用这种带材而设计并优化感应加热线圈却更具挑战性。”Lee说道。

“焊接过程中，我们用滚轮施压，但很难将其定位在感应加热熔融界面的精确位置。”他继续说道，“我们还用空气来冷却感应线圈旁的复合材料表面，因为这里容易过热。我们在感应焊接的界面上实现了快速的加热和冷却，但这种冷却却阻碍了充分结晶，导致变形。为此，我们在焊接模具中使用加热筒来减缓冷却速度。”

为了组装框架，KAI采用电阻焊接将长夹板固定到蒙皮上，同时使用一种航空航天领域使用的环氧膏状粘合剂将小角片（双折、L型和拼接件）粘接到机身蒙皮和框架上，然后使用机械紧固件将窗框固定好。

 

TPC演示件的组装始于将桁条（图中蓝色）感应焊接到蒙皮上（上图）。感应焊接头（上右）使用了多个滚轮和空气冷却（蓝色管）。将长的夹板电阻焊接到蒙皮上，而双折夹、L形夹和拼接件则采用粘接的方式（图片来源：KAI）

在这两种焊接工艺中，KAI通过精确控制焊接接头及周围层压材料的温度，来实现高强度焊接，同时避免材料性能的下降，这包括解决边缘效应问题以及减少未焊接的区域。“对于桁条，在25.4毫米的总宽度中，大约有17毫米的宽度采用了感应焊接工艺，并且在单搭接剪切测试中达到了25兆帕的强度。超声波C扫描结果显示，该焊接接头的超声衰减较低，完整性良好。”Lee说道。

“通过改进施压方法和其他技术环节，我们现在能够在不使用susceptor或树脂膜的情况下，仅通过感应焊接就实现32-35兆帕的焊接强度。”他指出。KAI目前还没有尝试过在已装有金属网状雷击防护层(LSP)的结构上进行感应焊接。对于该演示件，LSP是在感应焊接之后被添加的。“但这是我们正在研究的一项工作，同时我们也在探索一种可能性：通过在成型部件的外层放置一层碳纤维织物，来实现对回收部件的感应焊接组装。”Lee说道。

机翼蒙皮演示件

KAI的第二个主要项目使用液态树脂成型技术来制造机翼蒙皮和扭力箱结构。他们同样利用TRP研究原型来发现潜在的缺陷并优化工艺参数。对于机翼蒙皮演示件，将1.5米×1.2米的TRP放大为4.1米×1.5米，并且蒙皮的几何形状和曲率更为复杂。

 

 

KAI的机翼蒙皮模块演示件：采用AFP将干纤维单向带铺放成预定的形状，分别制作出蒙皮和桁条的坯料，然后热悬垂成型出L型的桁条预成型件，对组装好的蒙皮-桁条叠层进行树脂灌注，生产出最终的一体化结构（图片来源：KAI）

与“明日之翼”项目使用的无卷曲织物（NCF）不同，KAI选择使用了AFP铺放干带材的工艺。“这使我们能够生产出具有竞争力的原型，与NCF预制件相比，最大程度地减少了材料消耗。”Song说道，“对于该演示件，我们借助了一架15.3米单通道飞机的主翼外形，选择了一个代表性翼段来捕捉关键结构特征，包括贯穿的蒙皮桁条、短于蒙皮的桁条以及检查口盖。”

经过评估和分析，KAI选用了赫氏（美国康涅狄格州斯坦福）的HiTape UD带和HexFlow RTM6-2环氧树脂。AFP铺放0.25英寸宽的带材，速度为0.6米/秒。桁条的制作始于采用热悬垂成型（HDF）设备将AFP坯料成型为预制件。“该系统是通过KAI的模具及固定装置合作伙伴开发的。”Lee说道，“它位于烘箱内，使用可重复使用的硅胶膜，一旦达到特定的烘箱温度，就施加真空压力。”

这些桁条在120℃下预成型15分钟，然后与AFP蒙皮组装在一起。“为了确保桁条定位准确，将导模分别安装在根部和尖端部分。”Song解释道，“为了确定较短桁条的初始位置，除了根部段的导模外，还专门制作并使用了一个单独的夹具。”

烘箱内的树脂灌注

用真空袋封装好已完成的蒙皮-桁条组件，准备进行树脂灌注。“要克服树脂浸润不足的问题，关键是从一开始就要确定好树脂入口和出口的设计与容量，以及整个灌注系统的总体设置。”Song指出，“另一个关键因素是树脂制动——即从无流动介质的部件最大包络线（MEOP）末端算起的一段长度，来控制树脂的面内流量。其他关键因素包括所用流网层数和模具表面粗糙度，这两者都影响树脂流动。”

灌注和固化均在烘箱中进行。“我们这样做是为了确保温度分布均匀，因为树脂黏度对温度非常敏感。”Lee说道，“树脂进料管采用了耐热材料，并整合了一根铜管以增强其耐热性。”首先在120±5℃下加热120分钟，让树脂充分渗透和浸润，然后在180±5℃下实现固化，无需后固化步骤。

该部件取得了成功，这使KAI能够积累专业知识，将模拟结果与实际树脂流动和工艺时间进行比较，并将上述结果与OEM提出的生产率要求进行比对和评估。

采用灌注和SQRTM制成的扭力箱

该项目的下一阶段包括制造两个多翼梁扭力箱演示件，这些演示件是基于某大型飞机水平尾翼的设计方案制作而成的。两个演示件均由两块蒙皮和4根梁（扭力箱内的主承载加强件与仅用于加强蒙皮的桁条）组成，一个采用树脂灌注工艺制成，另一个采用SQRTM工艺制成，后者从预浸料铺层而非干纤维预成型件开始，并通过RTM工艺向匹配的模具中注射与预浸料相同的树脂。正如《复合材料世界》2010年发表的一篇文章所解释的：在此工艺中，树脂的主要作用不是浸透预浸料，而是为了在模内形成一个均匀的压力环境。结果是使用已获得航空航天领域认证的材料制成了一个高质量的部件。

“我们能够比较结果，并评估每项工艺的优缺点。”Song说道，“我们还针对每项工艺优化了扭力箱的形状、成本和交货时间，并获得了有关质量、生产时间和成本的实际经验。”

 

KAI采用树脂灌注工艺制造扭力箱演示件的工艺步骤，包括：对蒙皮-梁层压组件进行双重真空袋封装，以及采用该公司特有的“炉内树脂灌注”工艺（图片来源：KAI）

采用树脂灌注工艺制造的扭力箱长5.3米，宽0.9米，使用了A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提）提供的QISO三轴编织织物。“这一选择始于对编织预制件及其特性的研究。”KAI的SQRTM高级研究工程师Seung-su Woo介绍说。由于单组分RTM 6树脂受到危险品运输限制，KAI采用了双组分的HexFlow RTM6-2。赫氏公司声称，其材料具有相同的化学成分和性能，但Woo指出，RTM6-2确实需要额外的预处理、预热和混合步骤。

将材料切割后，由人工将其铺放到模具上。首先采用HDF预成型翼梁，然后将蒙皮/梁组件放入真空袋。“树脂灌注的一个缺点是泄漏风险高。”Woo说道，“为了解决这一问题，我们采用了一种名为双重袋装（double bagging）的技术。我们先应用标准的真空袋材料，然后是袋膜，以形成第一真空袋，然后再使用透气材料和第二层袋膜，以形成第二真空袋。这样，即使第一个袋子漏气，第二个袋子也能维持真空压力，从而有效消除了泄漏的风险。”

将双重袋装的叠层放入烘箱中，然后灌注树脂。RTM6-2经脱气处理后，将其注射到干的预成型件上，此时模具温度为95-100℃，树脂温度为90-95℃，灌注时间为70-80分钟，固化时间为120分钟，固化温度180±5℃。

该结构被成功制成，并通过超声波C扫描检测、层压板中的玻璃化转变温度验证及固化度测试而确认了其质量合格。使用激光追踪器检查了蒙皮尺寸，同时还测量了梁的位置、厚度和半径。事实上，检测中发现的最重要的问题是翼梁（特别是真空袋一侧的）的圆角几何形状存在不一致。“结论是，这个问题需要通过改进工装/模具或者优化制造工艺来解决。”Lee说道。

 

KAI采用相同资质的树脂传递模塑工艺（SQRTM）制造扭力箱演示件的工艺步骤（图片来源：KAI）

采用SQRTM工艺制成的扭力箱较小（长1.2米、宽0.4米），这最大程度地降低了匹配模具的成本。在树脂灌注中，KAI使用了赫氏的HexPly 8552环氧预浸料（采用了平纹编织碳纤维）和Radius Engineering（美国犹他州盐湖城）的RTM设备，并结合使用了KAI的 Langzauner压机来施加固结压力。树脂在104±℃的温度下被注入，并在180±5℃下固化大约5小时。

“我们通过制造TRP原型来不断完善工艺，并取得了极为满意的效果。”Woo说道，“尽管我们通过树脂灌注工艺获得了高质量的结构，但我们认为，对于这类箱体结构，SQRTM或RTM更为适合，因为其匹配的模具能带来更精确的几何形状。灌注工艺仅使用单面模具，导致在真空袋一侧的部件特征精度难以保证。总之，这项工作进一步提升了我们在OOA工艺方面的技术实力和专业知识。”

合格材料，未来生产

KAI已获得韩国适航权威机构的批准，允许其使用TC1225材料以及HiTape干纤维UD带和HexFlow RTM6-2树脂。“这些材料许用值可用于国产飞机机体部件的研发，但根据具体结构的不同，可能需要测试更多的性能参数。特别是对TPC而言，目前已为其在未来国产自主飞行器中的应用奠定了基础。”Song说道。

“但我们认为，仍需对焊接技术开展进一步的研究，只有这样，才能使该技术的成熟度达到热固性复合材料胶接工艺（共胶接、共固化、二次粘接）的水平。KAI正在持续研究感应焊接、电阻焊接和超声波焊接。”Lee说道，“我们还认为，对废弃TPC材料的成型是一种环保工艺。虽然纤维长度和分布的不均可能会导致部件具有不稳定的力学性能，但随着研发的推进，未来这项技术在次结构中的应用将具有巨大的潜力。”

“我们不断地专注于为主要的OEM项目开发并制造机架部件。” Song说道， “我们的目标是，为新一代单通道飞机实现每月60到100架的产量提供支持。这些示范项目发挥了关键作用，帮助我们为制造高质量的复杂复合材料结构而确定了最具竞争力的工艺，并缩短了节拍时间。随着客户对产量要求的提高，我们将建立必要的基础设施来满足他们的要求。”

原文链接：
https://www.compositesworld.com/articles/kai-demonstrates-thermoplastic-and-infused-structures-for-future-airframes