藍(lán)元沛 崔麗

曾有業(yè)界專家將復(fù)合材料描述成一位“白富美”，具有輕盈、高強(qiáng)、耐疲勞、可設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，想迎娶“白富美”也得忍受“她”的壞脾氣——制造缺陷多，對(duì)沖擊損傷、濕熱環(huán)境敏感，低導(dǎo)電等等。最重要的是“太敗家”！

“敗家”三要素

民機(jī)復(fù)合材料“敗家”的主要原因，一是新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)研發(fā)和驗(yàn)證的周期長(zhǎng)、成本高;二是常用的熱壓罐固化工藝中熱壓罐前期投入及后期使用維護(hù)等綜合費(fèi)用較高;三是易產(chǎn)生制造缺陷造成的制件報(bào)廢率高。

第一條“敗家”原因是新型材料及其結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然過(guò)程，需要進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。與各向同性的金屬不同，復(fù)合材料一般由基體和增強(qiáng)材料兩種組分構(gòu)成，為了保證結(jié)構(gòu)性能，性能表征必須從組分開(kāi)始;復(fù)合材料是可設(shè)計(jì)的，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用時(shí)其層壓板可以由不同比例、不同纖維方向的鋪層構(gòu)成。因此復(fù)合材料性能表征包括組分、單層、層壓板、結(jié)構(gòu)元件和組合件（或更高級(jí)別）5類，種類和數(shù)量均遠(yuǎn)比金屬多。另外，復(fù)合材料的失效機(jī)理與傳統(tǒng)金屬完全不同，用于金屬性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化方法基本上都不適用，需要確定復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方法。

而第二、第三條“敗家”原因，可歸結(jié)為復(fù)合材料的制造成本。目前，國(guó)內(nèi)外航空制造企業(yè)、科研單位積極探索非熱壓罐工藝技術(shù)的應(yīng)用，但目前尚未能夠大批量應(yīng)用于飛機(jī)型號(hào)中。因此，基于熱壓罐工藝的復(fù)合材料制造成本的降低依然是大家關(guān)注的重點(diǎn)。

《航空制造技術(shù)》雜志曾以“復(fù)合材料低成本制造技術(shù)”為主題，采用調(diào)查問(wèn)卷的形式，對(duì)國(guó)內(nèi)航空企業(yè)、供應(yīng)商和科研機(jī)構(gòu)等展開(kāi)調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，航空復(fù)材產(chǎn)品成本占比由高到低依次為：裝配（45%），預(yù)浸料鋪貼（25%）、材料（15%）、固化（10%）和緊固件工藝（5%）。

降本新招數(shù)

降低復(fù)材制造成本，可以通過(guò)采用共固化工藝等整體成型技術(shù)，減少裝配工序，降低裝配成本和質(zhì)量管理成本;采用自動(dòng)化鋪帶/鋪絲、大型C掃等自動(dòng)化設(shè)備和技術(shù)，降低人為因素影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著成本控制的概念不斷深入人心，人們對(duì)飛機(jī)成本的認(rèn)識(shí)也逐漸從簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的成本消耗，過(guò)渡到了整架飛機(jī)全壽命周期成本（LCC）上。采用基于并行工程的設(shè)計(jì)理念，DFX（Design For X）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

基于DFX的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就充分考慮產(chǎn)品生命周期中各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，包括制造工藝要求、裝配工藝要求、測(cè)試要求、檢測(cè)要求、包裝和運(yùn)輸要求、維修要求、環(huán)保要求等，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)與其他要求之間緊密聯(lián)系、相互影響，將其他要求反映到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，從而保證產(chǎn)品以較低的成本、較高的質(zhì)量和較短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

從制造（DFM）的角度考慮，統(tǒng)一梁、肋加強(qiáng)筋構(gòu)型，可以降低模具采購(gòu)成本，利于專業(yè)化生產(chǎn);從裝配（DFA）的角度考慮，減少緊固件選用規(guī)格可降低采購(gòu)成本，而減少緊固件數(shù)量，則可以減少裝配量和工人裝配工時(shí);從維護(hù)（DFI）的角度考慮，結(jié)構(gòu)開(kāi)口形狀、尺寸應(yīng)考慮不同維護(hù)場(chǎng)景下人體可達(dá)性、工具可達(dá)性和結(jié)構(gòu)可檢性的需求;從修理（DFS）的角度考慮，需要考慮結(jié)構(gòu)在遭受不同類型意外損傷之后的修理方案能滿足結(jié)構(gòu)完整性要求;從環(huán)境（DFE）的角度考慮，應(yīng)采用剪裁、拼貼設(shè)計(jì)等措施，降低廢料率;從可回收（DFD）的角度考慮，一方面探索和發(fā)展復(fù)合材料的回收再利用技術(shù)，進(jìn)一步提高碳纖維的回收率和利用率，另一方面積極探索可重復(fù)加工再利用的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品方案階段、初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和制造階段對(duì)產(chǎn)品成本的影響，分別占35%、30%、20%和15%。因此，DFX理念就應(yīng)該從產(chǎn)品方案階段開(kāi)始貫徹實(shí)施。

聯(lián)盟共利益

除了技術(shù)上的考慮，由于復(fù)材研發(fā)先期的投入大、周期長(zhǎng)、資金密集，采用復(fù)材產(chǎn)品專業(yè)化生產(chǎn)的商業(yè)模式，由傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單交易關(guān)系的“制-供”模式向聯(lián)盟關(guān)系的“主-供”模式轉(zhuǎn)化。有文件給出了兩種模式的詳細(xì)差異分析，主制造商、供應(yīng)商聯(lián)合形成利益共同體，共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，有效降低研發(fā)成本。

有文獻(xiàn)指出，與供應(yīng)商進(jìn)行價(jià)格談判，指導(dǎo)供應(yīng)商開(kāi)展精益生產(chǎn)、改進(jìn)質(zhì)量相比，吸引供應(yīng)商早期參與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可以降低產(chǎn)品成本42%。因此，應(yīng)當(dāng)充分利用供應(yīng)商的設(shè)計(jì)和制造資源，把供應(yīng)商當(dāng)成產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)的重要成員，盡早讓供應(yīng)商參與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，針對(duì)復(fù)材產(chǎn)品的選材、可制造性、可裝配性等提供設(shè)計(jì)建議，可以最大限度地提高復(fù)材產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。

總而言之，“理工男”采用低成本設(shè)計(jì)制造技術(shù)、DFX技術(shù)、專業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng)商早期參與研發(fā)等手段進(jìn)行“調(diào)教”以后，復(fù)合材料這位“白富美”，也是可以成為“勤儉持家”的“賢妻良母”的。