比铝更轻、比钢更强，复合材料格栅结构的尖端制造与应用

摘要：复合材料格栅结构因其卓越的强度重量比、损伤容限和结构效率，已成为航空航天、汽车和先进工程领域的革命性解决方案。这些类似格栅的结构以三角形加强筋为特征，通过将轻量化设计与各向同性力学行为相结合，在性能上超越了传统夹层结构和铝制等格栅结构。

复合材料格栅结构因其卓越的强度重量比、损伤容限和结构效率，已成为航空航天、汽车和先进工程领域的革命性解决方案。这些类似格栅的结构以三角形加强筋为特征，通过将轻量化设计与各向同性力学行为相结合，在性能上超越了传统夹层结构和铝制等格栅结构。

随着自动纤维铺放（AFP）、纤维缠绕和连续纤维3D打印等先进制造技术的发展，进一步提高了复合材料格栅结构的可制造性，实现了复杂几何结构的低成本生产。本文主要探讨了该结构的技术优势，并研究了使用现代制造技术制造这些结构的技术细节。

01、复合材料格栅结构的优势

结构效率和载荷分布：三角形格栅构型通过其晶格均匀分布机械载荷，模仿各向同性材料行为。与依赖胶粘剂粘结传递剪切力的传统蜂窝芯不同，复合材料等格栅肋骨与蒙皮整体连接，在保持刚度的同时避免了分层风险。研究表明，与铝合金相比，等格栅板实现了20-30%的减重，且抗屈曲性能相当或更优。其重复性筋-蒙皮架构还具备损伤容限特性，能将冲击损伤（如加强筋断裂）限制在单个单元格内，而不会导致灾难性故障。

环境适应性：复合材料格栅结构在恶劣环境中表现出卓越性能。开放式格栅结构避免湿气滞留，这是蜂窝夹层中的一个关键缺陷，水分进入会加速腐蚀。可以通过加强筋与蒙皮的热膨胀系数（CTE）匹配设计增强热稳定性，例如，结合使用铝-聚四氟乙烯的混合模具利用不同的CTE优化固化过程中的压紧，确保在热循环下尺寸精度。

制造灵活性：格栅结构可适应抛物面天线反射器至火箭筒体等复杂几何形态。自动化工艺如AFP和纤维缠绕能够快速生产曲面和扁平板，与手工铺设复合材料相比，可将人工成本降低高达40%。

02、复合材料格栅结构的制造方法

2.1、自动纤维铺放（AFP）

1）工艺原理：AFP采用机器人系统将连续的预浸带（通常宽3.2-12.7毫米）铺设到预定义的螺旋或轴向槽中。多轴龙门架引导放置头，确保纤维方向与主应力方向精确对齐。沉积后，圆周蒙皮层缠绕在肋骨上，然后将组件进行真空袋装，并在热压罐中固化。

2）技术创新：传统的AFP在肋骨交叉处难以处理纤维堆积，导致富树脂区域和弱点。现代系统通过纤维转向解决了这一问题，使用展开机制重新分布纤维，将节点处的纤维体积分数降低15-20%，同时保持强度。此外，具有负等网格图案的硅橡胶模具能够实现高保真度的肋骨成型。模具的高CTE确保在固化过程中均匀压紧，因为热膨胀将预浸带层压入槽壁。

3）典型案例：EADS CASA Espacio 通过使用东丽 T800H/3900-2碳纤维增强塑料预浸带为卫星运载火箭制造直径4米的等格栅圆柱体，展示了AFP的可扩展性。该工艺实现了58%的纤维体积分数和±1°的角度精度。固化后超声波检测显示空隙含量小于0.5%，符合航空航天级标准。

2.2、纤维缠绕

1）工艺原理：纤维缠绕通过将连续纤维（湿法或预浸法）沉积到加工的芯轴槽中来构建等网格结构。填充槽后，会在结构上缠绕第二层蒙皮，然后将整个组件共同固化。

2）关键技术：聚四氟乙烯衬层铝芯模兼具尺寸稳定性与脱模便利性，利用PTFE（CTE 100-150μm/m·℃）与铝（23μm/m·℃）的差异，在120-180℃固化中增强压实。国外一项专利详细描述了一种在接头处通过在径向销钉周围缠绕纤维来创建准各向同性层压板的方法。固化后修剪可实现多方向纤维排列，改善了开孔区域的载荷传递。

3）性能指标：与AFP制造的对应物相比，湿法纤维缠绕的等网格结构由于优化了树脂浸渍，表现出10-15%的更高层间剪切强度。CETMA和COMEC的一项研究生产了基于环氧树脂的等网格板，其抗压强度为320 MPa，与铝合金6061-T6相当，但重量降低了40%。

2.3、连续纤维3D打印

1）工艺原理：Anisoprint Composer A3等设备通过热塑性材料（如PA6）与含热固性粘结剂的碳纤维协同挤出，实现填充密度可编程（10-80%）的等格栅结构增材制造。

2）关键技术：Anisoprint的CFC（复合纤维共挤出）技术同时挤出热塑性基质（熔化温度250°C）和环氧粘合碳纤维。热固性粘合剂在打印过程中稳定纤维，而热塑性材料确保层间粘合。通过对3D打印的等格栅结构进行的压缩测试表明，屈曲载荷与填充百分比呈线性关系。在80%填充时，板状结构承受了12.4 kN的载荷，达到了AFP制造等效物的95%，但材料成本降低了30%。

3）典型案例：Roboze采用短碳纤维增强聚酰胺（Carbon PA）经熔丝制造（FFF）工艺制备等格栅板的屈曲载荷为0.31 kN/g。优化的参数（挤出240℃/平台70℃）最大限度地减少了翘曲，实现了±0.1 mm的尺寸精度。

三种制造方法的对比分析