河北航碩吉印通 的簡(jiǎn)單介紹

飛行器結構中的熱塑性復合材料經(jīng)過(guò)了長(cháng)期的審查，因為這一類(lèi)材料有實(shí)現快速成形的潛力，具有焊接性、優(yōu)越的天然疲勞性能和火/煙/毒（FST）屬性?？湛秃筒ㄒ粼诟鞣N零部件上投入了可觀(guān)的研究經(jīng)費，從尾翼到機身結構。

因此，小的熱塑性復合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內飾結構，已經(jīng)得到采用；航空結構正在進(jìn)行量產(chǎn)，包括飛行器地板壁板和飛行關(guān)鍵結構，比如空客幾型飛機（如A* * 0）的機翼前緣。進(jìn)一步地，灣流航宇G* * 0飛機的垂尾是熱塑性復合材料結構。

不過(guò)還有一個(gè)障礙存留：如何經(jīng)濟地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結構棗機翼蒙皮和機身段，并且擁有可接受的零件孔隙率。

空客集團防務(wù)與航天公司支持西班牙的航空實(shí)體開(kāi)展了一系列相關(guān)技術(shù)研究。西班牙復合材料研發(fā)應用中心（FIDAMC）驗證了碳纖維/熱塑性機翼機構可以通過(guò)自動(dòng)化和非熱壓罐固化方法直接制造，減少加工步驟并最終降低零件成本。其最新研究項目“非熱壓罐復合材料機翼”，最終將進(jìn)行地面試驗并試飛一個(gè)熱塑性復合材料機翼結構。

OUTCOME由“潔凈天空2”計劃支持，該計劃是歐盟公私合作研究計劃，總預算* 0億歐元“潔凈天空2”的最終目標是開(kāi)發(fā)和驗證最大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機技術(shù)。

一，熱塑性AFP

FIDAMC研究了其大型OOA熱塑性復合材料技術(shù)多年，之前四個(gè)項目旨在開(kāi)發(fā)基于激光束加熱、原位固化和復雜零件共固化的自動(dòng)鋪層，使用MTorres的CNC纖維鋪放設備。工作于2010年以國家戰略技術(shù)研究委員會(huì )（CENIT）支持的“智能技術(shù)和環(huán)境可持續地生成復合材料結構”（TARGET）項目啟動(dòng)，項目生產(chǎn)平面壁板。西班牙工業(yè)和創(chuàng )新部和CENIT支持的“先進(jìn)復合材料創(chuàng )新和后端優(yōu)化”項目（ICARO）生產(chǎn)了更多壁板以及更復雜的結構，研究了共固化的方法。201* 年結束的綠色支線(xiàn)飛機（GRA）項目和最近完成的“潔凈天空——熱塑性原位固化工藝工業(yè)化設置”（ISINTHER）項目，讓FIDAMC開(kāi)發(fā)一個(gè)原位制造工藝?，F在，OUTCOME項目下，之前的工作將轉到提升成熟度上來(lái)。OUTCOME的合作伙伴包括Aernnova、西班牙Tecnalia航空中心、CATEC和航空技術(shù)中心CTA，空客是項目牽頭方。

盡管鋪放熱塑性預浸料的自動(dòng)化手段肯定是得到驗證的技術(shù)，但它們針對大型主結構還不成熟，所以還是很危險。FIDAMC復合材料高級專(zhuān)家表示：?#2* * 0* ;前的熱塑性手段要求成形設備能夠施加壓力棗通常是一個(gè)熱壓罐。其它項目用熱壓罐固化熱塑性零件以加速固化和降低孔隙率到2%的，需要高資本和能量成本，所以專(zhuān)注小零件。我們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)針對大型零件的完全非熱壓罐的工藝，同時(shí)保持良好的性能。一步法生產(chǎn)的機遇涉及氣焊、紅外或激光加熱材料，以及通過(guò)共固化集成結構棗即在一個(gè)步驟中熔融蒙皮和筋。

在ISINTHER項目，一個(gè)共固化熱塑性驗證件壁板使用三個(gè)不同階段生產(chǎn)出來(lái)：

１， 加強筋層板配料鋪層，由ＭTorres自動(dòng)絲束鋪放（AFP）激光加熱頭；

２， 使用一個(gè)模壓機實(shí)施加強筋熱成形；

３， 平面和彎曲蒙皮壁板在成形的加強筋上鋪層，壁板制造和加強筋在一個(gè)步驟中集成（原位固化）。

項目的關(guān)鍵是安裝在龍門(mén)機床上的MTorres AFP頭，可以在一個(gè)平面或芯軸工裝上熔化、沉積和凍結單向熱塑性狹長(cháng)帶。它的熱源是* 00W Nd-YAG（摻釹釔鋁石榴石）可變光學(xué)二極管激光器，能夠連續和均勻地將預浸料加熱到* 00癈，這個(gè)溫度是熔化高溫熱塑性樹(shù)脂所必需的。掃描器在來(lái)料帶和基材之間優(yōu)化分布激光能量。一個(gè)保形固化輥向加熱的預浸料施加充足的力，以達到共熔化和固化。MTorres AFP頭采用公司的在線(xiàn)旋轉切割和加料專(zhuān)利技術(shù)，可快速沉積而無(wú)需停下來(lái)切割。

當機床安裝時(shí)，它有一個(gè)單獨的輥來(lái)在熔化區域施加壓力，后來(lái)增加了第二個(gè)輥用于在冷卻或凍結階段（材料結晶化）額外固化。項目試驗了幾種輥的材料，最佳解決方案是兩個(gè)橡膠輥。

“固化過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題是足夠長(cháng)時(shí)間保持溫度，以通過(guò)整個(gè)層板得到合適的熱傳導?！币虼嗽谥暗捻椖恐袑C床進(jìn)行了幾處修改。最后的改變是在兩個(gè)輥之間增加了第二個(gè)激光器，這就可以修改冷卻速度以及結晶化程度，從而達到最佳的材料性能。

鋪絲頭還配備了工藝監測：它擁有一個(gè)紅外攝像頭和一個(gè)高溫計以記錄應用溫度并在加工過(guò)程中跟蹤熱量歷史。它還記錄沉積速度。

對ISINTHER項目，加強筋首先在一個(gè)平面金屬工裝吉印通 行鋪放，材料是Cytec公司* .2mm寬的AS* /APC2碳纖維/聚醚醚酮（PEEK）熱塑性單向狹長(cháng)帶。鋪放順序（0°/+* * °/-* * °），生成一個(gè)2.1mm厚的坯料。坯料置于帶有紅外燈的壓膜運輸機的兩個(gè)盤(pán)之間，加熱到* 00℃（帶有熱電偶控制）之后快速運輸到壓膜機內進(jìn)行* min的成形過(guò)程。選擇了歐米伽形（或帽子形）的加強筋來(lái)模擬典型機身結構；還成形了T形加強筋，但是在一個(gè)熱壓罐工藝中。

飛行器結構中的熱塑性復合材料經(jīng)過(guò)了長(cháng)期的審查，因為這一類(lèi)材料有實(shí)現快速成形的潛力，具有焊接性、優(yōu)越的天然疲勞性能和火/煙/毒（FST）屬性?？湛秃筒ㄒ粼诟鞣N零部件上投入了可觀(guān)的研究經(jīng)費，從尾翼到機身結構。因此，小的熱塑性復合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內飾結構，已經(jīng)得到采用；航空結構正在進(jìn)行量產(chǎn)，包括飛行器地板壁板和飛行關(guān)鍵結構，比如空客幾型飛機（如A* * 0）的機翼前緣。進(jìn)一步地，灣流航宇G* * 0飛機的垂尾是熱塑性復合材料結構。

不過(guò)還有一個(gè)障礙存留：如何經(jīng)濟地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結構棗機翼蒙皮和機身段，并且擁有可接受的零件孔隙率。

空客集團防務(wù)與航天公司支持西班牙的航空實(shí)體開(kāi)展了一系列相關(guān)技術(shù)研究。西班牙復合材料研發(fā)應用中心（FIDAMC）驗證了碳纖維/熱塑性機翼機構可以通過(guò)自動(dòng)化和非熱壓罐固化方法直接制造，減少加工步驟并最終降低零件成本。其最新研究項目“非熱壓罐復合材料機翼”（OUTCOME），最終將進(jìn)行地面試驗并試飛一個(gè)熱塑性復合材料機翼結構。

OUTCOME由“潔凈天空2”計劃支持，該計劃是歐盟公私合作研究計劃，總預算* 0億歐元?！皾崈籼炜?”的最終目標是開(kāi)發(fā)和驗證最大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機技術(shù)。

二，解決方法問(wèn)題

使用熱壓成形制造加強筋需要解決幾個(gè)問(wèn)題，包括層板熔化時(shí)的工作溫度、時(shí)間、加熱速度、傳導時(shí)間，以及冷卻速度?？湛驮陧椖恐幸蟮腁S* /APC2熱塑性預浸料，帶來(lái)了一些挑戰，包括纖維浸潤和預浸帶厚度的變化。為了使項目中使用的原位手段達到非常低的孔隙含量，帶必須有一個(gè)統一的纖維/樹(shù)脂分布。

FIDAMC開(kāi)發(fā)了一個(gè)定制的內熱式鋼鋪放工裝，尺寸* 00mm** 00mm，由像平臺的一個(gè)表面及其下面的支撐結構組成，以及一個(gè)10mm深、100mm寬和* 00mm長(cháng)的中央縱向埋頭孔“谷”或凹槽。一個(gè)成形的碳纖維/PEEK加強筋可以倒置在凹槽中，平面緣與平面工裝表面平齊?！肮ぱb允許我們在凹槽中放置一個(gè)固化的熱塑性零件，然后在其上用自動(dòng)化機床鋪放蒙皮?！睙崴苄悦善⑼ㄟ^(guò)激光加熱頭以一個(gè)擬各向同性的鋪放順序、與加強筋相同的厚度沉積。

最開(kāi)始，這也存在挑戰：因為PEEK材料沒(méi)有粘性，它不會(huì )粘在工裝上?！拔覀儾坏貌唤o鋪放工裝增加一個(gè)真空系統，以幫助固定第一層。之后是加強筋的緣很難熔化并粘在蒙皮的第一層上。我們測試了幾種加強筋緣的表面處理方法，包括幾種脫模布?！泵撃２疾还苡?，所以最終，使用細粒磨料手工打磨來(lái)使緣能夠與蒙皮鋪層共固化。

ISINTHER項目最終生產(chǎn)了一個(gè)* 00mm** 00mm的全尺寸壁板驗證件，帶有兩個(gè)共固化的直歐米伽形加強筋，以及一個(gè)由短加強筋加強的駕駛艙框。最終的零件在第二個(gè)模塊式工裝中成形，這種工裝的設計通過(guò)交換可互換的模塊，可容納不同尺寸和外形的加強筋，模塊按照許多凹槽尺寸和配置制作?！坝辛四K化工裝，我們可以制造由兩類(lèi)歐米伽形加強筋加強的壁板，甚至是另一種外形的帶一個(gè)嚙合扣的加強件。所有需要改變的就是加強件模塊?！?/p>

FIDAMC記錄了其工藝參數并執行了碳纖維/PEEK鋪層成品的拓展試驗，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)時(shí)工藝監測。平面內剪切強度（IPSS）標準試驗按照ASTMD * * * * 方法執行，用于評價(jià)零件固結度（DOC），并與熱壓罐樣品比較，因為剪切強度是“基體-界面”能中的決定性因素。數據顯示零件在基體中的結晶度是* * %-* * %，無(wú)需進(jìn)一步后固化或真空袋/熱壓罐處理。試樣試驗顯示了蒙皮和加強筋之間的完全共熔化和材料連續性。項目還開(kāi)發(fā)了一個(gè)設計許用值數據庫?！拔覀兊玫搅艘粋€(gè)成熟且耐久的共固化制造工藝，通過(guò)一個(gè)實(shí)際的飛行器加筋框，以及可接受的孔隙率得到確認。隨之得到的知識將用于最近啟動(dòng)的OUTCOME項目中?！?/p>

三，工藝的工業(yè)化

OUTCOME項目已經(jīng)開(kāi)始。FIDAMC及其合作伙伴想要改進(jìn)工藝并使其規?；?，生產(chǎn)更大的加筋機翼蒙皮壁板，并將其加到CS2支線(xiàn)飛機記憶中，在2020年進(jìn)行試飛。項目還要完成幾項額外的任務(wù)，其中有鋪放生產(chǎn)率的持續改進(jìn)（更寬的帶或同時(shí)鋪更多的帶）。而且，一個(gè)八束的鋪絲頭將加到現有的MTorres機床中，包括新改進(jìn)的激光光學(xué)裝置。該技術(shù)改進(jìn)將用于生產(chǎn)有更復雜外形的零件。不同的加強筋類(lèi)型也將使用輥成形甚至熱壓罐固化方法生產(chǎn)。還將針對加強筋與蒙皮的粘合研究改進(jìn)的表面熱處理方法，包括等離子手段。

最后，項目將擴展其已經(jīng)研究的修理策略。制造試驗已經(jīng)驗證了原位修理的可行性，可能擴展到通過(guò)一個(gè)可靠的坯料加熱系統和一個(gè)便攜修理技術(shù)而在役使用?！把芯科渌糜谠谝坌蘩淼恼澈霞夹g(shù)很有趣，包括本地加熱系統和熔融粘合技術(shù)、料塊加熱或膠接?！?/p>

OUTCOME的目標是在原位熱塑性鋪放工藝上達到技術(shù)成熟度等級（TRL）* 級?！皩Ρ葻峁绦圆牧?，熱塑性材料提供了損傷容限、化學(xué)抗性、無(wú)限的車(chē)間壽命、焊接性，回收能力和更短的制造周期。不僅是材料性能高，還可能更快地加工，有更低的壽命周期成本和環(huán)境可持續性?！保ㄖ泻焦I(yè)經(jīng)濟技術(shù)研究院 劉亞威）