向量复合增强织物
波音787飞行中的机翼;杰夫·斯隆

用于制造A350和787的翼的复合材料制造技术的吞吐量对于下一代单位过道平面将不足。这些方案,每月预期至少60件备件,将需要更快,更经济的过程。假日计划的空中客车翼正在努力。程序合作伙伴灵气雾系统(欧洲)专注于输注下翼肌肤。来源|连续波

作为空中客车(图卢兹,法国)考虑了未来飞机的材料和过程(M&P)组合,它领先的最高档案之一是明天(WOT)计划的翼。WOT于2015年推出,基于公司的菲尔顿的翼型技术中心,旨在探索最佳材料,制造和装配技术,以及空气动力学和机翼建筑的新技术。它由多功能团队组成,将选择和开发一系列创新,以准备全面示范,全部追求设备减少和工具成本以及更快的生产吞吐量 - 特别是在高批量中使用的可能使用-AISLE商用飞机计划。

Colin Mitchell,工业建筑师和工业部门负责人,明天在空中客车的主管说:“明天计划的翼仍然是在轨道上。空中客车参与英国的计划有一些小的改编政府的计划在与Covid-19斗争中建立呼吸者,但在世界各地相关合伙企业/供应商锁定期间,许多情况下已经超过了进展预期。

空中客车公司是行业领导者,也是欧洲主要的航空航天制造商。我们对研发和研发的承诺一如既往地坚定,公司将继续支持,不仅是对‘明日之翼’计划,也对所有其他优先发展计划,这些计划将有助于保护公司和整个行业的未来。”

Mitchell补充道,“明天计划的机翼正在开发内部和供应商/合作伙伴横向的众多技术和建筑选项。这将使空中客车能够在正确的时间内做出明智的决定。”

空客将明日之翼的工作分配给了几个合作伙伴,每个合作伙伴都专注于为不同的结构开发不同的M&P组合。空客公司正在研究机翼上部的蒙皮、机翼盒、机翼盒肋、襟翼和折翼尖(FWT)的连接处。精神AeroSystems(欧洲)在苏格兰的Prestwick,正在研究下翼皮,固定的前缘和一块板条。GKN航空(reditch,英国)正在与空客合作研究后翼梁、后缘和翼箱肋。与空客在WOT上合作的还有国家复合材料中心(NCC,布里斯托尔),特别是在原型制造方面。每个开发中的结构都处于不同的成熟度阶段;这篇报道将重点关注下翼皮肤。连续波将在以后的问题中报告其他结构。

输液:一种偏离常规的行为

空客A350和波音787复合机翼皮制造的基准工艺是预浸料胶带的自动铺带(ATL),这一工艺很有吸引力,因为它可以相对快速地在大范围内放置大量材料如果大面积是不受欢迎的或谦虚地轮廓。然而,ATL还需要高压灭菌治疗,这消耗了珍贵的制造时间。对于787和A350,以每月约10次制造出大流行的速率,这种高压灭菌剂适合生产速度。然而,期待未来,下一代飞机 - 例如,在空中客车的情况下更换A320的新型单极飞机 - 可能以60-100个月的速度制造。依赖高压灭菌的制造过程,该论点是,需要大的资本投资和工厂足迹,以满足该率,因此实际上和经济地制造不太不可行的速度。

正是因为这个原因,在WOT结构中正在评估非热压罐(OOA)工艺,特别关注的是机翼蒙皮。飞机的每个机翼都有两个机翼外壳,一个在下部,一个在上部,它们提供了飞机最大的空气动力表面。每个表皮的内表面包括一系列平行的弦,它们从根部到顶端运行,提供结构支持。在理想情况下,纵骨可以与皮肤共固化,但也可以用机械固定。皮和弦环绕并附着在翼肋和前后翼梁上,翼梁也附着在翼肋上并贯穿整个机翼。梁是机翼的主要结构部件,承受飞行载荷,并在飞机落地时支撑机翼。

虽然第一复合翼皮 - 用于A350和787 - 是通过ATL进行的,但使用OOA流程并不新鲜。单极道伊斯勒(莫斯科,俄罗斯)MC-21飞机具有通过液体树脂输注制造的翼皮。阅读更多信息连续波“,”注入机翼揭示了航空复合材料的未来,于2018年8月发表。另一种机翼皮注入技术的飞机是空客A220。它的翼皮是由位于北爱尔兰贝尔法斯特的庞巴迪航空航天公司(蒙特利尔,魁北克)制造的,使用的是注射结合高压罐巩固。Spirit航空系统公司在2019年底宣布,计划收购贝尔法斯特的工厂,但该交易尚未最终敲定。

液体树脂输注在机翼皮肤制造方面有很多优势。其主要优点是OOA固化,共固化皮和纵骨的能力,接近净形状的制造,以及以高速率(每月60-100艘)经济制造的潜力。液体树脂注射也有一些不利的事情-至少在原则上是这样。最棘手的挑战是潜在的长时间使用工具。

空中客车明日之翼(Spirit AeroSystems,欧洲)17米下翼蒙皮工具

为下翼皮肤的全尺寸17米工具,刚刚在苏格兰普雷斯特威克的普雷斯特威克(欧洲)之后。该工具采用专业的模具温度控制技术,采用半柔性膜和加热刀具盖。Spirit航空系统公司(欧洲)

不断发展的材料、工具和工艺技术

如上所述,注入机翼下皮肤的开发工作正在由美国精神航空系统公司在英国的Prestwick工厂进行。这项工作由普雷斯特威克工厂先进产品开发主管克里斯·休斯(Chris Hughes)和普雷斯特威克研究与技术主管史蒂维·布朗(Stevie Brown)领导。自2018年初以来,精灵公司在注入机翼皮肤方面的工作一直专注于7米亚尺度原型的制造和测试。到2020年7月中旬,勇气号已经进入了下一阶段的计划,即制造一个17米的全尺寸演示。

17米的示威者代表了较低翼型皮肤的近似形状和尺寸,用于概念性,新的单极性商用飞机 - A320的替代品。皮肤的最大弦尺寸为3.3米,尖端宽1.1米。皮肤层压板的厚度靠近尖端附近的5毫米,并在皮肤接口处与主落地齿轮配件的30毫米。

翼皮的生产将采用Spirit AeroSystems公司开发的一套名为智能树脂灌注系统(IRIS)的技术,包括专用工具、自动材料沉积、集成的弦条成形和严密控制的工艺温度。该系统的核心是一种位于模具表面附近的嵌入式模具加热技术,它使用位于模具表面附近的低压电阻加热提供快速和精确的温度控制。加热水平是通过控制和调节电源输入来实现的。碳纤维工具包括一个IML加热盖和一个半柔性,可重复使用的真空袋。

“有多个加热场被单独监控和控制。这使得在整个注射和治疗周期中每个区域都能在目标温度下操作。”Brown说。“这很重要,因为零件的每个区域根据尺寸和体积需要不同的热输入。它是一个先进的加热系统,是工具的一部分,允许与部件密切接触,以减少所需的功率和循环时间。”

机翼皮的干增强剂是由蒂金碳欧洲有限公司(伍珀塔尔,德国),源自该供应商的中间模量,24k拖碳纤维线。Hughes说,纤维形式包括单向(UD)织物以及双轴和三轴无卷曲织物(NCF)。玻璃纤维片还包括用于钻漏和防止电偶腐蚀。

空中客车明日之翼(Spirit AeroSystems,欧洲)17米长带盖的下翼蒙皮工具

下翼皮肤工具,与加热盖上。该工具使用一个集成加热位于靠近模具表面提供快速和精确的温度控制。Spirit航空系统公司(欧洲)

Hughes说:“Spirit公司与帝人公司合作,选择了一些NCF格式,以平衡结构性能和制造成本。“一定比例的保护罩将由UD生产,这可以提高结构性能,最大限度地提高买飞比。使用这两种材料类型将展示使用IRIS流程注入不同材料的能力。

同样的泰金NCF加固件可以在桁条中找到,这将通过自动化专家开发的定制连续纵梁成型机来制造Broetje-Automation GmbH(Rastede,德国)。纵桁成形机将能够生产不同厚度、曲率和叶片角度的纵桁。

机翼蒙皮选用的树脂体系是单组分环氧树脂体系索尔维复合材料”(市郊区,Ga。,美国)。Brown指出,树脂将通过“多个”注射点运送到干式增强材料中,精心选择注射点以最大限度地提高注射速度和润湿性。注射设备由组合集成有限公司(英国Saltash)。如上所述,该结构将采用真空袋装,带有半柔性、可重复使用的袋子,上面盖着一个巨大的加热盖。

时间制造

截至2020年7月中旬,Hughes、Brown和他们的Spirit团队在Prestwick进行了评估。精神号最终将在2021年初把这个17米的工具移交给WOT的合作伙伴NCC制造。NCC将在Spirit的监督下编程和操作一台新的薄膜沉积机,并进行无损检测(NDI)。所有其他操作:整平、工具准备、捆扎和放置袋、管道、工具和输液设备的操作将由精神号在NCC独立完成。

NCC将使用超高速率沉积池(UHRDC)进行厚度沉积。超高速率沉积池是一种龙门式机器人系统,使用的是由NCC提供的自动化技术Gudel(瑞士Langenthal)。该UHRDC将部署两个材料处理系统,用于将NCF面料装入皮肤工具。第一个系统被NCC称为FibreFORM,由密集的吸盘阵列组成,这些吸盘将挑选和放置切割的NCF层。第二个系统叫做“纤维辊”(fibereroll),它将长时间的纤维卷到一个鼓上,然后将它们展开到工具上。下面的视频演示了这些概念。

NCC的首席执行官Richard Oldfield说:“在NCC,我们聚集并主办了许多组成空中客车领导的明日之翼项目的组织。我们在整个项目中开发和展示先进制造技术方面发挥着重要作用,因此,我们能够为所有相关合作伙伴提供战略创新建议。”

奥德菲尔德继续说道,“我们很兴奋与精神在这个计划的一部分,相信技术,比如NCC的超高速度沉积单元,提供满足率的最佳机会,成本和质量要求下一代民用航空飞机的翅膀,保持竞争力在英国”

面临精神气雾系统和NCC的大问题是吞吐量之一。为了与高压灭菌的基于ATL的基础工艺进行竞争,输注不仅可以更高效,而是从过程中出现的翼状皮肤将不得不在净形状附近并且需要最小的整理。为了提高生产力,休斯说,“我们[精神]正在与布里斯托尔的国家复合材料中心合作,他们正在调试大规模的碳沉积机。该机器将能够将NCF宽度宽至5米。它具有一个自动化的层修剪器作为细胞的一部分,具有干纤维放置头。“

在实际处理方面,使用专用模具温度控制技术,结合单件树脂系统,流动介质(来自Airtech国际预计将加快树脂的吸收和注入到干纤维中。此外,树脂会先注入皮肤,最后注入肋骨。这一过程需要多长时间还有待观察,但布朗指出,7米长的翅膀皮肤注入大约4小时;他预计17米长的皮肤将在同样的时间内注入。

关于完成,休斯说,精神号将生产净边缘弦和机翼皮的一部分后缘。“这是未来发展的关键领域,”他说,“我们将与oem合作,在尺寸和层压板质量要求与生产速度和成本之间取得平衡。”

如前所述,注射的一个潜在限制因素是材料在工具上的时间相对较长,这可能成为瓶颈。Brown承认这是一个问题,然而,通过使用离散事件模拟和Spirit的专有贸易工具,该公司已经能够建模过程中的敏感性,使自动化和过程控制技术有针对性的发展,以优化过程。

Brown说:“我们估计,在工具上的时间与今天的预浸料AFP方法相当。”“NCF织物的铺设速度更快——用于AFP的宽毛毯比窄胶带——而且注射的设置更耗时,而且必须添加注射时间本身。但NCF的主要优势在于沉积时间。总的来说,随着沉积技术和注射过程的改进,在工具上的时间应该可以与之媲美或减少。”

休斯和布朗认为,在任何情况下,与传统的在高压釜中固化的预浸料机翼盖相比,Spirit航空系统公司估计可以节省大量成本。Hughes说:“如果使用IRIS工艺,使用加热工装、NCF‘毛毯’自动沉积和连续的管柱成型机,那么生产60或以上机翼盖所需的生产设备将会大大缩小。”“60级要求每3小时生产一个机翼盖。如果采用当前的技术,ATL机器和高压灭菌器的数量将会带来巨大的前期成本和运行成本。”

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