明日之翼的热塑性复合肋

成本竞争力热塑性肋骨。作为“明日之翼”项目的一部分,GKN航空公司在英国和荷兰的分公司合作设计了一种采用非高压釜(OOA)制造工艺的热塑性复合肋板,这种肋板具有成本竞争力,机械性能与传统的铝肋板相当。图片来源:GKN航空航天公司

2015年推出的明天(WOT)计划的空中客车翼已在过去六年中花费了更具成本竞争力,高通量的材料,制造和装配技术,为单极商用飞机翅膀(看到连续波之前关于WOT计划的报道)。

根据GKN航天全球技术中心荷兰(Hoogeveen)的Arnt Offringa,GKN航空(布里斯托尔,U.K.)在WOT计划中一直非常活跃,包括通过树脂转移成型(RTM)和四个铝翼肋制成的机翼翼梁示范。最近由GKN航空航天提供的另一位技术示意图涉及开发成本竞争力的热塑性复合肋,以及用于单次外釜(OOA)制造的创新,模块化的新闻系统,以生产它。

跃入热塑性塑料

2018年,GKN Aerospace开始就材料和制造技术进行内部讨论,这些材料和技术可以用于生产5个示范机

热塑性复合肋的设计

设计肋骨。为了使薄,轻巧的部分,肋骨设计(顶部)包含GKN的对接技术(底部),注塑成型加强件(中间,以绿色显示)。

明日之翼的热塑性复合肋设计
复合对接联合飞机罗纹连接技术

对WOT计划的支持。GKN Aerospace比较了几种材料选择,包括热固性和热塑性复合材料。作为商用飞机肋板的传统材料,该公司选择了铝来生产四根较大的内侧肋板,但对于较小的外肋板,该公司决定探索一种复合材料。奥弗林加指出,因为坦克世界的演示将是一个复合材料的机翼,开发一个可以与铝相竞争的复合肋是一个合乎逻辑的步骤。

他说:“在复合材料机翼上安装复合肋有几个好处。”“首先,使用复合材料意味着材料之间的热膨胀没有差别,就像你在复合材料机翼上使用金属肋,反之亦然。第二,您不会有关于腐蚀的问题或担忧。复合材料也意味着减轻重量。最后但并非最不重要的是,使用复合材料使检查更容易。”

奥弗林加解释说,典型的金属肋在最后的机翼组装完成后需要人工目视检查。然而,由于肋骨位于机翼内部,这意味着需要在机翼底部切开大型椭圆舱口,以便人们进入机翼检查。“如果你去看一个复合肋,你会发现肋的疲劳更少,需要检查的潜在疲劳裂纹也更少。检查变得更加简单和不那么密集,你不再需要在翼皮中建立舱口。它将是一个持续的翼皮,”他说。

无论是热固性还是热塑性复合材料,都可以减轻重量、耐腐蚀和减少侵入性检查。Offringa说:“我们进行了一项内部研究,考察了重量、成本和工业化,在比较了不同的技术后,我们决定采用热塑性塑料,因为它在成本方面最有潜力,商业案例也最好。”

GKN Aerospace的英国布里斯托尔分公司距离空客的费尔顿(Filton)更近,也就是测试坦克世界试车的地方,因此它是GKN公司在坦克世界的主要工作中心。然而,鉴于GKN Aerospace荷兰公司从Fokker Technologies时代起在热塑性塑料方面的专业知识,两个GKN Aerospace团队为肋骨演示联合起来。Offringa说:“设计是在英国完成的,但制造开发是在荷兰完成的,所以这是GKN Aerospace公司不同团队之间的一次非常好的合作。”

Sue Partridge是空中客车,笔记的WOT负责人,“与合作伙伴的合作是明天计划的一个重要方面。通过组合我们的资源,我们可以进步解决方案,这些解决方案利用我们组织的能力进行更好的结果。“

对于送到空中客车的WOT肋骨,GKN航空航天使用索尔维APC碳纤维/聚醚酮酮(PEKK-FC)胶带是基于该公司的Novaspire PEKK-FC (FC)快速结晶配方。Offringa指出,Toray先进复合材料'(摩根山,加利福尼亚州,美国)的低熔融碳纤维/聚芳基酮(PAEK)材料也被评估为未来肋骨结构的选择。

设计下一代翼肋

典型的单通道飞机机翼上有20多个肋。热塑性复合材料演示肋位于演示翼的第14位;其他人将展示替代材料和工艺。

Offringa说,小型飞机通常通过冲压成型来制造热塑性复合肋。然而,GKN Aerospace排除了传统冲压成形作为WOT肋条的选择,因为商用飞机的机翼,即使是像WOT演示机这样的窄体,也要承受非常高的压缩和拉伸载荷。

“如果你打印在传统意义上形成热塑性肋骨,那么你必须制作一个非常厚的肋骨,带有厚厚的网页,使其更加强大,以便它可以承受作出作用的力量,”Offringa说,并且给予重量减轻要求是不可取的。此外,印章成型将无法在肋骨上创建双面底部法兰分量,部分连接到下翼皮肤;需要制造额外的部件并将其螺栓固定在肋骨的其余部分。GKN航空航天需要制造过程,使得该团队记住的设计更具灵活性。

明天的热塑性复合飞机肋翼

最后一部分。GKN航空公司的最终肋板设计将在WOT演示机上的第14位。

GKN航空航天的90厘米长,24厘米高的热塑性肋骨具有垂直幅材和沿肋骨底部延伸的双向8毫米厚的法兰。为了满足体重要求,网站仅为7毫米厚。为了防止屈曲和增加刚度,使用GKN航空航天的对接技术通过3毫米厚的加强元件加强了3毫米厚的加强元件,它使用平坦的加强件预制件和注塑成型的“填充物”材料来产生强大的连续接头(见“热塑性初级航空结构又向前迈进了一步”了解在用Solvay碳纤维/ PEKK-FC磁带制造的湾流机身面板上使用该技术的使用)。

“我们知道,如果我们能在复合材料中制造出这种形状,并使其坚固,那么我们就会有一个非常轻的设计,减轻重量,这是我们所期望的。”但问题是,你如何制作这样一个复杂的形状既经济又高效?这就是我们努力创造这款新产品的地方,”奥弗林加说。

一步,oOA制造

这一过程建立在GKN航空航天公司之前用于餐前小吃(热塑性实惠的主要飞机结构)项目,以及用于湾流的机身面板开发,用于采用公司对接技术的湾流。对于WOT RIB,GKN航空航天开发了一种OOA,一步合并过程。“我们在第一次走出了高压灭射器的下一个级别之前,我们将我们以前的工作带走了,”Offringa Notes。

首先,单向(UD)热塑性带狭缝到正确的宽度,并使用覆膜机将平面单元预制成两个l型腹板预制块。腹板预制件、法兰的扁平预制件、更小的预制件和构成纵梁的注塑填充元件都被装入一个工具中,该工具被放置在一个类似于树脂传递模压机(RTM)的模块化共固定式压力机中。压力机关闭后,一个膀胱系统用来产生水平和垂直方向的压力,模拟高压釜中的压力。集成的电阻加热系统使复合材料在冷却固结前达到熔体温度。

GKN航空航天热塑性复合飞机肋板中试加工厂

一次性的,OOA处理。GKN航空航天公司的试点工艺和专门设计的冲压和模具技术可以对复杂的肋板、梁和其他部件进行一次性OOA加工。

Offringa说:“我们将大部分开发工作投入到工具的调优和优化中。系统采用模块化设计;模具可以更换出来,以适应不同尺寸的肋或其他类型的零件,同时保持相同的加热和冷却系统。虽然这些肋板不是必需的,但GKN航空航天公司在其技术中心开发的压力机可以容纳长达6米的部件,还可以包括其他面板或梁。

处理热塑性塑料时的过程控制系统是钥匙。热塑性塑料在比热固性件更高的温度下熔化,并且必须在受控的一致过程中冷却,以最大限度地减少翘曲并最大化囊空心。“控制从开始完成的确切过程非常重要,”Offringa说。“加热循环的热管理非常重要。”(参见“热塑性(TP)形成问题”侧边栏本文有关使用热塑性塑料时流程控制的问题和重要性的详细信息)。

使用特殊的工具功能,使薄的、集成的加强筋容易脱离工具。脱模后的零件接近净形,然后进行修整,形成成品。从工具插入到工具拔出,整个过程大约需要45分钟。这意味着一台压力机在八小时的工作时间内可以制造15根翼肋。

GKN Aerospace计划在WOT试点过程的基础上建立一条未来的大批量生产线。

罗纹制造的未来。这张插图描绘了GKN航空公司未来基于WOT试点过程的大规模生产线计划。这些计划包括在其他项目中使用的自动胶带铺设(ATL)。

“它最终是一个简单的制造过程,”Offringa Notes。“我们立刻做了很多东西:用不同形状共同合并预制件,产生肋骨的底部,具有双向法兰,同时我们与对接技术加强了网。然而,尽管如此,我们采取了材料的所有元素,将它们放在工具中,我们在一个处理步骤中创建一个,同质部分。“

测试,交付和超越

测试明天计划热塑性肋翼的子组件

测试。在GKN的怀特岛和Hoogeveen设施对子组件进行了测试,以满足抗拉和抗压强度要求。

2019年底,肋片组件在GKN Aerospace的怀特岛和霍赫芬岛设施进行了测试,Offringa表示,它们“大大”通过了拉力和压缩负载的要求。他补充说:“它很坚固,很结实,也很容易制造。这是一个完全符合我们期望的概念。”Offringa表示,与铝制版本相比,热塑性复合材料版本提供了显著的重量节省,而且具有成本竞争力。

该公司已将三个肋骨交付给空中客车,其中一个将在WOT示威者上组装和测试。GKN航空航天仍在继续优化其用于商业航空航天肋骨的工艺和材料,无论是为明天及以后的翼。

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