飛行器結(jié)構(gòu)中的熱塑性復(fù)合材料經(jīng)過了長(zhǎng)期的審查，因?yàn)檫@一類材料有實(shí)現(xiàn)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。空客和波音在各種零部件上投入了可觀的研究經(jīng)費(fèi)，從尾翼到機(jī)身結(jié)構(gòu)。

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

不過還有一個(gè)障礙存留：如何經(jīng)濟(jì)地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結(jié)構(gòu)棗機(jī)翼蒙皮和機(jī)身段，并且擁有可接受的零件孔隙率。

空客集團(tuán)防務(wù)與航天公司支持西班牙的航空實(shí)體開展了一系列相關(guān)技術(shù)研究。西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心（FIDAMC）驗(yàn)證了碳纖維/熱塑性機(jī)翼機(jī)構(gòu)可以通過自動(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(xiàng)目“非熱壓罐復(fù)合材料機(jī)翼”，最終將進(jìn)行地面試驗(yàn)并試飛一個(gè)熱塑性復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)。

OUTCOME由“潔凈天空2”計(jì)劃支持，該計(jì)劃是歐盟公私合作研究計(jì)劃，總預(yù)算* 0億歐元“潔凈天空2”的最終目標(biāo)是開發(fā)和驗(yàn)證最大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機(jī)技術(shù)。

一，熱塑性AFP

FIDAMC研究了其大型OOA熱塑性復(fù)合材料技術(shù)多年，之前四個(gè)項(xiàng)目旨在開發(fā)基于激光束加熱、原位固化和復(fù)雜零件共固化的自動(dòng)鋪層，使用MTorres的CNC纖維鋪放設(shè)備。工作于2010年以國(guó)家戰(zhàn)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(xù)地生成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”（TARGET）項(xiàng)目啟動(dòng)，項(xiàng)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(fù)合材料創(chuàng)新和后端優(yōu)化”項(xiàng)目（ICARO）生產(chǎn)了更多壁板以及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究了共固化的方法。201* 年結(jié)束的綠色支線飛機(jī)（GRA）項(xiàng)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(shè)置”（ISINTHER）項(xiàng)目，讓FIDAMC開發(fā)一個(gè)原位制造工藝。現(xiàn)在，OUTCOME項(xiàng)目下，之前的工作將轉(zhuǎn)到提升成熟度上來。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(xiàng)目牽頭方。

盡管鋪放熱塑性預(yù)浸料的自動(dòng)化手段肯定是得到驗(yàn)證的技術(shù)，但它們針對(duì)大型主結(jié)構(gòu)還不成熟，所以還是很危險(xiǎn)。FIDAMC復(fù)合材料高級(jí)專家表示：?#2* * 0* ;前的熱塑性手段要求成形設(shè)備能夠施加壓力棗通常是一個(gè)熱壓罐。其它項(xiàng)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，所以專注小零件。我們正在開發(fā)一個(gè)針對(duì)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(jī)遇涉及氣焊、紅外或激光加熱材料，以及通過共固化集成結(jié)構(gòu)棗即在一個(gè)步驟中熔融蒙皮和筋。

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

１， 加強(qiáng)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(jī)實(shí)施加強(qiáng)筋熱成形；

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

項(xiàng)目的關(guān)鍵是安裝在龍門機(jī)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(jié)單向熱塑性狹長(zhǎng)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(xù)和均勻地將預(yù)浸料加熱到* 00癈，這個(gè)溫度是熔化高溫?zé)崴苄詷渲匦璧摹呙杵髟趤砹蠋Ш突闹g優(yōu)化分布激光能量。一個(gè)保形固化輥向加熱的預(yù)浸料施加充足的力，以達(dá)到共熔化和固化。MTorres AFP頭采用公司的在線旋轉(zhuǎn)切割和加料專利技術(shù)，可快速沉積而無需停下來切割。

當(dāng)機(jī)床安裝時(shí)，它有一個(gè)單獨(dú)的輥來在熔化區(qū)域施加壓力，后來增加了第二個(gè)輥用于在冷卻或凍結(jié)階段（材料結(jié)晶化）額外固化。項(xiàng)目試驗(yàn)了幾種輥的材料，最佳解決方案是兩個(gè)橡膠輥。

“固化過程中的關(guān)鍵問題是足夠長(zhǎng)時(shí)間保持溫度，以通過整個(gè)層板得到合適的熱傳導(dǎo)。”因此在之前的項(xiàng)目中對(duì)機(jī)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(jié)晶化程度，從而達(dá)到最佳的材料性能。

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

對(duì)ISINTHER項(xiàng)目，加強(qiáng)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(zhǎng)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(yùn)輸機(jī)的兩個(gè)盤之間，加熱到* 00℃（帶有熱電偶控制）之后快速運(yùn)輸?shù)綁耗C(jī)內(nèi)進(jìn)行* min的成形過程。選擇了歐米伽形（或帽子形）的加強(qiáng)筋來模擬典型機(jī)身結(jié)構(gòu)；還成形了T形加強(qiáng)筋，但是在一個(gè)熱壓罐工藝中。

飛行器結(jié)構(gòu)中的熱塑性復(fù)合材料經(jīng)過了長(zhǎng)期的審查，因?yàn)檫@一類材料有實(shí)現(xiàn)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。空客和波音在各種零部件上投入了可觀的研究經(jīng)費(fèi)，從尾翼到機(jī)身結(jié)構(gòu)。因此，小的熱塑性復(fù)合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到采用；航空結(jié)構(gòu)正在進(jìn)行量產(chǎn)，包括飛行器地板壁板和飛行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，比如空客幾型飛機(jī)（如A* * 0）的機(jī)翼前緣。進(jìn)一步地，灣流航宇G* * 0飛機(jī)的垂尾是熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

不過還有一個(gè)障礙存留：如何經(jīng)濟(jì)地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結(jié)構(gòu)棗機(jī)翼蒙皮和機(jī)身段，并且擁有可接受的零件孔隙率。

空客集團(tuán)防務(wù)與航天公司支持西班牙的航空實(shí)體開展了一系列相關(guān)技術(shù)研究。西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心（FIDAMC）驗(yàn)證了碳纖維/熱塑性機(jī)翼機(jī)構(gòu)可以通過自動(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(xiàng)目“非熱壓罐復(fù)合材料機(jī)翼”（OUTCOME），最終將進(jìn)行地面試驗(yàn)并試飛一個(gè)熱塑性復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)。

OUTCOME由“潔凈天空2”計(jì)劃支持，該計(jì)劃是歐盟公私合作研究計(jì)劃，總預(yù)算* 0億歐元。“潔凈天空2”的最終目標(biāo)是開發(fā)和驗(yàn)證最大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機(jī)技術(shù)。

二，解決方法問題

使用熱壓成形制造加強(qiáng)筋需要解決幾個(gè)問題，包括層板熔化時(shí)的工作溫度、時(shí)間、加熱速度、傳導(dǎo)時(shí)間，以及冷卻速度。空客在項(xiàng)目中要求的AS* /APC2熱塑性預(yù)浸料，帶來了一些挑戰(zhàn)，包括纖維浸潤(rùn)和預(yù)浸帶厚度的變化。為了使項(xiàng)目中使用的原位手段達(dá)到非常低的孔隙含量，帶必須有一個(gè)統(tǒng)一的纖維/樹脂分布。

FIDAMC開發(fā)了一個(gè)定制的內(nèi)熱式鋼鋪放工裝，尺寸* 00mm** 00mm，由像平臺(tái)的一個(gè)表面及其下面的支撐結(jié)構(gòu)組成，以及一個(gè)10mm深、100mm寬和* 00mm長(zhǎng)的中央縱向埋頭孔“谷”或凹槽。一個(gè)成形的碳纖維/PEEK加強(qiáng)筋可以倒置在凹槽中，平面緣與平面工裝表面平齊。“工裝允許我們?cè)诎疾壑蟹胖靡粋€(gè)固化的熱塑性零件，然后在其上用自動(dòng)化機(jī)床鋪放蒙皮。”熱塑性蒙皮將通過激光加熱頭以一個(gè)擬各向同性的鋪放順序、與加強(qiáng)筋相同的厚度沉積。

最開始，這也存在挑戰(zhàn)：因?yàn)镻EEK材料沒有粘性，它不會(huì)粘在工裝上。“我們不得不給鋪放工裝增加一個(gè)真空系統(tǒng)，以幫助固定第一層。之后是加強(qiáng)筋的緣很難熔化并粘在蒙皮的第一層上。我們測(cè)試了幾種加強(qiáng)筋緣的表面處理方法，包括幾種脫模布。”脫模布不管用，所以最終，使用細(xì)粒磨料手工打磨來使緣能夠與蒙皮鋪層共固化。

ISINTHER項(xiàng)目最終生產(chǎn)了一個(gè)* 00mm** 00mm的全尺寸壁板驗(yàn)證件，帶有兩個(gè)共固化的直歐米伽形加強(qiáng)筋，以及一個(gè)由短加強(qiáng)筋加強(qiáng)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(shè)計(jì)通過交換可互換的模塊，可容納不同尺寸和外形的加強(qiáng)筋，模塊按照許多凹槽尺寸和配置制作。“有了模塊化工裝，我們可以制造由兩類歐米伽形加強(qiáng)筋加強(qiáng)的壁板，甚至是另一種外形的帶一個(gè)嚙合扣的加強(qiáng)件。所有需要改變的就是加強(qiáng)件模塊。”

FIDAMC記錄了其工藝參數(shù)并執(zhí)行了碳纖維/PEEK鋪層成品的拓展試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)時(shí)工藝監(jiān)測(cè)。平面內(nèi)剪切強(qiáng)度（IPSS）標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)按照ASTMD * * * * 方法執(zhí)行，用于評(píng)價(jià)零件固結(jié)度（DOC），并與熱壓罐樣品比較，因?yàn)榧羟袕?qiáng)度是“基體-界面”能中的決定性因素。數(shù)據(jù)顯示零件在基體中的結(jié)晶度是* * %-* * %，無需進(jìn)一步后固化或真空袋/熱壓罐處理。試樣試驗(yàn)顯示了蒙皮和加強(qiáng)筋之間的完全共熔化和材料連續(xù)性。項(xiàng)目還開發(fā)了一個(gè)設(shè)計(jì)許用值數(shù)據(jù)庫。“我們得到了一個(gè)成熟且耐久的共固化制造工藝，通過一個(gè)實(shí)際的飛行器加筋框，以及可接受的孔隙率得到確認(rèn)。隨之得到的知識(shí)將用于最近啟動(dòng)的OUTCOME項(xiàng)目中。”

三，工藝的工業(yè)化

OUTCOME項(xiàng)目已經(jīng)開始。FIDAMC及其合作伙伴想要改進(jìn)工藝并使其規(guī)模化，生產(chǎn)更大的加筋機(jī)翼蒙皮壁板，并將其加到CS2支線飛機(jī)記憶中，在2020年進(jìn)行試飛。項(xiàng)目還要完成幾項(xiàng)額外的任務(wù)，其中有鋪放生產(chǎn)率的持續(xù)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(xiàn)有的MTorres機(jī)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(fù)雜外形的零件。不同的加強(qiáng)筋類型也將使用輥成形甚至熱壓罐固化方法生產(chǎn)。還將針對(duì)加強(qiáng)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(xiàng)目將擴(kuò)展其已經(jīng)研究的修理策略。制造試驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了原位修理的可行性，可能擴(kuò)展到通過一個(gè)可靠的坯料加熱系統(tǒng)和一個(gè)便攜修理技術(shù)而在役使用。“研究其它用于在役修理的粘合技術(shù)很有趣，包括本地加熱系統(tǒng)和熔融粘合技術(shù)、料塊加熱或膠接。”

OUTCOME的目標(biāo)是在原位熱塑性鋪放工藝上達(dá)到技術(shù)成熟度等級(jí)（TRL）* 級(jí)。“對(duì)比熱固性材料，熱塑性材料提供了損傷容限、化學(xué)抗性、無限的車間壽命、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(xù)性。”（中航工業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 劉亞威）