复材机翼制造工艺(简介)

空客“明日之翼”研发项目， 是为制造复合材料机 翼的“新 A320”开展的预研工作。

飞机上的每个机翼都有两个机翼蒙皮，一个下表面， 一个上表面， 为飞机提供最大的空气动力学表面。每个    蒙皮的内表面包括一系列平行的桁条，这些桁条从根部    延伸到尖端并提供结构支撑。桁条最好与蒙皮共同固化， 但也可以机械固定。蒙皮和桁条围绕并连接到翼肋和前    后梁，前梁和后梁也连接到翼肋并沿机翼长度延伸。翼    梁是机翼的主要结构构件， 当飞机在地面上时，翼梁承    受飞行载荷并支撑机翼。

现有民机复材机翼制造方法：

1.    A350 、 787 、 777X：

   蒙皮、梁是用预浸料→通过自动铺丝或铺带→在热压罐中固化。

2.  俄罗斯 MC-21：

   蒙皮、梁是用干无捻纱带→ 通过自动铺丝真空辅助液体树脂灌注 高温炉中固化。

3. 空客 A220：

   蒙皮、梁碳纤维无卷曲织物（NCF-）铺放蒙 皮、梁→真空辅助液体树脂灌注→ 热压罐 中固化。

以上三种工艺中，预浸料需要在底温下运输、保管， 而且还有寿命限制。热压罐制造成本高、进罐固化时间  长、使用时耗能高。自动铺丝或铺带， 工序时间比铺放  无卷曲织物（NCF） 长。 真空辅助液体树脂灌注， 也是  一个工序时间长的工艺。

针对上述分析，“明日之翼”采用碳纤维无卷曲织 物（NCF-non-crimp-fabric） 铺放蒙皮、梁→树脂传递模塑 （RTM- resin transfer molding） 高温度炉固化的工艺制。它 保留了液体树脂灌注的优点。如不用热压罐（OOA） 固 化 ，共同固化蒙皮和桁条、接近净形状的制造。为 了满 足高速经济制造的潜力（每月  70-100 台），创新使用智 能树脂注入系统（IRIS-Intelligent Resin Infusion System）。

“ 明日之翼“ 创新、关键制造工艺

下翼蒙皮的大致形状和尺寸。表皮的最大弦长  3.3 米，尖端宽 1.1 米。蒙皮层压板的厚度在尖端附近测量 为  5  毫米， 在蒙皮与主起落架配件的界面处测量为  30毫米。

碳纤维无卷曲织物（NCF-noncrimp fabrics） 铺放

蒙皮

蒙皮铺放将使用超高速率沉积工作站 （UHRDC- Ultra High Rate Deposition Cell）进行，这是一种基于龙门架的机 器人系统。该 UHRDC 将部署两个材料处理系统， 用于 将 NCF  织物装载到蒙皮工具中。第一个系统，称之为 FibreFORM， 由密集的吸盘阵列组成， 吸盘阵列将拾取 和放置切割的 NCF 裁片。第二个系统称为 FibreROLL， 将特长 NCF  裁片层滚动到滚筒上，然后将其展开到工 具上。

设备将能够铺放宽度达 5 米的 NCF。它有一个自动帘布层修剪器作为工作站的一部分，并有一个干纤维放 置头。 ”

机翼蒙皮的干增强材料由帝人（Teijin  ） 提供，源  自该供应商的中模量 24k 丝束碳纤维系列。纤维形式包  括单向（UD）织物以及双轴和三轴非卷曲织物（NCF）。  还包括玻璃纤维补片， 用于钻孔撕裂和防止电偶腐蚀。

智能树脂注入系统（IRIS-Intelligent Resin Infusion System）

机翼蒙皮将使用智能树脂注入系统（IRIS-Intelligent   Resin Infusion System） 的技术生产，该系统包括专用工具、   自动材料沉积、集成桁条成型和严格控制的工艺温度。 该系统的核心是位于模具表面附近的嵌入式工具加热  技术，该技术使用位于模具表面的低压电阻加热来提供快速而精确的温度控制。加热水平是通过控制和调节功 率输入来实现的。碳纤维工具包括一个内模线(IML)加 热盖以及一个半柔性、可重复使用的真空袋。

桁条用的帝人（Teijin）  NCF 增强材料，桁条将通 过开发的定制连续桁条成型机制造。桁条成型机将能够 生产具有不同厚度、曲率和角度的桁条。

机翼蒙皮选用的树脂系统是索尔维（Solvay）公司的单组分环氧树脂系统。树脂将通过“ 多个 ” 注入点输送 到干燥的增强材料中，这些注入点经过精心选择， 以最 大限度地提高注入速度和润湿性。如前所述，该结构将 用一个半柔性、可重复使用的袋子进行真空装袋，上面 覆盖着一个巨大的加热盖。

后梁制造中NCF 铺放的问题

可以说， 机翼中没有一个结构像梁那样复杂和难 以制造。 梁是一个长的 C 形结构， 贯穿机翼的长度， 从根部到顶部。通常有两个梁， 一个位于前缘，另 一 个位于后缘。它们连接在机翼蒙皮、翼肋、起落架结 构和襟翼上，旨在承受作用在机翼上的气动力产生的 弯曲载荷。 梁几乎总是呈锥形的——机翼根部越来越 厚，尖端越来越窄。此外， 梁必须遵循翼盒的轮廓， 有两个角度变化——或“ 扭结”——以适应机翼的后掠。

为了适应上述复杂的几何形状， GKN 使用设计换 制造的方法， 成功地解决了 NCF 在铺放中， 不需要切 割和褶裥（darts）， 但仍能避免织物起皱。

编后语

现代民机机翼用复合材料制造， 已是人们的共识 。 时至今日，仅看到欧洲在 Clean Sky 2 OUTCOME   （OUT of autoclave COMpositE wing） 项目 中，使用 PEEK 热塑复材制造支线飞机机翼的报道。 除此而外全是使用热固环氧复材制造机翼。估计商飞C929 机翼的壁板、梁， 要用热固环氧复材制造。 本文提纲挈领地总结出， 不同民机复材机翼制造工艺，供关注 C929 项 目 的同仁参考。

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杨超凡      2024.6.2