制造飞机结构件的NCF(无卷曲织物)

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制造飞机结构件的NCF(无卷曲织物)

《自动层压和原位层压干碳纤维无纺布的固结高速飞机制造用织物飞机结构部件》

摘要

美国国家航空航天局的高速复合材料飞机制造（HiCAM-Hi-Rate Composites Aircraft Manufacturing）计划满足了市场需求推进结构飞机复合材料制造技术大幅提高生产率。注入先进树脂的干燥、无卷曲织物（NCF-non-crimp fabric）碳材料系统为这些制造需求提供了有前景的解决方案。诺斯罗普·格鲁曼公司自动加强筋成型（ASF-Automated Stiffener Forming）技术已适用于逐层原位成型NCF材料的加工。模块化ASF流程在层压板堆叠，同时允许层压板掉落、层压板添加以及偏航、俯仰和侧倾层压板几何形状。使ASF工艺适用于NCF材料、加热技术和辊子在具有代表性的飞机结构件上设计并测试了压实工艺几何形状。使用NCF材料的ASF工艺的关键成功标准是成形质量和预成型件压实。使用多种NCF材料进行试验：单向直至四轴格式。在ASF过程中对 NCF 成分、面纱、缝合线和粘合剂进行了评估，介绍了ASF工艺中的材料性能和由此产生的预成型件质量。

商用飞机市场增长预测要求下一代飞机的制造率大幅提高到每月至少80架飞机。这一增长率迫使该行业改进和实施飞机结构的新制造方法。制造挑战的一种解决方案是通过干纤维/树脂注入方法制造集成机翼蒙皮、翼梁和机身框架组件。这种方法将要求这些结构零件—Omega和T形长桁、C形梁和Z形框—使用的干燥碳纤维材料在注入前预先成型。这些结构部件的长度各不相同，构成了飞机中大量的结构零件。下一代工厂必须依靠自动化干纤维预成型技术来满足每月80架飞机的需求。诺斯罗普·格鲁曼公司已经调整了他们的自动加强件成型技术，以加工各种碳、干纤维、无卷曲织物（NCF）材料。每种NCF材料都有其独特的结构，ASF工艺必须针对每种NCF量身定制，以制造干式预成型件。评估了NCF结构与ASF工艺的相互作用，以了解每种材料的加工参数，从而制造出固结良好的预成型件。讨论了ASF工艺过程中的材料性能和由此产生的预成型件质量。

1.1自动加强筋成型

诺斯罗普·格鲁曼公司的自动加强件成型（ASF）技术目前正在用于成型和固结树脂注入飞机结构的干纤维加强件预成型件。ASF技术目前用于生产中，用热固性材料制造复合加强件部件。对于热固性预浸料，ASF是一种在生产环境中得到验证的成熟技术。用于干纤维成型的ASF技术目前正在成熟，其目标是展示以高速率（80架飞机/月）制造飞机加强件的能力。ASF工艺利用材料输送头和成型/压实模块逐层自动放置和加固层压板，而不需要中间的压实步骤，从而提高了制造率并降低了成本。ASF工艺的逐层特性使材料与模具几何形状具有出色的一致性和压实性。ASF机器可以形成各种横截面，包括：Omega、T、C和Z。

图1. 用于生产热固性长桁的自动加强筋成型机（ASFM）

ASF工艺可被描述为一种“渐进式辊压成型”方法，用于层压和压实飞机结构零件，如桁条、框和机翼梁。机器将干燥的NCF材料从材料辊直接分配到成型模具上。ASF机器可以分配多种不同面积重量和方向的不同材料格式。随着材料的分配，辊子和其他压实特征紧随其后，将材料成型并压实成零件几何形状。图2是ASF渐进式辊轧成形工艺的概念图。图3显示了压实NCF层压板的渐进成型辊的一种配置。

图2. ASF渐进式辊轧成形概念图

图3. ASF渐进形成NCF Omega长桁

1.2自动成型工艺的NCF材料考虑因素

NCF可以是单层或多层碳纤维堆叠，以各种角度取向，并通过缝合固定在一起。缝合线可以是尼龙或热塑性细线，能够将帘布层固定在一起，便于切割和处理。许多NCF结构包括一种粘合剂，当热激活时，可以进一步稳定层板堆叠。针脚类型、针脚密度和针脚张力对织物符合复杂几何形状的能力起着重要作用。

图4. Saertex四轴NCF结构图

成型和固结速率在很大程度上取决于材料结构。例如，为了将材料固结成坚固的预成型件，必须加热粘合剂和/或面纱以激活并将层粘合在一起。粘合剂和/或面纱材料的活化温度决定了成型过程的热量要求。较厚、较重的材料格式，如四轴NCF（见图4中的示例），其加热速度比单层或双层单向（UD）轻质材料慢。同样，较重的多轴NCF在成型步骤中可能需要更加小心，以避免起皱。多轴NCF的成形速率降低被单层NCF中组合的多个取向的益处所抵消。这导致放置和形成完整层压板堆叠的机器通过次数减少，从而缩短了加强件预成型件的构建时间。

2.实验

2.1 NCF材料

对来自Saertex、赫氏（Hexcel）和帝人（Teijin）的NCF材料进行了评估。这些NCF具有不同的结构，包括：单层UD、双轴、三轴和四轴格式。每个制造商有自己的方法来制造NCF材料。缝线和面纱的材料和重量因产品而异。一些NCF包括轻质树脂粘合剂。这些成分的熔融温度通过ASF驱动每种NCF的加工性能。许多NCF的构造细节是专有的，目前尚未公开。表1显示了评估的NCF材料和每个NCF的一般结构。所有的材料都包括面纱和缝线。帝人NCF和Saertex三轴NCF包含轻质树脂粘合剂。

表1. ASF工艺评估的NCF材料

2.2平板NCF压实试验

对厚度从2.54毫米（0.1英寸）到15.3毫米（0.604英寸）不等的254毫米x 254毫米（10英寸x 10英寸）NCF层压板进行了测试，以确定将层压板固结到净厚度所需的加工参数。将干燥的NCF层压板在一定温度和压力范围内加热并压实，然后测量以确定压实层压板的体积系数。层压板体积系数被用作面板固结质量的指标。该值是通过将测量厚度与理论厚度之间的差值除以理论厚度来计算的百分比。理论厚度是使用层数和制造商提供的固结层厚度（CPT- consolidated ply thickness）计算的。

每个平板在加热的同时被压实，然后冷却到室温以设置面板厚度。试验中的温度范围为23°C（70°F）至180°C（356°F）。面板仅在真空袋下和具有不同夹紧压力的压机中压实。在冷却至室温之前，每个面板都在一定温度下保持一段时间。在压实试验后立即在室温下测量预成型面板的厚度，并在之后定期测量，以确定预成型件是否会随着时间的推移而分解以及分解的程度。

2.3通过ASF预成型NCF桁条

使用实验室ASF设备，将代表生产飞机结构零件的各种加强件几何形状的干纤维预制件与各种NCF材料格式层压在一起。从平板压实试验中确定的加工参数用于自动层压过程。对飞机结构的Omega、T、C和Z横截面几何形状进行了试验。这些结构的长度从1米到17米不等。使用实验室自动加强筋成型机（ASFM-）成型了将加强机翼或机身蒙皮的长桁条预成型件。代表机身框的弯曲部分也由ASFM实验室形成。ASFM实验室用于工艺开发活动。它可以针对不同的长桁几何形状进行配置。成型辊和加热系统可以针对每种长桁几何形状和NCF材料进行修改。为了确保良好的成型质量，在预浸料上验证了每种桁条几何形状的成型辊配置。由于预浸料在室温下会自行粘附，因此成型辊的设计可以与固结NCF材料所需的加热系统分开进行验证。一旦成型辊设计被证明可以成功形成无皱纹层压板，就对NCF材料的加热系统进行了实施、测试和改进。

3.结果

3.1 NCF压实结果

对于每个测试的NCF，加工参数：热和压力是针对每个材料系统确定的。温度和压力都决定了最终零件的厚度。仅通过压力就可以将面板压实到净厚度，但在没有热量的情况下，当压力消除时，面板会分解。当面板被加热到适当的工艺温度，但施加的压力不足时，面板没有达到所需的体积系数。表2显示了平板固结试验的结果，显示了加工压力与所得体积系数之间的关系。图5显示了在特定压力下加工时温度与最终预成型体厚度之间的关系。

表2. NCF层压板的固结试验：恒温、变压

图5. 四元NCF预成型体的固结试验：恒压、变温

发现有必要在从测试装置中移除面板之前冷却固结的面板。如果面板上的压力在高温时释放，它会立即分解。发现温度下的保持时间对面板体积系数几乎没有影响。一旦面板达到加工温度，在该温度下保持一分钟以上并没有显示出面板固结水平的任何改善。发现NCF施工中的方向对固结结果没有影响。

3.2加强件预成型结果

桁条预成型件是使用ASF工艺用NCF材料制造的。虽然每种材料的具体加工参数各不相同，但最终的预成型件都成功成型并压实到最终固化零件厚度的10%以内，没有皱纹。

3.2.1 T型长桁器预成型件

恒定横截面、0.6米（2英尺）长的T形长桁由四轴NCF形成（见图6）。为了制造T型材，先成型两个L型预成型件，然后将它们放在一起形成T型材。在T型材成型到适当的压实水平后，将其移动到超声波修整站，在那里将周边修整到最终的零件尺寸。制造了许多T型长桁预制件，并证明了将复杂的NCF层压板压实到接近净厚度的可行性。这些T型长桁的厚度刚好低于设计的净厚度，平均体积系数为-2%。这些预成型长桁随着时间的推移是稳定的，在数周内没有显示出可测量的脱固。

图6. 四轴NCF制成的T形长桁预制件

3.2.2 C-型梁预成型件和RTM

长1.5米（5英尺）、宽0.3米（12英寸）的C-型梁预成型件是由Saertex、Hexcel和帝人NCF通过ASF工艺形成的。层压板从厚端的近18毫米（0.7英寸）逐渐变细，到薄端的近8毫米（0.3英寸）。四轴和双轴NCF已成功形成并固结至接近净厚度，最终的C型梁预成型演示器的整体固结水平为0.25%体积系数。

图7 . Teijin 双轴 NCF—厚梁层压板上令人印象深刻的零件表面和成型质量

图8. C型梁层压板压实至净厚度为8mm

加固C型梁厚层压板的能力是通过RTM工艺的网状结构的关键使能技术。为了将预成型件装入RTM工艺中使用的封闭模具中，必须严格控制预成型件的体积系数。如果预成型件太厚，模具将难以闭合。在合模过程中，厚的预成型件可能会起皱或损坏模具。太薄的预成型件在RTM过程中可能不会分解，成品零件可能会有树脂富集的区域。预成型质量和固结水平直接影响最终零件的质量。为了验证ASF工艺的压实水平和加工参数，将三个C-型梁预成型件注入RTM工艺的封闭模具中。RTM试验的结果表明，厚C-型梁层压板的理想体积系数在0%至5%之间，这是一个很容易通过ASF实现的固结水平。

图9. C-型梁演示器部分：预成型体用ASF制造，然后在封闭模具中RTM

3.3 NCF材料结构和ASF过程之间的相互作用

以下小节描述了材料在ASF过程中的表现。

3.3.1格式：UD、双轴、三轴、四轴

不同NCF格式之间观察到的最大差异是形成和巩固每一层所需的护理量，而不会在材料中产生皱纹。较轻的面积重量NCF很容易符合桁条轮廓。双轴NCF在ASF工艺下表现出优异的成形性。图10显示了用ASF机器形成和压实的双轴NCF层。材料很好地覆盖在加强筋轮廓上，并且很好地符合零件特征，如半径和凹凸，没有起皱（见图11）。因为每一层在沉积和成型后都是原始的，所以层压板中的每一层后续层也是原始的。这导致了高质量的厚层压预成型件。图11是通过ASF工艺制成的厚度大于17毫米的双轴NCF预成型件的示例。

图10. ASFM在C通道上形成双轴NCF

图11. 帝人双轴 NCF显示出与半径的良好一致性

所测试的三轴NCF也表现出对高轮廓几何形状的优异成形性。这个具有+45/90/-45结构的Saertex三轴NCF被证明非常符合代表性机身框结构的弯曲几何形状。这种NCF结构使纤维能够遵循弯曲的形状而不会起皱。图12显示了框几何形状上双轴NCF的成形质量。

图12. Saertex三轴NCF成型弯曲的Z几何形状

在不弯曲纤维的情况下，具有跟随零件曲率的0°纤维的机身框可能很难形成。因为内翼缘半径比外翼缘半径更紧，所以0°纤维必须相互剪切以符合框曲率。对于宽UD预浸料带，预浸料中的树脂可以防止纤维剪切，并且层不会在没有明显变形的情况下跟随框的曲率。UD NCF的性质允许单个拖缆相互滑动，以遵循框架的半径。0°丝束可以相互剪切的量取决于NCF缝合的紧密程度。松散的缝合将允许更大的牵引剪切。牵引剪切效果见图13。

图13. Saertex UD-240gsm，纱剪切和弯曲框几何形状的合规性

四轴NCF需要格外小心，以避免NCF内的纤维弯曲堆栈。较重的材料也需要仔细加热才能穿透NCF的厚度，并充分软化面纱，将NCF层粘附在层压板中，同时不损坏有效材料处理/放置所需的缝合。

3.3.2缝合和面纱

缝合和面纱的熔融温度会影响成型过程。经研究发现缝合将在材料分配和初始成型步骤期间稳定NCF材料。一旦加热，面纱软化，面纱就会将NCF层粘在一起

使压实的层压板稳定。在成型过程中，如果缝合材料在

如果温度低于面纱材料，缝线可能会在面纱软化之前损坏并稳定了纤维（见图14和图15）。NCF也出现了这种效果用细缝线缝制的材料。发现缝合需要保持完整以稳定NCF，直到面纱可以软化和稳定层压板。缝线损坏时在面纱变软之前，NCF中的纤维会变形。缝线可能损坏要么是由于热量太大，要么是由于成型辊的压力和摩擦。

图14:NCF缝合线在面纱软化前熔化，导致纤维变形

图15：激活面纱前缝线断裂/熔化，导致纤维排列紊乱

发现坚固的缝合材料最适合ASF工艺。结实的缝线固定住了直到软化面纱所需的热量和成型辊的压力。虽然ASF该工艺可以适应精细缝合的NCF，需要格外小心以防止损坏缝合。下图说明了相同工艺参数在NCF具有坚固精细的缝合。图16显示了用NCF制成的预成型件图17显示了用精细缝合制成的预成型件。两个预成型件采用相同的ASF成形参数制造。虽然这两张图片比较当采用相同的成型工艺加工时，不同的缝合方式可能会对预成型件的质量产生影响参数，这并不意味着用精细缝合制成的NCF预成型件的精度较低优质产品。同样，ASF工艺可以针对特定的材料结构进行定制。

图16. 具有坚固NCF缝合和卓越预成型质量的三轴 NCF

图17. 采用与上图相同的工艺参数形成的精细缝合四轴NCF-760gsm

为了制造稳定的预成型体，将其压实到接近净厚度，必须激活面纱将NCF层紧紧地固定在一起。如上所述，需要缝合来稳定在成型过程中，在NCF毯中拖动，直到面纱达到其加工阶段温度使毯子粘在一起。NCF中每个层界面的粘附性堆叠和NCF堆叠之间的连接对于实现接近净厚度的预成型件至关重要。

3.3.3粘合剂

NCF材料包括粉末粘合剂（烧结在界面上的轻质树脂粉粉末NCF制造过程中的表面）的结构被证明与ASF兼容过程。这些NCF需要比没有粘合剂的NCF更低的加工温度材料。活化的粘合剂将NCF层很好地粘合在一起，并保持压实预成型件稳定，提高成型率。另一个好处是，带有粘合剂的NCF材料能够更容易地重新加工。一带有粘合剂的NCF毯可以从层压板上拉出，而不会破坏预成型件。相反，NCF中的面纱一旦被激活，就不允许层压板轻易分离一层一层。当从层压板中去除带有面纱的 NCF 时，预成型件显示出显着的损坏。

4.结论

ASF工艺已成功改进，可加工干碳纤维NCF材料。NCF从单层单向到四轴的不同格式已被用于结构纵梁预成型件压实至接近净厚度。制造了T型和C型预成型件通过ASF流程，展示形成和巩固NCF的自动化能力材料。C-型梁预成型件的成功闭式模具注入验证了ASF成型工艺参数。在高度弯曲的Z形框上形成NCF材料的额外工作几何形状表明ASF工艺对于一大类飞机加强筋是可行的。进一步ASF工艺的开发正在进行中，以提高干纤维的制造率预成型件，以支持未来飞机的高速复合材料制造。

原文标题：《AUTOMATED PLY-BY-PLY LAMINATION AND IN-SITU CONSOLIDATION OF DRY CARBON FIBER NON-CRIMP FABRICS FOR HIGH-RATE AIRCRAFT MANUFACTURING OF STRUCTURAL AIRCRAFT COMPONENTS》

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下面是诺斯罗普·格鲁曼公司研发工程师克里斯·本森（Kris Benson）针对上面文章，做报告时用的PPT（现成中文）。