机身热塑复材角片六步成形

        预固结碳纤维/PPS 和 PEEK 以及自动化热成型   使空客 A350 XWB 机身角片的产量达到六位数。

        第-步： A350 的角片在尺寸和设计上各不相同，  从简单的 L 形到更复杂的形状，  称为“ 自动稳定-auto-stabilized”（上图中上部）。最小的角片，称为“加强角片-cleat”，是典型的稳定元素，安装在其他夹子，以提供局部更高的刚度和结构。

        第二步： 角片由 TenCate 生产的碳/PPS CETEX 预固  结板材和 Toho Tenax 的碳/PEEK Tenax TPCL   预固结板材制成。根据角片的位置和功能，两者都有不同的厚度。

        第三步：全自动夹具工作站包括六个步骤：切割、转移到烘箱、转移到热成型机、成型、转移到修整和检查。三个这样的工作站 现在正在不来梅制造零件。

        第四步： 坯料是在一台高速、平板的专用切割机上  切割的。套裁软件最大限度地减少了浪费，所有的浪费都可以回收。

        第五步：在工作站内的两个红外炉中的一个加热时，对层压板坯料进行特写。两个烤炉使总循环 时间更低；加热步骤是最长的步骤，因此可以在一个坯料成型的同时加热两个坯料。

        第六步：角片被显示为从 125-MT 热成型压力机中的工具自动转移到修剪站。第二个“从属 ”机器人（在前景中可见） 将正确的工具转移到由主机器人从烤箱转移的每个加热坯料之前的压力机上。

        第七步：修剪站切掉预定的边缘，并确保角片的最终轮廓和形状是正确的。

        第八步：在最后一步中， 使用相控阵脉冲回波超声波  设备对所有零件进行检查。将零件浸入水箱  中，并在检查后用 RFID 标签进行标记，以便进行无纸化跟踪。

        未来的技术开发计划包括研究局部加热和成型策略， 以提高生产效率。Premium Aerotec 也在研究优化设  计，该设计将结合单向碳纤维/热塑性胶带（右下），以获得更高的性能。

        如今， 飞机制造商面临的现实是， 交付给航空公司 和货运客户的每一款新一代商用飞机都必须比之前的 飞机更轻、更高效。对更高效率的需求导致波音公司（美 国伊利诺伊州芝加哥） 的 787 梦想客机和空中客车公司 （德国汉堡和法国图卢兹） 的 A350 XWB 采用了复合机 身。鉴于这两款飞机的成功推出，每个制造商现在都面 临着大量积压的订单，而波音和空客价值链中的所有供 应商都面临着开发高效、自动化复合材料生产以跟上不

断加快的生产速度的压力。

        波音公司为 787 选择了一体式机身筒， 但空客公司    用四个大外壳或壁板包围了 A350  的五个主要机身部分： 两个侧板、一个上壁板和一个下壁板。每个壁板都由内    部框和长桁系统支撑。长桁直接连接到蒙皮上，但一系列称为“ 角片 ” 的零件将框连接到蒙皮上。

        Premium Aerotec （德国不来梅）   负责运营部件测试的安杰洛斯·米阿里斯（Angelos Miaris）博士表示：“我们负责为飞机的不同部件设计和制造 3000 多个角片。”。 作为空客的子公司和零件供应商，Premium Aerotec 很早    就意识到，其在飞机上巨大的角片零件数量中所占的份    额需要非常短的制造周期时间、低劳动力需求和很大的    灵活性。他说， 由于这些原因，   热塑性基体复合材料是显而易见的材料选择， 再加上自动化的热成型工艺。

     “我们于 2005  年在德国不来梅开始生产热塑性复合材 料零件，  ”该公司负责热塑性技术的克劳斯·埃德尔曼 （Klaus Edelmann） 博士说。   “2007 年，我们生产了 50 个零件。去年我们生产了超过  150000  个零件。 ” 事实 上， Premium Aerotec Bremen（不来梅高级航空技术公司）是 A350  项目中主要的风险分担一级供应商合作伙伴， 也 是热塑性塑料制造的“ 能力中心 ” 。在 A350 项目中， 该公司负责包括机身部分  13/14（侧面、上下壳体、地 板格栅和组件） 和机身部分 16-18（侧面壳体、地板网格 和压力舱壁） 的工作包， 包括组装所需的所有角片。这 些角片经过了广泛的测试活动，  以确保它们符合空客公 司的要求， 并且已经在交付给客户的第一架 A350 XWB上飞行。

         角片和更多角片

        根据米阿里斯的说法，   角片可分为四大类： L  形、 加强角片、自动稳定和特殊（参阅图片的第一步） 。 角  片类型的尺寸范围从大约 100 毫米到 800 毫米长（特殊  角片是最长的） ，从 30 毫米到大约 400 毫米宽。他解释  说， 作为最小的零件， 角片被认为是稳定元件—— 它们  安装在其他角片上， 在某些连接位置提供局部更高的刚度。

        为了满足性能要求，Premium Aerotec 的设计工程师 在聚苯硫醚（PPS）或聚醚醚酮（PEEK）树脂基体中指 定了中等模量碳纤维。所选材料是由  TenCate  制造的 PPS-CETEX 半成品预固结热塑性板材，用 Toray 的 T300碳制成的编织碳纤维织物增强。所使用的碳纤维/PEEK材料是预固结的 Tenax TPCL 层压板，也基于编织织物， 由 Toho Tenax 制造。板材具有准各向同性叠层，  并根据 该区域的连接位置和机身载荷条件提供不同的厚度， 范 围从 1 毫米到 5 毫米，  或 5  到 14  织物层。  米阿里斯解 释道： “ 角片的设计经过优化，重量尽可能轻。” 。“我 们在机身内的不同载荷情况下使用不同的材料厚度， 以尽量减轻重量。 ”

        埃德尔曼补充道， 更高强度的 Tenax 碳纤维/PEEK 被指定用于机身区域的角片，这些区域将承受更高的载

荷，通常是在开口周围，如货舱门和乘客门。

        Premium Aerotec  设计并开发了一种自动热成型生    产工作站， 以满足生产需求。  米阿里斯解释说，   该工作    站 包 含 两 个 机 器 人 —   一 个是 “ 主 ” ， 第 二 个 是    “ 从 ”—  由一个复杂的专有计算机过程控制系统驱动， 该系统能够根据预测的飞机装配需求计算工作流程和速率，以便及时交付零件。

     “这个工作站具有高度的自动化， ”他说。“我们牢   记高速制造的原则，使工作流程顺畅、快速、无纸化。” 他补充道，为了满足空客公司日益增长的产量（到 2017   年将达到每月 13 台），在过去六个月内，Premium Aerotec又增加了两个相同设计的工作站。

        每个工作站包括六个步骤或功能：

               w 在高速自动切割台上将热塑性板材切割成 坯料

               w 机器人将坯料转移到两个红外烘箱中的 一 个用于聚合物熔融（因为 PEEK 和 PPS  需 要不同的熔融温                     度）

               w 机器人将加热过的坯料从红外炉转移到压力机中的热成型工具中

               w 在热成型机中成型

               w 机器人将成型角片转移到修剪站进行边缘修剪（在某些情况下还可以钻孔）

               w 超声波检查和零件编号标记

        主六轴机器人大约每 20  秒工作四个位置：  将坯料 从切割台移到烤箱，从烤箱中取出加热的坯料，将加热 的坯料移到压机， 并将成型夹从压机移到修剪站。从属 机器人的作用是根据所需角片的类型， 在压力机中快速 更换和定位正确的成型工具。 米阿里斯说， 该工作站以 “ 工单 ”或批量为基础生产角片零件， 每个订单生产不 同的角片：“ 对于特定的批量，  我们可能需要 150 个同样角片，而另一种角片只需要 2 个。 ”

        埃德尔曼指出， 使用两个烤箱的循环时间更短， 因 为熔化过程是系统中最耗时的任务。因此， 当第三个零

件被移到压力机上时， 两个零件总是在烘箱中。

        毛坯切割在高速、自动化的平板切割台上进行。强 大的铣削工具切割预固结板材， 自动切割系统的软件嵌 套坯料形状， 以实现最大效率和最小浪费。废弃的嵌套 “骨架-skeletons ”或剩余的切割废料被收集起来进行回收

（如下所述）。

        当机器人将坯料从切割台移到烤箱时， 它会立即将 已经加热的坯料从第二个烤箱转移到冲压工具上： 埃德 尔曼解释道： “如果材料类型发生变化，  两个烤箱的设计允许不同的温度，   并有助于保持循环速度。 ”。

        同时， 从机器人确保将正确的成型工具放置在 125- MT 热成型压力机中加热坯料之前。成型工具由钢或铝 制成， 具体取决于零件，由 Premium Aerotec 为每种角片 类型在内部设计， 工装由供应商在外制造。  埃德尔曼补 充道， 考虑到大量的角片设计和尺寸， 换刀操作至关重要。

        主机器人从压机上取下成型的角片，并将其转移到 修剪站。  米阿里斯解释说， 多层热塑性材料的加热和成

型会导致多层在平面内相对滑动，类似于弯曲装订好的书。他解释说， 这种“ 书本效应 ”和由此产生的尖锐阶    梯形零件边缘是不可接受的， 因为它会导致尺寸不准确， 并可能干扰正确的组装。因此，在修剪站使用铣刀对边    缘进行修剪， 以获得垂直于加强层的干净边缘，从而获得最终轮廓。

        最后一步是使用来自欧洲供应商的相控阵脉冲回 波超声波设备对所有零件进行检查。半自动测试包括将 零件浸入水箱中进行 C 扫描测试，  但米阿里斯表示， 使 用手持扫描传感器手动检查一些更复杂的带有折弯的 角片。经过测试的零件都标有识别射频识别（RFID-radio frequency identification）标签， 以便在整个机身组装过程中 实现无纸化跟踪。  埃德尔曼报告称，零件仅需  85  秒就能循环通过各个工位。

        持续改进

        尽管现有的三个工作站仍在继续批量生产角片，但  Premium Aerotec 已经确定了可以改进的地方。该公司正  在验证和鉴定新技术： 米阿里斯断言： “ 我们有一个很  好的流程，但这并不意味着热塑性基体的所有性能目前  都得到了最大限度的利用。 ” 。 角片可以更轻、更薄、更快。

        该公司已经建立了一个原型演示工作站，以研究角  片的局部加热和成形—— 也就是说，不是在热成形之前  加热整个坯料， 而是只在需要改变形状的地方加热坯料  的一部分。 米阿里斯解释道： “ 加热整个坯料并成型， 对于小型复杂零件来说效果很好，但对于只具有局部成  型特征的大型平面零件（如 L 形夹） 的生产来说， 效率非常低。  ”。

        局部成型需要一个专门设计的红外炉， 只加热坯料的指定区域；机器人处理部分软化的坯料； 以及具有定

位特征的成形工具和压力机， 所述定位特征能够正确地定位加热区域以进行成形。这一概念已经得到了广泛的

试验，并使用碳纤维/PEEK 和碳纤维/PPS 坯料对零件进行了测试。 米阿里斯补充道： “局部成型零件的机械

测试表明，机械性能符合设计要求。差示扫描量热法（DSC-differential scanning calorimetry） 测试证明，加热和成型区域的树脂结晶度与零件其余部分的结晶度没有偏差。  ”空中客车公司正在进行额外的鉴定。

        在某些情况下， 角片需要连接一个钛垫片， 以获得 额外的紧固件强度。  埃德尔曼解释说，  目前， 钛片是用粘合剂手动粘合到夹子上的， 这减缓了整个生产过程。米阿里斯说： “ 我们希望减少劳动力需求，   开发一种更  具成本效益的焊接技术。 ”。目前正在研究两种方法： 超声波焊接和感应焊接。测试表明，更快的超声波焊接  工艺将两种材料固定在一起， 其强度足以承受在车间工  位之间搬运、钻孔和组装， 而不会损坏任何一种材料。但这一过程的资格还悬而未决。

        最后， Premium Aerotec 正在研究替代增强形式，特  别是单向带，以取代编织碳/热塑性板材。该公司正与研  究合作伙伴 Fraunhofer ICT（德国普芬茨塔尔）合作， 设  计一种自动方法，  为特定角片制作定制铺放 。米阿里斯  解释道： “ 这将使我们能够以不受限制的方式优化堆叠  顺序和铺层方向，以获得最大的设计灵活性。   ” 。 Fraunhofer 正在开发一种热塑性单带预成型序列，该序  列采用 Dieffenbacher（德国 Eppingen）的 Relay  自动移  动工作台叠层技术，该技术最初由现已倒闭的 Fiberforge  开发， 用于制造扁平预成型件。然后可以在热成型工作  站中对预成型坯件进行冲压成型。米阿里斯和埃德尔曼  表示， 对高复杂度的冲压单带演示器零件的测试表明， 它们远远超过了使用碳纤维增强半成品板材的性能， 该  板材具有更大的纤维体积分数（60%，高于 55%）和小于 0.1%的空隙率。

         可持续生产

        热塑性复合材料还为飞机结构带来了可回收性的  额外前景。Premium Aerotec 正在测试如何在长纤维热塑  性塑料成型过程中重复使用坯料切割过程产生的废料。 在一次测试中， 将废料切碎，  然后锤磨，  在挤出机中用  纯 PPS 处理得到的切屑。将得到的化合物压制成角片形  状并进行测试。模制角片的弯曲强度表明它保持了原始  碳/PPS 片材强度的 85%。尽管没有透露再利用的细节，   但 Premum Aerotec 表示，有希望的机械测试结果可能会导致二次工艺的开发。

        米阿里斯总结道： “挑战在于进一步扩大热塑性塑  料在航空航天行业的使用。 ” 。“ 为了实现这一目标， 需要新技术。”热塑性复合材料零件无疑为飞机生产提  供了有吸引力的选择，空客公司已经证明了几年— 从  A380  上的热塑性机翼结构开始— 它愿意以许多新的、  有趣的方式应用这些材料。Premium Aerotec 设想的持续  创新似乎有望在未来许多年内提高热塑性复合材料的应用。

------  完  ------

                        参见原文，《 Thermoplastic composites “clip” time, labor on small but crucial parts  》                                                 2015.4.30

杨超凡    2024.2.2