热塑复材的来龙去脉2-第一篇-1
本文摘要：（由ai生成）
这篇文章主要介绍了 ISC TPC 结构的发展历程，以及热塑性复合材料在航空航天领域的应用与发展。20 世纪 80 年代，Fokker Aerostructures 等公司开始与 TenCate/TAC 合作，开发了用于 A330/A340 和 A380 的“J-nose ”机翼前缘的玻璃纤维/PPS 技术。21 世纪初，Fokker、TenCate 和 NLR 在热塑性结构制造方面积累了丰富的经验。欧洲有一个 TPC 发展路线图，目前这些项目正在向 Clean Sky 2 的全尺寸机身演示过渡。文章还介绍了一些 TPC 相关项目。
在这个由两篇文章组成的系列文章的第一篇中， CW 探索了 ISC TPC 结构的历史， 纪念了为这一步技 术奠定基础的近四十年的发展。
早期原位
TPC 航空结构的开发始于 20 世纪 80 年代的荷 兰。 Fokker Aerostructures（Hoogeveen）和 Fokker Technologies（Papendrecht）——现在都是 GKN Aerospace（Redditch ，UK）的一部分——开始与材料 供应商 TenCate，现在是 Toray Advanced Composites（TAC，Nijverdal，Netherlands） 合作， “ 为A330/A340 和 A380 设计了“J-nose ”机翼前缘， ”荷 兰航空航天中心（NLR，Amsterdam）结构技术部的复 合材料高级科学家亨利 · 德 · 弗里斯（ Henri de Vries ） 回 忆道。作为一家支持荷兰航空航天业的研究机构，NLR 开始与福克和 TenCate/TAC 合作，现在被吹捧为 航空业 TPC 知识的伟大宝库之 一。
德 · 弗里斯继续说道： “1986 年， 我们有一台高 温热压罐 ，Fokker 有冲压成型和电阻焊接设施，TenCate 有能力制造平板。 ” 。玻璃纤维/PPS“ J-nose ”机翼前缘技术是利用模压肋和热压罐固化蒙皮 开发的。虽然这些不是 ISC 结构， 但它们是第一批飞 行的 TPC 结构，并率先使用了电阻焊，德弗里斯说， 这一工艺“在当时是独一无二的 ”
在大西洋彼岸，Automated Dynamics （美国纽约州 尼斯卡尤纳，现为瑞典特雷堡特雷堡集团的一部分）于 1985-86 年开始了其第一个 TPC 项目。自动化动力 公司总裁 Robert Langone 表示：“ 这是一笔由美国陆 军资助的小型企业创新研究拨款， 用于开发直升机主旋翼桨叶翼梁。 ” 。“原位固结从一开始就是一个焦 点。 ”使用热氮气炬将热塑性塑料加热到其熔融温度。几年后，该公司开发了一种用于压实的加热压实 机。当它从帝国化学工业（ICI） 复合材料公司（Imperial Chemical Industries ，ICI） 获得人员和技术 时，质量进一步提高。帝国化学工业复合材料公司是 Victrex（Cleveleys，Lancasthire，英国）聚醚醚酮（PEEK）的原始开发商，也被称为单向（UD）胶带 预浸料形式的 APC-2， 这种材料至今仍在使用。
朗戈内（Langone） 指出：“ 我们成立的目的是销售 机械，但到了 20 世纪 90 年代初， 我们每天都在生产 现场固结的圆柱形零件。 ” 。 1994 年，AutomatedDynamics 将其第一个基于关节臂的 ISC 工作站出售给 美国航空航天局兰利研究中心（美国弗吉尼亚州汉普 顿），到 20 世纪 90 年代末，该公司已完全投入到石 油和天然气行业 ISC 零件的工业生产中。其中包括天 线屏蔽、测井套管、塞子、管道、压力容器等，由玻 璃、芳纶和/或碳纤维（CF）和一系列基质材料制成， 包括 PEEK、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等。
德 · 弗里斯指出， Accudyne Systems 股份有限公司 （美国纽瓦克）也是 ISC 的先驱，“ 第一个表征工艺窗口并开发出柔性压头，以在材料冷却时保持材料上 的压力。 ”这一点很重要，因为 PEEK、聚醚酮酮（PEKK）和 PPS 作为半晶体聚合物，开发出晶格结 构，在冷却时赋予它们显著的机械性能和耐化学性。 和自动化动力学一样，Accudyne 的第一项工作依赖于 热气炬和加热鞋。
Accudyne 在 CF/PEEK 圆柱体中实现了热压 罐级别的性能，最大的圆柱体（如图所示） 直径为 152 厘米。
Accudyne Systems 销售和营销副总裁迈克 · 斯穆特 （Mike Smoot） 表示： “ 人们几乎可以说， Accudyne 围绕原位整合 TP 零件的工作始于杜邦。 ”。在 20 世 纪 80 年代和 90 年代，Accudyne 的几名员工是杜邦先 进材料集团的一员。 “在那段时间里， ”他继续说道，“ 我们开发了一种热塑性塑料铺放头， 并将其放 置在标准的细丝缠绕机上。红外灯加热进入的丝束， 热靴将材料引导到零件上，热气炬加热沉积区域，冷 却的压辊冷却熔融的聚合物。非接触式红外传感器测 量进入丝束和沉积区域的温度， 相应地调整热装置， 使其保持在所需的 PEEK 或 PEKK 工艺规范范围内。 ”
杜邦公司的工作使其参与了 20 世纪 90 年代初的国防高级研究计划局（DARPA）项目，该项目使用IM7 碳纤维/ACP-2 UD 胶带建造直径 610 毫米（24 英 寸）、厚度 16 毫米（0.629 英寸）的环肋圆柱。 斯穆特 说，当在 5500 磅/平方英寸的水下测试时， ISC 圆柱体 的孔隙率小于 1%，并且在其设计载荷的 3%以内失效。这一成功为各种零件开辟了其他开发机会，包括 用于化学处理的环和轴承、声纳外壳、手持式火箭发 射管、直升机俯仰连杆和用于高速永磁转子的密封环。
从 1998 年到 2012 年，Accudyne 在开发一种原位 层压机方面做了大量工作，该机可以处理 76 毫米（3 英寸）宽的胶带或 6.35 毫米（0.25 英寸）丝束的 12 个 端部。最初的工作集中在简单的平板上，但最终产生了一个能够生产具有轻微弯曲、衬垫、脱落、钛蜂窝 芯和 TPC 加劲肋的面板的适形封头。
斯穆特说： “ 这些是基于龙门架的系统，使用热 靴、热辊、红外线灯、气炬和冷冻辊来处理热塑性胶 带，并将其自动放置在 1 米乘 1 米的旋转台上。 ”。“Accudyne 为 Fiberforge 的第一台 RELAY 机器生产了 一个类似的旋转台， 可以将胶带放置在任何必要的角 度。 ”现已倒闭的 Fiberforger（Glenwood Springs，CO ，US） 将其 RELAY 技术出售给 Dieffenbacher（Eppingen， Germany）。Accudyne 使用现场层压机制 造了数百块面板，并通过开孔压缩（OHC- open hole compression）、 短梁剪切（SBS- short beam shear）和许多其他 测试对层压板进行了表征，实现了 89-95%的热压罐复 合材料性能。 斯穆特指出：“ 头部可以以 3.05 米/分钟 的速度原位层压 CF/PEEK 面板， 空隙率小于 2%，但 很难达到 1%以下的空隙率，部分原因是进入的材料空 隙率高达 20%，表面粗糙，限制了配合层的紧密接触。 ”
推进航空结构的固结
到 21 世纪初， Fokker 、TenCate 和 NLR 在热塑性 结构制造方面积累了丰富的经验， KVE 复合材料集团 （荷兰 Den Haag）开创了感应和电阻焊接的先河。NLR 不仅对从聚酰胺（PA）到聚醚酰亚胺（PEI）、 PPS 、PEEK 和 PEKK 的各种热塑性塑料进行了表征， 还研究了结晶度对机械性能的影响，并专注于自动化 加工，包括焊接和 ISC 技术。
德 · 弗里斯解释道： “ 我们从自动化动力学气体 炬加热机器开始，但后来用科里奥利系统取代了它，因为我们看到了激光加热的好处， 也看到了在单机中 使用红外加热的潜力。 ” 。科里奥利复合材料公司（法国魁北克）于 2000 年开始生产 AFP 系统。科里奥 利首席技术官兼董事亚历山大 · 哈姆林（ Alexandre ）Hamlyn 表示：“ 从一开始，我们所有的机器都是为处理 热塑性、热固性或干纤维材料而开发的。 ”。
NLR 在 ISC 方面更深入的工作包括如何压缩材 料，“ 以及如何在双曲面上压缩材料，这非常复杂， ”他补充道。 “ 我们还研究了激光光学。我们开 发了一个计算机模型， 来观察从筒子架到铺设材料完 全固结的激光加热过程。我们与科里奥利合作完善了这一过程和设备。 ” 德 · 弗里斯指出，“加热循环很复杂，因为你必须在不燃烧材料的情况下快速处 理。 ”
哈姆林指出：“空中客车公司确实是开发原位固 结热塑性塑料技术的主要力量。”。“它在法国、西 班牙、德国和英国有许多有竞争力的项目， 也在与荷 兰的 NLR 合作。 ” 然而，空客在 TPC 材料自动铺设方 面的研发始于法国， 由该公司位于 Suresnes 的首席技术办公室（CTO）领导。空中客车公司（HO） 创新与 发展、制造技术复合材料（法国南特）负责人西里尔 · 科拉特（Cyrille Collart） 回忆道：“ 我们与科里奥利 合作，将机器人 AFP 开发成 FlashTP 机器的工业解决 方案。 ”。他指出， Flash TP 机器仍在空中客车公司的 TPC 开发中使用，安装在技术园区EMC2，这是一个 研究和技术转让中心， 毗邻 Cetim 和位于南特的空中客车公司生产设施。
追求大型初级结构
欧洲有一个 TPC 发展路线图，由空中客车公司和 各种国家航空航天联盟支持，例如荷兰的 TAPAS1、TAPAS2 和法国的民航研究委员会（CORAC）“ 投资 未来 ”计划，以及德国、奥地利和西班牙的计划。这些计划与更大的泛欧合作相协调， 并为其提供支持，特别是清洁天空（2008-2016 年）和清洁天空 2（2017- 2021 年）， 这是欧盟委员会地平线 2020 计划（2014-2021 年）的一部分。请注意，这些是公共/私人合作（PPP） 计划，旨在实现多种复合材料和金属技术的技 术准备水平（TRL） 6， 并最终降低未来飞机生产的选 择。它们还涉及欧洲几乎所有主要的航空结构供应商。
在展示了尺寸和复杂性越来越大的联合加固 TPC 蒙皮桁条结构后，这些项目现在正在向 Clean Sky 2 的 全尺寸机身演示过渡。多功能机身演示器特别有趣，其特点是不对称的半机身设计， 将于 2020 年使用热塑 性复合材料制造。目标是将客舱、货物和飞机系统与 机身集成， 以减少重量和制造成本，同时增加乘客和货物的空间。
截至 2018 年欧洲热塑性复合材料发展路线图。
总的来说， 法国和荷兰的 TPC 开发采用了两步走 的方法， 而西班牙则倾向于采用一步 ISC。关于这些项 目、项目参与者和结果的全部细节，可以在题为“ 热塑 性复合材料示 威者——欧盟未来机身路线图 ” 的副刊 中阅读.
INSCAPE——原位制造的碳/热塑性弯曲加筋板— —由空中客车 DS （西班牙马德里国防与航天局） 与 FIDAMC 从 Clean Sky 1 继续开发，并将提供给 Clean Sky2 机身集成技术演示器（ITD）。项目合作伙伴和复合材 料航空结构供应商 FACC（Riedim Innkreis，奥地利） 的 研发总监雷内 · 亚当（Rene Adam） 解释道：“ 空客 DS 提出的弯曲结构试图展示处理加筋板弯曲和锥形的制 造能力。”。他指出，INSCAPE 的方法在桁条蒙皮安装 和激光加热的一步 AFP 原位固结过程方面与 FIDAMC 的方法相似（图 2）。雷内 ·亚当说：“ 它补充了 FIDAMC 在 OUTCOME 项目中为半平面机翼面板安装的龙门架 AFP 。 ” 。 “INSCAPE 通过更灵活的 Kuka 机械臂和不 同的桁条制造工艺， 以及不同的材料供应商和更快的铺 放速度， 解决了更高的曲率和锥度问题。 ”他补充道， 这种类型的结构可以用于发动机短舱、机身门或机身的尾锥部分，也可以用于更高曲率的结构，如前缘、挂架、 襟翼或其他活动物。
STELIA Aerospace（法国图卢兹）在 2017 年巴黎航 展上展示了一款 TPC 机身演示机，该演示机采用焊接 桁条和框架以及集成到蒙皮中的雷击保护（LSP-lightning strike protection ）。
经过前十年的多次小规模演示，Automated Dynamics 于 2012 年开发了全尺寸、整体加固、原位加固的热 塑性直升机机身。
Automated Dynamics 也在 AFP 期间集成了 LSP 专 利，但它在 2012 年为直升机客户生产的全尺寸、整体 加固的 CF/PEEK 机身使用了一步ISC，而不是STELIA 的两步冲压和焊接方法。 朗戈内指出，Automated Dynamics 早在 10 年前就完成了亚尺度强化 机身演示。他说：“ 长期以来， 原位整合的航空航天零件一直是我们的重点，我们有许多处于示范水平。 ” 。“ 其中包括传动轴、地板、机身结构和控制 表面，所有这些都是现场生产的。在我们努力实现常 规生产的过程中，我们的零件处于不同的验证和合格 阶段。”
