热塑复材的来龙去脉3-第二篇-2
本文摘要：（由ai生成）
这篇文章主要讨论了原位固结（ISC）和两步流程在热塑性复合材料（TPC）航空结构制造中的应用。ISC 已在气缸、储罐和管道应用中取得成功，但在制造复杂形状的 TPC 零件时面临挑战。相比之下，两步流程包括热压罐和非热压罐工艺，虽然速度较慢，但可以达到所需的空隙率。尽管使用高压釜进行两步固结简化了认证，但它会损害零件的整体经济性。一些专家认为，ISC 可以在机身铺放中进行商业论证，而另一些专家则认为需要更高的原位整合速度。尽管 ISC TPC 材料和加工仍需要大量的开发工作，但该机器技术已经非常成熟。
一步流程还是两步流程？
尽管大型 ISC TPC 零件显然是可能的，但 GKN Aerospace（英国 Redditch）Fokker 业务（荷兰 Papendrecht 和 Hoogeveen）的航空结构研发主管阿恩特 · 奥夫林加 （ArntOffringa）认为，“原位固结的挑战是实现高铺设 速度。 ”ISC 在气缸、储罐和管道应用中取得了成功， 部分原因是其几何形状适合一步加工。他解释道：“ 对 于管状形状，可以获得高速度， 因为在铺层过程中可以 对纤维施加张力。 ”。
NLR 的德弗里斯补充道，“Automated Dynamics 很 早就在圆柱体中实现了这一点， 因为在每 45° 和 90° 的帘布层上， 它就像一个环箍， 施加环箍应力， 防止固 结，同时缓解热应力。 ”
福克是唯一一家拥有 TPC 机身零件在生产飞机上 飞行的一级供应商，但这些零件是用热压罐或压力机制 造的。奥夫林加、德弗里斯以及 TPC 初级结构开发中的 大多数荷兰和法国合作伙伴都是航空结构特遣队的 一 部分，该特遣队更喜欢非圆柱形 TPC 零件的两步工艺。
当开发 TPC 结构的一个经常被引用的驱动因素是 比当前热固性材料更快的循环时间时，为什么要使用热压罐？ 德弗里斯说： “ 因为在 AFP 中平衡速度和质量 仍然相当困难。 ” 。“ 你走得越快， 你的质量就越差， 但零件就越便宜。 ” 因此， 第二个热压罐步骤可以让你 达到快速 AFP 速度，同时仍然满足所需的空隙率。
“我们正在开发一套加工技术， 包括热压罐和非热压 罐，”奥夫林加说。尽管热压罐和热压同时施加热量和 压力，但奥夫林加将更快、更简单的压制选项与热压罐 替代品进行了分类。“ 基本上， 冲压成型是一种非热压 罐工艺。我们正在朝着更复杂、更大的结构迈出这一领 域的下一步。同时， 热压罐工艺也有一席之地， 尤其是 对于具有集成设计功能的大型、强弯曲产品。选择哪种 工艺取决于几个因素，如成型率、零件尺寸和零件复杂 性。 ”
哈姆林强调，两步 TPC 的第二步不像热固性复合 材料那样繁琐、昂贵和耗时。尽管仍然需要真空装袋， 并且必须在真空下留出足够的时间，将初级结构的孔隙 率降低到<2%的要求，但“ 时间不如热固性结构的时间 多， ”他说。“ 今天， 你要花 4-8 个小时加热一个巨大的工具，然后花 8 个小时聚合热固性预浸料，然后冷却。对于热塑性塑料，你不是在聚合。你加热 30 分钟，达到 400°C，再保持几分钟， 而不是几个小时，然后冷却下来。”他指出， 也有对加热工具的研究， 这可能会进 一 步加快循环时间。
哈姆林总结道：“ 我们不进行原位固结， 而是在不 减缓（与热固性 AFP 速度相比）的情况下实现尽可能高 的固结。我们可以在层间实现 1-3%的孔隙率，然后进行 短的真空装袋循环。 ”。
德弗里斯对此表示赞同，并指出 ISCAFP 比率与第 二步完成整合的流程之间仍存在明显差距。“ 对于原位 固结的热塑性复合材料，我们可以以 60-100 毫米/秒的 速度铺设，但如果我们尽可能快地铺设， 然后在热压罐 后铺设， 速度为 600-700 毫米/秒。 ”
为 ISC TPC 辩护
Automated Dynamics 的罗伯特 · 郎贡承认，使用高 压釜进行两步固结也简化了认证，因为这与目前用于热 固性复合材料机身的工艺基本相同。也就是说， 朗格尼 坚定地站在 ISC 一步到位的阵营中。他说，通过激光加 热，TPC 零件的生产速度可以接近热固性零件。“在许 多情况下，你会遇到二次速度问题，如管理结晶度、AFP 工具的惯性以及机器人系统的加速和减速。 ”他指出， 实际零件生产速度不仅仅是基于最大机器速度。他解释 道：“ 你还必须处理零件的复杂性、纤维方向、帘布层 的堆积和脱落以及停止和重新启动，以产生接近净形状并减少浪费。”。无论材料是热固性的还是热塑性的， 这些问题都会减缓生产。
此外， 罗伯特 · 郎贡认为，真正的优势在于消除第二步的好处：“ 第二步整合会损害零件的整体经济性，” 他说。“ 我们使用标准工艺预制桁条、肋和舱壁， 将其放入工具/心轴中，然后在顶部放置纤维。由此产生的现 场固结、集成结构是 Trelleborg（总部在瑞典的一家全球性公司） 的关键能力之一，因为您可以在没有粘合剂或紧固件的 情况下生产结构。”尽管焊接也消除了粘合剂和紧固件， 但与 ISC 相比， 这是第三步。这些额外的步骤必须考虑 到生产成本中，才能真正比较一步和两步 TPC 工艺。
FIDAMC 的罗德里格斯承认 ISCAFP 速度较慢，但 他认为，如果不是机翼，也可以在机身铺放中进行商业 论证。“ 机翼结构非常厚 ，”他指出，“ 因此原位固结 非常缓慢。但机身结构没有那么厚。以我们在这里可以 达到的速度，不需要额外的步骤，我们相信原位固结可 以具有竞争力。 ”
罗德里格斯还呼吁注意工具成本的差异：“通过原 位固结， 工具就不那么复杂了。 ” 与 Trelleborg 一样，FIDAMC 将完全固结的桁条和框架放入工具/心轴中，然后使用 AFP 在顶部构建层压板，实现 ISC 加硬蒙皮。他声称：“ 你可以完美地控制所有元件的几何形状， 因为当你 AFP 放置在顶部时，你只加热桁条的最后 一层。” 。“ 您不需要复杂的工装。例如，在桁条腹板中，您可以在没有心轴和多件式工具的情况下保持几何配置。” 因此，在第二个固结步骤中安装工装嵌件不会减 慢生产速度， 总体而言，工装成本更低。 罗德里格斯承认：“很明显，我们需要的原位整合速度低于两步流程， 但一步原位整合的工具数量和工具成本/复杂性要高得多。 ”
另一方面， 对于一步训练营来说， CW 在新闻发布会前了解到了一种 TPC 胶带替代品，该替代品可能会 提高 ISC 的 AFP 放置速度。作为地平线 2020 项目NHYTE 的领导者， Novotech（意大利那不勒斯）正在 与各种合作伙伴合作，建造一种具有 ISC 蒙皮和感应焊接桁条的 TPC 机身面板，两者都由预固结混合胶带制 成。该胶带概念已获得 Leonardo Aircraft（意大利罗马）的专利。Novotech 采用工业化的连续工艺，将来自索尔 维复合材料公司（Alparetta，GA，US）的 AS4/APC2 胶带夹在两层未增强的无定形聚醚酰亚胺（PEI）之间。将 层加热至 400°C，并在控制冷却的同时进行压制，以实现 PEEK中的结晶度。初步测试显示 PEEK 和 PEI 之 间具有良好的固结性。然后将这种混合胶带缠绕并在科里奥利 AFP 机器中用于铺设 ISC 外皮。因此， 除了集成 的蒙皮加劲肋结构外， ISC 可以单独用于蒙皮， 桁条可 以焊接到蒙皮上。
成熟度和为未来回报所做的工作
尽管 ISC TPC 材料和加工仍需要大量的开发工作， 科里奥利复合材料公司的哈姆林认为该机器技术已经 非常成熟。“ 现在的主要问题是如何使用这些机器； 这 是还有很多工作要做的地方。 ”
NLR 的德弗里斯表示：“ 对于大型零件，我们仍然 需要做大量工作来缩短 ISC 的机器时间。 ”。或者， 他 认为冲压成型非常成熟。“我们已经为世界各地的客户 完成了冲压成型工作。 ” 将冲压成型的加强筋焊接到 ISC 蒙皮上确实可以提供一种平衡良好的折衷方案，并 更快地到达未来飞机上飞行的更多 TPC 主结构。
罗伯特 ·郎贡说：“35 年来，Automated Dynamics， 现在的 Trelleborg，每天都在生产 ISC 零件。” 。“ 从每 年 50 万个小到 2 克的零件，到每年多个大到40 英尺长、 使用 2500 磅复合材料的零件。 ”。
空中客车公司的科拉尔（Collart）表示：“如今，关 键的挑战不是要比热固性复合材料更好，而是要开发 一 种在性能和成本方面与金属具有竞争力的热塑性技术。” 。“ 我们的使命是成为复合材料技术和组件的灯塔，热塑性塑料就是其中的一部分。 ”
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注：原文见, 1. 《 Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Part 1 》 2018.1.29
2. 《 Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Part 2 》 2018.2.27
杨超凡 2024.5.10
