新型熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念及其自動(dòng)化制造

熱塑性復(fù)合材料的自身特性使其成為重量輕、低成本宇航結(jié)構(gòu)件的理想材料，該類復(fù)合材料以韌性高、重復(fù)加工性好和防火性能強(qiáng)而著稱。針對(duì)大型主結(jié)構(gòu)件（如蒙皮加筋整體壁板）正取得了多個(gè)階段性進(jìn)展。新材料、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和航空技術(shù)是主要的創(chuàng)新要素。

熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

熱塑性復(fù)合材料因其自身的特性而在航空航天領(lǐng)域日益受到青睞。其高韌性使得設(shè)計(jì)更輕的結(jié)構(gòu)成為可能；其物理加工只需熔化，無需固化周期，從而實(shí)現(xiàn)了快速而穩(wěn)定的加工；其卓越的FST（防火、防煙和防毒）特性和可循環(huán)使用性也是一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)?？湛妥罱c荷蘭人成立了一個(gè)TAPAS 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。一個(gè)名為TPRC 的國際熱塑性復(fù)合材料研究中心也于2009 年在荷蘭成立。現(xiàn)在，最新型飛機(jī)上越來越多地采用了熱塑性復(fù)合材料零件和組合件，如很多飛機(jī)項(xiàng)目上采用了多肋設(shè)計(jì)理念和用TEN CATE 公司的玻璃纖維/ 聚苯硫醚制成的A380 焊接固定翼前緣（圖1）。 copyright 123456



熱塑性復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)件是一個(gè)過去即有涉獵的領(lǐng)域。灣流G550和G650 飛機(jī)的壓力艙壁板（圖2）是一系列帶壓力成型加強(qiáng)肋的碳/聚醚酰亞胺?？湛虯400M 的駕駛艙地板就是用熱塑性復(fù)合材料制造的。最近，已經(jīng)著手焊接主操縱面。新型灣流G650 公務(wù)機(jī)（JEC2010 創(chuàng)新獎(jiǎng)得主）的方向舵和升降舵就是感應(yīng)焊接的多肋扭力盒結(jié)構(gòu)（圖3）。



感應(yīng)焊接是由KVE 復(fù)合材料集團(tuán)的荷蘭專家開發(fā)，并由?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一項(xiàng)技術(shù)。

這種碳/PPS(Ten Cate 先進(jìn)復(fù)合材料公司) 的多肋設(shè)計(jì)比此前的碳/環(huán)氧樹脂夾層結(jié)構(gòu)重量降低10%、成本降低20%。焊接代替膠接和螺接是降低成本的重要因素。這一點(diǎn)與肋的模壓成型和簡便的蒙皮和梁的鋪疊和共固結(jié)成型一樣。 本文來自123

一種整體加筋的熱塑性蒙皮理念的發(fā)展

2003 年，一種碳/ 聚醚醚酮單向帶（Cytec）制成的客機(jī)地板梁得到發(fā)展。這種可高效制造產(chǎn)品很適合航空業(yè)，因此，緯線鋪放（pick & place）被選作腹板和緣條的預(yù)成型體成型方法。所有這些元件都在共固結(jié)的過程中被熔合在一起。在研發(fā)工字梁組合件的過程中，曾經(jīng)尋求一種可簡化制造大量加強(qiáng)肋的方法。該方法是“對(duì)接”1 塊平層壓板，將其與普通工字梁共固結(jié)在一起（圖4）。這被證明是一個(gè)有效的解決方案。在制造上比最初設(shè)計(jì)的壓力成型加強(qiáng)肋的方法簡單得多。對(duì)接強(qiáng)度采用注射成型，增加了坡口圓角半徑，得到了優(yōu)化（圖5）。



對(duì)接體系的開發(fā)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了全新的機(jī)會(huì)，如正弦波梁（圖6），一般情況下很難用復(fù)合材料制造。另外一個(gè)因?qū)永砟疃Q生的設(shè)計(jì)是蒙皮加筋整體壁板。首先，平面預(yù)成型T 型加強(qiáng)筋，然后將其與蒙皮共固結(jié)。荷蘭國家航空航天實(shí)驗(yàn)室在2008 年成功研發(fā)了這種壁板，并在剪切和壓縮荷載下得到試驗(yàn)驗(yàn)證（圖7）。 內(nèi)容來自123456



大型熱塑性主結(jié)構(gòu)件

荷蘭的工業(yè)部門、研究機(jī)構(gòu)與空客公司從2005 年開始在熱塑性領(lǐng)域合作，并在2009 年得到進(jìn)一步加強(qiáng)。經(jīng)空客公司提議，荷蘭經(jīng)濟(jì)事務(wù)部發(fā)起建立了一個(gè)荷蘭公司和研究院所的聯(lián)合體。他們與空客聯(lián)手發(fā)起了一個(gè)為期4 年的名為TAPAS 的飛機(jī)熱塑性主結(jié)構(gòu)件的項(xiàng)目。TAPAS 項(xiàng)目的目標(biāo)是為未來飛機(jī)項(xiàng)目建立一項(xiàng)制造大型主結(jié)構(gòu)件所必須的熱塑性復(fù)合材料技術(shù)。材料、制造工藝、設(shè)計(jì)理念和所用工具必須達(dá)到6 級(jí)技術(shù)成熟度水平（TRL）。作為該項(xiàng)努力組成部分的全尺寸演示產(chǎn)品正在研發(fā)中，關(guān)鍵技術(shù)包括：研發(fā)并認(rèn)證合適的材料、對(duì)接和纖維焊接、壓力成型和纖維鋪放等制造技術(shù)。

TAPAS 項(xiàng)目的參與方為：空客公司、?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司、Ten Cate 先進(jìn)復(fù)合材料公司、機(jī)載技術(shù)中心、KVE 復(fù)合材料集團(tuán)、DTC、Technobis 纖維技術(shù)公司、德爾福特理工大學(xué)和圖恩特大學(xué)。荷蘭國家航空航天實(shí)驗(yàn)室同時(shí)承擔(dān)相關(guān)課題的研究和項(xiàng)目的驗(yàn)證工作。 本文來自123

福 克航空結(jié)構(gòu)件公司為航空航天和防務(wù)工業(yè)設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)輕質(zhì)航空結(jié)構(gòu)件?？蛻舭湛?、波音、洛克希德·馬丁、灣流、達(dá)索、普惠和荷蘭航天公司。熱塑性復(fù) 合材料因其成本效率和環(huán)境優(yōu)勢而成為?？斯镜年P(guān)鍵技術(shù)。該公司與客戶、研究機(jī)構(gòu)和供應(yīng)商的共同參與和合作為該類材料的持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

纖維超聲鋪放

纖維鋪放是指大面積、雙曲面產(chǎn)品所選擇的鋪疊技術(shù)。目前可用的纖維鋪放設(shè)備采用了熱氣和激光燈等各種加熱系統(tǒng)。2008 年，?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司開始尋求適合于纖維鋪放的設(shè)備。在需要大量投資的背景下，超聲波的出現(xiàn)成為相對(duì)低成本的加熱源的理想選擇。

福克航空結(jié)構(gòu)件公司擁有豐富的超聲點(diǎn)焊經(jīng)驗(yàn)，如將注塑成型的零件焊接到熱塑性板件上。而且，A380 飛機(jī)的固定機(jī)翼前緣蒙皮就是超聲點(diǎn)焊的（圖8）。超聲波焊接是一種很好的低成本焊接工藝。 123456

雖然過去的經(jīng)驗(yàn)證明，連續(xù)超聲焊接板與板是困難的，但將一條薄的碳/ 單向帶超聲焊接到單向帶疊層上似乎是可行的。最后，超聲焊接單元被集成到安裝在機(jī)械手上的纖維鋪放頭上（圖9）。最初的嘗試是手工焊接1 條10mm 寬的碳/ 聚醚醚酮單向帶取得了成功，下一步是要在1 條線性軌道上焊接。2009 年年中，荷蘭航空專家鮑肯研制了1 個(gè)10mm 條寬的2m×1m×1m 三維纖維鋪放設(shè)備單元。單向帶熔化時(shí)略超過其寬度，足以附著在帶子上。隨著超聲纖維鋪放的發(fā)展，面臨的挑戰(zhàn)是如何成功地高速讓1 條帶子附著在位于其下的厚層板上，不因放慢過程而破壞效率。借助于纖維鋪放設(shè)備單元，一種新型的固定翼前緣的理念開始建立起來。



這個(gè)始于?？藘?nèi)部產(chǎn)品改進(jìn)實(shí)踐的產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)，現(xiàn)在成為一個(gè)名為COALESCE（低成本高效率先進(jìn)前緣結(jié)構(gòu)）的歐洲框架項(xiàng)目的一部分。新型前緣是一個(gè)多肋薄蒙皮設(shè)計(jì)。肋為平板預(yù)制件（圖10），在產(chǎn)品熔化（共固結(jié)）過程中對(duì)接到蒙皮上。蒙皮在一副陽模上用纖維鋪放而成。2 部分同時(shí)制造，接合處由1塊真空袋網(wǎng)膜板覆蓋，然后共固結(jié)。 123456

7m 扭力盒驗(yàn)證件

雙曲面、7m 長的扭力盒是作為TAPAS 項(xiàng)目的一部分開發(fā)的，將于2011 年制造并驗(yàn)證完畢。該產(chǎn)品是對(duì)灣流G650 平尾中段重新設(shè)計(jì)的產(chǎn)物（圖11），其蒙皮的特點(diǎn)是整體對(duì)接T 形加強(qiáng)筋。研究還在繼續(xù)，以便確定熱壓罐外成型是否可行。纖維鋪放因其在鋪疊過程中對(duì)材料的浪費(fèi)最少而成為首選的鋪疊技術(shù)。蒙皮鋪疊將采用專業(yè)化的纖維鋪放設(shè)備單元。該設(shè)備單元將安裝GTech的Vericut 復(fù)合材料程序模塊，以便將CATIA 設(shè)計(jì)與機(jī)械手軟件鏈接起來。該設(shè)備單元只需少量投資即可開發(fā)，滿足成批量生產(chǎn)12m 全尺寸蒙皮壁板的需求（圖12）。






該設(shè)備典型地符合了當(dāng)代以零件為核心的航空制造趨勢。該設(shè)備為相關(guān)尺寸和外形、鋪疊和速率的產(chǎn)品量身定做，在材料儲(chǔ)備方面所需投資最少。

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TAPAS 項(xiàng)目研究的其他技術(shù)包括創(chuàng)新肋和加強(qiáng)筋的壓力成型系統(tǒng)（由DTC 公司的荷蘭專家開發(fā)）、加強(qiáng)筋的焊接（由KVE 復(fù)合材料集團(tuán)開發(fā)）。計(jì)算機(jī)分析取樣的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)（由Technobis 纖維技術(shù)公司開發(fā)）也在研究之列，并將在扭力盒驗(yàn)證件上得到驗(yàn)證。與此同時(shí)，空客公司還將這些技術(shù)集成到一個(gè)機(jī)身結(jié)構(gòu)驗(yàn)證件上。圖恩特和德爾福特理工大學(xué)正在開展建模技術(shù)和設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域的長期研究。

應(yīng)用與潛在發(fā)展

迄 今為止，已經(jīng)為（熱塑性復(fù)合材料的）應(yīng)用建立起了一個(gè)合理的商業(yè)模式。該模式將重量輕和低成本有機(jī)地結(jié)合起來。熱塑性大型主結(jié)構(gòu)件的商業(yè)模式也需要驗(yàn)證。 與其他技術(shù)，如現(xiàn)代合金和最先進(jìn)的熱固性材料的解決方案在成本和重量上的比較工作目前也在進(jìn)行中。由于韌性好，熱塑性材料比熱固性復(fù)合材料能減重是肯定 的；其良好的防火、防煙、防毒性能也為其加分；通過采用對(duì)接和負(fù)擔(dān)得起的材料等簡單設(shè)計(jì)理念和高速加工等，可以持續(xù)降低成本。因此，熱塑性復(fù)合材料具有巨 大的發(fā)展?jié)摿?。例如，如果熱塑性?fù)合材料因其高韌性、低加工成本和良好的防火性能而被選作未來客機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)材料，其用量將是巨大的。 本文來自123



作者：Arnt Offringa
單位：?？撕娇战Y(jié)構(gòu)件公司