空中客車不來(lái)梅公司的目標(biāo)是用一次成型的多翼梁復(fù)合材料襟翼取代幾十個(gè)預(yù)浸料部件和裝配操作。

通過(guò)RTM 降低制造成本：空中客車公司不來(lái)梅的復(fù)合材料多段襟翼（CMF）項(xiàng)目通過(guò)將 26 個(gè)單獨(dú)的碳預(yù)浸料部件（見(jiàn)圖 1，下圖）集成到通過(guò)樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）制成的單次成型、單元化結(jié)構(gòu)中，簡(jiǎn)化了窄體飛機(jī) 7.4米長(zhǎng)外側(cè)襟翼的生產(chǎn)

圖 1-常規(guī)襟翼結(jié)構(gòu)：常規(guī) CFRP 襟翼中使用的 26 個(gè)預(yù)浸零件。在運(yùn)往不來(lái)梅進(jìn)行多次組裝操作之前，必須對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)分層、熱壓管固化、機(jī)械加工和無(wú)損檢查。

圖 2-臨時(shí)CMF 設(shè)計(jì)變更：如這些照片所示，最初的 CMF 設(shè)計(jì)用四到五個(gè)編織盒取代了桁條和肋。隨后，這被修改為五個(gè)“雙 T”（I 型梁）梁（如左圖所示），使用 5 絲緞來(lái)提高纖維定向精度和工藝可擴(kuò)展性

步驟 1：從切割干織物（或 SQRTM 部分的預(yù)浸料）開始進(jìn)行全尺寸演示器制造。

步驟 2：使用激光投影系統(tǒng)將切割好的碎片精確地疊放在運(yùn)輸板上。

步驟 3：將包括底部表皮、前緣和頂部蒙皮的彎曲表皮預(yù)制件疊放在片狀固定裝置上，并用可重復(fù)使用的真空袋進(jìn)行拆散。

步驟 4：同樣，梁預(yù)制件的鋪層被鋪成 “雙T” 心軸，并進(jìn)行分解。

步驟 5a：在這里，下部 RTM 工具顯示為已準(zhǔn)備好并準(zhǔn)備好預(yù)成型件的疊層。

步驟 5b：將“雙 T”翼梁預(yù)制件裝載到下部工具中。

步驟 5c：然后將彎曲的蒙皮預(yù)成型件（底部蒙皮、前緣和頂部蒙皮）裝載到下部工具中。

步驟 6：關(guān)閉RTM 工具，然后加熱至 100°C ，之后注入 HexFlow RTM 6 樹脂。

步驟 7：將注入的部分升溫至 180°C ，固化 2 小時(shí)，然后趁熱脫模（結(jié)果見(jiàn)下一張照片）

在沒(méi)有權(quán)衡的情況下節(jié)省成本：完成的 CMF，如圖所示，未修剪（正面）、修剪、噴漆和完全裝備（背面），已經(jīng)證明（TRL 6）在不增加完全裝備的襟翼重量的情況下，顯著減少了零件物流和組裝操作，并有可能節(jié)省超過(guò) 20%的成本。由空中客車公司不來(lái)梅（德國(guó)不來(lái)梅）領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)合材料多段襟翼（CMF-Composite Multispar Flap）項(xiàng)目的目標(biāo)是簡(jiǎn)化窄體商用飛機(jī) 7.4 米長(zhǎng)的復(fù)雜外側(cè)機(jī)翼襟翼的生產(chǎn)?？罩锌蛙嚥粊?lái)梅公司負(fù)責(zé)襟翼、擾流板和其他高升力系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，這些系統(tǒng)是優(yōu)化起飛和降落的可移動(dòng) 機(jī)翼部件。CMF 項(xiàng)目于 2005 年獲得資助，由空中客車 工程師 York Roth 博士領(lǐng)導(dǎo)的多功能團(tuán)隊(duì)與合作伙伴 Radius Engineering（美國(guó)猶他州鹽湖城）和 Faserinstituit Bremen（德國(guó)不來(lái)梅 FIBRE）密切合作，開始了設(shè)計(jì)研 究和可行性測(cè)試。該團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了 A320 機(jī)翼的外襟翼，該襟翼在當(dāng)前生產(chǎn)版本中包括 26 個(gè)單獨(dú)的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）零件，包括兩個(gè)蒙皮、前緣零件以及多個(gè)肋和翼梁。在 運(yùn)往不來(lái)梅進(jìn)行同樣密集的組裝過(guò)程之前，所有這些預(yù) 浸料部件必須單獨(dú)分層、熱壓管固化、機(jī)械加工和無(wú)損 檢查（見(jiàn)圖 1，左側(cè)）。金屬端肋和載荷框架——后者能 夠連接和載荷傳遞到機(jī)翼——必須安裝在組裝夾具中，然后安裝肋和蒙皮桁條面板。技術(shù)人員為鉚釘鉆孔，然 后將復(fù)合材料和鋁元件拆開，清除鉆孔中的碎屑，并將 所有部件更換到夾具中。隨后進(jìn)行多個(gè)鉆孔和鉚接步驟，然后手動(dòng)安裝復(fù)合材料前緣和金屬后緣部件。CMF 替代方案被設(shè)想為一個(gè)多段扭轉(zhuǎn)箱，將包括前緣在內(nèi)的所有 26 個(gè)預(yù)浸料部件集成到一個(gè)使用熱壓罐外（OOA）樹脂傳遞模塑（RTM）技術(shù)制成的單元化結(jié)構(gòu)中?？罩锌蛙嚬静粊?lái)梅的工業(yè)活動(dòng)建筑師 Stefan Bauer 博士表示：“CMF 不僅可以消除大量的組裝操作，還可以消除許多預(yù)浸部件的高交付周期和復(fù)雜的工藝鏈?！碧魬?zhàn)將是如何設(shè)計(jì)零件并通過(guò)單次注射和固化以可接受的孔隙率制造這種現(xiàn)在封閉的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持當(dāng)前的程序公差?？湛筒粊?lái)梅制造工程師 Mohamed Attia解釋道：“由于需要將承載架與襟翼軌道相匹配，以連接到機(jī)翼上，并滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求，因此最終的幾何形狀必須精確?！?。由于在不增加整個(gè)噴漆和配備的襟翼重量的情況下，潛在的成本節(jié)約超過(guò) 20%，空中客車不來(lái)梅接受了這一挑戰(zhàn)。

完善設(shè)計(jì)

Bauer 回憶道：“最初的想法是用四到五個(gè)編織盒取代所有預(yù)浸料坯的桁條和肋條，然后是上下蒙皮?！?br>鮑爾指出：“主要的挑戰(zhàn)之一是這個(gè)部分超過(guò) 7 米長(zhǎng)?！薄拔覀円郧皬奈磁c RTM 進(jìn)行過(guò)如此大規(guī)模的合作。然而，Radius Engineering 是一個(gè)出色的合作伙伴。我們從小零件開始，一路向上規(guī)模?！?007 年建造了一個(gè) 1.5 米的截面，并進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，以展示設(shè)計(jì)和工藝，達(dá)到了 4 級(jí)的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）。到 2010 年，編織盒的想法已經(jīng)被放棄了。Bauer 解釋說(shuō)，用于襟翼預(yù)成型的編織“襪子”的直徑是恒定 的，但襟翼的寬度并不是恒定的。相反，它們是高度錐 形的，因此，箱形梁也是如此。這意味著編織物中的±45°纖維僅在編織物直徑處最佳定向，編織物直徑大致為箱 形梁長(zhǎng)度的一半。在寬（≈200 mm）和窄（≈80 mm）端，纖維方向?qū)嶋H上不會(huì)是±45°。根據(jù) Attia 的說(shuō)法， 這種不太理想的纖維取向需要更大的性能降低，從而增 加重量以滿足應(yīng)力要求。他補(bǔ)充道：“干編織物很容易歪 斜。”這進(jìn)一步使最佳纖維排列變得復(fù)雜。還需要考慮制造過(guò)程對(duì)工業(yè)生產(chǎn)率的可擴(kuò)展性。對(duì)于編織箱梁，在工藝的早期需要原始工具來(lái)為預(yù)成型件提供成型心軸。如果使用“雙 T”（也稱為工字鋼）翼梁，則可以使用偽心軸進(jìn)行預(yù)成型，并且 RTM 心軸僅在零件注射和固化循環(huán)期間需要?？紤]到上述因素，設(shè)計(jì)改為工字鋼翼梁，采用傳統(tǒng)的 5 絲緞織物。

制造全尺寸襟翼

新的基于 I-beam 的設(shè)計(jì)在 2010 年被用于生產(chǎn)全尺寸的演示器，并最終達(dá)到 TRL5。因?yàn)榫匦伪葘?shí)際的錐形襟翼更容易制造，所以 CMF 的這一迭代是使用 7.8 米長(zhǎng)的鋁芯軸和 RTM 模具制造的，然后加工成其最終尺寸。芯軸和外表面工具都需要大量的工程設(shè)計(jì)。芯軸分為三部分以便于拆卸。Bauer 說(shuō)：“對(duì)于厚零件，RTM很容易滿足厚度公差?！?。但 CMF 相對(duì)較薄，在加固區(qū)域?yàn)?2 毫米至 5 毫米。通常情況下，像這樣的薄零件是使用預(yù)浸料和真空袋制造的，正如 Bauer 所解釋的， “你主要會(huì)受到原材料樹脂含量的公差影響，有些是由于單一的工具面。”但將 CMF 改為 RTM 導(dǎo)致零件厚度完全取決于兩個(gè)銑削的工具表面。Bauer 指出：“工裝精度對(duì)零件厚度的影響增加了一倍?！彼a(bǔ)充道，“工裝必須非常準(zhǔn)確，以確保纖維體積含量在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)?！彼赋?，由于零件的厚度會(huì)改變樹脂含量，“在某些領(lǐng)域，如果你的工具偏差甚至小于 0.2 毫米，那么你就已經(jīng)超出了纖維體積的公差。”零件生產(chǎn)始于蒙皮預(yù)制件的制造，通過(guò)使用激光投影系統(tǒng)將干織物鋪在運(yùn)輸臺(tái)上制成（步驟 1 和 2，左側(cè)）。這種 5 絲緞織物是用來(lái)自 Hexcel（美國(guó)康涅狄格州斯坦福德）的干碳纖維制成的。然后，將包括底部蒙皮、前緣和頂部蒙皮的彎曲蒙皮預(yù)成型件疊放在片狀?yuàn)A具上，并將翼梁預(yù)成型件類似地疊放在“雙 T”芯軸中（步驟3 和 4）。在這兩種情況下，都使用可重復(fù)使用的真空袋來(lái)對(duì)預(yù)成型件疊層進(jìn)行拆散和成型。鮑爾承認(rèn)，有許多處理和預(yù)成型步驟，后者需要非常注意準(zhǔn)確性。“簾布層的邊緣定位對(duì)達(dá)到公差至關(guān)重要，”他指出， “但是，你永遠(yuǎn)不知道預(yù)成型件是否正好在工具內(nèi)部的位置。它在公差范圍內(nèi)嗎？所以我們開發(fā)了一個(gè)創(chuàng)新的概念和工程設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題?！比缓髮⒚善ず凸ぷ咒撘砹侯A(yù)制件配對(duì)，放置在 RTM工具中并封裝在 RTM 中（步驟 5-7），RTM 工具由 Radius Engineering 設(shè)計(jì)和制造。將工具、預(yù)成型件和樹脂預(yù)熱至約 100°C，注入樹脂，然后將復(fù)合材料升溫至 180°C的固化溫度。使用 Hexcel 的 HexFlow RTM6 樹脂是因?yàn)樗悄壳昂细竦闹饕?RTM 環(huán)氧樹脂，用于空中客車公司的結(jié)構(gòu)。Bauer 說(shuō)：“這個(gè)部分非常復(fù)雜，我們不想像輸液一樣控制樹脂的流動(dòng)?！边@個(gè)過(guò)程必須穩(wěn)定可靠。通過(guò)控制真空和壓力來(lái)解決孔隙率問(wèn)題。“當(dāng)然，模具設(shè)計(jì)很重要，”他指出，“選擇溫度是為了在加工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生可能導(dǎo)致孔隙率的排氣。”值得注意的是，如此大的零件只使用了一個(gè)注射點(diǎn)和一個(gè)出口。這是不尋常的，因?yàn)樵S多 RTM 零件的典型設(shè)置采用了多個(gè)注射點(diǎn)和出口點(diǎn)。Bauer 反駁道：“但這些問(wèn)題在于你必須控制它們?！??！坝捎谛孤┖土髁繂?wèn)題，你必須控制的點(diǎn)越多，風(fēng)險(xiǎn)就越大?！彼a(bǔ)充道，對(duì)于 CMF，注入只在一個(gè)點(diǎn)發(fā)生，但隨后在工具內(nèi)呈直線移動(dòng)。Bauer 說(shuō)：“這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單但穩(wěn)健的過(guò)程?！??！斑@是必須的，因?yàn)槿绻覀兪チ艘徊糠?，那就不僅僅是一根肋骨，而是一整個(gè) 7 米長(zhǎng)的襟翼?！苯?jīng)過(guò) 2 小時(shí)的固化循環(huán)后，成品零件在仍高于100°C 的情況下被熱脫模，因?yàn)楣ぞ呱系睦鋮s會(huì)導(dǎo)致零件拆卸問(wèn)題。使用鋁制工具，尤其是在零件的強(qiáng)化載荷引入?yún)^(qū)域，可能會(huì)導(dǎo)致底切損壞，除非在金屬收縮之前將其脫模。最后一個(gè)挑戰(zhàn)是襟翼結(jié)構(gòu)是一個(gè)封閉的盒子。Bauer解釋說(shuō)，這就提出了如何檢查最終結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。CMF 團(tuán)隊(duì)開始與總部位于不來(lái)梅的蒂森克虜伯系統(tǒng)工程公司合作，使用相控陣超聲（UT-ultrasonic）無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢查已拆除的單元化零件，該系統(tǒng)使用單側(cè)通道和水膜作為與零件表面的耦合劑。蒂森克虜伯幫助開發(fā)了檢測(cè)技術(shù)和獲得專利的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備使用彈簧加載來(lái)幫助將相控陣超聲波聚焦在零件的輪廓上，并向內(nèi)觀察蒙皮下的翼梁以及翼梁和蒙皮之間的半徑。事實(shí)上，該系統(tǒng)使用兩個(gè)頭部——一個(gè)沿著翼梁移動(dòng)，另一個(gè)檢查翼梁和蒙皮之間的半徑——來(lái)加快速度并確保徹底檢查。Bauer 解釋道：“我們還使用不同的末端效應(yīng)器一步到位地觀察和檢查這些區(qū)域。”。該團(tuán)隊(duì)還討論了在使用中受損的襟翼的修復(fù)方法，包括檢查、損傷去除和修補(bǔ)技術(shù)。閉箱結(jié)構(gòu)提出的第二個(gè)問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的連接和載荷傳遞。以前，使用金屬負(fù)載框架和端肋來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。盡管新的組合結(jié)構(gòu)大大減少了機(jī)械緊固件，但金屬載荷傳遞部件和金屬后緣仍需要一些緊固件。Attia指出，CMF 較低的緊固件數(shù)量不僅降低了疲勞風(fēng)險(xiǎn)， “還降低了機(jī)械加工造成的纖維損傷?！彼a(bǔ)充道， “在高度優(yōu)化的復(fù)合材料層壓板上鉆孔在設(shè)計(jì)和制造方面都非常低效?！边@也是不來(lái)梅研發(fā)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)推動(dòng)更大程度的零件集成的原因之一。負(fù)載連接點(diǎn)的替代設(shè)計(jì)使用碳纖維增強(qiáng)材料，實(shí)現(xiàn)了從金屬到復(fù)合材料的集成和轉(zhuǎn)換。最初獨(dú)立的金屬后緣也已集成，轉(zhuǎn)換為三明治結(jié)構(gòu)，使用贏創(chuàng)（Evonik-德國(guó)埃森）閉孔泡沫和碳纖維蒙皮，與 CMF 的其余部分分層并 RTM 成型。Attia 解釋道：“最初的 CMF 設(shè)計(jì)并沒(méi)有完全優(yōu)化，因?yàn)樗究梢栽谝粋€(gè)全新的飛機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行?！薄！斑@是因?yàn)樵摻鉀Q方案是作為在役 A320 的改造設(shè)計(jì)而開發(fā)的，具有設(shè)計(jì)限制，特別是在載荷引入?yún)^(qū)域?！痹搱F(tuán)隊(duì)認(rèn)為，使用這些集成的 CFRP 后緣和載荷傳遞部件，可以將 CMF 的成本節(jié)約提高到 30%。

準(zhǔn)備工業(yè)化

全尺寸的演示器取得了成功，并在 2013 年法國(guó)巴黎 JEC 歐洲展上展出。Bauer 警告說(shuō)，如圖所示，制造步驟尚未工業(yè)化。一旦實(shí)現(xiàn)，其中許多——例如，織物疊層、拆封、將工具放入 RTM 模具——都將使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
當(dāng)該工藝投入生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)在一個(gè) RTM 循環(huán)中有這么多以前分離的部件共同固化在一起時(shí)，是否會(huì)出現(xiàn)潛在的粘合問(wèn)題？Bauer 說(shuō)沒(méi)有?！斑@種分層的問(wèn)題是典型的預(yù)浸料，”他說(shuō)?！癛TM 的問(wèn)題是孔隙率?！闭绱蠖鄶?shù)航空航天結(jié)構(gòu)的典型情況一樣，復(fù)合材料機(jī)翼襟翼的孔隙率必須小于 1%。Bauer 說(shuō)，對(duì)于 CMF 來(lái)說(shuō)，風(fēng)險(xiǎn)在于零件的大面積以及蒙皮和翼梁之間半徑內(nèi)可能存在的孔隙率。他說(shuō)：“經(jīng)過(guò) NDI 的驗(yàn)證，我們已經(jīng)在沿著桅桿的整個(gè)長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)了良好的層壓質(zhì)量?！薄熬桶霃蕉?，這不容易檢查孔隙率，但我們?cè)陂_發(fā)的檢查方法中結(jié)合設(shè)計(jì)中使用的擊倒因素進(jìn)行了處理?！盉auer 說(shuō)：“CMF 技術(shù)已經(jīng)為工業(yè)化做好了準(zhǔn)備?！薄耙荒昵埃ㄟ^(guò)了 TRL 6 審查，這意味著它已經(jīng)脫離了研發(fā)階段，準(zhǔn)備在未來(lái)的平臺(tái)上采用?！彼a(bǔ)充說(shuō)，這種新方法也可以用于其他飛機(jī)部件?？v觀空客不來(lái)梅的生產(chǎn)車間，以及 A320 襟翼當(dāng)前組裝過(guò)程中的所有零件，所有這些操作會(huì)發(fā)生什么？Bauer回答說(shuō)，他們將減少，主要由鋪放預(yù)成形代替。這就是目標(biāo)嗎？Bauer 和 Attia 都回應(yīng)說(shuō)，商用飛機(jī)復(fù)合材料生產(chǎn)的唯一未來(lái)是變得越來(lái)越高效。CMF 項(xiàng)目的工藝將預(yù)浸料與 RTM 相結(jié)合為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化窄體飛機(jī)外側(cè)機(jī)翼襟翼生產(chǎn)的目標(biāo)，由空中客車公司不來(lái)梅（德國(guó)不來(lái)梅）領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)合材料多段襟翼（CMF）項(xiàng)目展示了將 26 個(gè)碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）部件集成到一個(gè)一體式結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)通過(guò)單次注射樹脂轉(zhuǎn)移成型（RTM）工藝注射和固化。除了演示使用干織物和液體樹脂的傳統(tǒng) RTM 工藝生產(chǎn)新 CMF 外，空中客車不來(lái)梅團(tuán)隊(duì)還演示了使用 Radius Engineering 開發(fā)的相同質(zhì)量的樹脂傳遞模塑（SQRTM- Same Qualified Resin Transfer Molding）工藝制造零件。SQRTM使用預(yù)浸料疊層而不是干織物預(yù)成型件，RTM 工藝注入與預(yù)浸料中使用的樹脂相同的樹脂，但呈液體形式。這種方法的好處是避免了任何對(duì)新材料進(jìn)行鑒定的需要。為什么選擇 SQRTM？因?yàn)?CMF 概念可以應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)，例如機(jī)翼內(nèi)側(cè)襟翼。然而，正如空客不來(lái)梅公司的工業(yè)活動(dòng)建筑師 Stefan Bauer 博士所解釋的那樣，內(nèi)側(cè)襟翼必須承受跑道碎片的沖擊，因此需要一個(gè)鋼化樹脂系統(tǒng)?！拔覀儧](méi)有合格的 RTM 增韌樹脂系統(tǒng)，”他補(bǔ)充道，“因此，SQRTM 的可行性也在 CMF 項(xiàng)目中的 7.8 米全尺寸組件上得到了證明，并取得了良好的效果。概念基本相同?！盉auer 表示，干織物RTM 和SQRTM工藝變體都已準(zhǔn)備好工業(yè)化。

補(bǔ)充圖片

原文見(jiàn)《 Reducing manufacturing cost via RTM 》2015.11.30．楊超凡 2023.8.16

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