EADS Innovation Works致力于A350-1000機身編織框的鑒定，并開發用于預成型復雜局部加固的纖維補片。

 

EADS IW的原型單軸編織預制件生產線采用準無限工藝，用于碳纖維制造A350環形框預制件，隨后注入樹脂。目標是實現更高的自動化、更低的成本和負載重量優化，性能與預浸框架相當。

 

纖維補片預成型（FPP）自動將短纖維補片放置在任何位置和方向，以構建具有預浸料無法實現的三維幾何形狀的適形干纖維預成型件（另請參見下一張圖片）。長桁的 FPP 正在開發中，目標是與預浸料相比節省 45%的成本。

 

這位藝術家的構思展示了FPP系統鋪設了一個由FPP“補丁”組成的同心圓形圖案。

 

圖1:EADS IW 的單軸編織設備僅在第一路徑使用加強線。相反的環繞路徑使用輔助紗線。

 

圖2:EADS IW 的單軸編織工藝顯著降低了纖維波紋度，提高了碳復合材料的抗壓強度，并增強了CFRP 框的整體機械特性。這張圖片顯示了以傳統編織物為特征的樣品層壓板中的纖維波紋度。下一張圖片顯示了一個以BRaF 編織物為特征的類似樣本。來源：EADS IW

 

圖 2b：該樣品顯示了 BRaF 過程中固有的纖維波紋度降低。

 

圖 3a：此處，BRaF 裝置沿方形心軸的左側和右側在編織層之間鋪設 0°UD 干纖維帶。當方形預制件水平切成兩半時，此膠帶與兩個產生的剖腹產的法蘭對齊，類似于UD 梁蓋。

 

圖3B：此處，90°UD層沿圓周纏繞。該功能將是BRaF為A350-1000 制造高度優化框的能力的關鍵因素。

 

圖4：從這臺樣機上學到的經驗教訓將用于設計最終的生產設備。編織框架預制件的批量生產將授予供應商，如EADS IW的合作伙伴 SGL Kuêmpers。（有關編號項目的說明，請參見下圖。）來源：EADS IW

 

據報道，FPP 貼片形狀能夠在±0.1 毫米（±0.04 英寸）的公差范圍內輕松精確地定位。來源：EADS IW

空客A350-1000是總部位于法國圖盧茲的飛機OEM最新也是最大的A350XWB噴氣式客機。它的機身直徑與家族中的其他噴氣式飛機相同，但將比即將投產的A350-900長7米/23英尺。更強大但更重的發動機將使1000型的續航里程超過900型的600公里/373英里，有效載荷增加40公噸（88185磅）。然而，這架飛機的空重將增加2.4公噸（5291磅），飛機的成本將比900多900萬美元。

空中客車公司正在努力降低重量和成本。其中一個項目旨在自動化生產，優化1000型碳纖維增強聚合物（CFRP）機身框的重量和性能。機身框是環繞機身內徑的環狀肋，與縱向桁條一起構成飛機的骨架。

A350-1000的長機身（相對A350-900）將需要增加 11個框，5個在機翼后部，6個在前部。生產相同的框既簡單又便宜， 但通常不采用每個框根據其在結構中的位置來設計以滿足特定的機械要求。正因為如此，許多框被過度設計，因此增加了不必要的重量。為了避免這種情況，空中客車公司選擇根據每個機身將承受的載荷定制機身的每個機身段（見右側“編輯的選擇”下的“A350 XWB更新……”），包括其框。挑戰是找到一種在批量生產環境中生產單獨定制的CFRP復合框的方法，并具有成本效益。

空中客車公司和母公司歐洲航空防務航天公司（EADS，荷蘭阿姆斯特丹）已經為使用預浸料的A350-900框開發了這一工藝。但對于A350-1000來說，還有改進的機會。EADS創新工廠 （EADS IW，Ottobrun，德國）復合材料技術運營主管Matthew Beaumont 表示：“我們知道在某些領域我們可以進一步減輕重量。”“因此，我們沒有等待5到10年后的下一個平臺，而是看 到了 A350-1000 在兩到三年內在重量節約和制造工藝穩健性方面取得快速勝利的機會。”他展示了A350-900作為第一代復合材料機身的圖像，A350-1000作為1.5代機身的圖像。

編織CFRP框架

為了擺脫預浸料的限制，博蒙特的 EADS IW團隊與空中客車公司和SGL Kumpers GmbH&Co.KG（德國萊茵）合作了10年， 開發了一種準無限工藝，使用與飛機機身直徑相適應的高度自動化圓形機器，用于碳纖維制造單軸編織預成型件。然后通過計算機控制的機械加工和EADS專利工藝對預成型件進行樹脂注入、固化和精加工。

博蒙特聲稱：“這是一種低風險、高度自動化的流程。”但對于空客來說，這是一個全新的流程。“這是一個巨大的變化，從自動 放置機鋪設的預浸料坯到注入樹脂的干纖維編織預浸料。”這對EADS IW來說也是一個新的步驟，從研究到真正的組件開發。博蒙特承認，這是一項尚未完成的工作。“為了證明工藝和產品符合空客的要求，我們還有很多工作要做。”

一條編織框（BRaF）原型生產線自2008年開始使用，最初安裝在德國斯塔德的空客復合材料技術中心（CTC）。此后，它被轉移到同樣位于斯塔德的更大的CFK Nord研究中心。

單軸編織減少波紋度

BRaF自動化編織生產線最初是基于SGL Kümpers現有的工作站。盡管它能夠提高產量和降低生產成本，但由于傳統編織中固有的纖維波紋度，它生產的產品表現出較差的機械特性。此外，該團隊觀察到，在傳統編織過程中，纖維經常被施加在纖維上的剪切力損壞或削弱，或者由于交叉點的摩擦。EADS IW知道，使用帶有兩個編織環的機器可以減少這種摩擦，但纖維波紋度問題仍然存在。有鑒于此，EADS IW公司開始研究其獲得專利的單軸編織工藝。

根據美國專利2007/0193439A1，該新工藝通過兩個發展解決了纖維起皺問題。首先，EADS IW不是傳統的所有線軸都裝有增強纖維的設置，而是只在第一條路徑上使用帶有增強線的線軸，而在相反的圓形路徑上使用帶輔助線的線軸（在專利中稱為“支撐線”）（見圖 1，右側）。第二，輔助紗線/支撐線中的至少一些 （如果不是全部的話）是熱塑性纖維，其被加熱以熔化，然后被冷卻以再固化，從而產生良好的滑動特性，從而減少交叉編織線之間的摩擦，以及纖維損傷。熱塑性絲線還將增強纖維放置在編織芯（心軸）上后保持在適當位置。該專利解釋道：“彈性熱塑性塑料線緊密地放置在增強線之間，使增強線幾乎平行放置，兩者之間沒有任何空間，因此幾乎沒有任何波浪”（見圖 2，右側）。因此， 碳纖維的抗壓強度顯著提高，成品型材或框架的整體機械財產也顯著提高。

為了證明BRaF，該團隊使用HTS40 F13 12K 800tex（Toho Tenax Europe GmbH，Wuppertal Germany）作為增強纖維，使用EMS-GRILTECH（Domat/EMS，Switzerland）制造的可熔聚酰胺K85 Grilon 纖維作為輔助紗線。所有層的面積重量均為260克/平方米（7.7盎司/碼2）。演示器的堆疊順序包括12層，這些層圍繞 著一個方形橫截面的鋁芯軸堆積。這些層以+30°或-30°的角度施加，然后通過纏繞90°層或交織單向（UD）干纖維帶作為0°法蘭層來施加相同的增強纖維。博蒙特解釋道：“普通編織機的真實纖維角度范圍為±10°至 ±75°。”“因此，BRaF包括0°和90°功能是關鍵。”0°單向干纖維帶沿著方形心軸的左側和右側鋪設在編織層之間。當方形預成型件被水平切成兩半時，該膠帶與兩個C形截面的凸緣對齊，類似于沿著翼梁帽鋪設UD膠帶。90°UD層沿圓周纏繞（見圖3，右側）。博蒙特指出，有效地添加0°和90°層是 SGL Kümpers提出的一項發展。

圖4（右側）顯示了演示設備的布局。運輸系統被描述為能夠 以自適應的位置和跨度夾緊。編織機和卷繞機都能夠橫向移動，卷繞機還具有角度校正功能。這種設備布置能夠實現可變的框半徑和腹板高度。它還可以制造復雜的框，包括編織層和0°UD層的簾布 層脫落，并集成局部加強件（如FPP生產的那些，稍后描述）。

編織和纏繞完成后，方形截面預制纖維環被切成兩半，兩個C形型材從心軸上取下。C形與規定的飛機機身直徑相匹配，可以通 過使用模具和可膨脹硅樹脂插件將其中一個C形法蘭倒置以形成Z形來進一步成形。SGL Kümpers報告稱，BRaF“能夠實現最大的設計靈活性和無與倫比的可重復性，以滿足未來飛機制造的大批量需求。”

據博蒙特介紹，編織框生產線的原型現在能夠制造出功能齊全的框，與目前正在批量生產的框相當。“從這臺原型機上學到的經 驗教訓，”他說，“將用于設計最終的生產設備。”

光纖貼片預成型

EADS IW及其合作伙伴Oxeon（瑞典 Borås）和 Manz AG（德國 Tübingen）開發了另一種工藝，不僅針對 CFRP框，還針對 長桁（縱梁）和大型復合材料機身面板的局部加固（如窗戶切口和門圍）。這一過程被稱為光纖貼片預成型（FPP- Fiber Patch Preforming ）。

FPP被認為是一種自動生產復合材料結構的方法，由于拓撲優化和其他先進的CAD技術，復合材料結構最終會產生非常復雜的幾何形狀。這些復合材料的設計優于傳統金屬結構，具有復雜的三維纖維路徑，使用現有技術（如預浸膠帶）不容易生產。

在FPP工藝中，短的（20毫米乘60毫米或0.79英寸乘2.36英寸）展絲束單向纖維片被切割，然后由專門的機器人沿任何方向放置，以構建具有精確定制的纖維結構的干纖維預制件。它保持了復雜形狀和幾何形狀所需的一致性，沒有褶皺或橋接。機器人在不犧牲精度或產生廢料的情況下降低了生產成本。所得預成型件易于用于標準樹脂注射和灌注工藝，包括樹脂轉移模塑（RTM）和EADS的專利真空輔助工藝（VAP），它們也可以與其他類型的預成型件組合使用。（VAP于2002年獲得專利，是一種雙真空袋樹脂灌注 工藝，其中內袋是一種多孔氣體膜，可以提取揮發物，同時用作樹脂屏障。）

FPP干纖維預成型件可以用作預浸料坯結構的局部增強件，在 熱壓罐固化期間使用來自預浸料料坯的樹脂或額外的樹脂膜來浸漬非常薄的預成型件（幾個100g/m²層）。Beaumont還引用了FPP的完全三維數字工藝鏈來幫助提高制造的穩健性：“從零件的CAD模型開始，通過應力分析和貼片定位，到對預成型件鋪放機器人進行編程，然后進行機器人放置，零件的信息永遠不會從數字CAD世界中刪除。”

FPP細節

EADS IW的合作伙伴提供單向增強和機器人設備。EADS IW 內部開發了FPP機器人，并已授權Manz Automation Tübingen復制該機器人。Oxeon提供TeXero UD Spread Tow Tapes（所有Oxeon產品現在都以TeXtreme的商品名出售），其一側具有熱激活粘合劑，可在放置后固定。Beaumont解釋說，FPP并不局限于鋪展絲束材料。“我們也可以使用無褶皺的面料，”他說。“然而，我們 的目標是擁有一種預成型工藝，該工藝可以制造出盡可能靈活的幾何形狀。因此，我們使用12K絲束，每個貼片使用少量纖維，重 量約為1g，并在不失去穩定性的情況下盡可能將其展平，約為20毫米[0.79 英寸]。”

據報道，Beefier無卷曲織物由于其更大的面積重量和厚度而限制了可能的幾何形狀和形狀。較薄的加固物往往更具懸垂性和靈活性；它們也有助于引導一個補丁到另一個補丁——換句話說，每個補丁的方向和位置。博蒙特說：“這是我們預制棒的基石。”“這是一個低體積、高復雜性零件的工藝。我們說的是克/小時的擱置率，而不是千克/小時。”

盡管對于大型零件來說速度太慢，但該工藝可以實現具有復雜 幾何形狀的小型零件所需的定制纖維設計。“由于貼片太小，我們降低了沉積率，但我們獲得了靈活性和剪裁，這是我們最初的目標。”博蒙特說，纖維重量小于500克的組件是FPP有吸引力的 目標。

最初，制造這種復雜預成型件的方法是基于先進的纖維噴涂技 術，目的是在線調整纖維長度和控制纖維鋪層角度。然而，實驗表明，這種工藝并沒有達到所需的高水平的材料質量。因此，采用了 目前的技術。由于需要短纖維貼片，因此開發了一種能夠指定切割長度的專用機械切割設備。激光被探索作為機械切割的替代品，但它們在工藝或速度上沒有改善。關于尺寸，Beaumont評論道：“到目前為止，我們已經使用了 20毫米乘60毫米的貼片，但我們不限于這個尺寸和形狀。例如，我們可以使用三角形貼片。”

機器人疊層機拾取光纖貼片，并按照數字控制文件的定義放 置。疊層頭由彈性材料制成，可與復雜曲面進行最佳接觸，并在貼 片沉積時施加均勻的壓力。

切割和鋪放期間的質量保證（QA）從一開始就是EADS IW關注的問題。博蒙特表示，“質量控制步驟是在其整個開發過程中建立的，而不是在原型設計和生產之間的事后考慮。”第一步確保纖維不會分裂，并且在切割后貼片形狀正確。在下一個QA步驟中， 機器人疊層機從傳送帶上拾取纖維貼片，并將其移動到一個工作站，在那里激光設備基本上會拍攝貼片的照片。實時評估機器人印模上貼片的位置和方向，并將其與CAD上籃數據進行比較。如果需要進行校正，則將其傳達給機器人，機器人隨后補償印模上貼片 位置的任何變化，將旋轉調整所需的度數，以在印模放置在預成型件上時校正印模位置。因此，每個補片的幾何形狀和位置都作為過 程的固有部分進行檢查。

FPP使用基本的轉向系統?；旧?，機器人使用點1（貼片的起點）和點2（貼片的終點）的 x、y 和z坐標來定位貼片，因此只需要六個數字和一個起點參考即可精確定位。轉向系統和QA檢查相結合，可實現±0.1mm（±0.04 英寸）的貼片定位公差。

當發現補片的重疊模式顯著影響復合材料預成型件的強度時， 開發了一種具有圓形前后邊緣的鱗片狀補片，以允許補片的內聯嵌套。補片還有助于在具有復雜曲率和幾何形狀的零件中保持高強度和剛度。

研究小組發現，所得復合材料可以抵抗層間分層和裂紋擴展。與連續纖維增強復合材料相比，FPP層壓板在強度上表現出較 小的下降（14%），但實際上具有相同的剛度。另外的實驗表明，失效主要是由于纖維斷裂造成的。Beaumont解釋道：“由于這些貼片中有短而不連續的纖維，你可能會在貼片 之間出現故障，但試樣并沒有顯示出這一點。故障測試顯示的結果 與連續纖維層壓板的結果相同。”“沖擊測試還表明，與連續纖維層壓板相比，它能夠吸收相對較高的沖擊能量，具有較小的損傷面積和較高的殘余壓縮強度。

BRaF和FPP向前移動

在其早期階段，BRaF 獲得了2010年JEC自動化創新獎和 Niederachsen創新獎，該獎項在年度CFK Valley Stade 大會上頒發， 以表彰在輕質CFRP結構方面具有特別高創新程度的開發。值得注意的是，JEC創新獎評委預測，該工藝將使復合材料能夠與金屬競爭，用于結構機身部件。但這項工作仍以BRaF II的形式繼續進行，目標是優化整個過程，包括輔助紗線的在線固定（熔化和冷卻）、自動切割以及裝載和卸載站的精細化。還將研究新的心軸材 料，以及在線QA措施，如纏繞機和編織機內的纖維監測，以及編織層的光學角度檢測。未來BRaF材料的開發目標是減少表面重 量、提高軸承應力和增強邊緣抗沖擊保護。

未來兩年，空客將為技術開發提供資金，從而對框零件和工藝 進行資格鑒定和認證。這將把框認證推遲到2013年，但它應該很容易適應 A350-1000部件生產的開始，在飛機計劃于 2017 年投入 使用之前進行組裝和測試。編織框預制件的批量生產將授予供應 商，如EADS IW的合作伙伴SGL Kümpers。

與此同時，FPP獲得了EADS IW在自動化類別中的另一項 JEC認可，這一次是作為2011年創新獎的入圍者。FPP的第一個應用程序，正在由歐盟委員會第七框架計劃資助的IMac Pro 項目中開發。EADS IW領導該項目，目標是與鋁型材相比至少節省20%的重量，與預浸型材相比至少減少5%的重量，成本下降45%。

目前正在探索多種工藝來鞏固和固化長桁預制件，包括具有可適應元件的RTM，以補償預制件沉降（厚度減少）、連續樹脂注 射和高速微波加熱。計劃進行三次演示：（1）預浸料表皮上有四 個預固化長桁的加強板；（2） 具有四個長桁預成型件和同時固化 的織物表層的加強板；以及（3）貨物底板單元，該貨物底板單元 由彎曲的框型材、直橫梁和z形支柱組成。

博蒙特也看到了FPP與BRaF相吻合的潛力。博蒙特說：“FPP非常適合生產局部增強，例如，在地板梁連接到（機身）環形框的地方，只需要更多的纖維和特定的定制疊層。”他還認為它能夠改善加固結構，如門周圍。博蒙特表示：“我們確實看到在制造A350-1000的編織CFRP框時使用了局部增強材料，但我們不知道這一過程看起來是像迄今為止開發的FPP還是更原始的。”

FPP用于機身面板的局部加固，應更多地利用工藝的擴展能力。

注：原文《 Airbus A350 Update: BRaF & FPP 》2012.1.2 《空客 A350 更新：BRaF 和 FPP》

2023中國復合材料產業鏈展覽會

中國復合材料工業協會定于5月10-12日在山東德州舉辦“2023中國復合材料行業發展大會”，同期舉辦協會七屆四次理事會，企業國際化經營合規風險排查培訓會及中國復合材料產業鏈展覽會。