商業航空行業高度關注高效高速率制造的設計方案，但仍需要自動化、符合低速率制造結構。

OPTICOMS“清潔天空 2”項目正在尋求一種設計、材料和制造解決方案，以實現低成本、自動化的復合材料翼盒制造，用于低速率飛機生產。該項目由以色列航空航天工業公司牽頭，采用“工作-working”蒙皮的三翼梁設計。

用于商用飛機的復合材料航空結構的制造跨越了50多年的歷史，并在21世紀初為波音787和空客A350開發的機身、機翼、尾翼、發動機等大型部件穩步發展。

這一發展的絕大多數取決于熱壓罐固化碳纖維/環氧樹脂預浸料的使用，最初是手工鋪設，然后最終通過自動鋪絲、自動鋪帶和其他基于機器的工藝鋪設。

這些材料和工藝技術適用于寬體787和A350，在疫情前，它們的制造速度為每月10-15架。然而，隨著波音公司和空中客車公司展望未來，并考慮在單通道飛機的主要結構中應用復合材料，預計單通道飛機每月的建造速度為60-100，設計和M&P將有利于高速率、非熱壓罐、高度自動化的工藝。這些工藝包括樹脂傳遞模塑、壓縮模塑和液體樹脂注入等。

但是，即使高速率制造業將主導商業航空航天領域，用于低速率飛機的復合材料航空結構的制造——包括支線飛機和公務機項目——不僅將持續下去，而且可以而且應該受益于高速率項目中部署的一些相同的成本、設計和M&P創新。

正是考慮到這一切，歐洲“清潔天空 2”號計劃推出了OPTICOMS -小型飛機的優化復合材料結構。

OPTICOMS是一個由航空航天制造商以色列航空航天工業公司（IAI，Lod，Israel）領導的財團，其合作伙伴提供創新自動化技術、材料、軟件、工具和機械。OPTICOMS的目標是評估低速率生產翼盒設計，該設計具有自動化制造、集成結構、非熱壓罐固化、大型結構粘接、創新制造和組裝工具、牢固連接的結構健康監測和虛擬測試等特點。

IAI航空集團研發總監兼OPTICOMS公司經理Arnold Nathan表示，“每當我們試圖將復合材料制造納入自動化討論時，我們經常聽到客戶說，“自動化很好，但只有當你有大量生產時才用的上。” OPTICOMS 系統的設立是為了在沒有大批量生產的情況下，找出自動化是否合理。復合材料制造自動化能否在低產量的情況下具有競爭力和成本效益？”

機翼設計

OPTICOMS誕生于意大利公務機制造商Piaggio Aerospace（熱那亞）提出的“清潔天空 2”請求，該請求旨在為其P180Avanti 九座公務雙渦輪螺旋槳飛機開發全復合材料替代機翼。翼盒長6.8米，根部寬0.71米，頂端寬0.28米。Nathan說，Piaggio急于評估全金屬傳統翼盒的替代品——一種尺寸相同但重量減輕（20%）的替代品。此外，與傳統的復合材料翼盒制造相比，成本應降低20-30%。IAI 及其合作伙伴贏得了合同，并于2016年開始與Piaggio合作。

OPTICOMS 是一個由多部分組成的項目，旨在執行一系列高度詳細和精心進行的權衡研究，以評估和確定最佳機翼設計、材料組合和非熱壓罐制造工藝，從而實現低體積全復合材料翼盒的自動化制造。

Nathan 說，IAI和OPTICOMS 很早就決定專注于并評估由三個合作伙伴提供的三種制造工藝的使用：

1. 由Techni Modul Engineering（TME，Coudes，France）提供的干燥和預浸織物的自動機器人拾取和放置；
2. 干絲束和預浸絲束的自動鋪絲（AFP），由科里奧利復合材料公司（法國奎文）提供；
3. 以及由 Danobat提供的自動干材料鋪放技術。這些技術和合作伙伴的選擇對于指導 IAI 進行多變體貿易研究至關重要。

設計成果

整體式多翼梁（三翼梁）設計最大限度地減少了裝配工作。承載蒙皮有助于消除梁上的機械應力。SHM粘合下表皮，無需機械緊固件。

 

這項權衡研究的第一步是設計評估。這項工作是由先進技術的結構設計工程師Adam Sawday在IAI領導的。Sawday說，他和IAI對機翼的設計采取了一種干凈的方法，研究了各種架構中的18個以上的概念。設計很快就分為兩類。第一種采用“工作”蒙皮，其中翼盒蒙皮成為承載結構。第二種采用非工作蒙皮，帶有加載的翼梁凸緣。在這些類別中，設計包括帶肋、桁條和兩個翼梁的傳統概念，或者，使用三個翼梁（稱為多翼梁），沒有肋或桁條。一些概念還考慮了使用夾層板結構，以產生半工作蒙皮。

 

Sawday說：“我們的口號是減少制造工作量和組裝工作量。”。“我們相信，如果你能開發出一種更高效、更完整的結構，那么你就會得到一種更便宜、更輕的結構。”

 

Sawday說，這些設計是根據一系列指標進行衡量的，以評估它們滿足項目成本和重量目標的能力。這些指標包括：材料成本、設計復雜性、部件制造成本、裝配成本、無損檢測成本、工具和跳汰成本、重量、強度、技術準備水平、生態因素、風險狀況、穩健性和可靠性。

 

其中，權重最大的標準是重量、制造和組裝成本、設計復雜性、TRL和風險狀況。

OPTICOMS向下選擇的過程使其獲得了10個翼盒的設計決賽，每個翼盒都采用了不同的結構和組裝特征。選擇過程尋求盡可能高效和具有成本效益的組裝設計。

向下選擇到最終設計

這次評估的數據幫助IAI將設計概念篩選到10個入圍者。四個是多翼梁/工作蒙皮，一個是帶載荷翼梁的多翼梁-非工作蒙皮，四個是帶桁條的多肋/工作蒙皮、一個是沒有桁條的多肋/工作表皮，以及一個是無桁條的夾層結構/工作蒙皮。每種設計都提供了預固化、共固化、粘合或機械緊固的各種組合。

最終設計涉及到另一輪權衡研究，使用了與第一次研究相同的許多標準。每個設計都會根據其符合標準的程度給出一個權衡價值。Sawday 說：“我們有一個很大的權衡表，每個設計選項都有價值，這有助于我們看到最強的選項。”

Sawday指出，有一種設計從一開始就在權衡研究中表現良好，似乎很可能名列前茅。確實如此。內部稱為多翼梁/工作蒙皮#2，具有高度集成和共同固化的上部蒙皮和三個翼梁。然后將其粘合到具有檢修面板的下表皮上。一系列“備用”肋選擇性地位于翼梁之間，用于支撐承受大部分彎曲載荷的蒙皮。

“我們開發的最有利的結構，”Sawday說，“是那些具有多翼梁的翼梁，蒙皮可以承受載荷。然后，翼梁的結構會變得越來越簡單，也不會像傳統的復合材料機翼設計那樣重。我們認為，如果我們能讓這些翼梁變得非常簡單，橫截面不變，那將省去很多麻煩和廢料。”

Sawday表示，粘結一體式多翼梁/工作蒙皮設計因其降低的組裝成本、低重量、易于自動化和整體低零件數量而顯示出特別的前景。然而，問題仍然存在：哪些材料和哪些制造工藝最適合將這種設計付諸實踐？

Danobat的自動干燥材料放置系統旨在快速放置大量干燥纖維。盡管該技術最初是為風力渦輪機葉片制造而開發的，但 OPTICOMS正在評估其對航空航天制造的適用性

Danobat ADMP系統

M&P權衡分析;

首先是材料權衡研究。這些都是由復合材料工程師Yaniv Yurovitch在IAI進的。他說，OPTICOMS根據Piaggio、IAI和技術合作伙伴的建議，開始評估。

非熱壓罐碳纖維預浸料、干碳纖維（膠帶和織物）和樹脂。結果是列出了35種合格材料和新材料。

然后，根據OPTICOMS系統項目最關鍵的參數對第一組材料進行篩選：成本、玻璃化轉變溫度（Tg）、粘度（用于輸液或注射）以及是否適用于自動疊層技術。這次評估將材料清單從35個預浸料、干纖維和樹脂減少到20 個。

訂購了這20種材料中每種材料的樣品；Yurovitch隨后制作了試樣，并進行了機械測試，作為下一次向下選擇的一部分。“這是一個非常大的一攬子工作，”Yurovitch說。“這使我們能夠做出更多的決定，并選擇最后三種材料。”這些纖維/樹脂組合是：

• Toray Composites Materials America（美國華盛頓州塔科馬市）2510 碳纖維/環氧樹脂預浸料。
• Hexcel（美國康涅狄格州斯坦福德）的HiTape 碳纖維UD 膠帶，與 Hexcel 的HexFlow RTM6 環氧樹脂一起使用。
• SAERTEX（德國 Saerbeck）提供的碳纖維無卷曲織物（NCF-non-crimp fabric），通過注入索爾維復合材料公司（美國佐治亞州 Alparetta）的 PRISM EP2400 增韌環氧樹脂進行組合。

這份清單顯然傾向于使用干纖維，而干纖維反過來又傾向于將浸泡作為制造過程。Nathan說，這在一定程度上是由于在低產量環境中管理預浸料保質期的挑戰。“當你低調說批量生產，你真的不想帶很多預浸料，擔心保質期，”他說。“干纖維沒有這個問題。”

這三種材料還與一種或多種為OPTICOMS選擇的制造工藝配對：Toray預浸料與拾取和放置和AFP匹配，Hexcel的HiTape/RT6與AFP匹配以及拾取和放置，SAERTEX NCF與拾取和放或ADMP匹配。

OPTICOMS 翼盒疊層

OPTICOMS正在評估預浸料和干纖維的熱壓罐外制造。干纖維的放置將使用Danobat ADMP系統或Coriolis AFP系統進行。對于翼盒設計中的備用肋，預計將使用TME的機器人拾取和放置系統。

圍繞自動化制造工藝的權衡分析——最適合哪種類型的零件——仍由IAI 和OPTICOMS進行。然而，Nathan說，初步結果無疑為技術指明了方向。例如，Danobat 的ADMP技術，最初是為在風力渦輪機葉片制造中快速放置寬織物而開發的，在OPTICOMS方面也同樣有效。該技術在OPTICOMS系統中已經成熟，其牢固性和可靠性也有所提高，但與AFP相比，它仍然是一種不太成熟的航空航天鋪放技術。

OPITOMS正在評估預浸料和干纖維的熱壓罐外制造。干纖維的放置將使用Danobat ADMP 系統或 Coriolis AFP系統進行。對于翼盒設計中的備用肋，預計將使用TME的機器人拾取和放置系統。

圍繞自動化制造工藝的權衡分析——最適合哪種類型的零件——仍由IAI和OPTICOMS進行。然而，Nathan 說，初步結果無疑為技術指明了方向。例如，Danobat的ADMP技術，最初是為在風力渦輪機葉片制造中快速放置寬織物而開發的，在光學方面也同樣有效。該技術在光學系統中已經成熟，其牢固性和可靠性也有所提高，但與AFP相比，它仍然是一種不太成熟的航空航天鋪放技術。

相反，具有科里奧利系統的AFP憑借其豐富的航空航天經驗，是一種成熟而準確的技術，但與ADMP 相比，其上籃時間更長，并且需要相對頻繁的檢查來檢查異常情況。Nathan說，科里奧利在整個光學系統項目中取得了顯著進展，開發了在線、實時的上籃檢查，以應對這一挑戰。最后，TME 的拾取和放置技術旨在自動將切割織物從切割臺轉移到模具，似乎對較小的離散零件最有效，如多翼梁/工作蒙皮設計中的支撐肋。

Techni Modul Engineering（TME）為OPTICOMS項目開發的拾取和放置系統已被證明最適合制造為多翼梁翼盒設計的支撐肋。在這里，TME系統正在從切割臺上拾取一個簾布層，并在下圖中準備將其放置在模具上。正在對光學系統的制造工藝進行向下選擇。該項目也在評估自動纖維鋪設（AFP）和自動干材料鋪設（ADMP）的性能

TME 系統在模具上放置一個簾布層

接下來的步驟

Nathan表示，盡管仍有幾個月的工作要做，以評估制造工藝和組裝解決方案，但 OPTIOMS 有望實現該項目提出的自動化、成本和重量節約目標。

“這是關于 OPTIOMS的一個重要觀點，”他解釋道。“我們對設計進行了嚴格的向下選擇。我們對材料進行了向下選擇。對工藝進行了向下的選擇。所有這些都需要時間和精力。這是該項目的獨特之處之一。”

OPTIOMS 發起了三次技術和硬件征求建議書

（CFP），以支持、確保和提高項目目標。成功的提案成為了“清潔天空 2”項目，與OPTIOMS “母親”核心合作伙伴相關并作為其補充，所有這些項目都朝著共同的目標共同努力。

這項開發的第一項工作是 FITCoW，旨在開發一種新型的集成碳纖維工具系統，用于工作蒙皮和三根梁的共同固化。FITCoW 的目標清單雄心勃勃：制造零件成本降低 50%，工具成本降低30%（與金屬替代品相比），與熱壓罐和非熱壓罐替代品相比制造時間減少20%，與因瓦工具相比CTE 失配減少40%，由于具有更好的尺寸控制能力，加熱和冷卻時間減少了20%，檢查時間減少了40%。

光學機翼箱上部結構包括共固化翼梁和工作機翼蒙皮。然后，通過光學系統附帶的“清潔天空 2”項目開發的組裝技術，將其粘合到下機翼蒙皮上。此處顯示的是WIBOND裝配夾具中的翼梁/蒙皮結構。注意集成到接合線中的傳感器，以檢查接合的完整性。

為了將翼梁/蒙皮結構粘合到下蒙皮，第二次CFP產生了另一個名為WIBOND的OPTIOMS項目，以開發一種粘合組裝工具，該工具可以放置粘合劑，施加適當的壓力，并在粘合線中加入光纖傳感器，用于粘合的結構健康監測。

啟動第三個CFP是為了應對殘余應力這一關鍵挑戰，殘余應力會導致翼梁/蒙皮結構“回彈”。這些變形可能對粘合組裝過程產生有害影響。ELADINE 項目加入了 OPTICOMS 的工作，開發軟件，對整個結構的熱各向異性、聚合收縮、工具部件相互作用、樹脂流動和壓實以及溫度梯度進行建模和預測。

在Piaggio Aerospace的測試臺上，完全組裝好的OPTICOMS小型演示器。這架1.2 米長的演示機代表了全尺寸翼盒的中心，配備了結構健康監測系統，用于測量彎曲和壓縮測試期間的粘合線性能。OPTICOMS 項目目前正在研制一個全尺寸的翼盒，Piaggio也將對其進行測試和評估。

IAI和OPTICOMS目前的主要重點是在2022年第二季度之前向Piaggio交付一個完整的6.8米演示機翼，用于靜態和疲勞測試。隨后將分析機翼的整體性能以及設計、材料和工藝滿足項目標準的能力。接下來，Piaggio將提出下一步商業化的建議。

然而，除了Piaggio，國際航空公司希望OPTICOMS翼盒能在其他飛機上得到應用。“雖然這個項目是基于一種特定的飛機，”Sawday 說，“但我們試圖使設計能夠擴展到不同的厚度和尺寸。我們從未忽視這樣一個事實，即這項技術可以而且應該具有高度的適應性。”