熱塑復材地板梁制造工藝
AFP制造熱塑性復合地板橫梁。復合材料地板梁并不是什么新鮮事，但使用熱塑性預浸膠帶和先進的纖維轉向來生產復合材料地板橫梁是一種新鮮事，GKN Fokker和Mikrosam 在開發和制造用于多功能機身演示器（MFFD）下半部分客艙地板格柵的12根TPC橫梁時已經成功地證明了這一點。
多功能機身演示器(MFFD-Multifunctional FuselageDemonstrator)正在為使用熱塑性復合材料(TPCthermoplastic compostic)而不是主要用于航空結構的熱固性復合材料（主要是碳纖維增強環氧樹脂）制造的下一代機身鋪平道路。
在歐盟聯合研究和創新計劃“清潔天空”的資助下，MFFD中先進的材料和工藝將使飛機產量增加，例如，每月70-100架窄體飛機。這些技術還將通過使用重量更輕的復合材料來減少二氧化碳排放，并通過用TPC焊接取代大多數緊固件來生產用于最終組裝的集成結構模塊來降低成本。該項目的最后8×4米機身筒體將于2024年初完工，這將是有史以來最大的全TPC結構。
圖1. 用于乘客地板格柵的全尺寸梁MFFD下半部分包括一個橫跨其頂部的客艙地板結構格柵，包括金屬座椅導軌（頂部）。吉凱恩?？斯旧a了12個CF/LM-PAEK地板橫梁，帶有導電焊接的垂直支柱（底部），然后將其導電焊接到成品模塊的機身框架上。
吉凱恩?？斯荆ê商m胡格芬）在STUNNING子項目中領導了MFFD下半部分的生產。下半部分將于2022年底完工，并運至Fraunhofer IFAM（德國斯塔德），今年晚些時候將使用 FraunhoferIWS（德國德累斯頓）開發的先進激光原位連接工藝連接上半部分。下半部包括用于貨艙地板的結構格柵和用于客艙地板的另一格柵。后者包括12個TPC地板橫梁，帶有用于連接金屬座椅導軌的焊接TPC支架和用于將地板格柵連接到機身框的焊接TPC-垂直支柱（圖1）。
這些支架和支柱使用傳導焊接連接（參見“熱塑性復合材料焊接進步，以實現更可持續的機身”）。
本文討論了吉凱恩?？斯九c設備供應商Mikrosam（馬其頓普里勒普）合作開發的為期兩年的TPC地板橫梁，包括一種創新的自動纖維鋪設（AFP）鋪設策略，該策略使用牽引轉向，然后進行熱壓罐固結。后續開發使用了專門設計的壓力機和囊狀物概念，使其能夠在沒有熱壓罐的情況下進行固結，以用于未來生產6米長的TPC方向舵和升降舵梁。
AFP 疊層和工具
MFFD地板橫梁具有C型斷面，沿其長度變化腹板高度和厚度。吉凱恩航空航天（英國索利赫爾）荷蘭全球技術中心（GTC-NL，Hoogeveen）主任阿恩 特·奧夫林加（Arnt Offringa）表示：“外形與波音 787地板梁非常相似。”。“橫梁上通常有一個凹槽，以便為電氣和其他系統留出空間。幾何結構和鋪放的復雜性是我們選擇 AFP 的原因，而開發的工藝是吉凱恩?？斯竞兔卓肆_薩姆公司的共同努力。”
圖 2. 一個心軸，兩個預成型件。吉凱恩·?？碎_發了一種中間帶有切割通道的成型鋼芯軸，以便于將單個AFP疊層切割成兩個MFFD地板橫梁預制件。
吉凱恩?？斯鹃_發了一種策略，將兩個梁預制件同時放置在帶切割通道的型鋼心軸上。后者有助于在固結前將疊層切割成兩個預成型件（圖 2）。奧夫林加說：“這是一種非常有效的方法，與單獨制作預制件相比，浪費要少得多。”
Mikrosam 的總經理 Vele Samak 對此表示贊同，并指出， “它還通過優化 AFP 路徑來最大限度地減少鋪層時間。隨著心軸的旋轉，鋪層會連續進行，從而最大限度地縮短切割和重新開始的時間。這有助于保持一致的質量，使工藝更加簡單。它還保持了纖維上的良好張力。這有利于防止翹曲，并導致幾乎固結的鋪層，從而有助于減少隨后的整合步驟。”
“為了加快開發過程，”奧夫林加說，“第一組纖維束是在米克羅薩姆的研發設施生產的。”隨后的纖維束是用安裝在 GTC-NL 的米克羅薩姆新的 8 軸 AFP 機器制造的。該中心還安裝了 Mikrosam 設備，用于切割熱塑性預浸膠帶和定制的固結機，稍后將進行討論。
Samak 說：“AFP 機器具有模塊化、多材料頭和高溫激光加熱系統。”。“GKN Fokker 現在正在使用它來開發熱塑性技術，但在未來，他們也可以將它用于使用熱塑性粘合劑的干纖維或熱塑性預浸膠帶。我們的 AFP 頭是模塊化的，因此您可以將同一個頭連接到不同的配置，同時本質上是多種材料，無需修改。因此，它提供了很大的靈活性和可升級性隨著新技術的發展。”
Offringa 指出，開發始于索爾維復合材料公司（美國佐治亞州 Alparetta）的材料。然而， STUNNING 地板梁是使用 Toray Advanced Composites公司（荷蘭 Nijverdal）的 Cetex TC1225 膠帶制成的，該膠帶包含 T700 碳纖維（CF）和低熔點聚芳醚酮（LM-PAEK）基質。在空客公司作為 MFFD 項目負責人的投入下，該材料系統被選擇用于整個STUNNING 演示機。盡管 Mikrosam AFP 頭可以同時放置四個膠帶（1 英寸寬），但決定在鋪設過程中使用兩個膠帶，以適應幾何結構，并在地板橫梁的低半徑邊緣實現更好的固結。
纖維轉向、優化設計和工藝
Offringa 說：“使用纖維轉向的鋪放策略是在制造開發過程中發展起來的。”。“在 AFP 出現之前，我們總是堅持 0°、90°和 45°的鋪放。但對于 AFP，我們需要并希望使用纖維轉向來實現，例如，沒有褶皺或間隙的雙曲面板，并且纖維的方向最適合結構載荷。
Samak 解釋道，地板橫梁鋪設從徑向第一層開 始，稍微偏離典型的 90°角，“以實現纖維的連續性和與心軸的良好固定。由于該層下面沒有任何東西可固結，因此使用了較低的溫度。為了更好地固定在鋼心軸上，使用了 Kapton[高溫聚酰亞胺]膠帶。”
圖 3. 改善 0°鋪層的纖維轉向。GKN Fokker 與 Mikrosam 合作優化地板橫梁 AFP 鋪放。在上圖中，左側的鋪層沒有得到優化，而右側的 0°鋪層不再停止在半徑區域，而是在腹板的較平坦區域進一步向下傾斜。這種減少的簾布層在困難區域開始和停止， 以及間隙和重疊，使 AFP 過程更有效。
零度鋪層
“0°方向是沿著纖維束的，”Offringa解釋道。“在最后的鋪層順序中，0°鋪層不再停止在半徑區域，而是在腹板的更平坦區域進一步向下傾斜[圖 3 圖表]。這張圖表顯示了這兩種策略。左邊的橫梁是用非優化的鋪層制成的，而右邊的鋪層真的非常優雅。它減少了間隙和重疊，改善了鋪層過程。”
注意，圖 3 中所示的疊層是在彎曲心軸的頂部構建的。“在左邊的圖像中，”Offringa 繼續說道， “纖維要么在橫梁的整個長度上是連續的，要么在橫梁中的這個傾斜部分開始和停止，這并不容易。你試圖創建橫梁的這個圓角部分，但你通過停止每個 0°的鋪層來創建一個角。由于梁的形狀復雜，在這些位置開始和停止也不容易。因此，Mikrosam的工程師幫助我們修改 AFP 鋪放計劃，使纖維更容易獲得相同的性能，但采用更友好的制造路線。”
優化的工藝參數和 45°層
MikroPlace 軟件用于生成AFP鋪放過程的機器代碼。首先，在MikroPlace中模擬了設計的層、纖維束下落區、間隙/重疊和可能的碰撞問題，并與吉凱恩?？藞F隊一起分析了解決方案（例如，第一層的較大角度）和不同的鋪放玫瑰花結策略。
然后使用MikroAutomate軟件來模擬在線機器控制。來自Mikrosam、高級復合材料與機器人研究所（IACR，馬其頓普里勒普）和 GKN Fokker 的團隊在工藝參數方面優化了鋪放設計。“例如，”Samak 解釋道，“改變 AFP 頭的角度以避免碰撞會改變激光角度，從而產生不同的加熱區?？赡苄枰薷寞B層溫度來解決這一問題。”
他繼續說道， “我們的 AFP 機器控制軟件可以讓您微調課程和圖層不同部分的激光輸出量。使用標準控制，只輸出與 AFP 頭速度成比例的功率是不夠的，例如，在曲線陡峭的地方。您可能需要在這個特定部分減少一些激光輸出，這樣您就不會受到影響。”對來料進行退火處理。”
地板橫梁的另一個優化是在 45°層中。Samak 指 出，MikroPlace 軟件為每層膠帶分別提供了每個 45°層的規格。他解釋道：“這意味著我們的軟件可以對每一層的路徑進行更精細的修改。”。“當你為 45°鋪層編程 AFP 頭時，你最終會出現路線偏差，尤其是在橫梁的中間大面積區域，在那里你會向上傾斜，然后再次下降。因此，當你進行 45°鋪放時，你必須手動解決出現的偏差。MikroPlace 軟件允許團隊微調這些鋪筑，這樣就不會有間隙或重疊。”
MikroPlace 軟件實現了地板橫梁 AFP 層合設計中 0°和 45°層合的優化。
現場檢查間隙和重疊情況如何？Samak 說：“我們在這臺 AFP 機器上沒有在線檢查系統。”， “但我們用過程相機和熱像儀記錄鋪放過程。有了這兩種相機，操作員可以監控鋪放過程中是否有任何間隙或重疊，也可以查看它們是否超出了預期目標。例如，如果傳入的膠帶更薄，就會立即在熱像儀上注意到，因為該區域將以不同的方式加熱。操作員可以停止鋪放（如有必要）并解決此問題。”
熱壓罐固結、地板格柵組裝
每次鋪放完成后，將其切成兩個預成型件。然后將所有 12 個預成型件用熱壓罐固結成TPC梁，以最大限度地減少成品結構中的孔隙率。Offringa 說：“我們使用標準的高溫 Kapton 熱塑性塑料薄膜對預成型件進行真空裝袋，并在6小時的熱壓罐循環中使用 6 巴的壓力。唯一需要的精加工是將凸緣切割到一定寬度。”
圖 4. 完成MFFD下半部分。由GKN Fokker領導的STUNNING項目已經完成了MFFD下半部分的組裝，如SAM|XL所示。該模塊已被運輸至 Fraunhofer IFAM（德國斯塔德），在那里它將使用 FraunhoferIWS（德國德累斯頓）開發的基于激光的焊接工藝連接到上半部分。
奧夫林加說：“然后將橫梁組裝到MFFD地板網格中。”“橫梁被焊接到已經安裝了框的下機身外殼中。地板橫梁和機身框之間的連接是通過我們獲得專利的新型傳導焊接工藝實現的，該工藝使用帶砧的加熱桿元件來施加反壓力。“他指出，GKN 在JEC 2022展會上展示的帶有框架的焊接機身子組件也采用了相同的工藝。“我們使用一種加熱和冷卻的元件，”他指出，“它通過接觸被連接的零件來傳導。該元件安裝在一個機器人上，該機器人基本上將其移動到每個焊接位置。在 SAM|XL，該機器人位于龍門架上。”SAM|XL是代爾夫特大學（荷蘭代爾夫特）校園內的智能先進制造 XL 研究中心，MFFD 下半部組件完成（圖 4）。
TPC地板橫梁的開發花了多長時間？奧夫林加說：“開發橫梁是整個 STUNNING項目的一部分。”。“我們從2021年初開始，花了大約九個月的時間。當然，我們必須安裝設備，在我們的新AFP機器投入使用之前，Mikrosam 幫助我們生產了前兩個實驗光束。然后，我們將工具轉移到 GTC-NL，并繼續開發。我們在大約六個月內為MFFD制造了12個橫梁。”
GKN Fokker 工具用于熱塑性復合材料（TPC）零件的高壓釜外（OOA）固結，具有集成的加熱和冷卻功能，并使用內膽（如紅色所示）施加壓力。
OOA 固結
與此同時，吉凱恩福克公司開發了一種新型的熱壓罐外（OOA）固結工藝，用于橫梁和 6 米長的方向舵和升降舵梁。Offringa 解釋道：“我們目前生產這種尺寸的TPC梁，我們希望在沒有熱壓罐的情況下生 產。”。“OOA 固結減少了循環時間以及所需的能源和輔助材料量。我們之前曾為翼肋開發過這項技術，但希望將其擴展到更大的零件。”
為了做到這一點，吉凱恩?？斯鹃_發了具有集成壓力、加熱和冷卻系統的工具，并將其用于Mikrosam公司專門設計的固結壓力機。
集成工具
Offringa 說：“你經常看到這些集成工具與樹脂轉移模塑（RTM）一起使用。”。RTM是一種成型工藝，將液態樹脂（傳統上是環氧樹脂等熱固性樹脂）注入干纖維預制棒中，然后在 RTM 壓機中加壓加熱固化。GKN Fokker 沒有使用液體或熱固性樹脂，但它使用這些集成工具來施加溫度和壓力，以鞏固 TPC 預成型件。值得注意的是，GKN 福克公司生產的 TPC零件可能會與 RTM 競爭，以實現復合航空結構的更高生產率。
在 GKN Fokker OOA 整合工具中，Offringa解釋道，“水用于冷卻，傳統系統或感應可以用于加熱與 TPC 預成型件接觸的工具表面。冷卻比加熱更重要。如果冷卻在零件的整個表面上不均勻，那么你會先在一側收縮，然后在另一側收縮，這會導致零件出現缺陷。”
盡管感應加熱實際上是即時的，并且對于高溫加熱來說非常節能，但這種系統在冷卻過程中會帶來任何挑戰嗎？Offringa 說：“感應加熱確實非?？?，冷卻有點棘手，必須結合模具設計進行控制。”
新型壓力機和膠囊
GKN Fokker 的 OOA 集成工具放置在 Mikrosam提供的新型壓力機內。“這是我們建造的第一臺定制工程壓力機，”Samak 說。“壓力機通常不是我們的核心業務，但我們確實有很好的工程，吉凱恩團隊發現我們可以與他們合作，制造一種非常定制的壓力機，他們可以在那里集成自己的加熱和冷卻機制。”
“壓力盒就像一個 6 米長的鋼盒子，”奧夫林加說。
“在那個盒子里，你可以把你的工具自帶加熱、冷卻和加壓功能。這是一個用于制造各種零件的模塊化系統。對于加壓，我們使用的是氣囊系統。”
圖 5. 面向未來 TPC 梁的 OOA 過程鏈。在 LIFT 項目中，吉凱恩福克公司使用上述工藝鏈為演示傾轉旋翼飛機的 V 型尾 翼生產了一個 TPC 翼梁。使用帶集成超 聲波定位機的自動鋪帶（ATL）系統生產扁平定制坯件。然后使用簡單的預成型機將這些坯料預成型為 C 形，然后將其放入 Mikrosam 固結機中以生產最終零件。
在 TPC 成型和固結過程中使用囊狀物或薄膜施加壓力并不是什么新鮮事。在 2021 年的文章《靜水壓膜固結：60 分鐘內的蒙皮桁條面板》中，空中客車運營公司（德國漢堡），空客子公司復合材料技術中心（CTC，Stade，德國）和沖壓生產線供應商Siempelkamp（Krefeld，德國）展示了 CF/PAEK UD帶復合材料蒙皮的固結，同時在不到 70 分鐘的時間內集成了相同材料的桁條預成型件（30 分鐘的上升、10分鐘的保持和 30 分鐘的冷卻）。該項目使用了一個后面有油的不銹鋼膜，在組件的頂面上施加靜水壓力，取代了兩件式匹配鋼模具的上部。該工具組被放置在傳統的垂直動作壓力機中，然后施加熱量和壓力。
2021 年的那篇文章還討論了在波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）領導的 RApid 高性能制造（RAPM）計劃中，將 CF/聚醚酮（PEKK）UD 帶熱成型為演示肋：
“開發的工具方法使用了一個薄鋁囊狀物，該囊狀物在高溫下用惰性氣體加壓，在沖壓過程中膨脹以對零件的所有表面施加均勻的壓力。這使得在使用缺乏水平液壓系統和控制裝置的壓力機時，可以保持零件垂直法蘭的水平靜水壓力，從而對在垂直方向上。”
吉凱恩?？斯に囉泻尾煌?？“我們的媒體是一個簡單的概念，”奧夫林加說，“基本上類似于把門關上。它不是一個巨大的氣動或液壓機，但更接近于 Coexpair（比利時納穆爾）使用 Radius Engineering（美國猶他州鹽湖城）的許可證制造的 RTM 壓機。”
請注意，Coexpair 提供了 Spirit AeroSystems 在蘇格蘭普雷斯特維克高速生產復合擾流板時使用的 RTM 壓力機，對于空客 A320（見“高速率、自動化 RTM 生產線提供下一代擾流板”）。“Coexpair 最近提供了一臺 12 米的 RTM 壓機，”Offringa 補充道，“這有點像 Mikrosam 為我們建造的壓機，但它使用了不同的打開和關閉系統。而且它們非常劃算。”
“所以，我們的按壓非常簡單，膠囊也非常簡單，”他繼續說道。“它不是金屬的，更像是一根消防軟管，很靈活，設計可以承受壓力。你把預成型件放在帶有氣囊系統的工具中，然后在頂部簡單地關閉壓機，它可以在整個預成型件上施加 10-15 巴的壓力。在這種壓機中，我們幾乎沒有任何動作，但壓力是從頂部和側面施加的。”
“這個系統也是模塊化的，”Samak 指出，“這為未來的生產提供了很大的靈活性。”
未來 TPC 結構生產
因此，MFFD 地梁項目不僅在推進大型焊接 TPC機身模塊方面發揮了作用，還為吉凱恩?？斯靖行У厣a更大的 TPC 航空結構奠定了基礎（圖 5）。奧夫林加說：“我們在荷蘭的工廠里為公務機制造方向舵和升降舵。”。“升降舵有 6 米長，現在它們的梁以前是真空裝袋和熱壓罐固化的。然而，現在我們正在將其轉移到 OOA，這消除了真空裝袋的工時和材料，并將循環時間縮短了 80%。”
這種更可持續的 TPC 結構生產在第二個名為LIFT 的清潔航空項目中得到了進一步推進，吉凱恩?？伺c萊昂納多直升機公司（意大利 Cascina Costa di Samarate）合作，為飛行傾轉旋翼飛機生產 TPC 尾部結構。Offringa 說：“這種尾部結構也是用 AFP 制成的，有一個簡單的 C 形結構構件。”。“我們使用安裝在 GTC-NL 中的工藝鏈生產了這種翼梁。我們首先使用自動鋪帶機（ATL）制作了一個扁平坯料，該機器通過超聲波定位系統將簾布層固定在一起。然后我們使用了一個簡單的伺服控制預成型機。ATL 系統和預成型機來自 Boikon[Leek，Netherlands]最后，我們將預制件放入 Mikrosam 固結壓機中，該壓機生產最終的 TPC 零件。”
那么，吉凱恩福克的下一步行動是什么呢？Offringa 說：“將 OOA 成形和共固結技術擴展到更具挑戰性的應用，例如復雜的翼梁和梁以及整體加筋蒙皮。”
注：原文見《MFFD thermoplastic floor beams — OOA consolidation for next-gen TPC aerostructures》2023.3.24
