降低成本的RTM
通過 RTM 降低制造成本：空中客車公司不來梅的復合材料多段襟翼（CMF）項目通過將 26個單獨的碳預浸料部件（見圖 1，下圖）集成到通過樹脂轉移模塑（RTM）制成的單次成型、單元化結構中，簡化了窄體飛機7.4米長外側襟翼的生產。
圖 1-常規襟翼結構：常規 CFRP 襟翼中使用的 26 個預浸零件。在運往不來梅進行多次組裝操作之前，必須對其進行單獨分層、熱壓管固化、機械加工和無損檢查。
圖2-臨時CMF 設計變更：如這些照片所示，最初的CMF設計用四到五個編織盒取代了桁條和肋。隨后，這被修改為五個“雙T”（I 型梁）梁（如左圖所示），使用5 絲緞來提高纖維定向精度和工藝可擴展性。
步驟1：從切割干織物（或SQRTM部分的預浸料）開始進行全尺寸演示器制造。
步驟2：使用激光投影系統將切割好的碎片精確地疊放在運輸板上。
步驟 3：將包括底部表皮、前緣和頂部蒙皮的彎曲表皮預制件疊放在片狀固定裝置上，并用可重復使用的真空袋進行拆散。
步驟 4：同樣，梁預制件的鋪層被鋪成 “雙 T” 心軸，并進行分解。
步驟5a：在這里，下部RTM工具顯示為已準備好并準備好預成型件的疊層。
步驟5b：將“雙 T”翼梁預制件裝載到下部工具中。
步驟5c：然后將彎曲的蒙皮預成型件（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，然后趁熱脫模（結果見下一張照片）
在沒有權衡的情況下節省成本：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，并有可能節省超過20%的成本。
由空中客車公司不來梅（德國不來梅）領導的復合 材料多段襟翼（CMF-Composite Multispar Flap）項目的目標是 簡化窄體商用飛機 7.4 米長的復雜外側機翼襟翼的生產?？罩锌蛙嚥粊砻饭矩撠熃笠?、擾流板和其他高升力系統的設計和制造，這些系統是優化起飛和降落的可移動機翼部件。
CMF項目于2005年獲得資助，由空中客車工程師York Roth博士領導的多功能團隊與合作伙伴Radius Engineering（美國猶他州鹽湖城）和 Faserinstituit Bremen（德國不來梅 FIBRE）密切合作，開始了設計研究和可行性測試。該團隊瞄準了 A320 機翼的外襟翼，該襟翼在當前 生產版本中包括 26 個單獨的碳纖維增強聚合物（CFRP） 零件，包括兩個蒙皮、前緣零件以及多個肋和翼梁。在運往不來梅進行同樣密集的組裝過程之前，所有這些預 浸料部件必須單獨分層、熱壓管固化、機械加工和無損 檢查（見圖 1，左側）。
金屬端肋和載荷框架——后者能 夠連接和載荷傳遞到機翼——必須安裝在組裝夾具中， 然后安裝肋和蒙皮桁條面板。技術人員為鉚釘鉆孔，然 后將復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。隨后進行多個鉆孔和鉚接步驟， 然后手動安裝復合材料前緣和金屬后緣部件。CMF 替代方案被設想為一個多段扭轉箱，將包括前緣在內的所有26個預浸料部件集成到一個使用熱壓罐 外(OOA)樹脂傳遞模塑(RTM)技術制成的單元化結構中。空中客車公司不來梅的工業活動建筑師Stefan Bauer 博士表示：“CMF不僅可以消除大量的組裝操作， 還可以消除許多預浸部件的高交付周期和復雜的工藝鏈。”
挑戰將是如何設計零件并通過單次注射和固化以 可接受的孔隙率制造這種現在封閉的結構，同時保持當前的程序公差?？湛筒粊砻分圃旃こ處烳ohamed Attia 解釋道：“由于需要將承載架與襟翼軌道相匹配，以連 接到機翼上，并滿足空氣動力學要求，因此最終的幾何形狀必須精確。” 由于在不增加整個噴漆和配備的襟翼重量的情況下，潛在的成本節約超過20%，空中客車 不來梅接受了這一挑戰。
完善設計
Bauer回憶道：“最初的想法是用四到五個編織盒 取代所有預浸料坯的桁條和肋條，然后是上下蒙皮。”
鮑爾指出：“主要的挑戰之一是這個部分超過7米長。”“我們以前從未與RTM進行過如此大規模的合作。然而，Radius Engineering 是一個出色的合作伙伴。我們從小零件開始，一路向上規模。”
2007年建造了一個1.5 米的截面，并進行了靜態測試，以展示設計和工藝，達到了4級的技術準備水平 （TRL）。到 2010 年，編織盒的想法已經被放棄了。Bauer解釋說，用于襟翼預成型的編織“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 形梁長度的一半。在寬（≈200 mm）和窄（≈80 mm） 端，纖維方向實際上不會是±45°。根據Attia的說法， 這種不太理想的纖維取向需要更大的性能降低，從而增 加重量以滿足應力要求。他補充道：“干編織物很容易歪斜。”這進一步使最佳纖維排列變得復雜。
還需要考慮制造過程對工業生產率的可擴展性。對 于編織箱梁，在工藝的早期需要原始工具來為預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行預成型，并且RTM心軸僅在零件注射和固化循環期間需要?？紤]到上述因素，設計改為工字鋼翼梁，采用傳統的5絲緞織物。
制造全尺寸襟翼
新的基于I-beam的設計在 2010 年被用于生產全尺 寸的演示器，并最終達到TRL5。因為矩形比實際的錐 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計。芯軸分為三部分以便于拆卸。Bauer說：“對于厚零件，RTM很容易滿足厚度公差。” 。但CMF相對較薄，在加固區域為 2 毫米至 5 毫米。通常情況下，像這樣的薄零件 是使用預浸料和真空袋制造的，正如Bauer所解釋的， “你主要會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導致零件厚度完全取決于兩個銑削的工具表面。
Bauer指出：“工裝精度對零件厚度的影響增加了 一倍。”他補充道， “工裝必須非常準確，以確保纖維體積含量在設計公差范圍內。”他指出，由于零件的厚度會改變樹脂含量， “在某些領域，如果你的工具偏差甚至小于0.2毫米，那么你就已經超出了纖維體積的公差。”
零件生產始于蒙皮預制件的制造，通過使用激光投 影系統將干織物鋪在運輸臺上制成（步驟1和2，左側）。這種5絲緞織物是用來自Hexcel（美國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成型件疊放在片狀夾具上， 并將翼梁預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，都使用可重復使用的真空袋 來對預成型件疊層進行拆散和成型。
鮑爾承認，有許多處理和預成型步驟，后者需要非常注意準確性。
“簾布層的邊緣定位對達到公差至關重要， ”他指出， “但是，你永遠不知道預成型件是否正好在工具內部的 位置。它在公差范圍內嗎？所以我們開發了一個創新的 概念和工程設計來應對這一問題。”
然后將蒙皮和工字鋼翼梁預制件配對，放置在RTM工具中并封裝在RTM中（步驟 5-7），RTM工具由 Radius Engineering 設計和制造。將工具、預成型件和樹脂預熱 至約 100°C，注入樹脂，然后將復合材料升溫至 180°C 的固化溫度。使用Hexcel HexFlow RTM6樹脂是因為它是目前合格的主要RTM環氧樹脂，用于空中客車公司的結構。
Bauer說：“這個部分非常復雜，我們不想像輸液 一樣控制樹脂的流動。” 這個過程必須穩定可靠。通過控制真空和壓力來解決孔隙率問題。“當然，模具設計很重要， ”他指出， “選擇溫度是為了在加工過程中不會發生可能導致孔隙率的排氣。”
值得注意的是，如此大的零件只使用了一個注射點 和一個出口。這是不尋常的，因為許多RTM零件的典型設置采用了多個注射點和出口點。Bauer 反駁道：“但這些問題在于你必須控制它們。” “由于泄漏和流量 問題，你必須控制的點越多，風險就越大。”他補充道， 對于CMF，注入只在一個點發生，但隨后在工具內呈直線移動。Bauer說：“這是一個非常簡單但穩健的過程。”“這是必須的，因為如果我們失去了一部分， 那就不僅僅是一根肋骨，而是一整個7米長的襟翼。”
經過2小時的固化循環后，成品零件在仍高于100°C的情況下被熱脫模，因為工具上的冷卻會導致零件拆卸問題。使用鋁制工具，尤其是在零件的強化載荷引入區域，可能會導致底切損壞，除非在金屬收縮之前將其脫模。
最后一個挑戰是襟翼結構是一個封閉的盒子。Bauer解釋說，這就提出了如何檢查最終結構的問題。CMF 團 隊開始與總部位于不來梅的蒂森克虜伯系統工程公司合作，使用相控陣超聲(UT-ultrasonic)無損檢測系統檢查已拆除的單元化零件，該系統使用單側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了檢測技術和獲得專利的無 損檢測設備，該設備使用彈簧加載來幫助將相控陣超聲波聚焦在零件的輪廓上，并向內觀察蒙皮下的翼梁以及翼梁和蒙皮之間的半徑。事實上，該系統使用兩個頭部——一個沿著翼梁移動，另一個檢查翼梁和蒙皮之間的半徑——來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器一步到位地觀察和檢 查這些區域。” 。該團隊還討論了在使用中受損的襟翼的修復方法，包括檢查、損傷去除和修補技術。
閉箱結構提出的第二個問題是如何實現機翼的連 接和載荷傳遞。以前，使用金屬負載框架和端肋來實現 這一點。盡管新的組合結構大大減少了機械緊固件，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較低的緊固件數量不僅降低了疲勞風險， “還降低了機械加工造成的纖維損傷。”他補充道， “在高度優化的復合材料層壓板上鉆孔在設計和制造方面都非常低效。”這也是不來梅研發團隊繼續推動更 大程度的零件集成的原因之一。負載連接點的替代設計 使用碳纖維增強材料，實現了從金屬到復合材料的集成 和轉換。最初獨立的金屬后緣也已集成，轉換為三明治結構，使用贏創（Evonik-德國埃森）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設計并沒有完全優化， 因為它本可以在一個全新的飛機設計中進行。” “這是因為該解決方案是作為在役A320的改造設計而開發 的，具有設計限制，特別是在載荷引入區域。”該團隊認為，使用這些集成的CFRP后緣和載荷傳遞部件，可以將CMF的成本節約提高到30%。
準備工業化
全尺寸的演示器取得了成功，并在2013年法國巴黎JEC歐洲展上展出。Bauer警告說，如圖所示，制造步驟尚未工業化。一旦實現，其中許多——例如，織物疊層、拆封、將工具放入RTM模具——都將使用機器人實現自動化。
當該工藝投入生產時，當在一個RTM循環中有這 么多以前分離的部件共同固化在一起時，是否會出現潛在的粘合問題？Bauer說沒有。“這種分層的問題是典型的預浸料， ”他說。“RTM的問題是孔隙率。”正如大多數航空航天結構的典型情況一樣，復合材料機翼襟翼的孔隙率必須小于1%。Bauer說，對于CMF來說， 風險在于零件的大面積以及蒙皮和翼梁之間半徑內可 能存在的孔隙率。他說：“經過NDI的驗證，我們已經 在沿著桅桿的整個長度上實現了良好的層壓質量。” “就半徑而言，這不容易檢查孔隙率，但我們在開發的檢查方法中結合設計中使用的擊倒因素進行了處理。” Bauer 說：“CMF技術已經為工業化做好了準備。” “一年前，它通過了TRL 6審查，這意味著它已經脫離了研發階段，準備在未來的平臺上采用。”
他補充說，這種新方法也可以用于其他飛機部件?？v觀空客不來梅的生產車間，以及A320襟翼當前組裝 過程中的所有零件，所有這些操作會發生什么？Bauer回答說，他們將減少，主要由鋪放預成形代替。這就是目標嗎？Bauer和Attia都回應說，商用飛機復合材料生產的唯一未來是變得越來越高效。
CMF項目的工藝將預浸料與 RTM 相結合
為了實現簡化窄體飛機外側機翼襟翼生產的目標， 由空中客車公司不來梅（德國不來梅）領導的復合材料多段襟翼（CMF）項目展示了將26個碳纖維增強聚合物（CFRP）部件集成到一個一體式結構中，該結構通過單次注射樹脂轉移成型（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RTM工藝生產新CMF外，空中客車不來梅團隊還演示了使用Radius Engineering 開發的相同質量的樹脂傳遞模塑（SQRTMSame Qualified Resin Transfer Molding）工藝制造零件。SQRTM使用預浸料疊層而不是干織物預成型件，RTM工藝注入與預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新材料進行鑒定的需要。
為什么選擇SQRTM？因為CMF概念可以應用于 其他結構，例如機翼內側襟翼。然而，正如空客不來梅 公司的工業活動建筑師Stefan Bauer博士所解釋的那樣， 內側襟翼必須承受跑道碎片的沖擊，因此需要一個鋼化樹脂系統。“我們沒有合格的 RTM增韌樹脂系統， ” 他補充道， “因此，SQRTM的可行性也在CMF項目中的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。”Bauer表示，干織物RTM和SQRTM工藝變體都已準備好工業化。
補充圖片
原文見，《 Reducing manufacturing cost via RTM 》 2015．11．30．
楊超凡 2023.8.16
