NCF-RTM-OOA 制造機翼后梁
吉凱恩（GKN）為第一批“明日之翼”翼梁開發了半自動化制造工藝，最終目標是幾乎完全自動化制造。梁在這里完全預成型，并準備轉移到用于樹脂轉移模塑（RTM）的模具中
可以說，機翼中沒有一個結構像翼梁那樣復雜和難以制造。翼梁是一個長的 C 形或 I 形主結構，貫穿機翼的長度，從根部到尖部。根據飛機的大小和類 型，翼盒可能有一個或多個翼梁。在商用飛機中，通常有兩個翼梁，一個位于前緣，另一個位于后緣。它們連接在機翼蒙皮、翼肋、起落架結構和襟翼上，旨在承受作用在機翼上的氣動力產生的彎曲載荷。翼梁幾乎總是錐形的——機翼根部越來越厚，尖端越來越窄。此外，翼梁必須遵循翼盒的輪廓，并且通常是傾斜的，以適應機翼的后掠。
空中客車公司（法國圖盧茲）在開發復合材料密集型雙通道A350飛機時，決定改用復合材料制造機翼蒙皮、桁條和 34 米翼梁。A350機翼的海鷗翼形狀決定了后翼梁的兩個角度變化的集成，因此空中客車公司選擇了將后翼梁分為三部分的設計，每個部分都使用 C 形心軸上碳纖維預浸料的自動纖維放置(AFP)制造。每個翼梁段都只有 11 米多長，在熱壓罐固化后，使用定制的CFRP板進行連接。這項制造和組裝工作由吉凱恩(GKN)航空在其英國菲爾頓工廠進行。
然而，下一代商業航空機翼結構——尤其是高制造速率飛機的機翼結構——必須而且將發展為一種更集成的設計，使工廠能夠生產出能夠滿足苛刻性能、成本和生產要求的共固化、熱壓罐外(OOA- out-of- autoclave)結構。
空中客車公司正在通過其“明日之翼(WOT- Wing of Tomorrow)”計劃應對這一挑戰。WOT 包括來自多個供應商的組件，每個供應商評估不同的復合材料并購策略。其中包括但不限于 Spirit AeroSystems（美國堪薩斯州威奇托市）的下翼蒙皮、GKN Aerospace（荷蘭胡格芬市）的熱塑性復合材料肋，以及 Daher（法國南特市）的額外熱塑性肋和僅真空袋的后翼梁。這份清單上還有一個 17 米固定后緣（FTE- fixed trailing edge ）組件開發，該組件被授予英國西部的吉凱恩航空航天公司。吉凱恩必須開發的 FTE 最關鍵的部分是 17 米一體式樹脂轉移成型（RTM）后緣翼梁。
長錐形 RTM 結構的挑戰
GKN Aerospace 的首席工程師 Gavin Lunney 表 示，該公司于 2017 年加入了 WOT 項目，并獲得了翼梁的界面幾何形狀和機械性能特性的設計資料。除此之外，吉凱恩還有很大的設計自由，Lunney 說，吉凱恩“從零開始”開發公司現在生產的結構。
吉凱恩承擔的工作要求很少，但令人望而生畏：完工的全尺寸翼梁必須長 17 米，成型為一體，并于2022 年交付。此外，吉凱恩必須通過具有成本效益的并購來展示全速生產能力。Lunney 說，當他接手這個項目時，這個項目帶來了巨大的挑戰，但似乎也很有可能。
Lunney 說：“對于幾何結構，我認為他們采用了典型的翼梁幾何結構，然后將其推向極致，挑戰我們嘗試并理解我們實際制造的極限。”
吉凱恩很快意識到，它必須采取以設計換制造的方法來實現空中客車公司提出的費率要求。為了應對這一挑戰，吉凱恩決定將梁的開發項目分為三個階 段。第一，是制造和測試小型結構，包括平板。第 二，也是最密集的階段將致力于制造5米長的全翼梁，以證明設計和制造的可行性。第三階段將致力于制造整個17米長的翼梁。通過這種方式，該公司將能夠逐步評估材料好工藝（M&P）性能，并在最終構建之前根據需要進行調整。
由帝人(Teijin)制造的雙層碳纖維無卷曲織物（NCF-noncrimp fabric）被指定用于翼梁。這里顯示的是自動切割后和預成型前的 NCF 套件
GKN Aerospace 集成復合材料結構技術總監 Craig Carr 表示：“就其扭結后掠和法蘭角而言，這種翼梁可能是我們見過的要求最高的翼梁，因此它給模具設計帶來了很多挑戰。”。“當我們完成該項目的中等規模部分時，很多問題都得到了解決，然后我們就可以使用全尺寸工具了。”
Lunney 補充道：“然后，我們將翼梁分解為許多離散的特征，如半徑、扭結或厚度過渡，我們專注于了解是否可以開發出一種能夠適應這些特征的工藝。”
空客為翼梁指定的材料組合是由帝人（日本東京）提供的雙層碳纖維 NCF，將注入蘇威（Solavy）復合材料公司（美國佐治亞州 Alparetta）的環氧樹脂系統。GKN 最終開發的最后一個翼梁采用了 C 形設計，有兩個角度變化——或“扭結-kinks”——以適應機翼的后掠。
在該項目的早期，隨著GKN開始研究面板和離散功能，出現了如何為相對較重的NCF構建簾布層架構的問題。
Lunney 指出，通常情況下，將 NCF 放置在具有兩個角度變化和可變厚度的長的、非直的 C 形結構上，需要對 NCF 進行戰略性切割和沖切- darting，以避免可能降低結構強度特性的褶皺。然而，對于大容量的航空結構項目來說，切割和飛鏢是低效的。吉凱恩希望并需要將翼梁的全速生產盡可能自動化。
因此，Lunney 和他的團隊很早就決定，這種 17 米長的填充翼梁只有在高速率的制造環境中才可行，其設計不需要切割和沖切，但仍然避免了織物起皺。相反，吉凱恩將依靠戰略性和謹慎的鋪層布局，這有助于自動化，并生產出符合空客機械要求的成品結構。
Lunney 說：“如果你真的有沖切，你就必須在你的制造過程中引入你真正不想要的交錯、接縫板和一大堆復雜性。”“我認為沒有沖切對每個人都有好處。它是一體式的，所以沒有接頭。零度層從根部到尖端。當我們在法蘭周圍形成時，我們不會對材料進行沖切，我們什么都不做。我們能夠剪切 NCF，這樣我們就有了符合零件輪廓的纖維。”
Craig Carr補充道：“如果你最終在一個翼梁上放了很多沖切，那么擊倒因素并不是微不足道的。尤其是我們在翼梁上的扭結位置——只要你把任何沖切放在扭結中，就會有一個合理的擊倒因素。然后，你會通過在翼梁中增加重量來克服這個問題。然后，開始質疑為什么首先要使用復合材料翼梁。”
另一個挑戰圍繞著過程。RTM的使用要求首先預成型翼梁，然后轉移到匹配的金屬模具中進行樹脂注射和固化。這一過程并不新鮮，通常非常容易管理，但翼梁的長度增加了吉凱恩必須解決的復雜性，尤其是在高速生產環境中。Lunney指出：“將 RTM 擴大到 17 米的結構并非易事。”
翼梁的厚度可變，長度上有兩個角度變化或“扭結”。通常，這種尺寸復雜的結構將需要切割和沖切 NCF，以避免褶皺和可能導致的性能下降。沖切本身也帶 來了挑戰，所以吉凱恩選擇了使用一種新穎的剪切 技術。此處顯示的是成形工具上的 NCF
從 5 米長到 17 米長的梁
2019 年，吉凱恩進入了產品開發的中期階段，制造了一段 5 米長的翼梁。這項工作將整合吉凱恩的材料和制造策略，并向 Lunney和他的團隊展示大型、不切割/不沖切 RTM 結構的可行性。
Lunney 說，他和他的團隊首先委托制造了兩個凸模具—一個用于預成型，另一個用于成型過程。工藝開發始于在自動切割臺上切割 NCF，然后用手將簾布層裝配并放置在成形工具上的指定位置。在放置每層簾布層之后，對其進行加熱和壓制，以將其穩定在成形工具上。
當應用所有層和所有層時，關閉模具并加熱以交聯環氧粉末粘合劑并賦予 NCF 剛度。然后通過起重機將預成型件從預成型模具轉移到生產模具上——這只是 GKN最終計劃開發的全尺寸工具的較短版本。該模具具有集成的熱電偶，以及用于測量模具內壓力、樹脂到達和固化程度的傳感器，以幫助最大限度地控制過程。
Lunney 說：“我們在這個工具中建立了很多自動化功能。” “我們在5米長的翼梁上建造了很多傳感器和相對昂貴的技術，這使我們能夠證明該工藝能夠滿足高生產率，而無需在全尺寸翼梁上花費那么多錢。”
吉凱恩最終制作了八個 5 米長的演示器，以評估該系統的材料和工藝能力。切割了三根 5 米長的梁進行機械測試；另外兩個用于拐角彎曲測試。該公司還進行了廣泛的無損檢測（NDT-nondestructive testing ）。Lunney 說，所有的測試結果都很有希望，包括<2%的孔隙率，并表明吉凱恩開發的并購策略是可行的。
這給了該公司進入最后階段所需的信心——17米模具和17 米翼梁的制造。Lunney表示，該項目最大的技術障礙是在建造5米長的梁時消除的，因此遷移到17米長的支柱似乎更容易管理。
NCF 正在 Alpex 生產模具上組裝。NCF 預制件部分可見，覆蓋在工具側面
全尺寸成型模具和生產模具于2020年年中交付，吉凱恩不久后開始制造第一個全尺寸翼梁。這包括從帝人（Tenjin）NCF 的軋輥上自動切割簾布層，然后用手將這些簾布層放置在成形模具上。在預成型件被加熱和加壓后，通過真空提升梁將其從預成型件模具轉移到生產RTM模具。
翼 梁 生 產 中 最 復 雜 的 部 件 可 能 是 Alpex Technologie (S奧地利米爾斯)制造的17米因瓦(Invar)模具。Lunney稱之為“RTM工具的拼圖游戲。工具的中間部分必須分開并移動，這樣我們才能在成型后移除翼梁。”
全尺寸模具的其他功能包括與5米工具中使用的相同的集成熱電偶和其他傳感器，以及具有閉環溫度控制的流體加熱系統。
在將其放置在生產模具上之后，在樹脂注射之前，用手修剪預成型件以去除多余的材料。在預成型件就位并修整后，關閉模具并密封，RTM 工藝開始于注入蘇威環氧樹脂。RTM設備由 Composite Integration（Saltash，英國）提供，包括200升樹脂輸送系統和能夠產生高達10 巴（145磅/平方英寸）壓力的泵。
在拆除翼梁之前，GKN通過集成在模具中的基準孔直接在翼梁上鉆了七個孔。這些孔設計用于接收用于將翼梁連接到翼箱的固定裝置，包括五個直徑為6毫米的孔；剩下的兩個孔，根部和頂端各一個，直徑為8毫米。
GKN不會透露翼梁預成型/成型過程的總循環時間，只是說這比通過熱壓罐固化制造相同零件所需的時間要短。
Lunney說，吉凱恩希望最終實現簾布層鋪設和鉆 孔的自動化，以提高生產效率并縮短循環時間。Lunney說：“我們需要滿足的模具數量將取決于我們能以多快 的速度實現RTM工藝所需的步驟。”“所以這可能是 一個輪班時間的倍數。”不過，假設每個模具每班一個架次（兩個梁），每天兩班，每周五天，GKN每月44個架次的梁。
將完成的17米長的翼梁從Alpex生產模具中提升到組裝夾具上。吉凱恩正在制造四個翼梁，作為空中客車“明日之翼”項目演示階段的一部分
Lunney說：“現在，材料在簾布層切割機上切割，然后手動取出并儲存。然后將其手動放置在移動工作臺上，然后將該工作臺帶入工作站中以定位簾布層。”“因此，這是一個半自動化的過程，我們試圖專注于我們在項目開始時認為不成熟的開發領域，我們需要成熟才能達到目標。顯然，切割簾布層并將其移植到桌子上是一項相對較高的TRL技術，我們將在下一個開發階段實現自動化我們開發的工作站能夠完全自動化，我們一直努力記住這一點。”
吉凱恩于 2021年9月向空中客車公司交付了第一臺帶有 17米翼梁的固定后緣（FTE-fixed trailing edge )組件，用于第一臺 WOT 演示機。就空中客車公司而言，它于 2022 年 7 月在英國范堡羅的范堡羅國際航空展上首次展示了第一架 WOT 演示機。此后，吉凱恩向空中客車公司交付了第二架翼梁，第三架將很快交付。吉凱恩剛剛完成的第四個翼梁將留在吉凱恩進行測試。
Carr 表示，吉凱恩如此迅速地開發和交付翼梁的能 力是值得注意的：“我認為，對于直接進入結構測試項目的第一部分，以及對于我們來說，在如此大的項目中第 一次對如此大的部分進行正確的測試，這是非常重要的，也受到了空中客車的好評。”
回顧和展望
當被問及WOT梁的發展最令人生畏的是什么時， Lunney承認這是放棄 NCF 的切割和沖切的決定。“這是一個很大的偏離規范，”他說。“我很想開始，但隨著我們的進步，事情變得更容易了。最終，我平靜地相信我們能做到。”
這顯示了吉凱恩航空航天公司裝配夾具上的成品翼梁的后側?？罩锌蛙嚬疽呀浗M裝了第一架WOT演示機。該演示機的一些M&P可能會應用于空客新飛機項目的機翼結構中。
他還表示，該項目的新穎性也帶來了自身的挑戰：“形成 NCF 材料是一個真正的挑戰。我們沒有一個工藝。我們在世界上找不到其他任何人有一個工藝可以讓我們將這種材料形成一個如此復雜和具有挑戰性的幾何形狀，沒有任何褶皺，沒有任何沖切。我認為一開始有很多人懷疑我們可以在沒有沖切的情況下做到這一點，但我們已經做到了。”我認為第二個挑戰是采用RTM技術，這顯然是相當古老和成熟的，并將其擴展到17米——我們必須找到能夠幫助我們完成這項工作的供應商，然后組裝一個工具并使其發揮作用。”
當然，Lunney不孤單。他稱贊他的整個團隊幫助實現了 WOT 的后緣之爭。他的隊友是：Will Broom、Stephen Williams、Clement Ooi、Phillip Brown、Mark Griffiths、Tim Smith 和 Tom Bertenshaw。在范堡羅，整個集團因其對S梁的開發而被授予吉凱恩技術與創新首席執行官獎。
接下來會發生什么？吉凱恩交付的三個固定后緣（FTE-fixed trailing edge）組件將構成三個翼盒組件的一部分，其中一個將進行全尺寸結構測試。吉凱恩樂觀地認為，其在WOT翼梁方面的成功使該公司有利于簽訂下一代飛機項目的生產合同。
與此同時，吉凱恩還與幾家先進的空中機動(AAM-advanced air mobility)制造商密切合作，這些制造商使用一體式機翼設計，并將從能夠快速高效制造的一體式復合材料翼梁中受益匪淺。
Lunney說：“我們認為這是世界上最大的一體式梁。” “據我們所知，這也是世界上最大的RTM結構。”卡爾說：“我們在這里所做的是展示成型過程的質量。” “我們已經證明了輸液過程的質量。我們知道未來項目的正確要求是什么。”
注：原文見《One-piece, one-shot, 17-meter wing spar for high-rate aircraft manufacture 》 2022.10.28.
