A350 機身連接角片主要用于框和蒙皮的連接。角片大致分為 4 大類：L 型、加強角片(cleats)、自動穩定夾子（AS-auto stabillsed clip）和窗戶夾（圖 1.）。L 形夾子具有簡單的 L 形角的形式。另一方面，自動穩定角片（AS）有更復雜的形式，具有穩定功能元素集成在 L 形角上。窗戶夾子是所有夾子中最長的（800 毫 米），因為它們是沿著窗戶區域組裝的。更進一步，防滑釘(cleats)是小型穩定元素其安裝在其他角片上，以便局部提供結構的更高剛度。為了滿足性能要求， Premium Aerotec 的設計工程師在聚苯硫醚（PPS）或聚醚醚酮（PEEK）樹脂基體中指定了中等模量碳纖維。

所選擇的材料是由 TenCate Advanced Composites BV（Nijverdal，荷蘭）制造的 PPS-CETEX 半成品預固結熱塑性面板，用 Toray Industries（日本東京）的 T300碳制成的編織碳纖維織物加固。所使用的碳纖維/PEEK 材料是預固結的 Tenax TPCL 層壓板，也基于機織織物，由 Toho Tenax Europe GmbH（德國伍珀塔爾）制造。面板具有準各向同性疊層，根據該區域的連接位置和機身載荷條件，提供不同厚度，從 1 毫米到 5 毫米，或 5 到 14 個織物層。Miaris 解釋道：“夾子的設計經過優化，重量盡可能輕。” “我們在機身內的不同載荷情況下使用不同的材料厚度，以盡量減輕重量。”

更高強度的 Tenax 碳纖維/PEEK 被指定用于機身區域的夾子，這些區域將承受更高的載荷，通常是在開口周圍，如貨艙門和乘客門。

制造一架 A350-900 機身要用到 8000 多個角片。其中機身的 13-14 段和 16-18 段需要 5000 多個具有 2000 多種不同的角片。

圖 1. A350 角片的基本設計

制造角片采用一種自動熱成型工作站，以滿足生產需求。該工作站包含兩個機器人——一個是“主”，第二個是“從”——由一個復雜的專有計算機過程控制系統驅動，該系統能夠根據預測的 A350 裝配需求計算工作流程和速率，以便及時交付零件。工作站的流程達到順暢、快速、無紙化。

每個工作單元包括六個步驟或功能（圖 2.）：

1.在高速自動切割臺上將熱塑性板材切割成坯料

2.機器人將坯料轉移到兩個紅外烘箱中的一個用于聚合物熔融（因為PEEK 和 PPS 需要不同的熔融溫度）

3.機器人將加熱過的坯料從紅外烘箱轉移到壓力機中的熱成型工具

4.在熱成型機中成型

5.機器人將成型夾子轉移到修剪站進行邊緣修剪（在某些情況下還可以鉆孔）

6.超聲波檢查和零件編號標記

圖 2. 角片制造過程的主要步驟

創新制造

為了開發高度自動化的過程，需要為各種問題開發新的解決方案。

熱成型操作是對所生產零件的最終質量影響最大的工藝子步驟。此外，質量保和工藝文件是航空航天零件生產中非常重要的一點?？紤]到這一點，設計熱成型工作站是為了能夠滿足所有相關要求。熱成型工作站可以通過閉環控制在預定義的斜坡下加熱坯料。對沖壓成型溫度進行持續監測和控制，根據零件調整成型力，并記錄和保存所有成型參數(圖 3.)。

圖 3. 展示了一個理想的熱成型工藝循環。

最苛刻的規格之一是自動穩定夾的成型。這些部件沿3 個方向折疊。為了能夠自動執行此操作，開發了一種創新的處理系統。該系統基于使用具有 3 個鉸鏈的折疊框架?？蚣苡梢粋€專門設計的機器人頭處理，該機器人頭執行折疊并將熔化的堤岸放置在金字塔形沖壓模具上（圖 4）。

如果不使用，就不可能生產 2500 多種不同的零件幾何形狀先進的工具更換概念。這個概念是基于工具的集群和使用模塊化主窗體。工具的集群允許制作多個剪輯幾何圖形。另一方面，模塊化主窗體的使用（圖 5）提供了所需的剛度，確保工具平行閉合，并允許均勻的壓力應用在此基礎上，可以設計出更小、易于放置的沖壓工具該操作由配備有專門設計的搬運系統（圖 6）。

圖 4：坯料折疊系統。

圖 5：壓力機和凹模概念示意圖

另一個具有挑戰性的子過程是銑削最終零件輪廓。為了實現所需的公差，并確保零件從銑床的工作臺上快速安裝和釋放，開發了一種新型的夾緊裝置。使用這種夾具，每個零件的銑削操作持續時間不到兩分鐘。

最后一步是使用來自歐洲供應商的相控陣脈沖回波超聲波設備對所有零件進行檢查。半自動測試包括將零件浸入水箱中進行 C 掃描測試，但使用手持掃描傳感器手動檢查一些更復雜的帶有折彎的角片。經過測試的零件都標有識別射頻識別（RFID- radio frequency identification）標簽，以便在整個機身組裝過程中實現無紙化跟蹤。零件只需 85 秒就可以循環通過各個工位。

圖 6：角片制造操作的最后步驟：脫模 3D 裝飾和NDI 檢測

持續改進

角片的局部加熱和成型——也就是說，在熱成型之前，不是加熱整個坯料，而是只在需要改變形狀的地方加熱坯料的一部分。局部成型需要一個專門設計的紅外爐，只加熱坯料的指定區域；機器人處理部分軟化的坯料；以及具有定位特征的成形工具和壓力機，所述定位特征能夠正確地定位加熱區域以進行成形。這一概念已經得到了廣泛的試驗，并使用碳纖維/PEEK 和碳纖維/PPS 坯料對零件進行了測試。機械測試和微觀切片顯示，局部成型零件沒有任何孔隙跡象，機械性能符合設計要求。差示掃描量熱法測試證明，樹脂在加熱成型區域的結晶度沒有偏離結晶度在零件的其余部分觀察到。

在某些情況下，夾子需要連接一個鈦 L 形零件，以獲得額外的強度。目前，鈦片是用粘合劑手動粘合到夾子上的，這減緩了整個生產過程。為了減少勞動力需求，開發更具成本效益的焊接技術，目前正在研究兩種方法：超聲波焊接和感應焊接。測試表明，更快的焊接工藝將兩種材料固定在一起，其強度足以承受在車間地板上的搬運、鉆孔和組裝，而不會損壞任何一種材料。另外替代加固形式，特別用單向預浸帶，以取代編織碳/熱塑性塑料板材。它們遠遠超過了使用編織碳纖維增強半成品板材的性能，該板材具有更大的纖維體積分數（60%，高于 55%）和小于 0.1%的空隙率（圖 7）。

圖 7：UD-TP 帶等先進材料允許制造更復雜的角片

結論

用復合材料制造機身，其中框與蒙皮連接的角片，一定得用熱塑復材制造。由于角片形狀各異、數量眾多，少不了得建電腦控制的自動化工作站。

本文對承擔商飛“C929 長航程寬體客機”機身的供應商，提供一點參考。

注：主要原文見，《 Thermoplastic Matrix Composites: Xtra complex, Xtra Quick, Xtra Efficient Manufacturing advanced composites for the A350 XWB and beyond 》

楊超凡 2023.10.30

本文經譯者同意發布