特殊工藝制造機身圓環框
EADS IW的原型單軸編織預制件生產線采用準無限工藝，用干碳纖維制成A350環形框預制件，隨后注入樹脂。目標是實現更高的自動化、更低的成本和負載重量優化，性能與預浸料框相當。
纖維補片預成型（FPP）自動將短纖維補片放置在任何位置和方向，以構建具有預浸料無法實現的三維幾何形狀的適形干纖維預成型件（另請參閱下一張圖片）。用于桁條的 FPP正在開發中，目標是與預浸料相比節省45%的成本。
藝術家的構思展示了FPP系統鋪設的FPP“補丁”的同心圓形圖案。
圖1: EADS IW的單軸編織設備僅在第一條路徑上使用加強線。相反的循環路徑使用輔助紗線。
圖2: EADS IW的單軸編織工藝顯著降低了纖維波紋度，提高了碳復合材料的抗壓強度，并提高了CFRP框架的整體力學性能。這張圖片顯示了具有傳統編織物的樣品層壓板中的纖維波紋度。下一張圖片顯示了一個類似的BraF編織物樣品。
圖2b：該樣品顯示了BRaF工藝中固有的纖維波紋度降低。
圖3a：此處，BRaF裝置沿方形芯軸的左側和右側在編織層之間鋪設0°UD干纖維帶）。當方形預制件被水平切割成兩半時，該預浸帶與兩個已成形的、將要切開的凸緣對齊，類似于UD翼梁凸緣。
圖3B：此處，90°UD層沿圓周纏繞。該功能將是BraF為A350-1000制造高度優化框的能力的關鍵因素。
圖4：從這臺樣機上學到的經驗教訓將用于設計最終的生產設備。編織框預制件的批量生產將授予供應商，如EADS IW的合作伙伴SGL Kuêmpers。（有關編號項目的說明，請參見下圖。）
鱗片狀貼片上的圓形前后邊緣可實現在線嵌套和復雜形狀的高強度/剛度。
據報道，FPP 貼片形狀能夠在±0.1 毫米（±0.04 英寸）的公差范圍內輕松精確地定位。
空客A350-1000是總部位于法國圖盧茲的飛機OEM最新也是最大的A350 XWB噴氣式客機。它的機身直徑與家族中的其他噴氣式飛機相同，但將比即將投 入生產的A350-900長7米/23英尺。更強大但更重的發動機將使1000型的航程超過900型的600公里/373英里，有效載荷增加40公噸（88185磅）。然而，這架飛機的空重將增加2.4公噸（5291磅），飛機的成本將比900多900萬美元。
空客公司正在努力降低重量和成本。其中一個項目旨在自動化生產并優化 A350-1000的碳纖維增強聚合物 (CFRP)機身框的重量和性能。
框是環繞機身內徑的環狀結構件，與縱向長桁一起構成飛機的骨架。A350-1000的長機身將需要11個額外的框，5個在機翼后部，6個在前部。生產相同的框既 易于制造、又便宜，但通常不允許根據每個框在結構中 的位置來設計每個框以滿足特定的機械要求。正因為如此，許多框架都被過度設計，因此增加了不必要的重量。為了避免這種情況，空中客車公司選擇根據每個機身將承受的載荷定制機身的每個機身筒段，包括其框。挑戰 是找到一種在批量生產環境中生產單獨定制的CFRP復合框的方法，并具有成本效益?？湛凸竞湍腹練W洲航空防務航天公司（EADS， 荷蘭阿姆斯特丹）使用預浸料為A350-900框開發了這一工藝。
但對于A350-1000來說，還有改進的機會。EADS創新工廠（EADS IW，Ottobrun，德國）復合材料技術運營主管Matthew Beaumont 表示：“我們知道在某些領域我們可以進一步減輕重量。” “因此，我們沒有等待5到10年后的下一個平臺，而是看到了A350-1000在兩到三年內在重量節省和制造工藝穩健性方面取得快速勝利的機會。”他展示了A350-900作為第一代復合材料機身的圖像，A350-1000作為1.5代機身的圖像。
編織CFRP框
為了擺脫預浸料的限制，Matthew Beaumont的EADS IW團 隊 與 空 可 公 司 和 SGL Kumpers GmbH&Co.KG（德國萊茵）合作了10年，開發了一種準無限工藝，使用高度自動化的圓形機器，用干碳纖維 制造單軸編織預成型件，該機器的尺寸與飛機的機身直徑相當。然后通過計算機控制的機械加工和EADS專利工藝對預成型件進行樹脂注入、固化和精加工。
Matthew Beaumont聲稱：“這是一個低風險、高度自動化的過程。”但對于空客來說，這是一種全新的過程。“這 是一個巨大的變化，從自動放置機鋪設的預浸料坯到注入樹脂的干纖維編織預浸料。”這也是EADS IW從研究到實際組件開發的新一步。Matthew Beaumont承認，這 是一項尚未完成的工作。“我們還有很多工作要做，以 證明工藝和產品符合空客的要求。”
一條編織框原型生產線自2008年開始使用，最初安裝在德國斯塔德的空客 復合材料技術中心。此后，它被轉移到同樣位于斯塔德的CFK Nord研究中心。
單軸編織減少波紋
BRaF自動化編織生產線最初是基于SGL Kümpers現有的工作站。盡管它具有更高的體積和更低的生產成本，但由于傳統編織中固有的纖維波紋度，它生產的產 品表現出較差的機械性能。此外，該團隊觀察到，在傳統編織過程中，纖維經常被施加在纖維上的剪切力損壞或削弱，或者是交叉點摩擦的結果。EADS IW知道使用帶有兩個編織環的機器可以減少這種摩擦，但纖維波紋度問題仍然存在。有鑒于此，EADS IW 開始了其專利單軸編織工藝的研究。
根據美國專利2007/0193439A1，該新方法通過兩個發展解決了纖維起皺問題。首先，EADS IW取代了所有線軸都裝有增強纖維的傳統設置，只在第一條路徑上使 用帶有增強線的線軸，而在相反的圓形路徑上使用帶輔助紗線（在專利中稱為“支撐線”）的線軸（見圖1， 右側）。第二，輔助紗線/支撐線中的至少一些（如果不 是全部的話）是熱塑性纖維，其被加熱以熔化，然后被冷卻以再固化，從而產生良好的滑動特性，從而減少交叉編織線之間的摩擦，以及纖維損傷。熱塑性絲線還將增強纖維放置在編織芯（心軸）上之后保持在適當位置。
該專利解釋道：“彈性熱塑性塑料線緊密地放置在增強 線之間，增強線幾乎平行放置，兩者之間沒有任何空間， 因此沉積時幾乎沒有任何波浪”（見圖 2，右側）。因此， 碳纖維的抗壓強度顯著提高，成品型材或框架的整體機械性能也顯著提高。為了證明BRaF，該團隊使用HTS40 F13 12K 800tex作為增強纖維 ， 使用EMS-GRILTECH制造的可熔聚酰胺K85 Grilon纖維作為輔助紗線。所有層的面積重量均為260g/m2（7.7oz/yd2）。
演示器的堆疊順序包括12層，它們圍繞著一個方形橫截面的鋁芯軸堆積。這些層以+30°或-30°的角度施加， 然后通過纏繞90°層或交織單向（UD）干纖維帶作為0°凸緣層來施加相同的增強纖維。博蒙特解釋道：“普通編織機的真實纖維角度從±10°到±75°。” 。“因此，BRaF包括0°和90°功能是關鍵。”0°單向干纖維帶沿方形心軸的左側和右側 鋪設在編織層之間。當方形預成型件水平切成兩半時， 該膠帶與兩個 C 形截面的凸緣對齊，類似于沿著翼梁帽鋪設UD膠帶。90°UD層沿圓周纏繞（見圖3，右側）。Beaumont指出，有效地添加0°和90°層是SGL Kümpers 提出的一項發展。
圖4（右側）顯示了演示設備的布局。運輸系統被描述為能夠以自適應的位置和跨度夾緊。編織機和卷繞機都 能橫向移動，卷繞機還具有角度校正功能。這種設備布 置能夠實現可變的框架半徑和腹板高度。它還可以制造 復雜的框架，包括編織層和 0°UD 層的簾布層脫落， 并集成局部增強件（如FPP生產的那些，稍后描述）。編織和纏繞完成后，方形截面預制纖維環被切成兩半， 兩個C形型材從心軸上取下。C 形與規定的飛機機身直徑相匹配，可以通過使用模具和可膨脹的硅膠插件將其中一個C形法蘭倒置以形成 Z 形來進一步成形。
SGL Kümpers報告稱，BRaF“能夠實現最大的設計靈活性和 無與倫比的可重復性，以滿足未來飛機制造的大批量需 求。” 據Matthew Beaumon介紹，編織框生產線的原型線 在能夠制造出功能齊全的框，與目前正在批量生產的框 架相當。“從這臺樣機上學到的經驗教訓，”他說，“將用于設計最終的生產設備。”
纖維貼片預成型
EADS IW及其合作伙伴Oxeon（瑞典Borås）和Manz AG（德國Tübingen）開發了另一種工藝，不僅針對CFRP框架，還針對長桁（縱梁）和大型復合材料機身壁板的局部加固（如窗戶切口和門圍）。這個過程被稱為纖維貼片預成型。
FPP 被認為是一種自動生產復合材料結構的方法， 由于拓撲優化和其他先進的 CAD技術，復合材料結構最終會產生非常復雜的幾何形狀。這些復合材料的設計優于傳統金屬結構，具有復雜的三維纖維路徑，使用現有技術（如預浸膠帶）不容易生產。在FPP工藝中，短的（20毫米乘 60 毫米或0.79英寸乘2.36英寸）展絲束單向纖維片被切割，然后由專門的機器人沿任何方向放置，以構建具有精確定制的纖維 結構的干纖維預制件。它保持了復雜形狀和幾何形狀所需的一致性，沒有褶皺或橋接。機器人在不犧牲精度或產生廢料的情況下降低了生產成本。所得預成型件易于用于標準樹脂注射和灌注工藝，包括樹脂轉移模塑。
（RTM）和 EADS 的專利真空輔助工藝（VAP），它們 也可以與其他類型的預成型件組合使用。（VAP于2002年獲得專利，是一種雙真空袋樹脂灌注工藝，其中內袋 是一種氣體多孔膜，可以提取揮發物，同時用作樹脂屏障。） FPP 干纖維預制件可用作預浸料坯結構的局部增強件，在熱壓罐固化期間使用來自預浸料料坯的樹脂或 額外的樹脂膜來浸漬非常薄的預制件（幾個100g/㎡層）。Beaumont還引用了 FPP的完全三維數字工藝鏈來幫助制造穩健性：“從零件的CAD模型開始，通過應力分析和貼片定位，到對預成型件疊層機器人進行編程， 然后進行機器人放置，零件的信息永遠不會從數字CAD世界中刪除。”
FPP 的細節
EADS IW的合作伙伴提供單向增援和機器人設備。EADS IW在內部開發了FPP機器人，并授權Manz Automation Tübingen復制該機器人。Oxeon提供TeXero UD Spread Tow Tapes（所有Oxeon產品現在都以TeXtreme的商品名出售），其一側具有熱激活粘合劑， 可在放置后固定。
Beaumont 解釋說，FPP并不局限于鋪展絲束材料。他說：“我們也可以使用無卷曲織物。” “然而，我們的目標是擁有一種預成型工藝，該工藝可以制造出盡可能靈活的幾何形狀。因此，我們使用12K絲束，每個貼片使用少量纖維，重量約為1g，并在不失去穩定性的情況下盡可能平坦地展開，約為20毫米[0.79 英寸]。”
據報道，Beefier無卷曲織物由于其較大的面積重量和厚度而限制了可能的幾何形狀和形狀。較薄的加固物往往更具懸垂性和靈活性；它們也有助于引導一個補丁到另一個補丁——換句話說，每個補丁的方向和位置。Beaumont說：“這是我們預制棒的組成部分。” “這是一個低體積、高復雜性零件的工藝。我們說的是克/小時的鋪放率，而不是公斤/小時。”
盡管對于大型零件來說速度太慢，但該工藝可以實現具有復雜幾何形狀的小型零件所需的定制纖維設計。”由于貼片太小，我們降低了鋪放率，但我們獲得了靈活性和剪裁，這是我們最初的目標。”Beaumont說，纖維重量小于500克的組件是 FPP 的有吸引力的目標。最初，制造這種復雜預成型件的方法是基于先進的纖維 噴涂技術，目標是在線調整纖維長度和控制纖維鋪層角度。然而，實驗表明，這種工藝沒有達到所需的高水平 的材料質量。因此，采用了目前的技術。由于需要短纖 維貼片，因此開發了一種能夠指定切割長度的專用機械切割設備。激光被探索作為機械切割的替代品，但它們 在工藝或速度上沒有改善。關于尺寸，Beaumont評論道：“到目前為止，我們已經使用了20毫米乘60毫米的貼 片，但我們不限于這個尺寸和形狀。例如，我們可以使用三角形貼片。”
一臺機器人疊層機拾取纖維貼片，并按照數字控制文件的定義放置。疊層頭由彈性材料制成，可與復雜曲面進行最佳接觸，并在貼片沉積時施加均勻的壓力。
切割和鋪放期間的質量保證（QA）從一開始就是EADS IW關注的問題。Beaumont表示， “質量控制步驟是在其整個開發過程中建立的，而不是在原型設計和生產之 間的事后考慮。”第一步確保纖維不會分裂，并且貼片 在切割后形狀正確。在下一個QA步驟中，機器人疊層機從傳送帶上拾取纖維貼片，并將其移動到一個工作站， 在那里激光設備基本上可以拍攝貼片的照片。實時評估機器人印模上貼片的位置和方向，并將其與CAD鋪放數據進行比較。如果需要進行校正，則將其傳達給機器人，機器人隨后補償印模上貼片位置的任何變化，將旋轉調整所需的度數，以在印模放置在預成型件上時校正 印模位置。因此，每個補片的幾何形狀和位置都作為過 程的固有部分進行檢查。
FPP使用基本的轉向系統?；旧?，機器人使用點 1（補丁的開始）和點 2（補丁的結束）的x、y 和 z坐標來定位補丁，因此只需要六個數字和一個開始參考就 可以精確定位。轉向系統和QA檢查相結合，可以實現 ±0.1 mm（±0.04 英寸）的補丁定位公差。當發現補片的重疊模式顯著影響復合材料預制件 的強度時，開發了一種具有圓形前后邊緣的鱗片狀補片， 以允許補片的內聯嵌套。補片還有助于在具有復雜曲率和幾何形狀的零件中保持高強度和剛度。研究小組發現，所得復合材料可以抵抗層間分層和裂紋擴展。與連續纖維增強復合材料相比，FPP 層壓板表現出較小的強度下降（14%），但實際上具有相同的剛度。另外的實驗表明，失效主要是由于纖維斷裂。
Beaumont解釋道：“由于這些補片中有短而不連續的纖維，你可能會認為補片之間會發生故障，但試樣并沒有顯示出這一點。故障測試顯示的結果與連續纖維層壓板的結果相同。” 。“沖擊測試還表明，與連續纖維層壓 板相比，它能夠吸收相對較高的沖擊能量，具有較小的損傷面積和較高的殘余壓縮強度。
BRaF 和 FPP 向前推進
在其早期階段，BRaF獲得了2010年JEC自動化創新獎和 Niedersachsen創新獎，該獎項在年度CFK Valley Stade大會上頒發，以表彰在輕質CFRP結構方面具有特別高創新程度的開發。值得注意的是，JEC創新獎評委預測，該工藝將使復合材料能夠與金屬競爭，用于機身結構部件。但這項工作以 BRaF II 的形式繼續進行，目標是優化整個過程，包括輔助紗線的在線固定（熔化和冷卻）、自動切割以及裝載和卸載站的改進。還將研究新 的芯軸材料，以及在線QA措施，如纏繞機和編織機內的纖維監測，以及編織層的光學角度檢測。未來BRaF材料的開發目標是減少表面重量、提高軸承應力和增強邊緣抗沖擊保護。
未來兩年的技術開發將由空客公司提供資金，從而 對框組件和工藝進行資格鑒定和認證。這將把框認證推遲到2013年，但它應該很容易適應A350-1000部件生產的開始，在飛機計劃于2017年投入使用之前進行組裝和測試。編織框預制件的批量生產將授予供應商，如EADS IW 的合作伙伴SGL Kümpers。
與此同時，FPP獲得了EADS IW在自動化類別中的另一項JEC認可，這一次是作為2011年創新獎的入圍者。FPP的第一個應用程序，桁條，正在由歐盟委員會第七框架計劃資助的IMac Pro項目中開發。EADS IW在該項目中處于領先地位，其目標是與鋁型材相比至少減重20%，與預浸型材相比，至少減重5%，成本下降45%。
長桁預成型件固結和固化的多種工藝正在探索中,包括具有可調節元件的RTM，以補償預成型件沉降（厚度減少）、連續樹脂注射和高速微波加熱。計劃進行三個演示：（1）預浸料蒙皮上有四個預固化長桁的加勁壁板；（2） 具有四個長桁預成型件和同時固化的織物表層的壁板；以及（3）貨艙地板組件，其由彎曲的框型材、直橫梁和z形支柱組成。
Beaumont 也看到了FPP與BRaF相吻合的潛力。Beaumont 說：“FPP非常適合生產局部加強，例如，在地板梁連接到（機身）環形框架的地方，只需要更多的纖維，并在特定的定制疊層中。”他還認為它能夠改善加固結構，如門周圍。Beaumont說：“我們確實看到在 制造A350-1000的碳纖維復合材料編織框時使用了局部增強材料，但這個過程是否看起來像迄今為止開發的FPP或更原始的東西，我們不知道。”他補充說，用于 機身環形框的FPP可能更精簡，以更好地滿足制造該產品的需要，而用于機身壁板局部加固的 FPP 應該利用更多工藝的擴展能力。
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注：原文見，《 Airbus A350 Update: BRaF & FPP 》 2012.1.2
