復材組件中緊固件的選擇
術語障礙，緊固件選擇途徑示例
如何以高效的方式為涉及復合材料和塑料材料的部件或組件確定“正確”的緊固件類型？要定義緊固件類型適用于哪些材料和概念，需要了解所涉及的材料、 它們的成型過程以及所需的連接或組裝功能。
車窗遮陽板總成的內板
以飛機內部面板為例。僅僅將其描述為一種“航空航天復合材料”過于簡化了豐富的可用材料和工藝。同樣，“航空緊固件”一詞對緊固件最適合的材料及其緊固件的功能方面缺乏專門性。緊固件，如插入螺柱、鉚釘螺柱、表面粘合緊固件和焊接緊固件，可能都適用于航空航天應用，但在它們可以緊固的材料及其功能方面存在顯著差異。
使用粘合劑將緊固件安裝在復合材料上的示例
在緊固件世界中搜索的問題在于如何對緊固件產品進行分類，通常使用與緊固件特別相關的術語，而不是它們最適合的材料。然而，復合材料專用術語在瀏覽緊固件類別時往往相關性有限。例如，在沒有詳細了解緊固件安裝中的表面粘合或超聲波焊接的情況下，您如 何知道表面粘合或超聲焊接緊固件是否是熱成型層壓 材料的適用緊固選項？如果你的世界是聚合物基體性 能、纖維增強結構和加工參數，你如何在一個談論組裝策略、緊固方向、擰緊扭矩預期和目標預載荷的世界中搜索、選擇？
聯系緊固件供應商或經銷商尋求建議和指導通常是有效且成功的第一步；但是，通過以允許簡單、快速搜索到相關選項的方式呈現應用程序，可以實現進一步 的精簡。在這里，我們以熱塑性飛機內側板為例，說明 了這種改進緊固件選擇的途徑的重要方面。
緊固要求
首先，定義緊固要求是有幫助的。是否要為復合材料或塑料零部件創建一個緊固點，以便后續的裝配操作做好準備？或者，您想直接將組件固定到復合材料或塑料組件上或固定到其中嗎？
對于我們的示例，要求是創建緊固點——特別是在復合面板上提供螺紋連接點。因此，我們將轉向提供安裝緊固連接點的方法的技術，而不是用于直接將部件固定在一起的技術。使用這些術語對緊固技術進行分類相對容易，而且術語相對簡單,因此每個人都可以使用相同的語言進行交流。
材料概念
與所涉及材料相關的因素可能會影響緊固件類型的適用性，但這些因素的相關性通常取決于所考慮的緊固件類型。為了打破這種循環性，避免在早期過濾過程中進行過于詳細的對話，我們可以將復合材料和塑料材料一般定義為：
- 無增強聚合物。
- 不連續纖維增強聚合物材料。
- 連續纖維增強聚合物層壓板。
- 夾芯（三明治）材料。
- 非織造和纖維材料。
在我們的例子中，飛機內部面板材料是層壓板結構中的連續纖維增強聚合物。通過以這種簡單的方式定義 材料概念，我們可以快速關注一系列相關的材料考慮因素：
- 緊固件將如何融入制造過程鏈？
- 材料如何影響緊固集成或安裝？
例如，在熱成型之前或熱成型期間將緊固件集成在連續增強材料內可能會導致不希望的工藝復雜性，例如切割或移位纖維，這可能會不希望地影響機械性能。換言之，連續纖維增強件可能會對共加工緊固件集成帶來挑戰，人們可能希望避免這種挑戰。
同時，它只需要對緊固技術有基本的了解，就可以確定它是使用共過程安裝還是后過程安裝。通過簡化材料和緊固術語，可以快速輕松地查看哪些匹配，哪些不匹配。在我們的例子中，緊固件的選擇應側重于后處理技術，除非我們希望將緊固件集成到連續纖維增強材料 /制造過程中。
詳細要求
在這一點上，為了確定相關的緊固技術，我們需要定義更多關于緊固策略、所涉及的材料和成型過程的細節。對于我們的連續纖維增強層壓板示例，我們將應用定義如下：
- 一般應用是飛機內部側板。
- 緊固策略是在面板的背面（不可見）提供一個雙 頭螺栓，用于使用螺母連接聚合物車窗周圍。
- 緊固要求是一個盲的、不可見的外螺紋連接點 ——盲的意思是從部件的一側進行安裝/緊固 ——能夠承受大約500牛頓的拔出力。
- 面板是一種連續的纖維增強熱塑性材料，緊固件的安裝必須在成型過程之后進行，以避免破壞增強結構。
在決定熱塑性復合材料飛機內板的表面粘合緊固件（例如bigHead）和超聲波焊接緊固 件（如多材料MM焊接）時需要考慮的因素。
進一步排序因素，向下選擇
看看我們的例子，我們可以開始看到多個因素會影響我們決定使用哪種緊固件。問題是，這些因素中哪一 個最重要，尤其是如果緊固件成本不是唯一的決定性因素？在我們的例子中，我們將選擇范圍縮小到表面粘合緊固件或超聲波焊接緊固件。
超聲波安裝緊固件的示例，顯示焊接過程（頂部）和由此產生的機械聯鎖（底部）
在這里，即使是簡單的應用程序信息也會有所幫助。 例如，知道我們正在使用熱塑性材料有助于我們設定相關的性能預期?？紤]到專業粘合劑和表面處理技術的可用性，我們可以預期這兩種技術的機械性能都達到合理水平。
然而，因為我們知道應用是航空航天，所以機械聯鎖連接可以提供更簡單的性能保證和認證途徑。粘合劑需要時間才能固化，而超聲波安裝可以立即加載，因此我們應該考慮工藝時間的影響。訪問限制也可能是一個關鍵因素。盡管內板通常很容易被提供給自動粘合劑涂抹器或超聲波機進行緊固件安裝，但在進行最終下選之前，應仔細檢查。
做出最終決定
純粹基于連接方法鑒定和固定時間的決策是不可能的；最終決定將取決于對設備投資、機械性能和耐用性、整體工藝時間影響、準入限制以及批準或認證策略的考慮。此外，設計、制造和裝配操作可能涉及不同的利益相關者，因此最終決策需要他們的參與。 此外，做出這一決定需要考慮整個價值主張，包括生產力和總體擁有成本（TCO- total cost of ownership）。通 過從整體上看待緊固問題，并考慮初始設計階段、制造 過程和最終組裝操作中的所有相關因素，可以計算并積極影響生產力和TCO。這些是 Bossard裝配技術專家教育門戶網站的關鍵原則之一，旨在幫助個人獲得裝配技術知識。
最終，使用哪種緊固策略或產品的最終決定取決于多個因素——沒有一刀切的解決方案，而且有很多不同的選擇需要考慮。然而，正如我們上面所概述的，即使以相對簡單的方式定義申請細節，也可以簡化選擇過程， 突出相關決策因素，并確定可能需要利益相關者投入的地方。
補充資料
復材機身、機翼使用的緊固件，又叫標準件。它與金屬飛機使用的標準件-鉚釘，大不相同（見下圖）。制造C929的機身、機翼，將使用類似的標準件。
注：原文見，《 Fastener selection for composite materials 》 2024.1.19
楊超凡 2024.1.22
