1加速熱塑復材在航空航天中的應用

ATC制造公司每年生產數百萬個熱塑性復合材料零件，并正在為未來的增長進行投資。

連續纖維增強熱塑性復合材料(TPCs)已被認為是未來可持續飛機的一種有利技術，可提高輕質、高韌性零件的生產率，這些零件可以在沒有孔或緊固件的情況下連接到焊接組件中。

CW-Composite World在2018年發表了一系列關于TPC膠帶、原位固結和焊接的文章，并在2019年舉辦了兩次關于汽車應用中的TPC和航空航天TPC發展的網絡研討會。到目前為止，我的大多數文章和演示都提到了歐洲的TPC零件制造商和設備供應商，以及特瑞堡在美國的自動化動力學部門。我還參觀了總部位于美國的三麥克塑料公司。但不幸的是，我忽略了美國另一家TPC零件制造商，該制造商15年來一直在悄 悄地推動技術和生產。ATC制造公司位于華盛頓州斯 波坎郊外的愛達荷州Post Falls，每年生產100萬個零件，全部為連續纖維增強熱塑性塑料，全部用于航空航天工業。ATC在快速成型3D零件方面擁有獨特的專業知識，也是波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥） 和美國國防部國防高級研究計劃局（美國弗吉尼亞州阿靈頓DARPA）rapid高性能成型研究項目的關鍵合作伙伴。

誰是ATC？

ATC制造公司由前波音工程師丹·喬根森于2004年創立，他仍然是該公司的聯合主席。ATC制造公司的業務發展總監大衛·利奇表示：“我們一直專注于技術和工程。”。該公司與波音公司也有著悠久的歷史，在過去連續五年被評為銀級供應商，并在2016年和2017年被提名為波音年度供應商。利奇說：“我們主要是一家打印公司，從角片、支架和較小的沖壓零件開始。” 。“但近年來，我們已經發展到更復雜的組件，以及更厚、更大的零件——長度高達60英寸——以及用于主要結構的零件。”后者包括翼尖結構組件、在各種橫截面 上具有定制疊層的長梁，以及機身和尾翼結構。

該公司有150名員工和20多名工程師。其制造專注于一個67000平方英尺的工廠，專門建于2015 年， 旨在優化工作流程，并有擴展空間。（注意，52500 平方英尺的空間已經為未來的增長預先規劃好了。） “一切都在一個屋頂下，”利奇指出，“這簡化了操作。”這包括九臺容量從30噸到150噸不等的沖壓機，以及60英寸乘30英寸的壓床臺面面積。他補充道：“我們正在安裝一臺額外的200噸壓力機，該壓力機將于2019年底全面投入使用。” 。ATC有10個CNC加工站，能夠處理長度不超過12英尺的零件，并能對長度不超過30英尺的零件進行噴水切割。

ATC制造公司運營9臺沖壓成型機，包括此處所示的80噸沖壓機，其產能高達150噸，壓床臺面面積高達60x30英寸

無損檢測（NDI-Non-destructive inspection）也集成到該 設施的操作和工作流程設計中，包括五個C掃描儲罐系統，提供脈沖回波，并對 30英尺長的零件進行透射測試。其他內部專業知識包括所有表面處理和涂漆。利奇說：“我們已經為熱塑性復合材料開發了非常有效的表面處理，這可能很難涂漆和粘合。”他指出， ATC也致力于TPC零件的等離子體處理。該公司每年油漆20萬個零件，邊緣密封7萬個零件。

他繼續說道：“我們還在研究上投入了大量資 金，例如 DARPA 的 RAPM 項目，我們是熱塑性復合材料研究中心(TPRC，荷蘭恩斯赫德)的成員。” 。ATC將參加10月8日在荷蘭特溫特大學舉行的題為 “熱塑性復合材料的未來”的TPRC十周年會議。利奇說：“ATC 副主席科爾賓·張伯倫將參加小組會議，我們還將在與會議同 時舉行的展覽上展示我們制造的航空航天結構部件。” 。

已安裝配件的涂漆熱塑性復合材料通道

織物到UD帶，成型和快速循環時間

盡管ATC的TPC支架和角片的制造始于織物增強材料，但現在已經轉向使用單向(UD)膠帶。利奇解釋道：“然后我們發展成了更大的結構零件，因為我 們已經在如何用UD膠帶形成3D零件方面積累了良好的經驗。” 。“這些零件的厚度從1-2毫米到6.5毫米不等，必須與其他結構相匹配。我們必須滿足對接表 面的嚴格尺寸公差，例如±0.010 英寸（0.25毫米）的輪廓公差和±0.5度的角度公差。”

該公司隨后開始開發長TPC配置文件。利奇說：“我們使用連續壓縮成型（CCM-continuous compression molding）制造自己的扁平層壓坯料。” 。“我們有兩臺用于平板層壓的CCM機器和一臺將 TPC 預浸料成型為連續的3D型材的機器，可生產長達75英尺的通 道。”

使用連續壓縮成型（CCM）形成熱塑性復合材料型材

當被問及形成3D輪廓和形狀的挑戰時，ATC 制 造公司的研發工程總監特雷弗·麥克雷解釋說，對于織物，“編織本身控制著很多變形。UD有不同的動力。例如，與半徑成90°希望變薄或變厚，但在結構零件中不能這樣做。形狀越復雜， 這些問題就越嚴重。在如何管理成型過程中，您還面臨著更多的挑戰。”

管理流程？麥克雷說：“對我們來說，這與在熱固性材 料中形成大不相同，因為我們只有2秒鐘的時間來形成。”。他補充道：“你可以在熱壓罐的循環中掩蓋很多問題。” 。“但我們使用的是非?？焖俚某尚秃蜎_壓工藝，沒有這種余地。我們還必須控制結晶度。”這是 .7.因為高負載飛機結構使用半結晶熱塑性基體聚合物， 如聚醚醚酮（PEEK），聚醚醚酮（PEKK）和低熔體聚芳醚酮（LM PAEK），它們的顯著機械性能和耐化 學性來源于冷卻時形成的晶體結構。麥克雷說：“你可以等溫結晶，這對平板來說并不太困難，但對3D形狀來說更具挑戰性。”。“材料必須充分加熱以形成 （注意，這些材料的熔化溫度在 300-400°C 之間）， 然后迅速冷卻至熱脫模，以避免工具的熱循環，同時管理形狀、公差、結晶度和表面光潔度。”

TPC零件近年來增長的原因之一是它們能夠提供非常快的循環時間。利奇指出：“我們為軍用飛機示威者制作了翼肋，循環時間為5分鐘，平均循環時間約為10分鐘。” 。“我們可以實現飛機原始設備制造商目前尋求的高生產率。”這種非常快的平均循環時間實際 上導致了零件組合的不斷變化。麥克雷亞說：“我們希望連續幾個月只生產一個零件，但我們的速率能力超過了飛機制造業。” 。“所以，我們總是在各個零件之間循環。”ATC的大部分生產每天一班，每周5天。利 奇指出：“我們有足夠的產能來滿足日益增長的產量。” 。

熱塑性復合材料結構帶和涂漆型材

對未來的展望

ATC憑借其十多年的TPC生產經驗提供了巨大的價值。利奇說：“我們經常幫助客戶設計用于制造的零件。” 。“我們經常從熱固性復合材料中轉換零件，例如，機身主要結構配件，其生產目的是保持原始厚度。但如果它最初是為TPC設計的，它可能會更輕。” 為什么？“因為這些半結晶TP基質材料具有更高的性能，”他解釋道。“你不必像使用熱固性基體那樣設計微裂紋和損傷容限，而且熱/濕分解也少得多。事實上，PEEK、PEEK或PAEK根本沒有濕分解。除非你接近Tg，否則也沒有熱分解，Tg通常為≈150°C。對于標準裸眼壓縮（OHC- open hole compression）例如，在損傷容限測試中，當您將樣品從室溫轉換到120°C時評估強度，幾乎沒有任何分解。”

麥克雷亞補充道：“我們將能夠設計更薄的零件，并取代目前第一代復合材料設計中的大量鋁和鈦（如波音787和空客A350寬體飛機）。我們正在繼續推進這些材料的成型，這將繼續開辟新的應用領域。”

利奇認為，這將對未來的飛機應用產生重大影響。“事實上，我們現在正在研究由于所需的性能和生產率而無法使用熱固性材料生產的零件。”

2參觀ATC工廠

ATC制造公司位于美國愛達荷州波斯特福爾斯的67000平方英尺專門建造的制造設施的外部。2010年，在Lakeside Capital投資該公司后不久，ATC就搬到了這里。

熱塑性復合材料是當今復合材料行業中最受關注的材料之一。它們出現在這類出版物、會議和網絡研討會上。熱塑性塑料在今天的應用方式和未來的應用方式都有很大的討論。它們涵蓋了成本和性能范圍， 并在從體育、娛樂到航空航天的各種終端市場中得到了應用。不難理解它們的吸引力。熱塑性塑料可以預浸，但在室溫下穩定（不需要冷凍儲存），與主要結構機械材料一起提供不同尋常的韌性，不需要熱壓罐，為高速生產提供短的循環時間，通過焊接實現無塵組裝（不需鉆孔、不需安裝緊固件），并且可改性和可回收。

盡管有所有這些好處和優勢，而且熱塑性復合材料越來越受歡迎，但全世界只有少數制造商專門從事熱塑性合成材料的制造，更值得注意的是，他們擅長熱塑性材料的制造。其中，ATC制造公司（美國愛達 荷州Post Falls）是為數不多的在快速成型3D零件、長度達25英尺的大型零件、復雜組件和熱塑性連續壓縮成型（CCM-continuous compression molding）方面擁有近20年專業知識的公司之一。CW 對 ATC 進行了訪問，以了解更多關于該公司的工作以及如何做到這一點。

一開始

像許多復合材料制造企業一樣，ATC制造業始于一個人的愿景和激情。1990年，時任西雅圖波音公司工程師的丹·喬根森（Dan Jorgenson）幫助該公司在 華盛頓州遠東的美國華盛頓州斯波坎成立并運營飛機內飾制造業務。波音斯波坎公司專注于內部零件、管 道和地板的制造，所有這些都是熱塑性塑料使用的有力目標。2003年，波音公司將斯波坎工廠出售給凱旋集團（美國賓夕法尼亞州伯溫市），并將其更名為凱旋復合材料系統公司。丹·喬根森看到了創業的機會，決定利用他對熱塑性復合材料的濃厚興趣和對精益制造原理的長期經驗。因此，2004年，他離開了Triumph，兌現了401（k）投資，為自己的房子進行了第二次抵押貸款，并創立了ATC制造公司。

丹·喬根森在2004年創立該公司時，ATC專門生產這種小型沖壓成型低載荷角片。它們至今仍由ATC制造，但作為更大投資組合的一部分

在早期，ATC專注于使用聚醚酰亞胺（PEI）和聚苯硫醚（PPS）與預固結層壓板（有機片材）形式的玻璃纖維和碳纖維織物增強材料快速、高效和經濟高效地壓縮成型角片、支架、煙盤、防火屏障和類似部 件。ATC有各種各樣的客戶，但丹·喬根森在波音公司的歷史使ATC成為飛機制造公司最大和最重要的客戶。

2010年，喬根森與同樣位于斯波坎的湖畔資本集團創始人兼普通合伙人約翰·海明森建立了聯系。湖畔投資公司在支持斯波坎地區業務方面有著悠久的歷史，最終投資了ATC， 并成為該公司的最大股東。2015年，ATC搬遷到位于Post Falls的一個專門建造的67000平方英尺的新制造 廠，該工廠位于華盛頓/愛達荷州的州界對面，距離斯波坎僅一箭之遙。喬根森隨后于2019年從ATC退休。（具有諷刺意味的是，2021年7月，隨著凱旋在斯波坎的業務逐步減少，湖畔資本收購了凱旋的斯波坎工廠—喬根森幫助建立的工廠。湖畔資本打算將該工廠變成一個制造中心。）

ATC現在由海明森和湖畔投資公司首席運營官兼ATC首席執行官杰森·金德里德管理和領導。ATC的日常運營由運營總監德里克·唐寧 、項目經理杰森·梅里菲爾德和業務發展總監大衛·利奇管理。

ATC搬進位于Post Falls的新工廠后，公司的技術能力得到了鞏固和加強，為公司繼續創新和進步奠定了材料和工藝基礎。ATC仍然對該公司最初的許多類型的零件進行壓縮成型。壓縮成型的加入大大擴大了 其產品組合，并使其成為熱塑性航空結構制造的支柱。

2014 年，ATC獲得了兩條連續壓縮成型（CCM）生產線中的第一條，用于使用UD膠帶制造多層、 多角度熱塑性復合材料層壓板。第二個系統與此系統平行，于2018年安裝。膠帶從筒子架上繞下來（前景），然后送入壓模（背景）

技術

ATC位于Post Falls的一個工業園區內，西面是華盛頓州的斯波坎，東面是愛達荷州的科達倫。ATC的運營通過了ISO9001、AS9100和NADCAP認證，包括一系列服務，包括研發、CCM層壓生產、熱沖壓、結構計量、復雜組裝、結構無損檢測和表面處理、底漆、油漆和邊緣密封的精加工。

ATC目前每月生產約80000個航空航天零件，這些零件分為五大類：用于低負載應用的角片和支架、作為中低負載連接器的加強件和通道、用于高負載應用的具有嚴格公差的主要結構零件、一系列橫截面中 的長梁和需要額外硬件的組件。ATC的優勢之一是使用熱塑性碳纖維單向帶材料制造零件，這開辟了更多的結構應用。

ATC的大部分業務和增長都與波音公司，尤其是787密切相關。事實上，在過去的五年里，ATC一直在幫助波音公司將許多金屬和熱固性復合材料支架、加強件和其他內部結構轉換為熱塑性復合材料，以降 低金屬對復合材料觸點的電偶腐蝕風險，并降低零件成本和飛機重量。ATC還贏得了外部飛機使用零件的生產，包括縫翼上的零件，縫翼是機翼前緣的可伸縮裝置，可以以較低的速度起飛和降落。幾乎所有這些 活動都得到了推動，主要是通過在ATC添加CCM來生產高質量的熱塑性層壓板和型材。

事實上，ATC的所有制造業務都是從CCM開始的，CCM已成為該公司的一大優勢。層壓板是通過CCM工藝制造的，使用UD熱塑性預浸帶，用于制造沖壓成型的坯料，以及直接使用CCM工藝制成的長型材。

在CW訪問期間，ATC使用14層蘇威（Solvay） UD PEEK膠帶制作層壓板，方向分別為 0°、 90°和±45°。膠帶上方和下方（左側）的筒子架、 正在輸送箔材，當膠帶通過壓模時，箔材提供保護層。

由于熱塑性復合材料在熱力學和化學性質上與熱固性材料不同，ATC 必須利用其知識和專業知識幫助教育客戶并調整其設計，以最大限度地利用ATC提供的材料和工藝。梅里菲爾德在提到ATC生產的一種高 輪廓零件時指出，“在這樣的項目中，我們必須在產品 （通過復雜的幾何形狀）所能實現的目標與我們如何測量和證明這種復雜性的尺寸之間找到平衡。我們經常必須與客戶就要求和管理期望達成一致。”

CCM工藝在復合材料行業中非常罕見，它具有顯著的通用性和一致性，使ATC能夠將各種纖維類型、纖維形式和樹脂類型結合起來，構建其層壓板和型材。層壓板最寬可達26英寸，可根據應用要求切割成各種長度。這些層壓板隨后被用于兩種應用中的一 種。最常見的是在ATC的幾個快速加熱壓力機中的一個上進行熱沖壓?；蛘?，熱塑性預浸料可以被送入 ATC 的四軸液壓機，以成型為C、T、H、J、U或類似的型材。這些部件，就像商用飛機的橫梁一樣，可以長達25英尺。

無論應用或工藝如何，ATC的制造戰略都是從高質量、高通量的層壓板制造開始，然后是成型、精加工和檢查過程，這些過程使其能夠遵守嚴格的航空航天標準，包括尺寸穩定性、孔隙率和纖維體積分數（FVF- fiber volume fraction）。這使ATC成為各種航空航天原始設備制造商的有力合作伙伴，這些原始設備制造商已經開始信任該公司的熱塑性塑料專業知識。

在制造現場

CW的ATC之旅由唐寧帶領，遵循材料和工藝流程，從接收和準備預浸碳纖維/熱塑性膠帶和織物卷開始。ATC使用由Avient（前身為 Gordon Composites， Montrose，美國科羅拉多州）、赫氏（Hexcel）、蘇威 (Solvay）、帝人（Teijin）和東麗(Toray)，其中PEEK和PEKK是最常見的。

準備工作包括在0°、90°和 45°下切割和分切材料卷，以組裝多角度、多層層壓板。對于 0°焊縫，ATC使用自動對接焊接，但90°和 45°焊接必須手工完成。無論角度如何，標準卷長度約為150英尺。利奇說：“目前的挑戰之一是，大多數規格都不允許焊接有任何 重疊。” 。“根據定義，如果你從筒子架上跑下來，就不能有任何間隙；如果有間隙，卷筒就會散開。而且你不能使用任何額外的材料，比如將其固定在一起的背襯材料或任何額外的聚合物。因此，簾布層必須對焊，這可能是一個挑戰。”

膠帶被逐漸拉過固結模，在那里它們被加熱到熔化溫度，然后冷卻到Tg以下。該過程以大約每小時14英尺的速度制造層壓板。層壓板被切割成25英尺長，然后在 NDI 之前被移到貨架上儲存。

從接收到材料準備，我們被帶到了工廠的中心— —兩條CCM生產線，一條安裝于2014年，另一條安裝在2018年。它們彼此平行放置，每個由一排70個帶式筒子架供給。唐寧表示，ATC通常使用總可用筒 子架的一小部分來生產層壓板；在CW訪問的上午， 有18個在使用，裝載了蘇威（Solvay）碳纖維/PEKK UD膠帶，其層壓配方由0°/90°/±45°膠帶組成。CCM過程相當簡單：筒子架喂入的膠帶在筒子架生產 線的末端匯集在一起，頂部和底部都有一層箔紙。該 箔涂有漢高（美國康涅狄格州洛基山）的Frekote脫模劑，在壓縮過程中提供保護屏障，并被移除和重復使 用（多次）。當天 ATC 正在處理的18層膠帶，加上兩層箔，一旦完全堆疊，就會逐漸拉入一個只打開一英寸的壓縮模中——即使站在機器旁的觀察者也幾乎 看不到——以便在壓機再次關閉之前讓膠帶進入。模 具寬度在 ATC 范圍內從 12 英寸到 26 英寸。CW 訪問期間運行的模具長 39 英寸，寬 24 英寸。

壓模分為五個區域。在前三個區域，本次訪問期 間運行的 PEKK 的溫度范圍為360-400°C，根據樹脂的熔點而變化。在第四和第五區域中，溫度開始下降以開始冷卻并促進結晶度，并且當層壓板離開模具 時，其低于玻璃化轉變溫度（Tg）。在PEKK的情況下，Tg為159°C；當層壓板離開模具時，ATC 的目標 溫度為130°C。利奇說：“第三個區域將變得更涼爽。” 。“因此，當材料通過第三個區域時，它實際上已經開始冷卻，然后在第四個區域結晶。DSCDifferential Scanning Calorimetry（差示掃描量熱法）告訴我們結晶發生的溫度，所以你要確保材料在結晶區域花費足夠的時間，以達到足夠的機械性能。”

壓機每次關閉的循環時間因層壓材料配方而異， 但唐寧表示，15秒是常態。隨著壓機的每次打開，層壓材料每次向前拉動約一英寸。唐寧指出，盡管循環時間和推進速度意味著一個緩慢的過程，但ATC發現它是高度可靠、一致和高效的。

當層壓材料從模具中出來時，它被完全固結。在這里，箔被分離，層壓板最終被切割成取決于產品類型的長度，并被轉移到CCM生產線附近的金屬架上進行冷卻。典型的層壓板長度約為25英尺。

每個層壓板都在這個定制的Marietta無損檢測脈沖回波/透傳超聲（TTU）測試臺上進行無損檢測 （NDI）。ATC已經針對熱塑性塑料調整了 NDI 系統，熱塑性材料表現出與熱固性材料不同的衰減特性

CCM生產線之后的下一站是無損檢測（NDI）和噴水切割。NDI在 Marietta NDT（美國喬治亞州Marietta）制造的30英尺定制水床中進行。它可以同時對每個層壓板進行脈沖回波-pulse-echo和透傳超聲 （TTU- thru-transmission ultrasonic）掃描。掃描結果顯示在床 尾的長電腦顯示器上，并與“標準”參考層壓板進行比較。

梅里菲爾德說，ATC很早就了解到，熱塑性層壓板的NDI需要與熱固性層壓板不同的設置，主要是為了適應熱塑性塑料的不同衰減。事實上，Marietta系統的初步掃描似乎顯示出異常，而事實上，這些異常并不存在。梅里菲爾德說：“NDI 將吸收的樹脂本身略有不同。” 。“所以，這里面的很多東西都是看掃描，如果有異常，就把那部分切開，通過顯微鏡觀察，看看是否真的有問題。我們得到了很多假陽性。所以，這是關于控制NDI，確保你看到了你關心的東西。” 梅里菲爾德指著監視器補充道，“我們設置掃描，這樣，如果（一個值）低于某個點，它就會顯示為不同的顏色。這有助于我們輕松檢測異常。”

ATC的CCM系統采用四軸模具，可制造復雜的C、T、H、J 和 U型材，這些型材通常用作 飛機內部的承重梁。多軸 CCM 是一種復雜但高效且一致的制造工藝

NDI之后，許多層壓板在ATC的OMAX（美國華盛頓州肯特市）噴水切割機上切割成形。接下來， 在通過NDI和水射流切割暴露于水之后，層壓板在干燥爐中花費12-16小時，作為制造過程中的下一步驟的準備。

在進入沖壓成型領域之前，我們將簡要介紹另一 種在復合材料制造中罕見的系統。這是一臺四軸CCM型材機，由與其他CCM機相同的基于筒子架的系統進 給，但旨在制造用于制造前面提到的C、T、H、J 和 U 梁的復雜型材。利奇指出：“很明顯，最大的區別是，不是只有一組液壓執行器單向運行，而是有一組雙向運行，然后是一個四件式模具，它進入其中形成一個零件。” 。“我們的型材需要一個12英寸乘8英寸的模具。所以這基本上是我們能制造的最大尺寸的型材，對于大多數應用來說都相當大。”

唐寧表示，由于多軸環境中工具和過程控制的復雜性，ATC在該系統上的學習曲線是可觀的。每個軸的材料彈性差異是一個特別的挑戰，但他表示，這些問題已經解決，公司現在對該系統非常滿意。CCM配置文件系統在CW訪問期間未運行；該機器制造的型材主要用于商用飛機，航空航天生產率的降低降低了對零件的需求。

坯料通過CCM從層壓板上切割下來，然后轉移到ATC的基本工藝能力，即在該公司的10臺壓力機中的一臺上進行沖壓成型。熱塑性復合材料的沖壓成型需要仔細、穩健和一致的工藝控制，以確保樹脂達到完全結晶度。ATC使用模內熱電偶來測量和控制模具溫度

ATC的大部分活動都集中在沖壓成型區域，在那里切割的層壓板呈現出其最終形狀。唐寧指出，喬根森開發的大部分原始創新和知識產權都在該公司的沖壓成型技術中。“喬根森從一開始就有一點不同的哲 學，”利奇說。“自動化看起來更簡單，但它適合你的需要。所以它會把坯料送到烤箱，然后送到沖壓成型站。但我們沒有大型機器人來做這項工作。這只是一個自動化處理系統。”

ATC 目前運營四臺80噸壓力機和四臺30噸壓力 機，由一名操作員管理多臺壓力機。每臺壓力機都有 一個紅外加熱器，可以快速將坯料加熱到熔化溫度，還有一個快速更換系統，可以將加熱的坯料送入模 具。80 噸級自動將預熱好的坯料送入模具；30噸的壓 力機需要手動致動以將坯件轉移到模具中。遍布每個模具的熱電偶有助于監控工藝并提供關鍵性能數據。每個零件的循環時間各不相同，具體取決于材料、尺 寸和厚度，但通常從幾分鐘到20分鐘不等。所有零件都快速冷卻，但要以可控和規定的方式冷卻，以實現 樹脂的完全結晶度和相應的機械性能。

唐寧表示，每臺機器都使用相同的現成軟件進行 控制，并為 ATC 定制了一個界面。他指出，ATC 花費了大量的時間和精力為其生產的每個零件開發工藝配方，但一旦設定了配方，“它是高度一致和可控 的。”此外，梅里菲爾德指出，“如果一個工藝確實 開始偏離，你可以看到它的發生。系統不會沖壓另一 個零件。因此，如果你知道一個零件會壞，操作員可 以停止沖壓并確定問題。”

利奇指出，管理熱塑性塑料加工需要深入了解樹 脂如何隨著時間的推移對溫度做出反應。他說：“你要確保材料完全熔化，并且在熔化區的時間最短。” 。“但你不想超過 400°C（對于 PEKK）。例 如，你可以縮短加熱時間，使用非常高溫的烤箱。但 零件溫度可能會超過可接受的溫度范圍。另一方面， 如果設置得太低，可能需要太長時間才能達到溫度。這兩種情況都會產生不可接受的零件。我們非常關注 這些事情，以確保制造出一致的零件，而熱電偶對此 至關重要。”這似乎正在取得成效。唐寧表示，ATC 強大的工藝控制是沖壓成型報廢率<3%的一個重要原因。

ATC為沖壓成形開發的一種省時技術是熱模更換。該公司開發了一種模具預熱器，可以在模具進入沖壓機之前將其加熱到一定溫度，從而實現更快的模具更換和快速恢復生產。梅里菲爾德說：“以前很痛苦，因為更換冷模具需要四五個小時。現在，我們有預熱站，我們可以在更換后五分鐘內按下。任何時候你不跑步，你都賺不到錢。”

這臺新的200噸沖壓成型機將ATC的能力擴展到已經運行的80噸和30噸沖壓機之外

毗鄰沖壓成型區的是另外兩臺沖壓機，每臺都因其使用年限而引人注目。第一個是ATC正在獲得生產資格的一個新的200噸機組。另一臺打印機更引人注目，主要是因為它是喬根森在ATC成立時建造的第一 臺機器。唐寧說，這是一個150噸重的系統，有一個60 x 30英寸的臺板，“已經升級了很多次”。如今， 它主要用于研發目的，偶爾也用于補充初級生產。當我們離開沖壓成型區時，唐寧回顧了喬根森最初的 新聞，評論了該公司創始人的另一個遺產：“我想你 會注意到，我們經營著一家非常干凈的商店，”他說。“人們總是評論說，我們投資于清潔過程，并花 時間進行清潔。我們非常重視異物碎片（FOD）的控制。喬根森一直是清潔方面的大人物。每周四，我們 都會停下來，閉上一兩個小時來清潔。我們仍然投資于這種文化，這是我們團隊引以為豪的事情。”

后期處理

沖壓成型后，我們被引導通過一系列的后處理工 作區域。首先是數控加工，ATC操作九臺哈斯自動化 （美國加利福尼亞州奧克斯納德）系統和一臺C.R.Onsrud（美國北卡羅來納州Troutman）機器；Onsrud系統是一種龍門式機器，也是最大的，工作面積為12 x 5英尺。在CW訪問期間，該系統在一個成型零件上鉆孔和锪窩。與CNC區域相鄰的是第二個NDI工作區，該工作區具有較?。?5 英尺）的 Marietta 無損檢測回波/TTU床，用于評估較小的零件，并為 CCM 機器附近 的較大NDI系統提供冗余。它還被用來“教授”系統 掃描正在進入生產的新零件，就像 CW 訪問期間一 樣。CNC 區域附近還有一個小型輥軋成型站，ATC在這里生產長60英寸、直徑1英寸的玻璃纖維/PPS管， 并進行無心磨削加工。

ATC的數控操作包括九臺Haas和一臺C.R.Onsrud機器，用于修剪和鉆孔成型零件

與大多數復合材料制造業務一樣，ATC 的實驗室和計量工作是在主生產車間外的封閉、氣候控制的房間內進行的。該實驗室配備了一臺 Tinius Olsen測試機 （美國賓夕法尼亞州霍舍姆）測試儀、一臺 DSC 測試機、顯微鏡用灌封和封裝設備、一臺噴砂機和一個轉 筒。在計量方面，核心是蔡司工業計量（美國明尼蘇達州Maple Grove）計量表，它提供航空航天制造商所 需的高精度尺寸掃描。但還有第二種工具在ATC很有用處——Creaform（加拿大魁北克省萊維斯市） MetraSCAN 3D手持掃描儀。

要使用它，ATC將零件安裝在夾具中，然后使用MetraSCAN 3D掃描儀進行掃描。掃描大約需要20分鐘，產生大約100萬個數據點。它是完全便攜的，可以在整個設施中用于檢查沖 頭模和模具。唐寧表示，MetraSCAN系統的精度為±0.0015英寸，不如蔡司系統準確，“但其速度、成本、便攜性和靈活性是無與倫比的。”ATC于2018年收購了 MetraSCAN 3D掃描儀，并于當年獲得波音公司的批準，可用于檢查波音生產部件的尺寸公差。唐寧表示，ATC的產品質量率和準時率都超過 99%。

我們的旅程在噴漆準備和噴漆間結束。使用溶劑濕巾進行油漆制備，使用非常詳細和具體的協議，包括溶劑類型、擦拭方向和每個零件的附著力測試。噴漆是在兩個工位中的一個進行的，其中較大的一個有30英尺長。協議在這里也是至關重要的，包括油漆涂 層數、干燥時間和附著力要求。如果油漆粘附失敗， 則（小心地）剝離油漆，并重新開始整個準備和噴漆過程。

ATC的整個工作流程是一個電子制造系統，在每個工作站提供無紙指令。每個零件都有一個標記，每個工位的操作員將其記錄到系統中，以跟蹤整個設施的進度。唐寧說，紙質記錄傳遞的缺乏有助于減少工廠的FOD。

ATC制造的各種角片、支架和加強筋已經大幅增長， 并越來越多地用于商用飛機。耐用性、韌性和易成型性使熱塑性塑料成為飛機內外極具吸引力的選擇

展望未來

ATC 與波音公司的牢固關系，特別是在787項目上，推動了該公司在過去十年中的巨大增長。ATC是波音卓越投標人計劃的成員，曾兩次被提名為波音年度供應商獎。2019年，在全球商業航空航天生產的高峰期，ATC制造了超過110萬個零件。隨著冠狀病毒大流行的爆發和飛機制造業的減少，ATC 的產量下降到每年不到100萬個零件，這是可以理解的。

盡管如此，該公司仍熱切地展望未來，利用內部 研發和合作研發來尋找新的機會。例如，ATC是熱塑性復合材料研究中心（TPRC，荷蘭恩斯赫德）的成員，在過去18個月里參與了12個組織的技術開發項目，包括國防高級研究計劃局（DARPA，美國弗吉尼亞州阿靈頓）、空軍研究實驗室（AFRL，美國俄亥俄州賴特帕特森空軍基地），NASA（美國華盛頓特區） 和材料供應商。ATC 使用 AniForm（荷蘭恩斯赫德） 加工建模軟件，并輔以自己開發的工具，幫助其實現 成品零件更好的尺寸控制。

ATC和行業合作伙伴也在進行大量工作，以評估可能促進進一步增長的技術。這包括非矩形零件的自動簾布層制備，包括簾布層下落和堆積、自動鋪絲（AFP）中的牽引轉向、較大（10英尺）的沖壓成型零件、不使用基座的熱塑性焊接、注射二次成型、使 用回收復合材料和更復雜的型材。此外，與許多制造商一樣，ATC 也關心實際和潛 在員工的穩定供應。在內部，它使用交叉培訓來最大 限度地提高員工的靈活性。在外部，ATC正在與北愛達荷學院（Coeur d'Alene）、貢扎加大學（斯波坎）和愛達荷大學（莫斯科）合作開展勞動力和培訓項目。

像這樣的承重飛機梁是通過ATC的四軸CCM機器生產的，這使得能夠制造復雜的 C、T、H、J 和 U型材。

展望未來，利奇持謹慎樂觀的態度。ATC和航空航天復合材料供應鏈中的其他公司一樣，期待著商業航空航天生產恢復到疫情前的水平。ATC正在積極開發其他航空航天應用，包括先進空中機動（AAM）、 無人駕駛飛機、國防和運載火箭。當這些市場發展起來時，ATC可能需要擴張，這在Post Falls有空間。

利奇說：“我們已經批準在需要時再增加50000至52000平方英尺的空間。” 。“在這座建筑的北側，Lakeside擁有五英畝的土地，有很大的擴張空間。然而，任何擴張的主要原因都是為了我們能夠用更大規模的工藝設備技術制造更大的零件。我們目前的設施和技術的產能沒有問題。但更大的部件需要更大的ATC。我們期待著在未來幾年內快速擴張熱塑性塑料應用。”

編后語

一架空客A350機身需要8000多個，本文所說的熱塑復材小零件。未來商飛C929機身，也需要同樣數量級的類似小零件。它們不可能都集中在機身段供應商生產。國內一些中小制造企業，抓住這個機遇像ATC、法國達爾（Daher）承擔一部分熱塑復材小零件的制造工作。

參見原文：

1.《 Accelerating thermoplastic composites in aerospace 》 2019．9.12

2.《 Plant tour: ATC Manufacturing, Post Falls, Idaho, U.S. 》 2021．11.29

楊超凡 2024.1.30