預固結碳纖維/PPS和PEEK以及自動化熱成型使空客A350 XWB機身角片的產量達到六位數。

第一步：A350的角片在尺寸和設計上各不相同，從簡單的 L 形到更復雜的形狀，稱為“自動穩定-auto-stabilized” （上圖中上部）。最小的角片，稱為“加強角片-cleat”， 是典型的穩定元素，安裝在其他夾子，以提供局部更高的剛度和結構。

第二步：角片由TenCate生產的碳/PPS CETEX 預固結板材和Toho Tenax的碳/PEEK Tenax TPCL預固結板材制成。根據角片的位置和功能，兩者都有不同的厚度。

第三步：全自動夾具工作站包括六個步驟：切割、轉移到烘箱、轉移到熱成型機、成型、轉移到修整和檢查。三個這樣的工作站 現在 正在不來梅制造零件。

第四步：坯料是在一臺高速、平板的專用切割機上切割的。套裁軟件最大限度地減少了浪費， 所有的浪費都可以回收。

第五步：在工作站內的兩個紅外爐中的一個加熱時，對層壓板坯料進行特寫。兩個烤爐使總循環時間更低；加熱步驟是最長的步驟，因此可以在一個坯料成型的同時加熱兩個坯料。

第六步：角片被顯示為從125-MT熱成型壓力機中的工具自動轉移到修剪站。第二個“從屬” 機器人（在前景中可見）將正確的工具轉移到由主機器人從烤箱轉移的每個加熱坯料之前的壓力機上。

第七步：修剪站切掉預定的邊緣，并確保角片的最終輪廓和形狀是正確的。

第八步：在最后一步中，使用相控陣脈沖回波超聲波設備對所有零件進行檢查。將零件浸入水箱中，并在檢查后用RFID標簽進行標記，以便進行無紙化跟蹤。

未來的技術開發計劃包括研究局部加熱和成型策略， 以提高生產效率。Premium Aerotec 也在研究優化設計，該設計將結合單向碳纖維/熱塑性膠帶（右下）， 以獲得更高的性能。

如今，飛機制造商面臨的現實是，交付給航空公司和貨運客戶的每一款新一代商用飛機都必須比之前的飛機更輕、更高效。對更高效率的需求導致波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥）的787夢想客機和空中客車公司 （德國漢堡和法國圖盧茲）的A350 XWB采用了復合機身。鑒于這兩款飛機的成功推出，每個制造商現在都面臨著大量積壓的訂單，而波音和空客價值鏈中的所有供應商都面臨著開發高效、自動化復合材料生產以跟上不斷加快的生產速度的壓力。

波音公司為787選擇了一體式機身筒，但空客公司用四個大外殼或壁板包圍了A350的五個主要機身部分： 兩個側板、一個上壁板和一個下壁板。每個壁板都由內 部框和長桁系統支撐。長桁直接連接到蒙皮上，但一系列稱為“角片”的零件將框連接到蒙皮上。

Premium Aerotec（德國不來梅）負責運營部件測試 的安杰洛斯·米阿里斯（Angelos Miaris）博士表示：“我們負責為飛機的不同部件設計和制造3000多個角片。 ” 。 作為空客的子公司和零件供應商，Premium Aerotec很早就意識到，其在飛機上巨大的角片零件數量中所占的份額需要非常短的制造周期時間、低勞動力需求和很大的靈活性。他說，由于這些原因，熱塑性基體復合材料是顯而易見的材料選擇，再加上自動化的熱成型工藝。 “我們于2005年在德國不來梅開始生產熱塑性復合材料零件，”該公司負責熱塑性技術的克勞斯·埃德爾曼 （Klaus Edelmann）博士說。“2007年，我們生產了50個零件。去年我們生產了超過150000個零件。”事實上，Premium Aerotec Bremen（不來梅高級航空技術公司）是A350項目中主要的風險分擔一級供應商合作伙伴，也 是熱塑性塑料制造的“能力中心”。在 A350 項目中， 該公司負責包括機身部分13/14（側面、上下殼體、地板格柵和組件）和機身部分16-18（側面殼體、地板網格和壓力艙壁）的工作包，包括組裝所需的所有角片。這些角片經過了廣泛的測試活動，以確保它們符合空客公司的要求，并且已經在交付給客戶的第一架A350 XWB上飛行。

角片和更多角片

根據米阿里斯的說法，角片可分為四大類：L形、 加強角片、自動穩定和特殊（參閱圖片的第一步）。角片類型的尺寸范圍從大約100毫米到800毫米長（特殊 角片是最長的），從30毫米到大約400毫米寬。他解釋說，作為最小的零件，角片被認為是穩定元件——它們 安裝在其他角片上，在某些連接位置提供局部更高的剛度。

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。所選材料是由TenCate制造的PPS-CETEX半成品預固結熱塑性板材，用Toray 的T300碳制成的編織碳纖維織物增強。所使用的碳纖維/PEEK材料是預固結的Tenax TPCL層壓板，也基于編織織物， 由Toho Tenax制造。板材具有準各向同性疊層，并根據 該區域的連接位置和機身載荷條件提供不同的厚度，范 圍從1毫米到5毫米，或 5 到 14 織物層。米阿里斯解 釋道：“角片的設計經過優化，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。”

埃德爾曼補充道，更高強度的Tenax碳纖維/PEEK被指定用于機身區域的角片，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。

Premium Aerotec 設計并開發了一種自動熱成型生 產工作站，以滿足生產需求。米阿里斯解釋說，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飛機裝配需求計算工作流程和 速率，以便及時交付零件。

“這個工作站具有高度的自動化，”他說。“我們牢 記高速制造的原則，使工作流程順暢、快速、無紙化。” 他補充道，為了滿足空客公司日益增長的產量（到2017年將達到每月13 臺），在過去六個月內，Premium Aerotec 又增加了兩個相同設計的工作站。

每個工作站包括六個步驟或功能：

• 在高速自動切割臺上將熱塑性板材切割成坯料
• 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）
• 機器人將加熱過的坯料從紅外爐轉移到壓力機中的熱成型工具中
• 在熱成型機中成型
• 機器人將成型角片轉移到修剪站進行邊緣修剪（在某些情況下還可以鉆孔）
• 超聲波檢查和零件編號標記

主六軸機器人大約每20秒工作四個位置：將坯料 從切割臺移到烤箱，從烤箱中取出加熱的坯料，將加熱的坯料移到壓機，并將成型夾從壓機移到修剪站。從屬機器人的作用是根據所需角片的類型，在壓力機中快速 更換和定位正確的成型工具。米阿里斯說，該工作站以 “工單”或批量為基礎生產角片零件，每個訂單生產不同的角片： “對于特定的批量，我們可能需要150個同樣角片，而另一種角片只需要2 個。”

埃德爾曼指出，使用兩個烤箱的循環時間更短，因 為熔化過程是系統中最耗時的任務。因此，當第三個零 件被移到壓力機上時，兩個零件總是在烘箱中。

毛坯切割在高速、自動化的平板切割臺上進行。強 大的銑削工具切割預固結板材，自動切割系統的軟件嵌 套坯料形狀，以實現最大效率和最小浪費。廢棄的嵌套 “骨架-skeletons”或剩余的切割廢料被收集起來進行回收 （如下所述）。

當機器人將坯料從切割臺移到烤箱時，它會立即將 已經加熱的坯料從第二個烤箱轉移到沖壓工具上：埃德 爾曼解釋道：“如果材料類型發生變化，兩個烤箱的設 計允許不同的溫度，并有助于保持循環速度。” 。

同時，從機器人確保將正確的成型工具放置在125- MT熱成型壓力機中加熱坯料之前。成型工具由鋼或鋁 制成，具體取決于零件，由 Premium Aerotec 為每種角片 類型在內部設計，工裝由供應商在外制造。埃德爾曼補充道，考慮到大量的角片設計和尺寸，換刀操作至關重要。

主機器人從壓機上取下成型的角片，并將其轉移到 修剪站。米阿里斯解釋說，多層熱塑性材料的加熱和成 型會導致多層在平面內相對滑動，類似于彎曲裝訂好的書。他解釋說，這種“書本效應”和由此產生的尖銳階 梯形零件邊緣是不可接受的，因為它會導致尺寸不準確， 并可能干擾正確的組裝。因此，在修剪站使用銑刀對邊 緣進行修剪，以獲得垂直于加強層的干凈邊緣，從而獲得最終輪廓。

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，但米阿里斯表示，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。埃德爾曼報告稱，零件僅需85秒就能循環通過各個工位。

持續改進

盡管現有的三個工作站仍在繼續批量生產角片，但 Premium Aerotec 已經確定了可以改進的地方。該公司正 在驗證和鑒定新技術：米阿里斯斷言：“我們有一個很 好的流程，但這并不意味著熱塑性基體的所有性能目前 都得到了最大限度的利用。” 。角片可以更輕、更薄、 更快。

該公司已經建立了一個原型演示工作站，以研究角片的局部加熱和成形——也就是說，不是在熱成形之前加熱整個坯料，而是只在需要改變形狀的地方加熱坯料的一部分。米阿里斯解釋道：“加熱整個坯料并成型， 對于小型復雜零件來說效果很好，但對于只具有局部成 型特征的大型平面零件（如 L 形夾）的生產來說，效率非常低。” 。

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。米阿里斯補充道：“局部成型零件的機械 測試表明，機械性能符合設計要求。差示掃描量熱法測試證明，加熱和成型 區域的樹脂結晶度與零件其余部分的結晶度沒有偏差。” 空中客車公司正在進行額外的鑒定。

在某些情況下，角片需要連接一個鈦墊片，以獲得 額外的緊固件強度。埃德爾曼解釋說，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。

米阿里斯說：“我們希望減少勞動力需求，開發一種更 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，更快的超聲波焊接 工藝將兩種材料固定在一起，其強度足以承受在車間工 位之間搬運、鉆孔和組裝，而不會損壞任何一種材料。 但這一過程的資格還懸而未決。

最后，Premium Aerotec 正在研究替代增強形式，特 別是單向帶，以取代編織碳/熱塑性板材。該公司正與研 究合作伙伴 Fraunhofer ICT（德國普芬茨塔爾）合作，設 計一種自動方法，為特定角片制作定制鋪放。米阿里斯 解釋道：“這將使我們能夠以不受限制的方式優化堆疊 順序和鋪層方向，以獲得最大的設計靈活性。” 。 Fraunhofer 正在開發一種熱塑性單帶預成型序列，該序列采用Dieffenbacher（德國Eppingen）的Relay自動移動工作臺疊層技術，該技術最初由現已倒閉的Fiberforge開發，用于制造扁平預成型件。然后可以在熱成型工作站中對預成型坯件進行沖壓成型。米阿里斯和埃德爾曼表示，對高復雜度的沖壓單帶演示器零件的測試表明， 它們遠遠超過了使用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。

可持續生產

熱塑性復合材料還為飛機結構帶來了可回收性的 額外前景。Premium Aerotec 正在測試如何在長纖維熱塑性塑料成型過程中重復使用坯料切割過程產生的廢料。 在一次測試中，將廢料切碎，然后錘磨，在擠出機中用純 PPS 處理得到的切屑。將得到的化合物壓制成角片形 狀并進行測試。模制角片的彎曲強度表明它保持了原始碳/PPS片材強度的 85%。盡管沒有透露再利用的細節， 但 Premum Aerotec 表示，有希望的機械測試結果可能會導致二次工藝的開發。

米阿里斯總結道：“挑戰在于進一步擴大熱塑性塑 料在航空航天行業的使用。” 。 “為了實現這一目標， 需要新技術。”熱塑性復合材料零件無疑為飛機生產提 供了有吸引力的選擇，空客公司已經證明了幾年—從 A380 上的熱塑性機翼結構開始—它愿意以許多新的、 有趣的方式應用這些材料。Premium Aerotec 設想的持續 創新似乎有望在未來許多年內提高熱塑性復合材料的應用。

參見原文，《Thermoplastic composites “clip” time, labor on small but crucial parts 》 2015.4.30

楊超凡 2024.2.2