復材制造 A350金屬機加零件
Thornton Cleveleys （桑頓·克萊維利-英國）-空中客車直升機公司正在用高模量碳纖維增強高性能聚合物取代空中客車A350-900飛機艙門接頭中的鋁。該支架現在由VICTREX™PEEK 90HMF40制造，由空中客車直升機公司開發，在獲得相關組件資格后，正在批量生產用于商業用途。金屬的成功替代使重量和成本降低了40%。注塑聚合物溶液取代了由鋁塊加工而成的支架的高成本制造。
這種具有高模量纖維（HMF）的高性能聚合物基于威格斯90系列聚芳醚酮，主要用于非常薄壁的注塑部件。高強度部件可以用這種自由流動、易于加工的材料制造。PEEK的性能無法與標準等級的性能相匹配。例如，在A350XWB飛機艙門的纖維增強聚合物（FRP）結構采用外殼，內部連接支撐結構?，F在由VICTREX PEEK 90HMF40熱塑性塑料制成的接頭（fitting）將外蒙皮連接到內部支撐結構上的點。這兩個部件形成箱式結構，以實現最大的幾何慣性矩。
空中客車直升機公司飛機艙門研究和技術負責人克里斯蒂安·沃爾夫（Christian Wolf）解釋了PEEK組件的操作和意義：“就標準載荷情況，即機艙內部壓力而言，這種點式接頭減少了外殼的變形，從而保持了飛機艙門的氣動質量。飛機艙門中的所有組件都是單冗余設計。如果支架附近的組件發生故障，支架將為傳遞結構載荷提供替代路徑，因此是飛機主要結構的一部分。”
金屬更換：新支架降低成本，提高質量
通過使用碳纖維增強的高性能VICTREX PEEK 90HMF40聚合物代替以前使用的鋁，空中客車直升機公司成功制造了一種提供一系列好處的等效部件。重量和生產成本各降低了40%。將PEEK組件而不是鋁組件連接到熱固性材料上，可以更容易地鉆孔。與主要用于薄壁注塑部件的鉆頭相比，優化的碳纖維增強塑料（CFRP）鉆頭提高了孔的質量。
VICTREX PEEK 90HMF40是空中客車公司指定的材料。熱塑性塑料很容易承受飛機艙門內持續積聚的水分，而容易腐蝕的鋁需要特殊的表面涂層來防止腐蝕。沃爾夫說：“威格斯提供的合適材料，以及他們的專業知識和與材料專家的合作，為成功開發和部件鑒定做出了貢獻。從最初使用纖維增強PEEK中獲得的專業知識可以轉移到其他部件和具有類似要求的其他應用領域。”。
新的發展和投資有助于保持領先地位
2015年4月，威格斯第三家生產工廠投產，進一步擴大了其作為PAEK（包括Victrex PEEK）領先供應商的領先地位。馬伯格（Marburger）自信地說：“我們還準備迎接未來的新挑戰，例如與合作伙伴在需要新設計的“設計和制造”應用中的合作，以及為實現指定功能而選擇材料”。威格斯最近才宣布成功推出其先進的混合成型工藝。這提供了強度和設計自由度的完美結合，特別是在開發非常輕的結構時。
航空航天設計師和制造商受益于VICTREX PEEK 90HMF40的使相同條件下，90HMF40的疲勞壽命比鋁7075-T6長100倍，比強度和剛度高20%。
原文見，《Ready for take-off: Doors on the A350 with a primary structuralcomponent made from Victrex polymer 》 2015.9.30
9T Labs使用Additive Fusion技術迭代CFRTP設計，充分利用連續纖維打印，在故障載荷和重量方面優于不銹鋼和黑色金屬設計。
圖1. FRTP鉸鏈。瑞士FHNW合作優化了這種使用9T Lab的增材融合技術制成的碳纖維/PEKK支架。
9T Labs（瑞士蘇黎世）開發了一種稱為增材融合技術（AFT- Additive Fusion Technology）的3步制造工作流程，使用具有成本競爭力的自動化工藝生產復合材料零件。此工作流程從使用9T Labs的Fibrify設計軟件設計和分析零件開始。然后，在9T實驗室的構建模塊中通過沉積單向帶狀細絲來創建連續的纖維增強預成型件。然后將這些預成型件放置在9T Labs的Fusion模塊中并壓縮成型。最后的固結步驟將預成型件合并，消除空隙，并產出輕質、高強度的網狀零件。
這種集成工藝鏈能夠批量生產纖維體積分數>60%、空隙率<1-2%的零件，浪費最小，成本低于金屬。根據零件尺寸，單個構建模塊和融合模塊組（兩者的構建包絡均為350×270×250毫米）每年分別可以生產多達5000個預成型件和10000個零件。AFT還可以實現復雜、精細的細節和非常精確的纖維取向控制，以定制設計，優化承載能力、重量、制造速度和成本。
圖2. 金屬基準。本研究中的基準是一個航空航天級數控銑削不銹鋼零件，尺寸為112×42×22.5毫米，最大靜載荷為2.172千牛頓，垂直于門打開時的軸承力。
9T Labs與瑞士西北應用科學大學（FHNW，Windisch）合作，研究使用AFT生產直升機艙門的結構碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）鉸鏈（圖1）?；鶞适强湛椭鄙龣C（前身為歐洲直升機公司）EC135艙門上使用的數控加工不銹鋼鉸鏈。該鉸鏈通過四個M8尺寸的螺栓連接到旋翼機的碳纖維/環氧樹脂門上，設計用于在門打開時承受垂直于軸承載荷的近2.2千牛頓的最大靜載荷（圖2）。
此前，法國的一個團隊使用手工層壓和壓縮成型的短切碳纖維（CF）/聚醚醚酮（PEEK）膠帶對同一零件進行了基準測試。9T實驗室/FHNW研究的目標是超越基準，其屈服點為3千牛頓，以及法國設計，其失敗點為4.2千牛頓。
迭代AFT設計，增加故障負載
使用現成的CF/聚醚酮酮（PEKK）膠帶（預切至相當于1-2K絲束）和純聚合物長絲開發和印刷了三種AFT設計。所有三種3D制造設計都在四個螺栓孔和鉸鏈銷的主軸承孔中加入了金屬襯套。該過程始于使用9T Labs基于云的Fibrify軟件套件，該套件通過插件與常見的結構分析包進行交互。
Fibrify設計套件是Ansys（賓夕法尼亞州Canonsburg，美國）CAE/多物理仿真環境中SpaceClaim 3D建模工具的擴展。對于直升機艙門鉸鏈，第一個黑色金屬設計（圖3a）是從現有的CAD文件導入SpaceClaim的。該設計使用了與基準相同的內部和外部幾何形狀。使用Fibrify選項（例如，帶生成器、填充的線或輪廓參考、垂直分布工具等）布置纖維路徑，以提供典型的準各向同性（0°、90°、±45°）層壓板，而沒有優化來利用各向異性復合材料的性能——例如，每個特定幾何形狀或負載路徑都沒有纖維取向。黑色金屬部分包括底部水平板中的34層和垂直板中的26層，每層厚度為0.2毫米。
(a) 黑色金屬設計
（b） 負載條件和拓撲優化（TO）應用于黑色金屬設計，以更好地利用AFT工藝。
（c）TO導致第一次鋪放（左），通過在第二次鋪放中添加局部加固（右）進一步優化。
（d） 使用多個印刷子部分可以在所有方向上優化纖維放置。
圖3. 優化結構的步驟。9T Labs首先開發了一種非優化的黑色金屬設計（a）。拓撲優化（b）產生了第一層纖維鋪層（c），然后通過在垂直和水平板連接處添加局部加固，在第二層纖維鋪膜（c）中得到了改進。最終的優化（d）將鉸鏈分成四個打印的子部分，隨后在9T Labs融合模塊中融合。
為了加快打印速度，對接下來的兩種設計——第一種纖維鋪層和第二種纖維鋪層（圖3c）的尺寸進行了輕微修改（見圖4中的表）；纖維取向也得到了優化，以充分利用各向異性復合材料的性能。
第一次纖維鋪層。優化開始于將黑色金屬設計導出到Ansys中，以運行有限元分析（FEA-finite element analysis ）模擬。該設計以HDF5C文件的形式導出到Ansys Composite PrepPost（ACP）中，用于各向同性優化。輸入鉸鏈邊界條件和載荷，并使用模擬結果改進CF/PEKK鉸鏈設計（圖3b）。
與有限元分析模擬中的黑色金屬設計相比，由此產生的第一層纖維鋪層（圖3c）將失效載荷提高了200%。故障發生在遠離鉸鏈銷的位置，朝向垂直板與水平板相交的零件的“后部”。
第二層纖維鋪層。為了進一步提高零件的強度，然后進行了第二次優化，添加纖維以加強初始失效區域。第二次纖維鋪層使破壞載荷又增加了45%，并將破壞轉移到垂直板中的鉸鏈銷區域。因此，故障現在發生在設計受限的幾何形狀區域，因此，如果不改變幾何形狀和/或零件厚度，超出本項目允許的范圍，就無法進行進一步的優化。
驗證結果
第一和第二纖維鋪層設計是使用多體策略生產的，將零件分為四個子部分（圖3d）。這種方法允許所有空間方向的纖維充分利用連續纖維印刷的各向異性特征，使纖維與負載對齊。這四個子部分是使用9T Labs的紅色系列構建模塊打印的，然后使用機加工的鋼匹配工具組在9T實驗室的融合模塊中通過壓縮成型融合在一起。請注意，在350°C下，僅使用6千瓦時的功率進行壓縮成型，壓力為45千牛頓，循環時間為20分鐘。通過進一步優化工藝參數，可以進一步降低功耗。
然后，FHNW對印刷和壓縮成型的AFT鉸鏈進行了機械測試。鉸鏈的底部水平板用螺栓固定在稱重傳感器中的固定金屬板上，然后對安裝在垂直板主軸承孔中的鉸鏈銷施加垂直力。每個鉸鏈都經過了故障測試。
優化零件比較
將優化后的AFT鉸鏈的特性和性能與基準和圖4中的黑色金屬設計進行了比較。第二種纖維鋪層設計重量僅為27.5克，比鋼基準輕75%，而最大靜載荷能力從3.0千牛頓提高到6.9千牛頓，提高了200%以上。
圖4. 優化了AFT部件。與鋼基準和3D制造的黑色金屬設計相比，優化的AFT打印復合材料零件的破壞載荷增加，重量減輕。
對第一和第二纖維鋪層設計的成本進行了評估——使用Fibrify的生產評估工具計算——發現成本是鋼基準的一半。每個設計都是導入的，然后添加了參數——例如使用的材料、打印溫度、為機器攤銷生產的零件數量等——從而得出成本估算，并按成本構成（材料、工藝）和子部分進行細分。
在隨后的一項研究中對進一步的優化進行了研究，并發表在2022年12月的論文《增材制造的連續碳纖維增強聚酰胺12復合材料固結過程的實驗和數值分析》中。鉸鏈的設計再次使用CF/聚酰胺12（PA12）材料打印和固結，這次是為了演示紅色系列聚變模塊中固結/成形過程的模擬模型。該模型預測了固結部分的過程誘導變形，包括溫度、結晶和孔隙率的影響。它可以高精度地預測最終零件的成分、殘余應力和孔隙率，以及翹曲的趨勢。它還可以快速模擬Fusion Module過程，減少原型迭代次數，并朝著“第一時間正確”的復合材料生產邁出重要一步。
9T Labs繼續推進設計和工藝優化，因為它擴大了AFT的使用，以批量生產更大、更復雜的零件，并增加了用更堅固、更實惠的復合材料替換金屬零件的機會。
原文，《Optimizing a thermoplastic composite helicopter door hinge》2023.1.31
目前民機結構中的鈑金件，如機身、機翼、尾翼的蒙皮、長桁、框、梁；以及整流罩、各種角片，幾乎全都可以用復材制造。空客A350復材用量是53%。這其中除了鈑金件用復材外，還有一些鋁、鈦機加零件，如客艙門絞鏈接頭、門框、以及本文介紹的小型絞鏈接頭等，也是用復材制造的。由于它們用的材料和工藝都很特殊，大都處于保密范圍。一些科技信息網站報道也只是鳳毛麟角，屈指可數。
C929復材用量要達到51%（超過波音787的50%），一些金屬機加件勢必也得改用復合材料制造。
楊超凡 2024.9.3
