制造飛機結構件 的 NCF
摘要
美國國家航空航天局的高速復合材料飛機制造（HiCAM-Hi-Rate Composites Aircraft Manufacturing）計劃滿足了市場需求推進結構飛機復合材料制造技術大幅提高生產率。注入先進樹脂的干燥、無卷曲織物（NCF-non-crimp fabric）碳材料系統為這些制造需求提供了有前景的解決方案。諾斯羅普·格魯曼公司自動加強筋成型（ASF-Automated Stiffener Forming）技術已適用于逐層原位成型NCF材料的加工。模塊化ASF流程在層壓板堆疊，同時允許層壓板掉落、層壓板添加以及偏航、俯仰和側傾層壓板幾何形狀。使ASF工藝適用于NCF材料、加熱技術和輥子在具有代表性的飛機結構件上設計并測試了壓實工藝幾何形狀。使用NCF材料的ASF工藝的關鍵成功標準是成形質量和預成型件壓實。使用多種NCF材料進行試驗：單向直至四軸格式。在ASF過程中對 NCF 成分、面紗、縫合線和粘合劑進行了評估，介紹了ASF工藝中的材料性能和由此產生的預成型件質量。
商用飛機市場增長預測要求下一代飛機的制造率大幅提高到每月至少80架飛機。這一增長率迫使該行業改進和實施飛機結構的新制造方法。制造挑戰的一種解決方案是通過干纖維/樹脂注入方法制造集成機翼蒙皮、翼梁和機身框架組件。這種方法將要求這些結構零件—Omega和T形長桁、C形梁和Z形框—使用的干燥碳纖維材料在注入前預先成型。這些結構部件的長度各不相同，構成了飛機中大量的結構零件。下一代工廠必須依靠自動化干纖維預成型技術來滿足每月80架飛機的需求。諾斯羅普·格魯曼公司已經調整了他們的自動加強件成型技術，以加工各種碳、干纖維、無卷曲織物（NCF）材料。每種NCF材料都有其獨特的結構，ASF工藝必須針對每種NCF量身定制，以制造干式預成型件。評估了NCF結構與ASF工藝的相互作用，以了解每種材料的加工參數，從而制造出固結良好的預成型件。討論了ASF工藝過程中的材料性能和由此產生的預成型件質量。
1.1自動加強筋成型
諾斯羅普·格魯曼公司的自動加強件成型（ASF）技術目前正在用于成型和固結樹脂注入飛機結構的干纖維加強件預成型件。ASF技術目前用于生產中，用熱固性材料制造復合加強件部件。對于熱固性預浸料，ASF是一種在生產環境中得到驗證的成熟技術。用于干纖維成型的ASF技術目前正在成熟，其目標是展示以高速率（80架飛機/月）制造飛機加強件的能力。ASF工藝利用材料輸送頭和成型/壓實模塊逐層自動放置和加固層壓板，而不需要中間的壓實步驟，從而提高了制造率并降低了成本。ASF工藝的逐層特性使材料與模具幾何形狀具有出色的一致性和壓實性。ASF機器可以形成各種橫截面，包括：Omega、T、C和Z。
圖1. 用于生產熱固性長桁的自動加強筋成型機（ASFM）
ASF工藝可被描述為一種“漸進式輥壓成型”方法，用于層壓和壓實飛機結構零件，如桁條、框和機翼梁。機器將干燥的NCF材料從材料輥直接分配到成型模具上。ASF機器可以分配多種不同面積重量和方向的不同材料格式。隨著材料的分配，輥子和其他壓實特征緊隨其后，將材料成型并壓實成零件幾何形狀。圖2是ASF漸進式輥軋成形工藝的概念圖。圖3顯示了壓實NCF層壓板的漸進成型輥的一種配置。
圖2. ASF漸進式輥軋成形概念圖
圖3. ASF漸進形成NCF Omega長桁
1.2自動成型工藝的NCF材料考慮因素
NCF可以是單層或多層碳纖維堆疊，以各種角度取向，并通過縫合固定在一起。縫合線可以是尼龍或熱塑性細線，能夠將簾布層固定在一起，便于切割和處理。許多NCF結構包括一種粘合劑，當熱激活時，可以進一步穩定層板堆疊。針腳類型、針腳密度和針腳張力對織物符合復雜幾何形狀的能力起著重要作用。
圖4. Saertex四軸NCF結構圖
成型和固結速率在很大程度上取決于材料結構。例如，為了將材料固結成堅固的預成型件，必須加熱粘合劑和/或面紗以激活并將層粘合在一起。粘合劑和/或面紗材料的活化溫度決定了成型過程的熱量要求。較厚、較重的材料格式，如四軸NCF（見圖4中的示例），其加熱速度比單層或雙層單向（UD）輕質材料慢。同樣，較重的多軸NCF在成型步驟中可能需要更加小心，以避免起皺。多軸NCF的成形速率降低被單層NCF中組合的多個取向的益處所抵消。這導致放置和形成完整層壓板堆疊的機器通過次數減少，從而縮短了加強件預成型件的構建時間。
2.實驗
2.1 NCF材料
對來自Saertex、赫氏（Hexcel）和帝人（Teijin）的NCF材料進行了評估。這些NCF具有不同的結構，包括：單層UD、雙軸、三軸和四軸格式。每個制造商有自己的方法來制造NCF材料?？p線和面紗的材料和重量因產品而異。一些NCF包括輕質樹脂粘合劑。這些成分的熔融溫度通過ASF驅動每種NCF的加工性能。許多NCF的構造細節是專有的，目前尚未公開。表1顯示了評估的NCF材料和每個NCF的一般結構。所有的材料都包括面紗和縫線。帝人NCF和Saertex三軸NCF包含輕質樹脂粘合劑。
表1. ASF工藝評估的NCF材料
2.2平板NCF壓實試驗
對厚度從2.54毫米（0.1英寸）到15.3毫米（0.604英寸）不等的254毫米x 254毫米（10英寸x 10英寸）NCF層壓板進行了測試，以確定將層壓板固結到凈厚度所需的加工參數。將干燥的NCF層壓板在一定溫度和壓力范圍內加熱并壓實，然后測量以確定壓實層壓板的體積系數。層壓板體積系數被用作面板固結質量的指標。該值是通過將測量厚度與理論厚度之間的差值除以理論厚度來計算的百分比。理論厚度是使用層數和制造商提供的固結層厚度（CPT- consolidated ply thickness）計算的。
每個平板在加熱的同時被壓實，然后冷卻到室溫以設置面板厚度。試驗中的溫度范圍為23°C（70°F）至180°C（356°F）。面板僅在真空袋下和具有不同夾緊壓力的壓機中壓實。在冷卻至室溫之前，每個面板都在一定溫度下保持一段時間。在壓實試驗后立即在室溫下測量預成型面板的厚度，并在之后定期測量，以確定預成型件是否會隨著時間的推移而分解以及分解的程度。
2.3通過ASF預成型NCF桁條
使用實驗室ASF設備，將代表生產飛機結構零件的各種加強件幾何形狀的干纖維預制件與各種NCF材料格式層壓在一起。從平板壓實試驗中確定的加工參數用于自動層壓過程。對飛機結構的Omega、T、C和Z橫截面幾何形狀進行了試驗。這些結構的長度從1米到17米不等。使用實驗室自動加強筋成型機（ASFM-）成型了將加強機翼或機身蒙皮的長桁條預成型件。代表機身框的彎曲部分也由ASFM實驗室形成。ASFM實驗室用于工藝開發活動。它可以針對不同的長桁幾何形狀進行配置。成型輥和加熱系統可以針對每種長桁幾何形狀和NCF材料進行修改。為了確保良好的成型質量，在預浸料上驗證了每種桁條幾何形狀的成型輥配置。由于預浸料在室溫下會自行粘附，因此成型輥的設計可以與固結NCF材料所需的加熱系統分開進行驗證。一旦成型輥設計被證明可以成功形成無皺紋層壓板，就對NCF材料的加熱系統進行了實施、測試和改進。
3.結果
3.1 NCF壓實結果
對于每個測試的NCF，加工參數：熱和壓力是針對每個材料系統確定的。溫度和壓力都決定了最終零件的厚度。僅通過壓力就可以將面板壓實到凈厚度，但在沒有熱量的情況下，當壓力消除時，面板會分解。當面板被加熱到適當的工藝溫度，但施加的壓力不足時，面板沒有達到所需的體積系數。表2顯示了平板固結試驗的結果，顯示了加工壓力與所得體積系數之間的關系。圖5顯示了在特定壓力下加工時溫度與最終預成型體厚度之間的關系。
表2. NCF層壓板的固結試驗：恒溫、變壓
圖5. 四元NCF預成型體的固結試驗：恒壓、變溫
發現有必要在從測試裝置中移除面板之前冷卻固結的面板。如果面板上的壓力在高溫時釋放，它會立即分解。發現溫度下的保持時間對面板體積系數幾乎沒有影響。一旦面板達到加工溫度，在該溫度下保持一分鐘以上并沒有顯示出面板固結水平的任何改善。發現NCF施工中的方向對固結結果沒有影響。
3.2加強件預成型結果
桁條預成型件是使用ASF工藝用NCF材料制造的。雖然每種材料的具體加工參數各不相同，但最終的預成型件都成功成型并壓實到最終固化零件厚度的10%以內，沒有皺紋。
3.2.1 T型長桁器預成型件
恒定橫截面、0.6米（2英尺）長的T形長桁由四軸NCF形成（見圖6）。為了制造T型材，先成型兩個L型預成型件，然后將它們放在一起形成T型材。在T型材成型到適當的壓實水平后，將其移動到超聲波修整站，在那里將周邊修整到最終的零件尺寸。制造了許多T型長桁預制件，并證明了將復雜的NCF層壓板壓實到接近凈厚度的可行性。這些T型長桁的厚度剛好低于設計的凈厚度，平均體積系數為-2%。這些預成型長桁隨著時間的推移是穩定的，在數周內沒有顯示出可測量的脫固。
圖6. 四軸NCF制成的T形長桁預制件
3.2.2 C-型梁預成型件和RTM
長1.5米（5英尺）、寬0.3米（12英寸）的C-型梁預成型件是由Saertex、Hexcel和帝人NCF通過ASF工藝形成的。層壓板從厚端的近18毫米（0.7英寸）逐漸變細，到薄端的近8毫米（0.3英寸）。四軸和雙軸NCF已成功形成并固結至接近凈厚度，最終的C型梁預成型演示器的整體固結水平為0.25%體積系數。
圖7 . Teijin 雙軸 NCF—厚梁層壓板上令人印象
深刻的零件表面和成型質量
圖8. C型梁層壓板壓實至凈厚度為8mm
加固C型梁厚層壓板的能力是通過RTM工藝的網狀結構的關鍵使能技術。為了將預成型件裝入RTM工藝中使用的封閉模具中，必須嚴格控制預成型件的體積系數。如果預成型件太厚，模具將難以閉合。在合模過程中，厚的預成型件可能會起皺或損壞模具。太薄的預成型件在RTM過程中可能不會分解，成品零件可能會有樹脂富集的區域。預成型質量和固結水平直接影響最終零件的質量。為了驗證ASF工藝的壓實水平和加工參數，將三個C-型梁預成型件注入RTM工藝的封閉模具中。RTM試驗的結果表明，厚C-型梁層壓板的理想體積系數在0%至5%之間，這是一個很容易通過ASF實現的固結水平。
圖9. C-型梁演示器部分：預成型體用ASF制造，
然后在封閉模具中RTM
3.3 NCF材料結構和ASF過程之間的相互作用
以下小節描述了材料在ASF過程中的表現。
3.3.1格式：UD、雙軸、三軸、四軸
不同NCF格式之間觀察到的最大差異是形成和鞏固每一層所需的護理量，而不會在材料中產生皺紋。較輕的面積重量NCF很容易符合桁條輪廓。雙軸NCF在ASF工藝下表現出優異的成形性。圖10顯示了用ASF機器形成和壓實的雙軸NCF層。材料很好地覆蓋在加強筋輪廓上，并且很好地符合零件特征，如半徑和凹凸，沒有起皺（見圖11）。因為每一層在沉積和成型后都是原始的，所以層壓板中的每一層后續層也是原始的。這導致了高質量的厚層壓預成型件。圖11是通過ASF工藝制成的厚度大于17毫米的雙軸NCF預成型件的示例。
圖10. ASFM在C通道上形成雙軸NCF
圖11. 帝人雙軸 NCF顯示出與半徑的良好一致性
所測試的三軸NCF也表現出對高輪廓幾何形狀的優異成形性。這個具有+45/90/-45結構的Saertex三軸NCF被證明非常符合代表性機身框結構的彎曲幾何形狀。這種NCF結構使纖維能夠遵循彎曲的形狀而不會起皺。圖12顯示了框幾何形狀上雙軸NCF的成形質量。
圖12. Saertex三軸NCF成型彎曲的Z幾何形狀
在不彎曲纖維的情況下，具有跟隨零件曲率的0°纖維的機身框可能很難形成。因為內翼緣半徑比外翼緣半徑更緊，所以0°纖維必須相互剪切以符合框曲率。對于寬UD預浸料帶，預浸料中的樹脂可以防止纖維剪切，并且層不會在沒有明顯變形的情況下跟隨框的曲率。UD NCF的性質允許單個拖纜相互滑動，以遵循框架的半徑。0°絲束可以相互剪切的量取決于NCF縫合的緊密程度。松散的縫合將允許更大的牽引剪切。牽引剪切效果見圖13。
圖13. Saertex UD-240gsm，紗剪切和彎曲框幾何形狀的合規性
四軸NCF需要格外小心，以避免NCF內的纖維彎曲堆棧。較重的材料也需要仔細加熱才能穿透NCF的厚度，并充分軟化面紗，將NCF層粘附在層壓板中，同時不損壞有效材料處理/放置所需的縫合。
3.3.2縫合和面紗
縫合和面紗的熔融溫度會影響成型過程。經研究發現縫合將在材料分配和初始成型步驟期間穩定NCF材料。一旦加熱，面紗軟化，面紗就會將NCF層粘在一起
使壓實的層壓板穩定。在成型過程中，如果縫合材料在
如果溫度低于面紗材料，縫線可能會在面紗軟化之前損壞并穩定了纖維（見圖14和圖15）。NCF也出現了這種效果用細縫線縫制的材料。發現縫合需要保持完整以穩定NCF，直到面紗可以軟化和穩定層壓板?？p線損壞時在面紗變軟之前，NCF中的纖維會變形。縫線可能損壞要么是由于熱量太大，要么是由于成型輥的壓力和摩擦。
圖14:NCF縫合線在面紗軟化前熔化，導致纖維變形
圖15：激活面紗前縫線斷裂/熔化，導致纖維排列紊亂
發現堅固的縫合材料最適合ASF工藝。結實的縫線固定住了直到軟化面紗所需的熱量和成型輥的壓力。雖然ASF該工藝可以適應精細縫合的NCF，需要格外小心以防止損壞縫合。下圖說明了相同工藝參數在NCF具有堅固精細的縫合。圖16顯示了用NCF制成的預成型件圖17顯示了用精細縫合制成的預成型件。兩個預成型件采用相同的ASF成形參數制造。雖然這兩張圖片比較當采用相同的成型工藝加工時，不同的縫合方式可能會對預成型件的質量產生影響參數，這并不意味著用精細縫合制成的NCF預成型件的精度較低優質產品。同樣，ASF工藝可以針對特定的材料結構進行定制。
圖16. 具有堅固NCF縫合和卓越預成型質量的三軸 NCF
圖17. 采用與上圖相同的工藝參數形成的精細縫
合四軸NCF-760gsm
為了制造穩定的預成型體，將其壓實到接近凈厚度，必須激活面紗將NCF層緊緊地固定在一起。如上所述，需要縫合來穩定在成型過程中，在NCF毯中拖動，直到面紗達到其加工階段溫度使毯子粘在一起。NCF中每個層界面的粘附性堆疊和NCF堆疊之間的連接對于實現接近凈厚度的預成型件至關重要。
3.3.3粘合劑
NCF材料包括粉末粘合劑（燒結在界面上的輕質樹脂粉粉末NCF制造過程中的表面）的結構被證明與ASF兼容過程。這些NCF需要比沒有粘合劑的NCF更低的加工溫度材料?；罨恼澈蟿CF層很好地粘合在一起，并保持壓實預成型件穩定，提高成型率。另一個好處是，帶有粘合劑的NCF材料能夠更容易地重新加工。一帶有粘合劑的NCF毯可以從層壓板上拉出，而不會破壞預成型件。相反，NCF中的面紗一旦被激活，就不允許層壓板輕易分離一層一層。當從層壓板中去除帶有面紗的 NCF 時，預成型件顯示出顯著的損壞。
4.結論
ASF工藝已成功改進，可加工干碳纖維NCF材料。NCF從單層單向到四軸的不同格式已被用于結構
縱梁預成型件壓實至接近凈厚度。制造了T型和C型預成型件通過ASF流程，展示形成和鞏固NCF的自動化能力材料。C-型梁預成型件的成功閉式模具注入驗證了ASF成型工藝參數。在高度彎曲的Z形框上形成NCF材料的額外工作幾何形狀表明ASF工藝對于一大類飛機加強筋是可行的。進一步ASF工藝的開發正在進行中，以提高干纖維的制造率預成型件，以支持未來飛機的高速復合材料制造。
原文標題：《AUTOMATED PLY-BY-PLY LAMINATION AND IN-SITU ConSOLIDATION OF DRY CARBON FIBER NON-CRIMP FABRICS FOR HIGH-RATE AIRCRAFT MANUFACTURING OF STRUCTURAL AIRCRAFT COMPONENTS》
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下面是諾斯羅普·格魯曼公司研發工程師
克里斯·本森（Kris Benson）針對上面文
章，做報告時用的PPT（現成中文）。
寄 語
當前在民機領域，最前沿的碳纖維復材技術是:
- 用高溫熱塑性復材制造機身主要受力結構件、零件連接采用焊接；
- 機翼仍然用環氧熱固復材，不用預浸料。用干碳纖維無卷曲織物（NCF-non-crimp fabric）、各種樹脂灌注工藝、高溫爐固化，不用熱壓罐。
空客2030-2035年推出的“新A320”就要采用上述兩項技術。目前商飛正在研制C929，它技術狀態是對標空客A350。A350上高溫熱塑復材用量很少。無卷曲織物（NCF）基本沒有。建議在C929上采用一點，自主研發的無卷曲織物（NCF），用它來制造擾流板、襟翼、副翼。
楊超凡 2024.10.9
