MTorres利用一次性、低成本、便攜式生產方式，將下蒙皮、前緣和后緣翼梁集成到單元化飛行演示樣機中。

在Clean Sky 2 IIAMS項目中，MTorres利用僅真空袋樹脂灌注工藝，為C-295渦槳演示機的左右機翼生產了4米長的無緊固件外扭矩盒

隨著航空航天業期待從新冠疫情中復蘇，此前對高產量生產的推動已轉向一項緊迫任務，即減少對地球和人類的環境威脅。這一努力包括限制溫室氣體(GHG - greenhouse gas)排放、能源和水資源消耗，以及產生無法回收的廢棄物。盡管這些舉措在疫情前就已開展，但如今其重要性愈發凸顯，同時對降低復合材料結構生產成本的需求也更為迫切?！皾崈籼炜?”(Clean Sky 2)泛歐航空計劃已為所有這些領域的研發提供資金，并顯著推動了多種纖維增強復合材料技術的發展。

在“潔凈天空2”(Clean Sky 2)第七輪提案征集(CFP07，2017年10月)中，空中客車防務與航天公司(Airbus DS，西班牙加的斯)提出了一項需求，要求建立一座創新且靈活的試點工廠，利用自動鋪絲(AFP)和樹脂灌注技術，生產高度集成的機翼盒飛行演示器。

此前已有其他樹脂浸漬和/或非熱壓罐(OOA)機翼盒演示件，包括GKN Aerospace(英國雷德迪奇)于2013年推出的OOA“融合”機翼盒；由Spirit AeroSystems貝爾法斯特(北愛爾蘭)采用熱壓罐樹脂傳遞浸漬工藝生產的空客A220機翼；以及AeroComposit(俄羅斯莫斯科)為MS-21噴氣式客機生產的OOA機翼。然而，所有這些機翼盒均由分離的復合材料壁板(長桁+蒙皮)和翼梁通過機械緊固件組裝而成。

空客防務與空間公司(Airbus DS)在Clean Sky 2項目中所要求的機翼盒結構，旨在通過將加長桁下蒙皮與加筋前緣梁及后緣梁進行集成，實現一個無需緊固件的更完整模塊，以便與機翼其他組件進行裝配。

該機翼盒也將采用窄幅(0.25或0.5英寸寬)干碳纖維無捻毛坯紗帶和高溫(180°C)固化樹脂，但會結合節能、低成本的加熱系統以及基于傳感器的數字控制和模擬技術，用于預測和管理加工過程，縮短開發過程中的試錯循環，并實現制造人員的快速培訓。這種數字化將演變為包含一款增強現實移動應用程序(App)，該App還提供用戶和維護手冊、工藝序列定義、無紙化工藝和零件追蹤，以及將CATIA模型投影到零件上，以輔助加強件預成型件、工裝嵌件和碳纖維增強聚合物(CFRP)坯料板的精確放置。

或許最具挑戰的是，該項目要求所有工裝和制造裝備必須具備便攜性和靈活性，能夠輕松部署在任何制造現場，并且隨著更先進的工裝、加熱及復合材料4.0工藝控制技術的出現，能夠適應其他零部件設計和升級需求。

正如主題經理路易斯·魯比奧(Luis Rubio)—空客防務與航天公司復合材料開發工程部技術與工藝負責人—所解釋的那樣：“該項目的最終目的是證明一種替代技術(相對于預浸料和熱壓罐技術而言)能夠以更低的成本、更短的交付周期和更小的環境影響，達到相似的設計公差和質量水平?！?/p>

MTorres(西班牙托雷斯德埃洛爾茲)獨立應標?！拔覀兙邆渌袃炔磕芰Γ鹤詣愉伣z(AFP)、樹脂灌注、干纖維帶材料和自動化技術，”MTorres復合材料應用技術高級經理塞巴斯蒂安·迪亞茲(Sebastian Diaz)解釋道。該公司獲得了歐盟“地平線2020”計劃資助的“創新灌注機身制造系統(IIAMS)”項目，資助協議編號為820845，并于2018年10月啟動了相關工作。

外翼盒演示樣件

圖1. 外翼盒演示器在IIAMS項目中，MTorres基于空客防務與航天公司在西班牙圣巴勃羅制造的C-295雙渦槳軍用運輸機，生產了左右機翼的外翼盒。

空客DS選擇的演示樣件是基于其C-295雙渦槳軍用運輸機的外翼盒(圖1)，該樣件在西班牙塞維利亞的圣巴勃羅生產。這個長4.14米的復合材料外翼盒與一個內翼金屬扭矩盒相連。該復合材料翼盒還連接著翼梢小翼、前緣和后緣。

“我們將制造兩個4米長的演示樣機，即左右機翼，它們將被安裝用于飛行試驗，”迪亞茲說道?！爸圃爝^程將是一次成型，無需二次粘接。我們只制造了‘U’形結構，包括下蒙皮、六根集成長桁以及兩側的翼梁。蒙皮、長桁和翼梁的厚度各不相同。翼梁的J形結構及其加強筋的集成制造頗具挑戰。我們還面臨著如何通過這種制造工藝保持高精度公差和準確幾何形狀的挑戰。這種精度至關重要，尤其是在翼根處，因為需要與內翼盒進行組裝，隨后還要與翼梢進行對接?！?/p>

創新的工業制造設計由MTorres開發，而空中客車防務與航天公司提供了零部件設計規范?！拔覀兒献鞯梅浅ｍ樌?，共同設計出了最佳的制造工藝，驗證了該設計能夠通過我們的工藝生產，反之亦然，” 迪亞茲說道。

熱灌注自動化中心(ACTI)

根據空中客車防務與航天公司的規范，用于生產機翼盒段的所有工裝和制造裝備必須具備便攜性，能夠通過標準車輛運輸至其他設施，并且無需特殊措施即可快速安裝。這促成了熱灌注自動化中心(ACTI- automated center for thermo infusion)的開發，該中心可執行桁條和翼梁的熱模壓成形、長桁、翼梁和蒙皮的灌注以及固化循環。熱模壓成形(HDF- Hot drape forming)——在航空結構領域開發為加熱脫泡，在航空航天領域之外開發為加熱預成型—可去除疊層中的空隙，并將用于長桁和翼梁的二維坯料轉化為成型的預成型件。

ACTI擁有約5.5 x 2.2米的實用內部空間，外觀與傳統的HDF系統相似，采用鋼制框架，上半部分可電動升降，并配備鎖定裝置及其他安全設備。固化工具和多個熱膜成型工具均位于ACTI內部?！盁o需施加壓力，僅使用真空即可，” 迪亞茲指出?！癆CTI利用加熱空氣，其氣流經過優化，可為熱膜成型和灌注工藝提供快速的熱傳遞?！?/p>

他還指出該系統具有自調平功能?！癆CTI結構（以及固化工具）的剛度經過設計，可在僅由兩處支撐的簡支條件下，滿足在工作載荷下的公差要求，” 迪亞茲解釋道?！斑@意味著當放置在地面上時，無需進一步調平或其他幾何調整即可保持尺寸精度。ACTI還具有能耗低、制造成本低的特點?！?/p>

后者在很大程度上歸因于用多個預成型件的組裝取代了多個固化零件的組裝，這些預成型件隨后被灌注并固化成一個單一的集成結構?！肮袒ぞ咄瑫r也是組裝工具，” 迪亞茲說道，“所有元件都是干態預成型件，組裝到固化工具中，然后通過單次成型工藝共同灌注。”無需組裝工裝，通過工具中的創新元件即可實現嚴格的公差。

這種方法的另一個關鍵方面是取消破壞性和無損檢測(NDT)，轉而依賴在各個制造步驟中收集的工藝數據來驗證工藝質量并標記超出規格的參數。與ACTI配合使用的傳感器可采集溫度、真空度、樹脂流動和固化狀態數據?！翱諝鉁囟群筒考囟染艿娇兀?迪亞茲說道，“工裝中集成了熱電偶，用于追蹤模具和部件表面的溫度?！彼袛祿挥涗洝⒎治?，并用于生成圖表，以輔助制造決策。

“無論是IIAMS項目還是未來的項目，這些數據都有助于在早期階段優化工藝設置，”迪亞茲解釋道。樹脂流動和固化狀態通過安裝在CFRP固化工具內部的耐馳(德國塞爾布)介電傳感器進行監測?！拔覀冃枰墙佑|式傳感器來監測蒙皮，因為樹脂與模具之間沒有直接接觸，”迪亞茲說道。“傳感器監測樹脂到達并固化成固體時介電場的變化。我們利用這些數據縮短了固化周期?！?/p>

在項目后期，傳感器和ACTI與MTorres開發的人機界面(HMI- human machine interface)相結合，實現了從計算機對工藝的真正控制，包括真空和溫度，以及通過供料閥控制樹脂流動。據空中客車防務與航天公司介紹，其目標是通過使工藝更加精簡和智能化，推動集成復合材料主結構的大規模生產。

輕量化工具和便攜性

MTorres 生產了兩套模具—一套用于右機翼，一套用于左機翼?！皩τ趲缀涡螤钕嗤牟考?，比如長桁，只有一套模具，” 迪亞茲 指出?！捌渌ぞ咴诳赡艿那闆r下進行了共用?！?/p>

據迪亞茲介紹，使用了一種整體成型工具來塑造蒙皮的三維形狀，其他所有預成型件均定位其上。他表示，這款工具的左右兩半均采用碳纖維增強塑料(CFRP)制成，長度約為4.5米?！斑@有助于更輕松地控制公差，因為我們設計工具時采用了與零件相同的鋪層和加工工藝，因此其熱膨脹系數與最終零件非常接近。這些CFRP成型工具重量較輕，約為200公斤，因此可用小型電動叉車搬運。如果使用金屬制作4.5米長的工具，這是不可能實現的?！?/p>

圖2. HDF翼梁預成型件這種J型梁的C形預成型件始于MTorres新型干纖維單向帶（最多10層）的平面坯料，隨后在碳纖維增強塑料凸形工具上進行熱模壓成型。

其余的工裝—包括壓模、定位器和HDF工具—均可輕松手動操作。用于制造長桁、翼梁及翼梁加強件預成型件的HDF采用了凸模(IML-內模線)工具，同樣由碳纖維增強塑料制成。在使用過程中，這些工具被安裝在鋁合金工作臺上，并置于ACTI內部。

AFP使用新型干纖維帶

機翼盒的所有結構部件—蒙皮、長桁、翼梁、翼梁加強件—均采用MTorres的AFP技術，使用干纖維帶制造而成?！疤岚敢笫褂每焖偾伊畠r的材料，” 迪亞茲說道?！暗忻嫔峡少I到的干纖維帶，尤其是大型供應商的產品，并非那么容易采購，而我們具備自制材料的專業技術。因此，我們使用了自制的0.5英寸寬、300克/平方米的干碳纖維帶，該纖維帶采用(三菱麗陽Mitsubishi Rayon-東京，日本)的50K高強度(HS- high-strength)纖維制成。我們的纖維帶經過設計，不僅在灌注過程中表現良好，而且在使用我們的AFP鋪放頭進行鋪層時也能順利操作。我們掌握了AFP鋪層、熱成型和樹脂灌注的所有參數，如果需要進行任何微調，我們也能做到，因為我們擁有可用的纖維帶生產線?！?/p>

MTorres還使用赫氏(Hexcel-法國萊斯阿維尼翁)生產的200克/平方米中間模量(IM- intermediate modulus)纖維制成的膠帶對其機翼盒制造工藝進行了測試?！氨M管我們的工藝兩種類型的膠帶都能良好配合，”迪亞斯表示，“但在開發階段，與商用材料相比，使用我們自己的材料進行鋪設更為簡便且成本更低——其寬度和剛度經過工程設計，使得從卷軸到工作臺的鋪層過程順暢且高效。此外，該材料也易于獲取?！?/p>

步驟1. 自動鋪絲（AFP）技術用于鋪設機翼盒蒙皮（如圖所示）以及用于長桁、翼梁和翼梁加強件的二維坯料

步驟2. 平帶坯料從鋪層臺運輸至熱成形模具

他指出，自動纖維鋪放(AFP)工藝采用了兩種策略：一種用于下蒙皮，另一種用于長桁、翼梁和翼梁加強筋。蒙皮(厚度為 3-6 毫米)在固化工具上直接鋪放成最終的三維形狀(步驟1)，使用一種半滲透膜——該膜是空客在其真空輔助工藝(VAP- Vacuum Assisted Process)灌注工藝中獲得的專利。長桁、翼梁和翼梁加強筋則先作為平面坯料(二維)鋪放在真空工作臺上，然后轉移到 HDF 工具上形成最終的三維形狀(步驟 2)。

熱成形

步驟3. 將長桁毛坯放置在HDF凸模具上。

步驟4. 硅膠片和夾緊框架被放置在長桁預成型件上，以便在ACTI中進行加熱、去毛刺/預成型

“我們使用帶有真空夾具的龍門架，將長桁、翼梁和翼梁加強件的平板坯料從鋪層臺移至熱成形工位，” 迪亞斯解釋道。“該自動化系統可在平板狀態下移動坯料，并將其放置在凸形工具上(步驟3)，且不會產生褶皺?！背尚喂ぞ甙惭b在鋁合金成形臺上，該成形臺隨后被放入ACTI中。在坯料上放置了一個可重復使用的硅膠真空袋(Mosites Rubber Co.，美國得克薩斯州沃思堡)，然后在ACTI中將坯料加熱至130°C，并利用真空壓力進行成形(步驟4)?！爱斶_到設定溫度時，通過控制閥按照預設的斜坡曲線平穩地施加真空，” 迪亞斯說道。

他指出，干態膠帶更容易進行預成型/熱模壓成型，“因為層間的結合力比預浸料更弱。盡管是干態材料，但其成型過程仍需進行HDF/加熱脫去毛刺，由于膠帶中含有的粘合劑，最終的預成型件能夠保持形狀?！?/p>

對于長桁和翼梁加強件，坯料被壓制成兩個L形，然后背靠背放置在固化工具上，形成T形桁條/加強件。六個蒙皮桁條各不相同，需要不同形狀的坯料來制作預成型件。24個翼梁加強件的長度也各不相同。

前、后J型翼梁由兩塊毛坯組成：一塊彎折成C形，朝向機翼盒內部；另一塊彎折成Z形，朝向機翼盒外部——兩者背靠背放置。翼梁在機翼盒外側還設有波浪形的翼腳（第7步中的箭頭所示）。“我們在將毛坯移至成型工位之前，就在平鋪工作臺上切割出了翼梁翼腳的形狀，”迪亞茲說道，“該區域后續無法進行任何修剪或銑削?！薄懊髦苯臃胖迷谕钩尚湍＞呱?，翼梁翼腳位于模具左側，上緣位于右側?！?/p>

圖3. 精確預成型件定位。J型梁和長桁的預成型件通過雙金屬圓柱（見左后方和右后方）、白色定位器以及帶有長桁/定位器開孔的CFRP壓模進行定位

單次輸注

步驟5. 長桁和翼梁預成型件被放置到下蒙皮上，借助圓柱形（圈出）和白色的定位元件。黑色的碳纖維增強塑料（CFRP）壓塊（箭頭）也被用于輔助定位長桁，并放置在長桁和J型翼梁的上方。

步驟6. 預成型件進行真空袋封裝，并準備在ACTI中進行灌注。

步驟7. MTorres完成的初始演示件展示了J型翼梁（帶兩個加強件，已圈出）及其正弦形支腳（箭頭所示）

下一步是將長桁、翼梁和翼梁加強件預成型件放置到已鋪設的下機翼蒙皮上（步驟5）?！拔覀冊趯⒚總€預成型件放置到蒙皮和固化工具上時都會進行定位，”迪亞茲說道。在步驟5左側的翼梁末端以及圖3中兩個翼梁的末端，可以看到作為定位元件的圓柱體。這些圖片還展示了長桁和J型翼梁的白色定位裝置。最終的預成型件組件中共有13個這樣的定位器，且每個都各不相同。

成型板也是預成型定位和放置系統的關鍵組成部分。它們不僅發揮了傳統作用，即在復雜鋪層和/或幾何形狀的區域保持均勻的壓力和溫度，而且對于融合過程也至關重要，如下文所述。在步驟5和圖3中，可以看到在長桁和翼梁末端，有一個帶有縱梁預成型件切口的黑色碳纖維增強塑料成型板。

“長桁預成型件的位置取決于該壓板的位置，”迪亞茲解釋道?！拔覀冮_發的用于監控和控制制造過程的數字技術包括一款增強現實應用程序，該程序可將CATIA模型投射到鋪層上。這被用于引導壓板、定位元件以及預成型件的放置。它還顯示了接下來要執行的步驟。該應用程序支持平板電腦獨立運行，以便所有工人都能輕松獲取所有信息?！?/p>

隨后，一套最終的黑色CFRP壓板被放置在T型長桁的L型預成型件上，同時也放置在每個J型翼梁的內側和外側，向上延伸至翼緣，向下延伸至機翼盒外側的腳部，如步驟5和圖3所示?！耙砹涸趦啥说膬葌纫彩褂昧艘环N壓板，以便提高接合區域的精度，” 迪亞茲說道。“所有這些壓板都在HDF工藝過程中使用，并在鋪層過程中一直附著在預成型件上?！?/p>

完成的干態預成型件裝配體（含墊板）隨后覆蓋了剝離層和真空袋膜。隨后，蒙皮、長桁和翼梁的整個裝配體被放入ACTI中，模具被加熱至120°C。Hexcel RTM6環氧樹脂被加熱至70°C并進行脫氣處理，然后通過單個樹脂進料口進行灌注?！癆CTI原本準備從四個位置進料，” 迪亞茲指出，“但在經過廣泛的模擬和測試后，我們決定采用單個樹脂入口會更簡單、更經濟?！?/p>

圖4. 復雜灌注：PAM-RTM樹脂流動模擬中的紅色區域顯示，四個角是灌注過程中最難實現浸潤的區域

即使只有一個進膠口，灌注過程也非常復雜，包含三種不同的模式。“我們首先進行了流動模擬，使用了PAM-RTM軟件（ESI集團，法國巴黎），” 迪亞茲說道?！傲鲃忧把睾蛯崿F完全浸潤所需的參數混合得非常復雜。例如，樹脂在機翼盒的中心流動更快，但要浸潤所有的加強筋卻是一個挑戰?！?/p>

VAP（真空輔助成型工藝）搭配半透膜，在下蒙皮的成型中表現良好，但在長桁和翼梁內側則改用了高溫流體網。迪亞茲指出：“角落是最難浸潤的區域，但同時也是為了保證裝配公差以及邊緣精度而至關重要的部位?！边@一點在圖4的流體模擬紅色區域中有所體現。“針對這些區域，我們開發了一種定制化方案，以達到所需的精確尺寸，”他解釋道，“我們還在周邊以及翼梁頂部設置了抽氣口。”

正如模擬預測的那樣，浸漬過程相對較快，隨后在180°C下進行兩小時的固化，僅使用熱空氣，未使用加熱模具。脫模后，每個機翼盒演示件均通過超聲波檢測(UT- ultrasonic testing)進行檢查。這是IIAMS項目交付成果的一部分，旨在分析演示件的質量。然而，該工藝的工業化應用將減少傳統的無損檢測，轉而采用數字傳感器和更快的在線檢測工具，如視覺系統。

據迪亞茲介紹，盡管融合固化周期與熱壓罐固化預浸料機翼盒的周期相似，但整體周期時間應更短。“我們省去了大部分后續裝配工序，也不必像處理預浸料那樣進行墊片補償，但我們的質量保持不變。例如，蒙皮的最外層與長桁的最內層之間的粘接無需中間的膠膜，即可改善機械性能并補償公差。”這顯然更高效，但他指出，零件生產速率最初并非驅動因素?！斑@種方法并非與單個零件的制造競爭，而是與完整的機翼盒裝配體競爭。”

全尺寸驗證件，認證之路

“我們僅有18個月的時間來完成這個項目，其中包括設計工藝和工裝，以及制造工裝和驗證件，”Diaz說道?！暗降?4個月時，我們已準備好第一件驗證件，計劃于2020年2月下旬在JEC展會上展出(步驟3)，但隨后JEC因疫情取消。盡管項目于2020年9月下旬結束，但如果我們扣除因新冠疫情而無法工作的月份，實際上我們是在第16個月完成的。 我們之所以能夠保持如此緊湊的進度，得益于我們內部的設計能力，以及能夠利用我們的自動纖維鋪放(AFP)和數控銑床制造工裝原型的能力?！?/p>

步驟8. ACTI成型/固化裝備和翼盒工具被吊裝到標準移動卡車上，并重新安置至西班牙加的斯的Airbus DS工廠。

步驟9. 最終的機翼盒在空中客車加的斯工廠制造。此處展示了IIAMS項目用于飛行測試的左右機翼盒。

MTorres制造了一個簡化的1米長演示件，以驗證所有工藝參數。隨后，首個全尺寸演示件得以生產。接著，工裝和制造裝備被轉移至位于加的斯的空客防務與航天公司（第8步），并在那里生產出了最終演示件。這也是該項目的交付成果之一，證明了該裝備能夠輕松地在多個地點運輸和安裝。

正如側邊欄“IIAMS機翼盒認證路線圖”所述，空中客車防務與航天公司在“潔凈天空”計劃中發揮了關鍵作用，從“潔凈天空”計劃中“綠色支線飛機”（GRA）綜合技術驗證機（ITD）的聯合負責人，發展為“潔凈天空2”計劃中“機身”ITD的聯合負責人，以及“區域”綜合飛機驗證機平臺（IADP）中飛行試驗臺2（FTB # 2）的負責人。FTB # 2將包含其他復合材料和機身開發項目，包括駕駛艙和其他機翼組件。

為準備FTB # 2開展的所有項目，實際上是空客一項更廣泛、長期策略的一部分。其目標是開發一款更輕、更高效的未來渦槳飛機機身，以及更便宜、能耗更低、制造液體和輔助材料消耗更少的生產工藝，同時減少廢料產生并提高可回收性。

圖4. 液態樹脂灌注路線圖—通往認證之路

IIAMS機翼盒演示驗證機是多年策略的最新一步，旨在到2022年將干纖維AFP/樹脂灌注機翼盒成熟至技術就緒水平6(TRL 6)，并為其在未來的支線渦槳飛機上的認證奠定基礎。IIAMS機翼盒的全尺寸部件結構測試將完成“潔凈天空2”飛行試驗臺2(FTB # 2)的設計鑒定要求。

“我們(空客防務與航天)正逐步完成從試樣到外翼全尺寸結構測試的整個機體結構測試金字塔，” 希門尼斯·加赫特(A.E. Jiménez Gahete）)在2020年9月發表于《復合材料》雜志、題為《空客防務與航天采用干纖維鋪放和液體樹脂灌注工藝制造的高集成機翼盒段》的文章中解釋道。材料表征測試、設計細節測試矩陣以及用于設計許用值的子部件測試均已順利完成，并取得了積極成果。MTorres 協助進行了這些測試，包括制造測試試樣和部件，以及用于驗證機翼盒段制造工藝和設計細節的演示件。加赫特 表示，目前僅剩外翼全尺寸靜力和功能測試，以獲得 FTB#2 飛行資格。

迪亞茲表示：“單次灌注減少了接頭數量，減輕了重量并提高了結構強度?！彼赋觯琈Torres開發的新型干態膠帶在加工過程中—包括自動纖鋪絲(AFP)、熱成形和灌注—以及部件的結構性能方面都取得了優異成果。他還提到，歷史上曾有人懷疑樹脂灌注復合材料能否達到與熱壓罐固化預浸料相同的結構性能和公差。

“要在單次成型工藝中，使用軟性(非金屬)模具達到同樣的公差，是我們面臨的最大挑戰，”他承認道?！暗覀円呀涀C明了這項技術是可行的，并且能夠生產出未來飛機所需的大型主結構。我們的下一步是繼續推進數字技術的發展，并提升生產系統的便攜性?！?/p>

補充

MTorres是一家全球領先的西班牙工業集團，專注于為航空、風能等行業提供高度自動化和先進的復合材料加工設備及整體解決方案，以其在纖維鋪放(AFP/ATL)設備、鏡像銑削設備等領域的領先技術而聞名，是商飛C919等項目關鍵設備供應商，提供從生產線設計到總裝的交鑰匙解決方案。

原文《Advancing the OOA infused wing box》

楊超凡