熱塑性復合材料機翼即將到來？
[據《復合材料》雜志2016年5月9日報道]飛行器結構中的熱塑性復合材料經過了長期的審查，因為這一類材料有實現快速成形的潛力，具有焊接性、優越的天然疲勞性能和火/煙/毒（FST）屬性。空客和波音在各種零部件上投入了可觀的研究經費，從尾翼到機身結構。因此，小的熱塑性復合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內飾結構，已經得到采用；航空結構正在進行量產，包括飛行器地板壁板和飛行關鍵結構，比如空客幾型飛機（如A380）的機翼前緣。進一步地，灣流航宇G650飛機的垂尾是熱塑性復合材料結構。
不過還有一個障礙存留：如何經濟地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結構棗機翼蒙皮和機身段，并且擁有可接受的零件孔隙率。
空客集團防務與航天公司支持西班牙的航空實體開展了一系列相關技術研究。西班牙復合材料研發應用中心（FIDAMC）驗證了碳纖維/熱塑性機翼機構可以通過自動化和非熱壓罐固化方法直接制造，減少加工步驟并終降低零件成本。其新研究項目“非熱壓罐復合材料機翼”，終將進行地面試驗并試飛一個熱塑性復合材料機翼結構。
OUTCOME由“潔凈天空2”計劃支持，該計劃是歐盟公私合作研究計劃，總預算40億歐元“潔凈天空2”的終目標是開發和驗證大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機技術。
一，熱塑性AFP
FIDAMC研究了其大型OOA熱塑性復合材料技術多年，之前四個項目旨在開發基于激光束加熱、原位固化和復雜零件共固化的自動鋪層，使用MTorres的CNC纖維鋪放設備。工作于2010年以戰略技術研究委員會（CENIT）支持的“智能技術和環境可持續地生成復合材料結構”（TARGET）項目啟動，項目生產平面壁板。西班牙工業和創新部和CENIT支持的“先進復合材料創新和后端優化”項目（ICARO）生產了更多壁板以及更復雜的結構，研究了共固化的方法。2015年結束的綠色支線飛機（GRA）項目和近完成的“潔凈天空——熱塑性原位固化工藝工業化設置”（ISINTHER）項目，讓FIDAMC開發一個原位制造工藝?，F在，OUTCOME項目下，之前的工作將轉到提升成熟度上來。OUTCOME的合作伙伴包括Aernnova、西班牙Tecnalia航空中心、CATEC和航空技術中心CTA，空客是項目牽頭方。
盡管鋪放熱塑性預浸料的自動化手段肯定是得到驗證的技術，但它們針對大型主結構還不成熟，所以還是很危險。FIDAMC復合材料高級專家表示：?#24403;前的熱塑性手段要求成形設備能夠施加壓力棗通常是一個熱壓罐。其它項目用熱壓罐固化熱塑性零件以加速固化和降低孔隙率到2%的，需要高資本和能量成本，所以專注小零件。我們正在開發一個針對大型零件的完全非熱壓罐的工藝，同時保持良好的性能。一步法生產的機遇涉及氣焊、紅外或激光加熱材料，以及通過共固化集成結構棗即在一個步驟中熔融蒙皮和筋。
在ISINTHER項目，一個共固化熱塑性驗證件壁板使用三個不同階段生產出來：
?。保?加強筋層板配料鋪層，由ＭTorres自動絲束鋪放（AFP）激光加熱頭；
?。?， 使用一個模壓機實施加強筋熱成形；
３， 平面和彎曲蒙皮壁板在成形的加強筋上鋪層，壁板制造和加強筋在一個步驟中集成（原位固化）。
項目的關鍵是安裝在龍門機床上的MTorres AFP頭，可以在一個平面或芯軸工裝上熔化、沉積和凍結單向熱塑性狹長帶。它的熱源是500W Nd-YAG（摻釹釔鋁石榴石）可變光學二極管激光器，能夠連續和均勻地將預浸料加熱到400癈，這個溫度是熔化高溫熱塑性樹脂所必需的。掃描器在來料帶和基材之間優化分布激光能量。一個保形固化輥向加熱的預浸料施加充足的力，以達到共熔化和固化。MTorres AFP頭采用公司的在線旋轉切割和加料技術，可快速沉積而無需停下來切割。
當機床安裝時，它有一個單獨的輥來在熔化區域施加壓力，后來增加了第二個輥用于在冷卻或凍結階段（材料結晶化）額外固化。項目試驗了幾種輥的材料，佳解決方案是兩個橡膠輥。
“固化過程中的關鍵問題是足夠長時間保持溫度，以通過整個層板得到合適的熱傳導。”因此在之前的項目中對機床進行了幾處修改。后的改變是在兩個輥之間增加了第二個激光器，這就可以修改冷卻速度以及結晶化程度，從而達到佳的材料性能。
鋪絲頭還配備了工藝監測：它擁有一個紅外攝像頭和一個高溫計以記錄應用溫度并在加工過程中跟蹤熱量歷史。它還記錄沉積速度。
對ISINTHER項目，加強筋先在一個平面金屬工裝上進行鋪放，材料是Cytec公司6.2mm寬的AS4/APC2碳纖維/聚醚醚酮（PEEK）熱塑性單向狹長帶。鋪放順序（0°/+45°/-45°），生成一個2.1mm厚的坯料。坯料置于帶有紅外燈的壓膜運輸機的兩個盤之間，加熱到400℃（帶有熱電偶控制）之后快速運輸到壓膜機內進行5min的成形過程。選擇了歐米伽形（或帽子形）的加強筋來模擬典型機身結構；還成形了T形加強筋，但是在一個熱壓罐工藝中。
飛行器結構中的熱塑性復合材料經過了長期的審查，因為這一類材料有實現快速成形的潛力，具有焊接性、優越的天然疲勞性能和火/煙/毒（FST）屬性?？湛秃筒ㄒ粼诟鞣N零部件上投入了可觀的研究經費，從尾翼到機身結構。因此，小的熱塑性復合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內飾結構，已經得到采用；航空結構正在進行量產，包括飛行器地板壁板和飛行關鍵結構，比如空客幾型飛機（如A380）的機翼前緣。進一步地，灣流航宇G650飛機的垂尾是熱塑性復合材料結構。
不過還有一個障礙存留：如何經濟地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結構棗機翼蒙皮和機身段，并且擁有可接受的零件孔隙率。
空客集團防務與航天公司支持西班牙的航空實體開展了一系列相關技術研究。西班牙復合材料研發應用中心（FIDAMC）驗證了碳纖維/熱塑性機翼機構可以通過自動化和非熱壓罐固化方法直接制造，減少加工步驟并終降低零件成本。其新研究項目“非熱壓罐復合材料機翼”（OUTCOME），終將進行地面試驗并試飛一個熱塑性復合材料機翼結構。
OUTCOME由“潔凈天空2”計劃支持，該計劃是歐盟公私合作研究計劃，總預算40億歐元。“潔凈天空2”的終目標是開發和驗證大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機技術。
二，解決方法問題
使用熱壓成形制造加強筋需要解決幾個問題，包括層板熔化時的工作溫度、時間、加熱速度、傳導時間，以及冷卻速度?？湛驮陧椖恐幸蟮腁S4/APC2熱塑性預浸料，帶來了一些挑戰，包括纖維浸潤和預浸帶厚度的變化。為了使項目中使用的原位手段達到非常低的孔隙含量，帶必須有一個統一的纖維/樹脂分布。
FIDAMC開發了一個定制的內熱式鋼鋪放工裝，尺寸800mm*600mm，由像平臺的一個表面及其下面的支撐結構組成，以及一個10mm深、100mm寬和800mm長的縱向埋頭孔“谷”或凹槽。一個成形的碳纖維/PEEK加強筋可以倒置在凹槽中，平面緣與平面工裝表面平齊。“工裝允許我們在凹槽中放置一個固化的熱塑性零件，然后在其上用自動化機床鋪放蒙皮。”熱塑性蒙皮將通過激光加熱頭以一個擬各向同性的鋪放順序、與加強筋相同的厚度沉積。
開始，這也存在挑戰：因為PEEK材料沒有粘性，它不會粘在工裝上。“我們不得不給鋪放工裝增加一個真空系統，以幫助固定層。之后是加強筋的緣很難熔化并粘在蒙皮的層上。我們測試了幾種加強筋緣的表面處理方法，包括幾種脫模布。”脫模布不管用，所以終，使用細粒磨料手工打磨來使緣能夠與蒙皮鋪層共固化。
ISINTHER項目終生產了一個600mm*800mm的全尺寸壁板驗證件，帶有兩個共固化的直歐米伽形加強筋，以及一個由短加強筋加強的駕駛艙框。終的零件在第二個模塊式工裝中成形，這種工裝的設計通過交換可互換的模塊，可容納不同尺寸和外形的加強筋，模塊按照許多凹槽尺寸和配置制作。“有了模塊化工裝，我們可以制造由兩類歐米伽形加強筋加強的壁板，甚至是另一種外形的帶一個嚙合扣的加強件。所有需要改變的就是加強件模塊。”
FIDAMC記錄了其工藝參數并執行了碳纖維/PEEK鋪層成品的拓展試驗，同時進行了實時工藝監測。平面內剪切強度（IPSS）標準試驗按照ASTMD 3846方法執行，用于評價零件固結度（DOC），并與熱壓罐樣品比較，因為剪切強度是“基體-界面”能中的決定性因素。數據顯示零件在基體中的結晶度是35%-45%，無需進一步后固化或真空袋/熱壓罐處理。試樣試驗顯示了蒙皮和加強筋之間的完全共熔化和材料連續性。項目還開發了一個設計許用值數據庫。“我們得到了一個成熟且耐久的共固化制造工藝，通過一個實際的飛行器加筋框，以及可接受的孔隙率得到確認。隨之得到的知識將用于近啟動的OUTCOME項目中。”
三，工藝的工業化
OUTCOME項目已經開始。FIDAMC及其合作伙伴想要改進工藝并使其規?；a更大的加筋機翼蒙皮壁板，并將其加到CS2支線飛機記憶中，在2020年進行試飛。項目還要完成幾項額外的任務，其中有鋪放生產率的持續改進（更寬的帶或同時鋪更多的帶）。而且，一個八束的鋪絲頭將加到現有的MTorres機床中，包括新改進的激光光學裝置。該技術改進將用于生產有更復雜外形的零件。不同的加強筋類型也將使用輥成形甚至熱壓罐固化方法生產。還將針對加強筋與蒙皮的粘合研究改進的表面熱處理方法，包括等離子手段。
后，項目將擴展其已經研究的修理策略。制造試驗已經驗證了原位修理的可行性，可能擴展到通過一個可靠的坯料加熱系統和一個便攜修理技術而在役使用。“研究其它用于在役修理的粘合技術很有趣，包括本地加熱系統和熔融粘合技術、料塊加熱或膠接。”
OUTCOME的目標是在原位熱塑性鋪放工藝上達到技術成熟度等級（TRL）6級。“對比熱固性材料，熱塑性材料提供了損傷容限、化學抗性、無限的車間壽命、焊接性，回收能力和更短的制造周期。不僅是材料性能高，還可能更快地加工，有更低的壽命周期成本和環境可持續性。”（中航工業經濟技術研究院 劉亞威）
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