飛行器結(jié)構(gòu)中的熱塑性復(fù)合材料經(jīng)過了長期的審查，因為這一類材料有實現(xiàn)快速成形的潛力，具有焊接性、優(yōu)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(jīng)費，從尾翼到機身結(jié)構(gòu)。

因此，小的熱塑性復(fù)合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到采用；航空結(jié)構(gòu)正在進行量產(chǎn)，包括飛行器地板壁板和飛行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，比如空客幾型飛機（如A* * 0）的機翼前緣。進一步地，灣流航宇G* * 0飛機的垂尾是熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

不過還有一個障礙存留：如何經(jīng)濟地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結(jié)構(gòu)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(wù)與航天公司支持西班牙的航空實體開展了一系列相關(guān)技術(shù)研究。西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心（FIDAMC）驗證了碳纖維/熱塑性機翼機構(gòu)可以通過自動化和非熱壓罐固化方法直接制造，減少加工步驟并最終降低零件成本。其最新研究項目“非熱壓罐復(fù)合材料機翼”，最終將進行地面試驗并試飛一個熱塑性復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)。

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(yù)算* 0億歐元“潔凈天空2”的最終目標(biāo)是開發(fā)和驗證最大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機技術(shù)。

一，熱塑性AFP

FIDAMC研究了其大型OOA熱塑性復(fù)合材料技術(shù)多年，之前四個項目旨在開發(fā)基于激光束加熱、原位固化和復(fù)雜零件共固化的自動鋪層，使用MTorres的CNC纖維鋪放設(shè)備。工作于2010年以國家戰(zhàn)略技術(shù)研究委員會（CENIT）支持的“智能技術(shù)和環(huán)境可持續(xù)地生成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”（TARGET）項目啟動，項目生產(chǎn)平面壁板。西班牙工業(yè)和創(chuàng)新部和CENIT支持的“先進復(fù)合材料創(chuàng)新和后端優(yōu)化”項目（ICARO）生產(chǎn)了更多壁板以及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，研究了共固化的方法。201* 年結(jié)束的綠色支線飛機（GRA）項目和最近完成的“潔凈天空——熱塑性原位固化工藝工業(yè)化設(shè)置”（ISINTHER）項目，讓FIDAMC開發(fā)一個原位制造工藝?，F(xiàn)在，OUTCOME項目下，之前的工作將轉(zhuǎn)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(shù)中心CTA，空客是項目牽頭方。

盡管鋪放熱塑性預(yù)浸料的自動化手段肯定是得到驗證的技術(shù)，但它們針對大型主結(jié)構(gòu)還不成熟，所以還是很危險。FIDAMC復(fù)合材料高級專家表示：?#2* * 0* ;前的熱塑性手段要求成形設(shè)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(fā)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)出來：

１， 加強筋層板配料鋪層，由ＭTorres自動絲束鋪放（AFP）激光加熱頭；

２， 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(guān)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(jié)單向熱塑性狹長帶。它的熱源是* 00W Nd-YAG（摻釹釔鋁石榴石）可變光學(xué)二極管激光器，能夠連續(xù)和均勻地將預(yù)浸料加熱到* 00癈，這個溫度是熔化高溫?zé)崴苄詷渲匦璧?。掃描器在來料帶和基材之間優(yōu)化分布激光能量。一個保形固化輥向加熱的預(yù)浸料施加充足的力，以達(dá)到共熔化和固化。MTorres AFP頭采用公司的在線旋轉(zhuǎn)切割和加料專利技術(shù)，可快速沉積而無需停下來切割。

當(dāng)機床安裝時，它有一個單獨的輥來在熔化區(qū)域施加壓力，后來增加了第二個輥用于在冷卻或凍結(jié)階段（材料結(jié)晶化）額外固化。項目試驗了幾種輥的材料，最佳解決方案是兩個橡膠輥。

“固化過程中的關(guān)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(dǎo)?！币虼嗽谥暗捻椖恐袑C床進行了幾處修改。最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(jié)晶化程度，從而達(dá)到最佳的材料性能。

鋪絲頭還配備了工藝監(jiān)測：它擁有一個紅外攝像頭和一個高溫計以記錄應(yīng)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，加強筋首先在一個平面金屬工裝吉印通 行鋪放，材料是Cytec公司* .2mm寬的AS* /APC2碳纖維/聚醚醚酮（PEEK）熱塑性單向狹長帶。鋪放順序（0°/+* * °/-* * °），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* 00℃（帶有熱電偶控制）之后快速運輸?shù)綁耗C內(nèi)進行* min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(jié)構(gòu)；還成形了T形加強筋，但是在一個熱壓罐工藝中。

飛行器結(jié)構(gòu)中的熱塑性復(fù)合材料經(jīng)過了長期的審查，因為這一類材料有實現(xiàn)快速成形的潛力，具有焊接性、優(yōu)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(jīng)費，從尾翼到機身結(jié)構(gòu)。因此，小的熱塑性復(fù)合材料零件，比如一些片狀和板狀零件以及內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，已經(jīng)得到采用；航空結(jié)構(gòu)正在進行量產(chǎn)，包括飛行器地板壁板和飛行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，比如空客幾型飛機（如A* * 0）的機翼前緣。進一步地，灣流航宇G* * 0飛機的垂尾是熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

不過還有一個障礙存留：如何經(jīng)濟地、使用非熱壓罐方式制造大型熱塑性航空結(jié)構(gòu)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(wù)與航天公司支持西班牙的航空實體開展了一系列相關(guān)技術(shù)研究。西班牙復(fù)合材料研發(fā)應(yīng)用中心（FIDAMC）驗證了碳纖維/熱塑性機翼機構(gòu)可以通過自動化和非熱壓罐固化方法直接制造，減少加工步驟并最終降低零件成本。其最新研究項目“非熱壓罐復(fù)合材料機翼”（OUTCOME），最終將進行地面試驗并試飛一個熱塑性復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)。

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(yù)算* 0億歐元?！皾崈籼炜?”的最終目標(biāo)是開發(fā)和驗證最大化燃油效率和減少飛行器排放與噪聲的民機技術(shù)。

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(dǎo)時間，以及冷卻速度?？湛驮陧椖恐幸蟮腁S* /APC2熱塑性預(yù)浸料，帶來了一些挑戰(zhàn)，包括纖維浸潤和預(yù)浸帶厚度的變化。為了使項目中使用的原位手段達(dá)到非常低的孔隙含量，帶必須有一個統(tǒng)一的纖維/樹脂分布。

FIDAMC開發(fā)了一個定制的內(nèi)熱式鋼鋪放工裝，尺寸* 00mm** 00mm，由像平臺的一個表面及其下面的支撐結(jié)構(gòu)組成，以及一個10mm深、100mm寬和* 00mm長的中央縱向埋頭孔“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?！睙崴苄悦善⑼ㄟ^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。

最開始，這也存在挑戰(zhàn)：因為PEEK材料沒有粘性，它不會粘在工裝上?！拔覀儾坏貌唤o鋪放工裝增加一個真空系統(tǒng)，以幫助固定第一層。之后是加強筋的緣很難熔化并粘在蒙皮的第一層上。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?！泵撃２疾还苡?，所以最終，使用細(xì)粒磨料手工打磨來使緣能夠與蒙皮鋪層共固化。

ISINTHER項目最終生產(chǎn)了一個* 00mm** 00mm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。最終的零件在第二個模塊式工裝中成形，這種工裝的設(shè)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?！坝辛四K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?！?/p>

FIDAMC記錄了其工藝參數(shù)并執(zhí)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(jiān)測。平面內(nèi)剪切強度（IPSS）標(biāo)準(zhǔn)試驗按照ASTMD * * * * 方法執(zhí)行，用于評價零件固結(jié)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(shù)據(jù)顯示零件在基體中的結(jié)晶度是* * %-* * %，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(xù)性。項目還開發(fā)了一個設(shè)計許用值數(shù)據(jù)庫?！拔覀兊玫搅艘粋€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(rèn)。隨之得到的知識將用于最近啟動的OUTCOME項目中?！?/p>

三，工藝的工業(yè)化

OUTCOME項目已經(jīng)開始。FIDAMC及其合作伙伴想要改進工藝并使其規(guī)?；a(chǎn)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(wù)，其中有鋪放生產(chǎn)率的持續(xù)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(xiàn)有的MTorres機床中，包括新改進的激光光學(xué)裝置。該技術(shù)改進將用于生產(chǎn)有更復(fù)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(chǎn)。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。

最后，項目將擴展其已經(jīng)研究的修理策略。制造試驗已經(jīng)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(tǒng)和一個便攜修理技術(shù)而在役使用。“研究其它用于在役修理的粘合技術(shù)很有趣，包括本地加熱系統(tǒng)和熔融粘合技術(shù)、料塊加熱或膠接。”

OUTCOME的目標(biāo)是在原位熱塑性鋪放工藝上達(dá)到技術(shù)成熟度等級（TRL）* 級?！皩Ρ葻峁绦圆牧?，熱塑性材料提供了損傷容限、化學(xué)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(huán)境可持續(xù)性?！保ㄖ泻焦I(yè)經(jīng)濟技術(shù)研究院 劉亞威）