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飞行器制造商寻找高速生产的复合材料技术
发布时间:2019-06-12   浏览次数:184

高速生产复合材料的技术是什么?可能是热塑性复合材料+机器人自动化铺放+原位检测和固化这样的技术,而现在这些技术都在成熟中,而且每年都有众多的报道来验证其提升的技术和制造成熟度。之前一二十年,是黑与白的竞争,热固性复合材料替代铝合金成为主承力结构材料,现在新的竞争者已经出现,未来可能还有黑吃黑的竞争,那就是热塑性复合材料替代热固性复合材料,这就是航空制造业的魅力。

复合材料制造杂志5月报道称,新的复合材料技术将有助于满足民用飞机不断增长的需求。2018年,民航公司在全球范围内创造了创纪录的43亿乘客(国际民用航空协会),到2037年,这一数字可能达到82亿(国际航空运输协会)。为了服务这些乘客,研究公司德勤估计飞机制造商将在未来20年内生产超过36700架飞机——甚至不包括来自地区航空公司的飞机订单。

飞机公司已经在加大制造力度。斯普利特航空系统公司研究和技术高级主管Eric Hein表示,公司支持的平台如波音787和空中客车A350的生产速度继续提高。这给复合材料行业带来了压力,因为飞机制造商一直在稳步增加其飞机上使用的复合材料的比例。例如,波音787的机体由50%的先进复合材料制成。

Eric Hein表示:“复合材料结构的生产速度提高对商业航空航天业非常重要,因为它对复合材料飞机结构的需求持续增长。与金属相比,复合材料具有许多优点。这些包括重量、可定制性、自动化机遇和服役性能。“

当今飞机中的复合材料主要用于容纳发动机、燃料或其他设备的短舱、流线型外壳或储罐。“但是,未来的单通道机身结构可能含有大量的复合材料,”Hein补充道。

更多地使用复合材料将有助于减轻这些新设计的重量,这对于想要减少飞机碳足迹的运营商来说是一个重要的考虑因素。但也有经济因素在发挥作用。

“由于规模经济和更快的上市时间,复合材料制造中的速度和批量的增加导致成本降低。”通用原子航空系统公司(GA-ASI)的创新负责人John Geriguis表示。复合材料的使用也满足了客户对降低拥有成本的需求,而不仅仅是飞机的初始成本。

Geriguis补充道:“飞机的燃料使用、维护、可靠性和可用性在总成本中起着重要作用。设计和制造的可生产、重量更轻、单元化的复合材料结构,对于降低启动成本、维护成本和燃料消耗是至关重要的。”

承载人们短距离交通的新型城市空中运输服务将增加对更快速的复合材料制造技术的需求。一些公司,如优步Elevate,Joby航空和德国的Volocopter正在开发各种小型电动飞行器,每次充电可行驶150英里。这些飞行器可以在上下班途中运送上班族或在两个城市之间短途跳跃。虽然一些飞行器最初将由飞行员操作,但目标是最终让它们自主运行。

“这些飞行器必须由复合材料制成,因为它们必须是轻量化的。”复合自动化有限公司总裁John Melilli说。由于这些服务无处不在,因此需要数千架飞机。“当他们谈论建造城市飞行器时,他们并不是在谈论每月建造30或40架,他们谈论的是每月建造500至1000架。”

改进技术

制造商目前使用手工铺放和热压罐固化生产许多热固性复合材料飞行器零件。这是一个劳动和资本密集型的工艺。

今天的大部分制造设备也不是为提高生产速度而设计的。零件的具体设计细节,包括其几何形状和层板堆叠,可能会限制设备的进给和速度。联邦航空管理局复合材料的首席科学和技术顾问Larry Ilcewicz表示:“例如,根据局部零件曲率、横截面积、层板开始和终止以及其他设计细节,设备将不得不放慢速度以完成任务并避免产生不希望的制造缺陷。”

满足不断增长的需求所需要的是能够实现可扩展和可变制造速度的工艺。Melilli说,制造商必须找到能够将生产从手动操作转移到自动操作的工艺,从需要进入高压罐的树脂系统到可以不用热压罐就生产零件的系统。

斯普利特航空系统目前正在研究可改善性能、加工和成本的新材料系统。它还在开发新的高速沉积工艺。Hein指出:“材料沉积速度和固化时间是提高制造成本和产量的关键。”

航空航天复合材料制造商开始围绕快速固化树脂系统研究和构建工艺。固化时间的改善最终终结热压罐或烘箱这种潜在的生产瓶颈。

热塑性的可能性

复合材料零件制造商正在试验各种非热压罐(OoA)技术,包括压缩成型、树脂传递成型(RTM)、真空辅助树脂传递成型(VARTM)以及气囊和心轴固化。

热塑性原位固结是一种令人感兴趣的OoA技术。现代激光技术使制造商能够更好地控制使用热塑性塑料所需的温度;他们可以使用激光加热热塑性树脂系统并用辊轮产生压力,因此不需要热压罐固化。

机器人铺带是原位固化的另一种可能性。例如,GA-ASI推出了一种无需工装的热塑性复合材料制造工艺,该工艺使用两个机器人,一个用于分配热塑性预浸带,另一个用于固化。这消除了对大量工装的需求;只需要周边的保持和操作夹具。

通过原位固化,零件制造商可以实时形成包含多个不同组件的统一复合材料结构。这取消了钻孔并将物体栓接在一起的需要。Melilli说:“你不会想在复合材料零件上钻孔,因为你会破坏纤维。”

原位固化还可以在更短的时间内制造出坚固、轻量化的零件。Trilion质量系统公司总裁John Tyson说:“热塑性复合材料可以更快地铺放,而且没有那么多浪费。”用于热固性材料的石墨环氧树脂具有有限的保质期,并且在制造商可以使用之前它们可能过期。对于热塑性复合材料,没有保质期限制。

热塑性复合材料具有另一个优势。Tyson补充道:“热塑性复合材料零件实际上至少与热固性的一样强,因为它们没有那么多的组合物。你不需要在零件上添加额外的材料,这样可以使它更轻。”他指出,热塑性复合材料已经被用于空中客车A380这样的飞机,制造热塑性机翼前缘。此外,Tyson预测使用热塑性复合材料可以大幅降低成本,可能高达50%。

虽然热塑性复合材料方面的工作大有前景,但Melilli警告说,它还没有为大规模生产做好准备。“热塑性塑料在何处以及如何在提高飞机的生产能力方面发挥作用仍在研究中,”他说。“这个领域的主要公司有很多兴趣和工作。材料制造商、一级供应商和OEM正在共同探索这些技术如何以及在何处用于某些类别的零件。”

原位检测和维修

转向OoA零件生产的挑战之一是保持质量。Tyson表示:“当您将热塑性复合材料放入工装中然后将工装放入热压罐中时,在真空袋和硬质工装下的退火或固化过程解决了许多问题。制造中的许多错误都在固化过程中得到了解决。”

例如,GA-ASI已开始将原位检测以及原位返工和修理纳入其无工装制造工艺。这使得该过程更加可靠和高效,并产生更可预测的结果。

ARAMIS 热像仪由Trilion 质量系统开发,是一种全视场光学测量系统,可以监控复合材料零件的生产质量。它是GA-ASI使用的实时视景装配工具(RVAT)系统的组成部分。

Melilli表示:“该技术使用高速热像仪。我们可以加热固化零件,并且随着零件冷却,使用这个摄像头,我们实际上可以探测出零件中的任何空隙或任何异物。这使我们能够从质量的角度了解该零件是否可以接收。它比使用超声技术更快,而超声技术是目前公认的零件检验标准。”

Tyson解释说,一台摄像头可以做很多不同的事情。“当我们用机器人铺放头铺放预浸带时,我们可以在六个自由度上跟踪铺放头,这样我们就可以确保它将材料铺放在应有的位置。我们可以检查已经铺放的材料的粘合质量,我们在构建过程中可以检查材料的形状——或整个零件——以确保它与CAD实时匹配。”

Tyson表示,热塑性复合材料生产中进行原位监测,使生产步骤的数量降到热固性塑料零件生产的一半。这使制造速度提高了10倍,并可将成本降低一半。不过利用热像仪摄像头的数据也有助于热固性零件的生产。在铺放过程中,摄像头可以立即探测到在织物层之间捕获的任何异物。

为了充分利用摄像头的能力,Trilion开始在制造过程中为关键复合材料零件添加图案,以增强视景检测。使用热像仪的数据,飞机公司将能够寻找图案的变化,以检查这些零件的应变。他们可以在飞机的使用寿命期间监测飞机的结构健康状况,而无需向飞机增加任何重量或功率(例如多个应变仪或声学传感器)。根据Trilion的说法,它相当于使用了数百万个应变仪。

更快的铺放

使用复杂的软件是制造商在提高零件质量的同时加快零件生产的另一种方式。例如,纤维补强片的放置可以缩短铺放时间,减少复合材料零件所需的纤维量而不会影响其强度。

由Cevotec开发的纤维补强片铺放过程使用从信用卡到信封大小的单向材料,以及柔性的夹具和CAD模型。夹具拾取补强片后,系统中的摄像头会检查材料是否有缺陷。然后,夹具将每个补强片放置在工装上,对这些零件进行布置和定向,以优化零件沿其载荷路径的强度。

Melilli解释说:“我们可以布置补强片,使它们准确地位于零件中,为零件提供在CAD模型中定义的所需强度。该软件完成了所有分析,包括对零件的有限元分析。”

通过该系统,公司可以生产热固性或干燥纤维预制件,可以进入热压罐或蛤壳式模具进行树脂浸渍。此外,纤维补强片放置比手工更快,取消了制造过程中的许多步骤。

复合材料自动化已经完成了一些带有纤维补强片放置的原型程序,欧洲航空航天公司赛峰和空客旗下Premium Aerotec也在进行一些开发工作。

共享的信息

工业界的合作努力,包括分享有关新制造技术的资料,将有助于加速下一代复合材料飞机组件的开发。Hein说:“总的来说,必须积极开发这些改进,这需要行业和合作伙伴的承诺和参与。”

在英国,斯普利特公司正与斯特拉斯克莱德大学和其他组织合作开展此项研究。“英国弹射器中心允许像斯普利特这样的工业合作伙伴加入,这可比通常通过内部资金更快地试验下一代设备。”弹射器中心由英国创新机构创新英国建立,是一个非盈利中心的网络,旨在促进各行各业的创新。

合作的另一个例子是荷兰的热塑性复合材料研究中心(TPRC)。该联盟的成员认为,热塑性复合材料是轻量化制造大批量材料的最佳选择,它们共同努力消除采用它的技术障碍。

Melilli表示,NASA正在美国提出建立类似的热塑性固化研究机构。但无论这是否成为现实,毫无疑问,这个国家的制造商将很快尝试一些新的飞机零件生产方法。 Geriguis预测,未来三到五年,NASA、空客、波音和通用原子公司等航空领域的领导者以及GKN福克和斯普利特等制造商将采用热塑性复合材料固化的新概念,十年内它将成为复合材料制造的常规方法之一。

然而,Hein看到了一些挑战。虽然许多新的复合材料技术将在未来五年内就绪并进入制造业,但飞机制造业的性质可能会推迟其实施。他解释说:“一些技术将需要资本化,材料鉴定甚至工程变更都是现有计划难以证明的成本。在这些情况下,实施新技术将需要与新产品发布协调,而这在航空航天领域并不像其他一些行业那样频繁。与此同时,这促使人们需要在实施机遇出现时提前准备好技术。”

改进的技术将加速飞机制造业对复合材料的采用。Hein继续说道:“航空航天领域的复合材料利用率已经大幅增加,这与过去20多年来的生产率增长相吻合。随着成本和周期的进一步改进,复合材料可能在未来的飞机产品中扮演更重要的角色。”

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来源:中国航空新闻网
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