A380 机翼前缘

这家荷兰航空航天供应商利用其创始人一个世纪前的开拓精神，引领了当今热塑性航空复合材料的发展。

福克的名字在航空界有着悠久的历史。这可以追溯到最早的载人飞行时代，1911 年荷兰人安东尼 ·福克首次驾驶他的蜘蛛飞机飞越哈勒姆市。在成立荷兰航空公司后，福克于 1912年在德国成立了福克Aviatik GmbH，为德国军队提供补给。在整个20世纪20年代和30年代，福克可以说是世界上最著名和最成功的飞机制造商。到了20世纪50年代，他的公司在航空航天行业全面展开，于1958年推出了F-27，这是一款双引擎单通道客机，成为该公司的标志性飞机。到1996年，因市场的原因，这家飞机制造商宣布破产，最终停止运营。

图 1：虽然福克以其热塑性塑料专业知识而闻名，但该公司仍然依赖热压罐来巩固成型后冷却的许多零件，因为它仍然是满足孔隙率规范的最佳工具。

福克的名字并没有消亡。它在破产前分拆出来的业务部门中继续生存。以福克技术公司的名义继续经营有以下项目：1.起落架，电气系统；2.服务-制造零件；3. 执行维护和维修工作。4.也是最著名的是福克航空结构。这次参观的工厂是总部位于荷兰帕彭德雷希特，航空航天用热塑性复合材料结构的开发商和制造商。

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热塑性复合材料

25年前，福克成立了一个小型研发团队，与材料供应商TenCate Advanced Composites BV和潜在客户密切合作，开始了其热塑性复合材料活动。最初的客户是福克 飞机公司、道尼尔和空客。因此，越来越多的产品被开发并投入生产。这从最初的应用，如支架、肋、机翼壁板和地板，到完全组装的结构，包括机 翼前缘、方向舵和升降舵。团队中的一位关键人物被证明是天才的 研发工程师约翰 · 泰尼森，他创造并开发了几种 新的制造技术和产品概念。1995 年，一项突破是“湾流”公务机5号地板的开发，其中包括主要结构压力舱端框。这导致了利用相应的工程和制造知识制造热塑性复合材料次级结构的趋势。

参观工厂期间，我们的主持人是技术副总裁理查德·科本 和研发总监阿尔特·奥夫林加。奥夫林加以其热塑性复合材料专业知识在复合材料界闻名，他带领我们参观了福克在胡格芬的大型工厂。在参观之前，科本介绍了不同的福克公司。然后，在带领我们进入生产区之前，阿尔特·奥夫林加回顾了福克工厂制造的一些零件和组件，最引人注目的是“湾流 G650”公务机的方向舵/升降舵、湾流5公务机的升降舵和地板，“达索猎鹰5X”的方向舵和升降舵，空客A380超大型客机的机翼前缘，以及 F-35 闪电 II 战斗机所有变体的所有检修门。除了F-35之外，这些应用都依赖于热塑性塑料及其热塑性复合材料，福克的名字现在就基于此。

作为热塑性塑料的有力支持者，奥夫林加相信，它们只会在航 空航天市场上增加使用和应用。他指出，这种材料提供了热固性材料无法比拟的韧性(而不是脆性)，使其适用于全结构和半结构应用。

“因此，新设计的重量可以更轻，因为复合材料层的数量可以减少， ”他认为“焊接热塑性方向舵和升降舵比其热固性复合材料前代产品轻10%，这是因为所谓的“后压弯-post-buckled”设计。尽管如此，正如一些热塑性塑料支持者所声称的那样，福克公司的热塑 性复合材料制造并非热压罐外工艺。事实上，该公司仍然严重依赖 热压罐来确保其产品达到孔隙率目标(见图 1 ，左侧)。 “我知道， 我们喜欢认为热塑性塑料不需要热压罐固化，但对于大型零件，我们认为这是实现所需压实和固结压力的最佳方式，以去除任何挥发物， ” 阿尔特·奥夫林加指出。 “对于航空航天结构来说，这是至关重要的。 ”

图 2：热塑性材料实现了创新的方向舵/升降舵组合-这些热塑性翼梁适用于湾流 G650方向舵/升降机，其设计特点是，由于材料的高韧性，允许在飞行中弯曲，而不会损坏或失效。

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良好的屈曲、研发

我们在进入胡格芬车间时看到的第一个部件是湾流 G650 方向舵/升降舵的刚成型翼梁(图2)。它们的长度分别为 4 米和 6 米，厚度仅小于1毫米至几毫米。它们在热压罐中固化，并具有区域厚度的集成肋(焊接件)。材料为TenCate Cetex 碳纤维/PPS。

阿尔特·奥夫林加说，这些部件是坚韧/不易碎特性的典范，这使得热塑性塑料对航空航天制造商和原始设备制造商非常有吸引力。奥夫林加说，它们的设计是在使用过程中轻微弯曲，不会断裂或开裂。 “热塑性方向舵由焊接在肋骨和翼梁的刚性内部骨架上的薄蒙皮组成。当使用方向舵时，它承受扭转载荷，蒙皮允许在极限 载荷的70% (飞机寿命中发生一次的载荷)下弯曲。这使得蒙皮比其他情况下更薄，从而与传统复合材料相比减轻了重量。” 福克的热塑性复合材料部件在1.5倍极限载荷下进行测试和认证。

图 3：内部设备开发：Fokker 推出的大部分热塑性复合材料创新是该公 司研发实验室的产品，该实验室的特点是这种自动纤维放置(AFP)机器，配有 Fokker开发的末端执行器

福克在热塑性复合材料制造、组装和性能方面所学到 的很多知识都是由公司在奥夫林加指导下进行的重大研发工作所推 动的。 福克的研发实验室雇用了10名员工， 配备了环境模拟、 3D打印、 热压罐固化和自动纤维铺放的设备。后者配备了Fanuc机器人、福克开发的具有35000 Hz超声波加热能力的末端执行器以及CGTech控制软件。

正是在研发实验室里，福克与空客和其他合作伙伴合作开发了 欧洲热塑性平价主飞机结构项目 ，以评估热塑性复合材料在航空结构中的性能。福克还参与了欧洲清洁天空联合技术倡议，该倡议的一部分是比较热固性材料和热塑 性材料之间的热压罐能耗。

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A380 的大组件

然而，制造只是福克航空结构公司故事的一半，因为该公司在 组件装配方面的投资同样巨大，当涉及到热塑性塑料时，这为焊接方法打开了大门。福克真正擅长的是热塑性焊接技术的发展。福克 公司用热塑性复合材料制造大型空客 A380机翼前缘的合同是21世纪头十年复合材料行业最大的新闻之一。该项目还占用了胡格芬工厂最大的空间。这项工作是在工厂的工、夹具车间完成的，之所以如此命名，是因为它由八个双面夹具(一个用于左翼，另一个用于右翼) 主导，其中福克将热塑性前缘蒙皮和梁与一系列加强肋焊接 在一起。每个夹具可容纳3.5m长的前缘蒙皮。每个机翼前缘包括八个3.5米的分段，总前缘长度为26米，从每个机翼的内侧发动机到翼尖。

图 4：等待焊接的机翼前缘- 由玻璃纤维/PPS 模塑而成，这些 支架上的空客 A380 机翼前缘蒙皮很快将通过福克大型工、夹具室的焊接与肋骨和梁集成

图 5：肋骨部件的压缩成型-A380 机翼前缘肋骨采用 TenCate 公司的 Cetex 预固化玻璃纤维/PPS 片材切割而成的材料，在这 台由自动化机械制造商 Pinette Emidecau (法国沙隆省沙隆市)提供的大型压力机上进行压缩成型。

前缘蒙皮和翼梁采用Cetex品TenCate Advanced Composites 提供的玻璃纤维/PPS 半预浸料，通过手工叠层制造。蒙皮和梁使用单层半预浸料叠层，在Gerber Technology(Tolland，CT， US)平板切割台上切割。层定位制导由 Virtek Vision International Inc. (加拿大安大略省滑铁卢) 激光投影系统提供。将零件装袋，然后在 320°C 的热压罐中固化， 总循环时间为3 小时- 热固性复合材料通常为6-9小时。

肋条和加强筋(图 5)在Pinette Emidecau Industries (Chalon Sur Saone，France)压机上使用相同的Cetex 材料进行压缩成型，但由 TenCate 作为预固结片材提供。奥夫林加说，Cetex片材首先在红外 加热器中软化，然后迅速转移到压力机，压力机提供0.5秒的闭合循环。机翼前缘的加强筋由玻纤/PPS 制成，由松下VR-016机器人系统在Pinette压力机附近进行机械加工和钻孔。

所有机翼前缘部件—— 蒙皮、翼梁、肋、加强件—— 最终在工、夹车间组装和焊接。多年来，福克公司一直在尝试各种焊接技术， 但对于A380机翼前缘组件，它决定采用电阻焊接。对于该方法，将涂有PPS的金属网条连接到每个肋的接触边缘(图 6)。

热塑性蒙皮和热塑性肋的焊接非常重要，因为这种组装技术实际上创造了一种统一的热塑性复合结构。这一好处很重要，因为它免除了制造商在飞机认证过程中所需的额外步骤，否则这将是一个成本高昂的步骤：胶合蒙皮和肋骨将需要冗余使用机械紧固件。但焊接的蒙皮和肋条却没有。然而，这使得焊接过程的一致性和可重复性至关重要。

图 6：蒙皮-A380 机翼前缘的模制肋通过电阻焊接与蒙皮结合，其 中，将涂有 PPS 的金属网条连接到肋的边缘。将电流 施加到网格 上，使 PPS 软化并将肋骨与皮肤结合。金属网成为连结的一部分。

图 7：机器人自动焊接-A380机翼前缘的所有焊接都是用机器人设备完成的，该设备测量沿着蒙皮行进的距离，以识别其焊接的肋骨。

图 8：逐段组装——A380机翼前缘蒙皮及其肋、梁和加强件，安装在组装夹具中，在电阻焊接过程中显示。每个夹具固定一段 3.5 米的机翼蒙皮。每个机翼前缘包括八个3.5米的部分，总长26米。

然后将肋插入夹具中，用肋夹持器导轨固定。然后， 焊机从一 个肋骨移动到另一个肋骨， 在金属网的一端向每个肋骨施加电流1分钟。接下来是1分钟的保持和1分钟的冷却。电流会熔化网格周围的 PPS，并与皮肤形成粘合。网格保持在位，并成为焊接件的永久部分。在所有肋条接合后，梁通过加强筋连接并固定到位，加强筋也焊接在一起(图7)。

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机器人自动焊接

图7：机器人自动焊接-A380机翼前缘的所有焊接都是用机器人设备完成的，该设备测量沿着蒙皮行进的距离，以识别其焊接的肋骨。

奥夫林加说，这种组装大部分是自动化的，但连接夹具需要 一些人工。然而，焊接本身依赖于速度和一致性的自动化。奥夫林加说：“每个夹具上的电子尺告诉机器它在哪个肋骨上” (图 8）。

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感应焊接的进展

尽管A380机翼前缘组件所采用的电阻焊接方案是一种有效且目前相对成熟的福克技术，但湾流6号和达索猎鹰5X的零件通过感应焊接组装代表了最新的发展步骤，已经实现了其巨大的希望。

这项工作是在马可尼街大楼完成的，距离福克在胡格文的主要设施有很短的车程。在这里，我们看到了一个夹具设计和自动化过程，它已经超越了用于 A380 机翼前缘配置的夹具设计和自动过程。

奥夫林加说，感应焊接优于电阻焊接的优点在于，它不需要使 用金属条或其他导体，因此焊件不存在重量损失。福克感应法由 KVE复合材料集团(荷兰海牙)开发和提供。它被称为电感器，在热塑性层压板内的导电碳纤维增强件中产生涡流。电流是通过在焊接线上移动感应线圈产生的；它产生的涡流然后从内部加热层压板。KVE表示，焊接的零件必须放置在专用工具材料(钢，具有“特殊” 成分) 中，该材料对电磁场是透明的，并且具有良好的导热性。 福克的线圈运动由机器人驱动。

奥夫林加首先向参观人员展示了湾流6号舵的装配夹具，该舵 由两个带支撑肋的梁组成。全部由碳纤维/PPS 通过压缩成型制成。与A380机翼前缘组件一样，湾流 6 号舵夹具(共有六个)水平定 向并提升至腰部高度。夹具长度为 4 至 6 米，具有固定翼梁的水平 槽和将肋定位在翼梁上的垂直槽。在所有部件就位后，一个装有KVE感应线圈的机器人沿着夹具移动到各个槽中，将每个肋焊接到 翼梁上。

图 9：在福克，焊接的未来被视为“熄灯-lights out”技术。对于达索猎鹰 5X 升降舵，福克采用了新一代感应焊接技术，与电阻焊接不同，该技术允许热塑性塑料与热塑性 材料之间的直接结合，并且不需要金属网条。该装配夹具 保持升降舵的所有梁和肋；在夜班期间，机器人引导的感 应线圈被插入夹具中以将零件结合在一起。

对于达索猎鹰 5X升降舵，福克有三个夹具，类似于湾流夹具 系统， 但改进之处在于，六个夹具现在仅被三个夹具取代，使用相 同的感应技术(见图 9)。在这些夹具上，白班工人被用来将复合零 件装入夹具中，然后机器人通宵工作以感应焊接最终的组件，这一过程大约需要六个小时。

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新的一章

奥夫林加总结了他的公司对热塑性塑料的全心全意的关注， 福克将其称为“飞行器”：“当我们开始热塑性塑料的工作时，所设想的优点还没有得到证实。过了一段时间后，它们就变得清晰起来，然后新的、不可预测的优点显现出来，例如与热固性塑料相比， 后屈曲设计的优点、更少的生产步骤和更大的设计自由度。 ” 。“材料和设计创新代表了飞机飞行，这反映了福克对设计、组装和维护现代飞机的所有细节的承诺和赞赏。

现在,公 司 百 年 经 验 的 又 一 篇 章 开 始 了 。 福克于7月28日宣布将被英国怀特岛GKN公司收购。福 克首席执行官汉斯 ·布思克表示， GKN 的规模、创新和财务实力将使福克受益匪浅， 合并后的实体将为福克员工带来新的机会，他们将参与一 些世界上最大、最具挑战性的航空航天项目。

“对有限数量的独特技术的强烈关注， ”奥夫林加总结道，“已证明是创造新商机的成功途径。 ”

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编后语

此原文是[ CW (composite world) ]编辑人员参观荷兰胡格芬工厂后，于 2015.9.30 编发的一篇文章。该文于 2023.2.28更新重新发出。本文是按更新的文章编译。当时， 由于树脂成本高， 以及在 250°C 至 350°C(约480°F 至 660°F)下加工它们的困难和成本， 早期对更先进的聚合物(包括聚醚醚酮(PEKK) 和聚醚醚酮(PEEK)) 的研究没有在产生中广泛的应用。

A380虽然已经退出市场， 但福克的热塑复材制造技术， 却充 实了GKN的热塑复材制造飞机结构件的制造能力。GKN在空客“新 A320”热塑机身演示件制造中大显身手(前些日子我的微信短文陆续有报道)。

附：A380 机翼前缘图片

三段装配完毕的“J-nose”前缘

注：原文，《 Plant Tour: Fokker Aerostructures: Hoogeveen, The Netherlands 》 ( 2015.9.30 日发布) 2023 ．2 ．28 日更新）