热塑复材地板梁制造工艺
AFP制造热塑性复合地板横梁。复合材料地板梁并不是什么新鲜事，但使用热塑性预浸胶带和先进的纤维转向来生产复合材料地板横梁是一种新鲜事，GKN Fokker和Mikrosam 在开发和制造用于多功能机身演示器（MFFD）下半部分客舱地板格栅的12根TPC横梁时已经成功地证明了这一点。
多功能机身演示器(MFFD-Multifunctional FuselageDemonstrator)正在为使用热塑性复合材料(TPCthermoplastic compostic)而不是主要用于航空结构的热固性复合材料（主要是碳纤维增强环氧树脂）制造的下一代机身铺平道路。
在欧盟联合研究和创新计划“清洁天空”的资助下，MFFD中先进的材料和工艺将使飞机产量增加，例如，每月70-100架窄体飞机。这些技术还将通过使用重量更轻的复合材料来减少二氧化碳排放，并通过用TPC焊接取代大多数紧固件来生产用于最终组装的集成结构模块来降低成本。该项目的最后8×4米机身筒体将于2024年初完工，这将是有史以来最大的全TPC结构。
图1. 用于乘客地板格栅的全尺寸梁MFFD下半部分包括一个横跨其顶部的客舱地板结构格栅，包括金属座椅导轨（顶部）。吉凯恩福克公司生产了12个CF/LM-PAEK地板横梁，带有导电焊接的垂直支柱（底部），然后将其导电焊接到成品模块的机身框架上。
吉凯恩福克公司（荷兰胡格芬）在STUNNING子项目中领导了MFFD下半部分的生产。下半部分将于2022年底完工，并运至Fraunhofer IFAM（德国斯塔德），今年晚些时候将使用 FraunhoferIWS（德国德累斯顿）开发的先进激光原位连接工艺连接上半部分。下半部包括用于货舱地板的结构格栅和用于客舱地板的另一格栅。后者包括12个TPC地板横梁，带有用于连接金属座椅导轨的焊接TPC支架和用于将地板格栅连接到机身框的焊接TPC-垂直支柱（图1）。
这些支架和支柱使用传导焊接连接（参见“热塑性复合材料焊接进步，以实现更可持续的机身”）。
本文讨论了吉凯恩福克公司与设备供应商Mikrosam（马其顿普里勒普）合作开发的为期两年的TPC地板横梁，包括一种创新的自动纤维铺设（AFP）铺设策略，该策略使用牵引转向，然后进行热压罐固结。后续开发使用了专门设计的压力机和囊状物概念，使其能够在没有热压罐的情况下进行固结，以用于未来生产6米长的TPC方向舵和升降舵梁。
AFP 叠层和工具
MFFD地板横梁具有C型断面，沿其长度变化腹板高度和厚度。吉凯恩航空航天（英国索利赫尔）荷兰全球技术中心（GTC-NL，Hoogeveen）主任阿恩 特·奥夫林加（Arnt Offringa）表示：“外形与波音 787地板梁非常相似。”。“横梁上通常有一个凹槽，以便为电气和其他系统留出空间。几何结构和铺放的复杂性是我们选择 AFP 的原因，而开发的工艺是吉凯恩福克公司和米克罗萨姆公司的共同努力。”
图 2. 一个心轴，两个预成型件。吉凯恩·福克开发了一种中间带有切割通道的成型钢芯轴，以便于将单个AFP叠层切割成两个MFFD地板横梁预制件。
吉凯恩福克公司开发了一种策略，将两个梁预制件同时放置在带切割通道的型钢心轴上。后者有助于在固结前将叠层切割成两个预成型件（图 2）。奥夫林加说：“这是一种非常有效的方法，与单独制作预制件相比，浪费要少得多。”
Mikrosam 的总经理 Vele Samak 对此表示赞同，并指出， “它还通过优化 AFP 路径来最大限度地减少铺层时间。随着心轴的旋转，铺层会连续进行，从而最大限度地缩短切割和重新开始的时间。这有助于保持一致的质量，使工艺更加简单。它还保持了纤维上的良好张力。这有利于防止翘曲，并导致几乎固结的铺层，从而有助于减少随后的整合步骤。”
“为了加快开发过程，”奥夫林加说，“第一组纤维束是在米克罗萨姆的研发设施生产的。”随后的纤维束是用安装在 GTC-NL 的米克罗萨姆新的 8 轴 AFP 机器制造的。该中心还安装了 Mikrosam 设备，用于切割热塑性预浸胶带和定制的固结机，稍后将进行讨论。
Samak 说：“AFP 机器具有模块化、多材料头和高温激光加热系统。”。“GKN Fokker 现在正在使用它来开发热塑性技术，但在未来，他们也可以将它用于使用热塑性粘合剂的干纤维或热塑性预浸胶带。我们的 AFP 头是模块化的，因此您可以将同一个头连接到不同的配置，同时本质上是多种材料，无需修改。因此，它提供了很大的灵活性和可升级性随着新技术的发展。”
Offringa 指出，开发始于索尔维复合材料公司（美国佐治亚州 Alparetta）的材料。然而， STUNNING 地板梁是使用 Toray Advanced Composites公司（荷兰 Nijverdal）的 Cetex TC1225 胶带制成的，该胶带包含 T700 碳纤维（CF）和低熔点聚芳醚酮（LM-PAEK）基质。在空客公司作为 MFFD 项目负责人的投入下，该材料系统被选择用于整个STUNNING 演示机。尽管 Mikrosam AFP 头可以同时放置四个胶带（1 英寸宽），但决定在铺设过程中使用两个胶带，以适应几何结构，并在地板横梁的低半径边缘实现更好的固结。
纤维转向、优化设计和工艺
Offringa 说：“使用纤维转向的铺放策略是在制造开发过程中发展起来的。”。“在 AFP 出现之前，我们总是坚持 0°、90°和 45°的铺放。但对于 AFP，我们需要并希望使用纤维转向来实现，例如，没有褶皱或间隙的双曲面板，并且纤维的方向最适合结构载荷。
Samak 解释道，地板横梁铺设从径向第一层开 始，稍微偏离典型的 90°角，“以实现纤维的连续性和与心轴的良好固定。由于该层下面没有任何东西可固结，因此使用了较低的温度。为了更好地固定在钢心轴上，使用了 Kapton[高温聚酰亚胺]胶带。”
图 3. 改善 0°铺层的纤维转向。GKN Fokker 与 Mikrosam 合作优化地板横梁 AFP 铺放。在上图中，左侧的铺层没有得到优化，而右侧的 0°铺层不再停止在半径区域，而是在腹板的较平坦区域进一步向下倾斜。这种减少的帘布层在困难区域开始和停止， 以及间隙和重叠，使 AFP 过程更有效。
零度铺层
“0°方向是沿着纤维束的，”Offringa解释道。“在最后的铺层顺序中，0°铺层不再停止在半径区域，而是在腹板的更平坦区域进一步向下倾斜[图 3 图表]。这张图表显示了这两种策略。左边的横梁是用非优化的铺层制成的，而右边的铺层真的非常优雅。它减少了间隙和重叠，改善了铺层过程。”
注意，图 3 中所示的叠层是在弯曲心轴的顶部构建的。“在左边的图像中，”Offringa 继续说道， “纤维要么在横梁的整个长度上是连续的，要么在横梁中的这个倾斜部分开始和停止，这并不容易。你试图创建横梁的这个圆角部分，但你通过停止每个 0°的铺层来创建一个角。由于梁的形状复杂，在这些位置开始和停止也不容易。因此，Mikrosam的工程师帮助我们修改 AFP 铺放计划，使纤维更容易获得相同的性能，但采用更友好的制造路线。”
优化的工艺参数和 45°层
MikroPlace 软件用于生成AFP铺放过程的机器代码。首先，在MikroPlace中模拟了设计的层、纤维束下落区、间隙/重叠和可能的碰撞问题，并与吉凯恩福克团队一起分析了解决方案（例如，第一层的较大角度）和不同的铺放玫瑰花结策略。
然后使用MikroAutomate软件来模拟在线机器控制。来自Mikrosam、高级复合材料与机器人研究所（IACR，马其顿普里勒普）和 GKN Fokker 的团队在工艺参数方面优化了铺放设计。“例如，”Samak 解释道，“改变 AFP 头的角度以避免碰撞会改变激光角度，从而产生不同的加热区。可能需要修改叠层温度来解决这一问题。”
他继续说道， “我们的 AFP 机器控制软件可以让您微调课程和图层不同部分的激光输出量。使用标准控制，只输出与 AFP 头速度成比例的功率是不够的，例如，在曲线陡峭的地方。您可能需要在这个特定部分减少一些激光输出，这样您就不会受到影响。”对来料进行退火处理。”
地板横梁的另一个优化是在 45°层中。Samak 指 出，MikroPlace 软件为每层胶带分别提供了每个 45°层的规格。他解释道：“这意味着我们的软件可以对每一层的路径进行更精细的修改。”。“当你为 45°铺层编程 AFP 头时，你最终会出现路线偏差，尤其是在横梁的中间大面积区域，在那里你会向上倾斜，然后再次下降。因此，当你进行 45°铺放时，你必须手动解决出现的偏差。MikroPlace 软件允许团队微调这些铺筑，这样就不会有间隙或重叠。”
MikroPlace 软件实现了地板横梁 AFP 层合设计中 0°和 45°层合的优化。
现场检查间隙和重叠情况如何？Samak 说：“我们在这台 AFP 机器上没有在线检查系统。”， “但我们用过程相机和热像仪记录铺放过程。有了这两种相机，操作员可以监控铺放过程中是否有任何间隙或重叠，也可以查看它们是否超出了预期目标。例如，如果传入的胶带更薄，就会立即在热像仪上注意到，因为该区域将以不同的方式加热。操作员可以停止铺放（如有必要）并解决此问题。”
热压罐固结、地板格栅组装
每次铺放完成后，将其切成两个预成型件。然后将所有 12 个预成型件用热压罐固结成TPC梁，以最大限度地减少成品结构中的孔隙率。Offringa 说：“我们使用标准的高温 Kapton 热塑性塑料薄膜对预成型件进行真空装袋，并在6小时的热压罐循环中使用 6 巴的压力。唯一需要的精加工是将凸缘切割到一定宽度。”
图 4. 完成MFFD下半部分。由GKN Fokker领导的STUNNING项目已经完成了MFFD下半部分的组装，如SAM|XL所示。该模块已被运输至 Fraunhofer IFAM（德国斯塔德），在那里它将使用 FraunhoferIWS（德国德累斯顿）开发的基于激光的焊接工艺连接到上半部分。
奥夫林加说：“然后将横梁组装到MFFD地板网格中。”“横梁被焊接到已经安装了框的下机身外壳中。地板横梁和机身框之间的连接是通过我们获得专利的新型传导焊接工艺实现的，该工艺使用带砧的加热杆元件来施加反压力。“他指出，GKN 在JEC 2022展会上展示的带有框架的焊接机身子组件也采用了相同的工艺。“我们使用一种加热和冷却的元件，”他指出，“它通过接触被连接的零件来传导。该元件安装在一个机器人上，该机器人基本上将其移动到每个焊接位置。在 SAM|XL，该机器人位于龙门架上。”SAM|XL是代尔夫特大学（荷兰代尔夫特）校园内的智能先进制造 XL 研究中心，MFFD 下半部组件完成（图 4）。
TPC地板横梁的开发花了多长时间？奥夫林加说：“开发横梁是整个 STUNNING项目的一部分。”。“我们从2021年初开始，花了大约九个月的时间。当然，我们必须安装设备，在我们的新AFP机器投入使用之前，Mikrosam 帮助我们生产了前两个实验光束。然后，我们将工具转移到 GTC-NL，并继续开发。我们在大约六个月内为MFFD制造了12个横梁。”
GKN Fokker 工具用于热塑性复合材料（TPC）零件的高压釜外（OOA）固结，具有集成的加热和冷却功能，并使用内胆（如红色所示）施加压力。
OOA 固结
与此同时，吉凯恩福克公司开发了一种新型的热压罐外（OOA）固结工艺，用于横梁和 6 米长的方向舵和升降舵梁。Offringa 解释道：“我们目前生产这种尺寸的TPC梁，我们希望在没有热压罐的情况下生 产。”。“OOA 固结减少了循环时间以及所需的能源和辅助材料量。我们之前曾为翼肋开发过这项技术，但希望将其扩展到更大的零件。”
为了做到这一点，吉凯恩福克公司开发了具有集成压力、加热和冷却系统的工具，并将其用于Mikrosam公司专门设计的固结压力机。
集成工具
Offringa 说：“你经常看到这些集成工具与树脂转移模塑（RTM）一起使用。”。RTM是一种成型工艺，将液态树脂（传统上是环氧树脂等热固性树脂）注入干纤维预制棒中，然后在 RTM 压机中加压加热固化。GKN Fokker 没有使用液体或热固性树脂，但它使用这些集成工具来施加温度和压力，以巩固 TPC 预成型件。值得注意的是，GKN 福克公司生产的 TPC零件可能会与 RTM 竞争，以实现复合航空结构的更高生产率。
在 GKN Fokker OOA 整合工具中，Offringa解释道，“水用于冷却，传统系统或感应可以用于加热与 TPC 预成型件接触的工具表面。冷却比加热更重要。如果冷却在零件的整个表面上不均匀，那么你会先在一侧收缩，然后在另一侧收缩，这会导致零件出现缺陷。”
尽管感应加热实际上是即时的，并且对于高温加热来说非常节能，但这种系统在冷却过程中会带来任何挑战吗？Offringa 说：“感应加热确实非常快，冷却有点棘手，必须结合模具设计进行控制。”
新型压力机和胶囊
GKN Fokker 的 OOA 集成工具放置在 Mikrosam提供的新型压力机内。“这是我们建造的第一台定制工程压力机，”Samak 说。“压力机通常不是我们的核心业务，但我们确实有很好的工程，吉凯恩团队发现我们可以与他们合作，制造一种非常定制的压力机，他们可以在那里集成自己的加热和冷却机制。”
“压力盒就像一个 6 米长的钢盒子，”奥夫林加说。
“在那个盒子里，你可以把你的工具自带加热、冷却和加压功能。这是一个用于制造各种零件的模块化系统。对于加压，我们使用的是气囊系统。”
图 5. 面向未来 TPC 梁的 OOA 过程链。在 LIFT 项目中，吉凯恩福克公司使用上述工艺链为演示倾转旋翼飞机的 V 型尾 翼生产了一个 TPC 翼梁。使用带集成超 声波定位机的自动铺带（ATL）系统生产扁平定制坯件。然后使用简单的预成型机将这些坯料预成型为 C 形，然后将其放入 Mikrosam 固结机中以生产最终零件。
在 TPC 成型和固结过程中使用囊状物或薄膜施加压力并不是什么新鲜事。在 2021 年的文章《静水压膜固结：60 分钟内的蒙皮桁条面板》中，空中客车运营公司（德国汉堡），空客子公司复合材料技术中心（CTC，Stade，德国）和冲压生产线供应商Siempelkamp（Krefeld，德国）展示了 CF/PAEK UD带复合材料蒙皮的固结，同时在不到 70 分钟的时间内集成了相同材料的桁条预成型件（30 分钟的上升、10分钟的保持和 30 分钟的冷却）。该项目使用了一个后面有油的不锈钢膜，在组件的顶面上施加静水压力，取代了两件式匹配钢模具的上部。该工具组被放置在传统的垂直动作压力机中，然后施加热量和压力。
2021 年的那篇文章还讨论了在波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）领导的 RApid 高性能制造（RAPM）计划中，将 CF/聚醚酮（PEKK）UD 带热成型为演示肋：
“开发的工具方法使用了一个薄铝囊状物，该囊状物在高温下用惰性气体加压，在冲压过程中膨胀以对零件的所有表面施加均匀的压力。这使得在使用缺乏水平液压系统和控制装置的压力机时，可以保持零件垂直法兰的水平静水压力，从而对在垂直方向上。”
吉凯恩福克工艺有何不同？“我们的媒体是一个简单的概念，”奥夫林加说，“基本上类似于把门关上。它不是一个巨大的气动或液压机，但更接近于 Coexpair（比利时纳穆尔）使用 Radius Engineering（美国犹他州盐湖城）的许可证制造的 RTM 压机。”
请注意，Coexpair 提供了 Spirit AeroSystems 在苏格兰普雷斯特维克高速生产复合扰流板时使用的 RTM 压力机，对于空客 A320（见“高速率、自动化 RTM 生产线提供下一代扰流板”）。“Coexpair 最近提供了一台 12 米的 RTM 压机，”Offringa 补充道，“这有点像 Mikrosam 为我们建造的压机，但它使用了不同的打开和关闭系统。而且它们非常划算。”
“所以，我们的按压非常简单，胶囊也非常简单，”他继续说道。“它不是金属的，更像是一根消防软管，很灵活，设计可以承受压力。你把预成型件放在带有气囊系统的工具中，然后在顶部简单地关闭压机，它可以在整个预成型件上施加 10-15 巴的压力。在这种压机中，我们几乎没有任何动作，但压力是从顶部和侧面施加的。”
“这个系统也是模块化的，”Samak 指出，“这为未来的生产提供了很大的灵活性。”
未来 TPC 结构生产
因此，MFFD 地梁项目不仅在推进大型焊接 TPC机身模块方面发挥了作用，还为吉凯恩福克公司更有效地生产更大的 TPC 航空结构奠定了基础（图 5）。奥夫林加说：“我们在荷兰的工厂里为公务机制造方向舵和升降舵。”。“升降舵有 6 米长，现在它们的梁以前是真空装袋和热压罐固化的。然而，现在我们正在将其转移到 OOA，这消除了真空装袋的工时和材料，并将循环时间缩短了 80%。”
这种更可持续的 TPC 结构生产在第二个名为LIFT 的清洁航空项目中得到了进一步推进，吉凯恩福克与莱昂纳多直升机公司（意大利 Cascina Costa di Samarate）合作，为飞行倾转旋翼飞机生产 TPC 尾部结构。Offringa 说：“这种尾部结构也是用 AFP 制成的，有一个简单的 C 形结构构件。”。“我们使用安装在 GTC-NL 中的工艺链生产了这种翼梁。我们首先使用自动铺带机（ATL）制作了一个扁平坯料，该机器通过超声波定位系统将帘布层固定在一起。然后我们使用了一个简单的伺服控制预成型机。ATL 系统和预成型机来自 Boikon[Leek，Netherlands]最后，我们将预制件放入 Mikrosam 固结压机中，该压机生产最终的 TPC 零件。”
那么，吉凯恩福克的下一步行动是什么呢？Offringa 说：“将 OOA 成形和共固结技术扩展到更具挑战性的应用，例如复杂的翼梁和梁以及整体加筋蒙皮。”
注：原文见《MFFD thermoplastic floor beams — OOA consolidation for next-gen TPC aerostructures》2023.3.24
