降低成本的RTM
通过 RTM 降低制造成本：空中客车公司不来梅的复合材料多段襟翼（CMF）项目通过将 26个单独的碳预浸料部件（见图 1，下图）集成到通过树脂转移模塑（RTM）制成的单次成型、单元化结构中，简化了窄体飞机7.4米长外侧襟翼的生产。
图 1-常规襟翼结构：常规 CFRP 襟翼中使用的 26 个预浸零件。在运往不来梅进行多次组装操作之前，必须对其进行单独分层、热压管固化、机械加工和无损检查。
图2-临时CMF 设计变更：如这些照片所示，最初的CMF设计用四到五个编织盒取代了桁条和肋。随后，这被修改为五个“双T”（I 型梁）梁（如左图所示），使用5 丝缎来提高纤维定向精度和工艺可扩展性。
步骤1：从切割干织物（或SQRTM部分的预浸料）开始进行全尺寸演示器制造。
步骤2：使用激光投影系统将切割好的碎片精确地叠放在运输板上。
步骤 3：将包括底部表皮、前缘和顶部蒙皮的弯曲表皮预制件叠放在片状固定装置上，并用可重复使用的真空袋进行拆散。
步骤 4：同样，梁预制件的铺层被铺成 “双 T” 心轴，并进行分解。
步骤5a：在这里，下部RTM工具显示为已准备好并准备好预成型件的叠层。
步骤5b：将“双 T”翼梁预制件装载到下部工具中。
步骤5c：然后将弯曲的蒙皮预成型件（底部蒙皮、前缘和顶部蒙皮）装载到下部工具中。
步骤6：关闭RTM工具，然后加热至100°C，之后注入HexFlow RTM 6树脂。
步骤 7：将注入的部分升温至180°C，固化 2 小时，然后趁热脱模（结果见下一张照片）
在没有权衡的情况下节省成本：完成的CMF，如图所示，未修剪（正面）、修剪、喷漆和完全装备（背面），已经证明（TRL 6）在不增加完全装备的襟翼重量的情况下，显著减少了零件物流和组装操作，并有可能节省超过20%的成本。
由空中客车公司不来梅（德国不来梅）领导的复合 材料多段襟翼（CMF-Composite Multispar Flap）项目的目标是 简化窄体商用飞机 7.4 米长的复杂外侧机翼襟翼的生产。空中客车不来梅公司负责襟翼、扰流板和其他高升力系统的设计和制造，这些系统是优化起飞和降落的可移动机翼部件。
CMF项目于2005年获得资助，由空中客车工程师York Roth博士领导的多功能团队与合作伙伴Radius Engineering（美国犹他州盐湖城）和 Faserinstituit Bremen（德国不来梅 FIBRE）密切合作，开始了设计研究和可行性测试。该团队瞄准了 A320 机翼的外襟翼，该襟翼在当前 生产版本中包括 26 个单独的碳纤维增强聚合物（CFRP） 零件，包括两个蒙皮、前缘零件以及多个肋和翼梁。在运往不来梅进行同样密集的组装过程之前，所有这些预 浸料部件必须单独分层、热压管固化、机械加工和无损 检查（见图 1，左侧）。
金属端肋和载荷框架——后者能 够连接和载荷传递到机翼——必须安装在组装夹具中， 然后安装肋和蒙皮桁条面板。技术人员为铆钉钻孔，然 后将复合材料和铝元件拆开，清除钻孔中的碎屑，并将所有部件更换到夹具中。随后进行多个钻孔和铆接步骤， 然后手动安装复合材料前缘和金属后缘部件。CMF 替代方案被设想为一个多段扭转箱，将包括前缘在内的所有26个预浸料部件集成到一个使用热压罐 外(OOA)树脂传递模塑(RTM)技术制成的单元化结构中。空中客车公司不来梅的工业活动建筑师Stefan Bauer 博士表示：“CMF不仅可以消除大量的组装操作， 还可以消除许多预浸部件的高交付周期和复杂的工艺链。”
挑战将是如何设计零件并通过单次注射和固化以 可接受的孔隙率制造这种现在封闭的结构，同时保持当前的程序公差。空客不来梅制造工程师Mohamed Attia 解释道：“由于需要将承载架与襟翼轨道相匹配，以连 接到机翼上，并满足空气动力学要求，因此最终的几何形状必须精确。” 由于在不增加整个喷漆和配备的襟翼重量的情况下，潜在的成本节约超过20%，空中客车 不来梅接受了这一挑战。
完善设计
Bauer回忆道：“最初的想法是用四到五个编织盒 取代所有预浸料坯的桁条和肋条，然后是上下蒙皮。”
鲍尔指出：“主要的挑战之一是这个部分超过7米长。”“我们以前从未与RTM进行过如此大规模的合作。然而，Radius Engineering 是一个出色的合作伙伴。我们从小零件开始，一路向上规模。”
2007年建造了一个1.5 米的截面，并进行了静态测试，以展示设计和工艺，达到了4级的技术准备水平 （TRL）。到 2010 年，编织盒的想法已经被放弃了。Bauer解释说，用于襟翼预成型的编织“袜子”的直径是恒定的，但襟翼的宽度并不是恒定的。相反，它们是高度锥 形的，因此，箱形梁也是如此。这意味着编织物中的±45° 纤维仅在编织物直径处最佳定向，编织物直径大致为箱 形梁长度的一半。在宽（≈200 mm）和窄（≈80 mm） 端，纤维方向实际上不会是±45°。根据Attia的说法， 这种不太理想的纤维取向需要更大的性能降低，从而增 加重量以满足应力要求。他补充道：“干编织物很容易歪斜。”这进一步使最佳纤维排列变得复杂。
还需要考虑制造过程对工业生产率的可扩展性。对 于编织箱梁，在工艺的早期需要原始工具来为预成型件提供成型心轴。如果使用“双 T”（也称为工字钢）翼梁，则可以使用伪心轴进行预成型，并且RTM心轴仅在零件注射和固化循环期间需要。考虑到上述因素，设计改为工字钢翼梁，采用传统的5丝缎织物。
制造全尺寸襟翼
新的基于I-beam的设计在 2010 年被用于生产全尺 寸的演示器，并最终达到TRL5。因为矩形比实际的锥 形襟翼更容易制造，所以 CMF的这一迭代是使用7.8米长的铝芯轴和RTM模具制造的，然后加工成其最终尺寸。
芯轴和外表面工具都需要大量的工程设计。芯轴分为三部分以便于拆卸。Bauer说：“对于厚零件，RTM很容易满足厚度公差。” 。但CMF相对较薄，在加固区域为 2 毫米至 5 毫米。通常情况下，像这样的薄零件 是使用预浸料和真空袋制造的，正如Bauer所解释的， “你主要会受到原材料树脂含量的公差影响，有些是由 于单一的工具面。”但将CMF改为RTM导致零件厚度完全取决于两个铣削的工具表面。
Bauer指出：“工装精度对零件厚度的影响增加了 一倍。”他补充道， “工装必须非常准确，以确保纤维体积含量在设计公差范围内。”他指出，由于零件的厚度会改变树脂含量， “在某些领域，如果你的工具偏差甚至小于0.2毫米，那么你就已经超出了纤维体积的公差。”
零件生产始于蒙皮预制件的制造，通过使用激光投 影系统将干织物铺在运输台上制成（步骤1和2，左侧）。这种5丝缎织物是用来自Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的干碳纤维制成的。然后，将包括底部蒙皮、前 缘和顶部蒙皮的弯曲蒙皮预成型件叠放在片状夹具上， 并将翼梁预成型件类似地叠放在“双 T”芯轴中（步骤3和4）。在这两种情况下，都使用可重复使用的真空袋 来对预成型件叠层进行拆散和成型。
鲍尔承认，有许多处理和预成型步骤，后者需要非常注意准确性。
“帘布层的边缘定位对达到公差至关重要， ”他指出， “但是，你永远不知道预成型件是否正好在工具内部的 位置。它在公差范围内吗？所以我们开发了一个创新的 概念和工程设计来应对这一问题。”
然后将蒙皮和工字钢翼梁预制件配对，放置在RTM工具中并封装在RTM中（步骤 5-7），RTM工具由 Radius Engineering 设计和制造。将工具、预成型件和树脂预热 至约 100°C，注入树脂，然后将复合材料升温至 180°C 的固化温度。使用Hexcel HexFlow RTM6树脂是因为它是目前合格的主要RTM环氧树脂，用于空中客车公司的结构。
Bauer说：“这个部分非常复杂，我们不想像输液 一样控制树脂的流动。” 这个过程必须稳定可靠。通过控制真空和压力来解决孔隙率问题。“当然，模具设计很重要， ”他指出， “选择温度是为了在加工过程中不会发生可能导致孔隙率的排气。”
值得注意的是，如此大的零件只使用了一个注射点 和一个出口。这是不寻常的，因为许多RTM零件的典型设置采用了多个注射点和出口点。Bauer 反驳道：“但这些问题在于你必须控制它们。” “由于泄漏和流量 问题，你必须控制的点越多，风险就越大。”他补充道， 对于CMF，注入只在一个点发生，但随后在工具内呈直线移动。Bauer说：“这是一个非常简单但稳健的过程。”“这是必须的，因为如果我们失去了一部分， 那就不仅仅是一根肋骨，而是一整个7米长的襟翼。”
经过2小时的固化循环后，成品零件在仍高于100°C的情况下被热脱模，因为工具上的冷却会导致零件拆卸问题。使用铝制工具，尤其是在零件的强化载荷引入区域，可能会导致底切损坏，除非在金属收缩之前将其脱模。
最后一个挑战是襟翼结构是一个封闭的盒子。Bauer解释说，这就提出了如何检查最终结构的问题。CMF 团 队开始与总部位于不来梅的蒂森克虏伯系统工程公司合作，使用相控阵超声(UT-ultrasonic)无损检测系统检查已拆除的单元化零件，该系统使用单侧通道和水膜作为与零件表面的耦合剂。
蒂森克虏伯帮助开发了检测技术和获得专利的无 损检测设备，该设备使用弹簧加载来帮助将相控阵超声波聚焦在零件的轮廓上，并向内观察蒙皮下的翼梁以及翼梁和蒙皮之间的半径。事实上，该系统使用两个头部——一个沿着翼梁移动，另一个检查翼梁和蒙皮之间的半径——来加快速度并确保彻底检查。Bauer解释道：“我们还使用不同的末端效应器一步到位地观察和检 查这些区域。” 。该团队还讨论了在使用中受损的襟翼的修复方法，包括检查、损伤去除和修补技术。
闭箱结构提出的第二个问题是如何实现机翼的连 接和载荷传递。以前，使用金属负载框架和端肋来实现 这一点。尽管新的组合结构大大减少了机械紧固件，但 金属载荷传递部件和金属后缘仍需要一些紧固件。Attia指出，CMF较低的紧固件数量不仅降低了疲劳风险， “还降低了机械加工造成的纤维损伤。”他补充道， “在高度优化的复合材料层压板上钻孔在设计和制造方面都非常低效。”这也是不来梅研发团队继续推动更 大程度的零件集成的原因之一。负载连接点的替代设计 使用碳纤维增强材料，实现了从金属到复合材料的集成 和转换。最初独立的金属后缘也已集成，转换为三明治结构，使用赢创（Evonik-德国埃森）闭孔泡沫和碳纤维蒙皮，与CMF的其余部分分层并RTM成型。
Attia解释道：“最初的CMF设计并没有完全优化， 因为它本可以在一个全新的飞机设计中进行。” “这是因为该解决方案是作为在役A320的改造设计而开发 的，具有设计限制，特别是在载荷引入区域。”该团队认为，使用这些集成的CFRP后缘和载荷传递部件，可以将CMF的成本节约提高到30%。
准备工业化
全尺寸的演示器取得了成功，并在2013年法国巴黎JEC欧洲展上展出。Bauer警告说，如图所示，制造步骤尚未工业化。一旦实现，其中许多——例如，织物叠层、拆封、将工具放入RTM模具——都将使用机器人实现自动化。
当该工艺投入生产时，当在一个RTM循环中有这 么多以前分离的部件共同固化在一起时，是否会出现潜在的粘合问题？Bauer说没有。“这种分层的问题是典型的预浸料， ”他说。“RTM的问题是孔隙率。”正如大多数航空航天结构的典型情况一样，复合材料机翼襟翼的孔隙率必须小于1%。Bauer说，对于CMF来说， 风险在于零件的大面积以及蒙皮和翼梁之间半径内可 能存在的孔隙率。他说：“经过NDI的验证，我们已经 在沿着桅杆的整个长度上实现了良好的层压质量。” “就半径而言，这不容易检查孔隙率，但我们在开发的检查方法中结合设计中使用的击倒因素进行了处理。” Bauer 说：“CMF技术已经为工业化做好了准备。” “一年前，它通过了TRL 6审查，这意味着它已经脱离了研发阶段，准备在未来的平台上采用。”
他补充说，这种新方法也可以用于其他飞机部件。纵观空客不来梅的生产车间，以及A320襟翼当前组装 过程中的所有零件，所有这些操作会发生什么？Bauer回答说，他们将减少，主要由铺放预成形代替。这就是目标吗？Bauer和Attia都回应说，商用飞机复合材料生产的唯一未来是变得越来越高效。
CMF项目的工艺将预浸料与 RTM 相结合
为了实现简化窄体飞机外侧机翼襟翼生产的目标， 由空中客车公司不来梅（德国不来梅）领导的复合材料多段襟翼（CMF）项目展示了将26个碳纤维增强聚合物（CFRP）部件集成到一个一体式结构中，该结构通过单次注射树脂转移成型（RTM）工艺注射和固化。除了演示使用干织物和液体树脂的传统RTM工艺生产新CMF外，空中客车不来梅团队还演示了使用Radius Engineering 开发的相同质量的树脂传递模塑（SQRTMSame Qualified Resin Transfer Molding）工艺制造零件。SQRTM使用预浸料叠层而不是干织物预成型件，RTM工艺注入与预浸料中使用的树脂相同的树脂，但呈液体形式。这种方法的好处是避免了任何对新材料进行鉴定的需要。
为什么选择SQRTM？因为CMF概念可以应用于 其他结构，例如机翼内侧襟翼。然而，正如空客不来梅 公司的工业活动建筑师Stefan Bauer博士所解释的那样， 内侧襟翼必须承受跑道碎片的冲击，因此需要一个钢化树脂系统。“我们没有合格的 RTM增韧树脂系统， ” 他补充道， “因此，SQRTM的可行性也在CMF项目中的7.8米全尺寸组件上得到了证明，并取得了良好的效果。概念基本相同。”Bauer表示，干织物RTM和SQRTM工艺变体都已准备好工业化。
补充图片
原文见，《 Reducing manufacturing cost via RTM 》 2015．11．30．
杨超凡 2023.8.16
