NCF-RTM-OOA 制造机翼后梁
吉凯恩（GKN）为第一批“明日之翼”翼梁开发了半自动化制造工艺，最终目标是几乎完全自动化制造。梁在这里完全预成型，并准备转移到用于树脂转移模塑（RTM）的模具中
可以说，机翼中没有一个结构像翼梁那样复杂和难以制造。翼梁是一个长的 C 形或 I 形主结构，贯穿机翼的长度，从根部到尖部。根据飞机的大小和类 型，翼盒可能有一个或多个翼梁。在商用飞机中，通常有两个翼梁，一个位于前缘，另一个位于后缘。它们连接在机翼蒙皮、翼肋、起落架结构和襟翼上，旨在承受作用在机翼上的气动力产生的弯曲载荷。翼梁几乎总是锥形的——机翼根部越来越厚，尖端越来越窄。此外，翼梁必须遵循翼盒的轮廓，并且通常是倾斜的，以适应机翼的后掠。
空中客车公司（法国图卢兹）在开发复合材料密集型双通道A350飞机时，决定改用复合材料制造机翼蒙皮、桁条和 34 米翼梁。A350机翼的海鸥翼形状决定了后翼梁的两个角度变化的集成，因此空中客车公司选择了将后翼梁分为三部分的设计，每个部分都使用 C 形心轴上碳纤维预浸料的自动纤维放置(AFP)制造。每个翼梁段都只有 11 米多长，在热压罐固化后，使用定制的CFRP板进行连接。这项制造和组装工作由吉凯恩(GKN)航空在其英国菲尔顿工厂进行。
然而，下一代商业航空机翼结构——尤其是高制造速率飞机的机翼结构——必须而且将发展为一种更集成的设计，使工厂能够生产出能够满足苛刻性能、成本和生产要求的共固化、热压罐外(OOA- out-of- autoclave)结构。
空中客车公司正在通过其“明日之翼(WOT- Wing of Tomorrow)”计划应对这一挑战。WOT 包括来自多个供应商的组件，每个供应商评估不同的复合材料并购策略。其中包括但不限于 Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托市）的下翼蒙皮、GKN Aerospace（荷兰胡格芬市）的热塑性复合材料肋，以及 Daher（法国南特市）的额外热塑性肋和仅真空袋的后翼梁。这份清单上还有一个 17 米固定后缘（FTE- fixed trailing edge ）组件开发，该组件被授予英国西部的吉凯恩航空航天公司。吉凯恩必须开发的 FTE 最关键的部分是 17 米一体式树脂转移成型（RTM）后缘翼梁。
长锥形 RTM 结构的挑战
GKN Aerospace 的首席工程师 Gavin Lunney 表 示，该公司于 2017 年加入了 WOT 项目，并获得了翼梁的界面几何形状和机械性能特性的设计资料。除此之外，吉凯恩还有很大的设计自由，Lunney 说，吉凯恩“从零开始”开发公司现在生产的结构。
吉凯恩承担的工作要求很少，但令人望而生畏：完工的全尺寸翼梁必须长 17 米，成型为一体，并于2022 年交付。此外，吉凯恩必须通过具有成本效益的并购来展示全速生产能力。Lunney 说，当他接手这个项目时，这个项目带来了巨大的挑战，但似乎也很有可能。
Lunney 说：“对于几何结构，我认为他们采用了典型的翼梁几何结构，然后将其推向极致，挑战我们尝试并理解我们实际制造的极限。”
吉凯恩很快意识到，它必须采取以设计换制造的方法来实现空中客车公司提出的费率要求。为了应对这一挑战，吉凯恩决定将梁的开发项目分为三个阶 段。第一，是制造和测试小型结构，包括平板。第 二，也是最密集的阶段将致力于制造5米长的全翼梁，以证明设计和制造的可行性。第三阶段将致力于制造整个17米长的翼梁。通过这种方式，该公司将能够逐步评估材料好工艺（M&P）性能，并在最终构建之前根据需要进行调整。
由帝人(Teijin)制造的双层碳纤维无卷曲织物（NCF-noncrimp fabric）被指定用于翼梁。这里显示的是自动切割后和预成型前的 NCF 套件
GKN Aerospace 集成复合材料结构技术总监 Craig Carr 表示：“就其扭结后掠和法兰角而言，这种翼梁可能是我们见过的要求最高的翼梁，因此它给模具设计带来了很多挑战。”。“当我们完成该项目的中等规模部分时，很多问题都得到了解决，然后我们就可以使用全尺寸工具了。”
Lunney 补充道：“然后，我们将翼梁分解为许多离散的特征，如半径、扭结或厚度过渡，我们专注于了解是否可以开发出一种能够适应这些特征的工艺。”
空客为翼梁指定的材料组合是由帝人（日本东京）提供的双层碳纤维 NCF，将注入苏威（Solavy）复合材料公司（美国佐治亚州 Alparetta）的环氧树脂系统。GKN 最终开发的最后一个翼梁采用了 C 形设计，有两个角度变化——或“扭结-kinks”——以适应机翼的后掠。
在该项目的早期，随着GKN开始研究面板和离散功能，出现了如何为相对较重的NCF构建帘布层架构的问题。
Lunney 指出，通常情况下，将 NCF 放置在具有两个角度变化和可变厚度的长的、非直的 C 形结构上，需要对 NCF 进行战略性切割和冲切- darting，以避免可能降低结构强度特性的褶皱。然而，对于大容量的航空结构项目来说，切割和飞镖是低效的。吉凯恩希望并需要将翼梁的全速生产尽可能自动化。
因此，Lunney 和他的团队很早就决定，这种 17 米长的填充翼梁只有在高速率的制造环境中才可行，其设计不需要切割和冲切，但仍然避免了织物起皱。相反，吉凯恩将依靠战略性和谨慎的铺层布局，这有助于自动化，并生产出符合空客机械要求的成品结构。
Lunney 说：“如果你真的有冲切，你就必须在你的制造过程中引入你真正不想要的交错、接缝板和一大堆复杂性。”“我认为没有冲切对每个人都有好处。它是一体式的，所以没有接头。零度层从根部到尖端。当我们在法兰周围形成时，我们不会对材料进行冲切，我们什么都不做。我们能够剪切 NCF，这样我们就有了符合零件轮廓的纤维。”
Craig Carr补充道：“如果你最终在一个翼梁上放了很多冲切，那么击倒因素并不是微不足道的。尤其是我们在翼梁上的扭结位置——只要你把任何冲切放在扭结中，就会有一个合理的击倒因素。然后，你会通过在翼梁中增加重量来克服这个问题。然后，开始质疑为什么首先要使用复合材料翼梁。”
另一个挑战围绕着过程。RTM的使用要求首先预成型翼梁，然后转移到匹配的金属模具中进行树脂注射和固化。这一过程并不新鲜，通常非常容易管理，但翼梁的长度增加了吉凯恩必须解决的复杂性，尤其是在高速生产环境中。Lunney指出：“将 RTM 扩大到 17 米的结构并非易事。”
翼梁的厚度可变，长度上有两个角度变化或“扭结”。通常，这种尺寸复杂的结构将需要切割和冲切 NCF，以避免褶皱和可能导致的性能下降。冲切本身也带 来了挑战，所以吉凯恩选择了使用一种新颖的剪切 技术。此处显示的是成形工具上的 NCF
从 5 米长到 17 米长的梁
2019 年，吉凯恩进入了产品开发的中期阶段，制造了一段 5 米长的翼梁。这项工作将整合吉凯恩的材料和制造策略，并向 Lunney和他的团队展示大型、不切割/不冲切 RTM 结构的可行性。
Lunney 说，他和他的团队首先委托制造了两个凸模具—一个用于预成型，另一个用于成型过程。工艺开发始于在自动切割台上切割 NCF，然后用手将帘布层装配并放置在成形工具上的指定位置。在放置每层帘布层之后，对其进行加热和压制，以将其稳定在成形工具上。
当应用所有层和所有层时，关闭模具并加热以交联环氧粉末粘合剂并赋予 NCF 刚度。然后通过起重机将预成型件从预成型模具转移到生产模具上——这只是 GKN最终计划开发的全尺寸工具的较短版本。该模具具有集成的热电偶，以及用于测量模具内压力、树脂到达和固化程度的传感器，以帮助最大限度地控制过程。
Lunney 说：“我们在这个工具中建立了很多自动化功能。” “我们在5米长的翼梁上建造了很多传感器和相对昂贵的技术，这使我们能够证明该工艺能够满足高生产率，而无需在全尺寸翼梁上花费那么多钱。”
吉凯恩最终制作了八个 5 米长的演示器，以评估该系统的材料和工艺能力。切割了三根 5 米长的梁进行机械测试；另外两个用于拐角弯曲测试。该公司还进行了广泛的无损检测（NDT-nondestructive testing ）。Lunney 说，所有的测试结果都很有希望，包括<2%的孔隙率，并表明吉凯恩开发的并购策略是可行的。
这给了该公司进入最后阶段所需的信心——17米模具和17 米翼梁的制造。Lunney表示，该项目最大的技术障碍是在建造5米长的梁时消除的，因此迁移到17米长的支柱似乎更容易管理。
NCF 正在 Alpex 生产模具上组装。NCF 预制件部分可见，覆盖在工具侧面
全尺寸成型模具和生产模具于2020年年中交付，吉凯恩不久后开始制造第一个全尺寸翼梁。这包括从帝人（Tenjin）NCF 的轧辊上自动切割帘布层，然后用手将这些帘布层放置在成形模具上。在预成型件被加热和加压后，通过真空提升梁将其从预成型件模具转移到生产RTM模具。
翼 梁 生 产 中 最 复 杂 的 部 件 可 能 是 Alpex Technologie (S奥地利米尔斯)制造的17米因瓦(Invar)模具。Lunney称之为“RTM工具的拼图游戏。工具的中间部分必须分开并移动，这样我们才能在成型后移除翼梁。”
全尺寸模具的其他功能包括与5米工具中使用的相同的集成热电偶和其他传感器，以及具有闭环温度控制的流体加热系统。
在将其放置在生产模具上之后，在树脂注射之前，用手修剪预成型件以去除多余的材料。在预成型件就位并修整后，关闭模具并密封，RTM 工艺开始于注入苏威环氧树脂。RTM设备由 Composite Integration（Saltash，英国）提供，包括200升树脂输送系统和能够产生高达10 巴（145磅/平方英寸）压力的泵。
在拆除翼梁之前，GKN通过集成在模具中的基准孔直接在翼梁上钻了七个孔。这些孔设计用于接收用于将翼梁连接到翼箱的固定装置，包括五个直径为6毫米的孔；剩下的两个孔，根部和顶端各一个，直径为8毫米。
GKN不会透露翼梁预成型/成型过程的总循环时间，只是说这比通过热压罐固化制造相同零件所需的时间要短。
Lunney说，吉凯恩希望最终实现帘布层铺设和钻 孔的自动化，以提高生产效率并缩短循环时间。Lunney说：“我们需要满足的模具数量将取决于我们能以多快 的速度实现RTM工艺所需的步骤。”“所以这可能是 一个轮班时间的倍数。”不过，假设每个模具每班一个架次（两个梁），每天两班，每周五天，GKN每月44个架次的梁。
将完成的17米长的翼梁从Alpex生产模具中提升到组装夹具上。吉凯恩正在制造四个翼梁，作为空中客车“明日之翼”项目演示阶段的一部分
Lunney说：“现在，材料在帘布层切割机上切割，然后手动取出并储存。然后将其手动放置在移动工作台上，然后将该工作台带入工作站中以定位帘布层。”“因此，这是一个半自动化的过程，我们试图专注于我们在项目开始时认为不成熟的开发领域，我们需要成熟才能达到目标。显然，切割帘布层并将其移植到桌子上是一项相对较高的TRL技术，我们将在下一个开发阶段实现自动化我们开发的工作站能够完全自动化，我们一直努力记住这一点。”
吉凯恩于 2021年9月向空中客车公司交付了第一台带有 17米翼梁的固定后缘（FTE-fixed trailing edge )组件，用于第一台 WOT 演示机。就空中客车公司而言，它于 2022 年 7 月在英国范堡罗的范堡罗国际航空展上首次展示了第一架 WOT 演示机。此后，吉凯恩向空中客车公司交付了第二架翼梁，第三架将很快交付。吉凯恩刚刚完成的第四个翼梁将留在吉凯恩进行测试。
Carr 表示，吉凯恩如此迅速地开发和交付翼梁的能 力是值得注意的：“我认为，对于直接进入结构测试项目的第一部分，以及对于我们来说，在如此大的项目中第 一次对如此大的部分进行正确的测试，这是非常重要的，也受到了空中客车的好评。”
回顾和展望
当被问及WOT梁的发展最令人生畏的是什么时， Lunney承认这是放弃 NCF 的切割和冲切的决定。“这是一个很大的偏离规范，”他说。“我很想开始，但随着我们的进步，事情变得更容易了。最终，我平静地相信我们能做到。”
这显示了吉凯恩航空航天公司装配夹具上的成品翼梁的后侧。空中客车公司已经组装了第一架WOT演示机。该演示机的一些M&P可能会应用于空客新飞机项目的机翼结构中。
他还表示，该项目的新颖性也带来了自身的挑战：“形成 NCF 材料是一个真正的挑战。我们没有一个工艺。我们在世界上找不到其他任何人有一个工艺可以让我们将这种材料形成一个如此复杂和具有挑战性的几何形状，没有任何褶皱，没有任何冲切。我认为一开始有很多人怀疑我们可以在没有冲切的情况下做到这一点，但我们已经做到了。”我认为第二个挑战是采用RTM技术，这显然是相当古老和成熟的，并将其扩展到17米——我们必须找到能够帮助我们完成这项工作的供应商，然后组装一个工具并使其发挥作用。”
当然，Lunney不孤单。他称赞他的整个团队帮助实现了 WOT 的后缘之争。他的队友是：Will Broom、Stephen Williams、Clement Ooi、Phillip Brown、Mark Griffiths、Tim Smith 和 Tom Bertenshaw。在范堡罗，整个集团因其对S梁的开发而被授予吉凯恩技术与创新首席执行官奖。
接下来会发生什么？吉凯恩交付的三个固定后缘（FTE-fixed trailing edge）组件将构成三个翼盒组件的一部分，其中一个将进行全尺寸结构测试。吉凯恩乐观地认为，其在WOT翼梁方面的成功使该公司有利于签订下一代飞机项目的生产合同。
与此同时，吉凯恩还与几家先进的空中机动(AAM-advanced air mobility)制造商密切合作，这些制造商使用一体式机翼设计，并将从能够快速高效制造的一体式复合材料翼梁中受益匪浅。
Lunney说：“我们认为这是世界上最大的一体式梁。” “据我们所知，这也是世界上最大的RTM结构。”卡尔说：“我们在这里所做的是展示成型过程的质量。” “我们已经证明了输液过程的质量。我们知道未来项目的正确要求是什么。”
注：原文见《One-piece, one-shot, 17-meter wing spar for high-rate aircraft manufacture 》 2022.10.28.
