复材制造 A350金属机加零件
Thornton Cleveleys （桑顿·克莱维利-英国）-空中客车直升机公司正在用高模量碳纤维增强高性能聚合物取代空中客车A350-900飞机舱门接头中的铝。该支架现在由VICTREX™PEEK 90HMF40制造，由空中客车直升机公司开发，在获得相关组件资格后，正在批量生产用于商业用途。金属的成功替代使重量和成本降低了40%。注塑聚合物溶液取代了由铝块加工而成的支架的高成本制造。
这种具有高模量纤维（HMF）的高性能聚合物基于威格斯90系列聚芳醚酮，主要用于非常薄壁的注塑部件。高强度部件可以用这种自由流动、易于加工的材料制造。PEEK的性能无法与标准等级的性能相匹配。例如，在A350XWB飞机舱门的纤维增强聚合物（FRP）结构采用外壳，内部连接支撑结构。现在由VICTREX PEEK 90HMF40热塑性塑料制成的接头（fitting）将外蒙皮连接到内部支撑结构上的点。这两个部件形成箱式结构，以实现最大的几何惯性矩。
空中客车直升机公司飞机舱门研究和技术负责人克里斯蒂安·沃尔夫（Christian Wolf）解释了PEEK组件的操作和意义：“就标准载荷情况，即机舱内部压力而言，这种点式接头减少了外壳的变形，从而保持了飞机舱门的气动质量。飞机舱门中的所有组件都是单冗余设计。如果支架附近的组件发生故障，支架将为传递结构载荷提供替代路径，因此是飞机主要结构的一部分。”
金属更换：新支架降低成本，提高质量
通过使用碳纤维增强的高性能VICTREX PEEK 90HMF40聚合物代替以前使用的铝，空中客车直升机公司成功制造了一种提供一系列好处的等效部件。重量和生产成本各降低了40%。将PEEK组件而不是铝组件连接到热固性材料上，可以更容易地钻孔。与主要用于薄壁注塑部件的钻头相比，优化的碳纤维增强塑料（CFRP）钻头提高了孔的质量。
VICTREX PEEK 90HMF40是空中客车公司指定的材料。热塑性塑料很容易承受飞机舱门内持续积聚的水分，而容易腐蚀的铝需要特殊的表面涂层来防止腐蚀。沃尔夫说：“威格斯提供的合适材料，以及他们的专业知识和与材料专家的合作，为成功开发和部件鉴定做出了贡献。从最初使用纤维增强PEEK中获得的专业知识可以转移到其他部件和具有类似要求的其他应用领域。”。
新的发展和投资有助于保持领先地位
2015年4月，威格斯第三家生产工厂投产，进一步扩大了其作为PAEK（包括Victrex PEEK）领先供应商的领先地位。马伯格（Marburger）自信地说：“我们还准备迎接未来的新挑战，例如与合作伙伴在需要新设计的“设计和制造”应用中的合作，以及为实现指定功能而选择材料”。威格斯最近才宣布成功推出其先进的混合成型工艺。这提供了强度和设计自由度的完美结合，特别是在开发非常轻的结构时。
航空航天设计师和制造商受益于VICTREX PEEK 90HMF40的使相同条件下，90HMF40的疲劳寿命比铝7075-T6长100倍，比强度和刚度高20%。
原文见，《Ready for take-off: Doors on the A350 with a primary structuralcomponent made from Victrex polymer 》 2015.9.30
9T Labs使用Additive Fusion技术迭代CFRTP设计，充分利用连续纤维打印，在故障载荷和重量方面优于不锈钢和黑色金属设计。
图1. FRTP铰链。瑞士FHNW合作优化了这种使用9T Lab的增材融合技术制成的碳纤维/PEKK支架。
9T Labs（瑞士苏黎世）开发了一种称为增材融合技术（AFT- Additive Fusion Technology）的3步制造工作流程，使用具有成本竞争力的自动化工艺生产复合材料零件。此工作流程从使用9T Labs的Fibrify设计软件设计和分析零件开始。然后，在9T实验室的构建模块中通过沉积单向带状细丝来创建连续的纤维增强预成型件。然后将这些预成型件放置在9T Labs的Fusion模块中并压缩成型。最后的固结步骤将预成型件合并，消除空隙，并产出轻质、高强度的网状零件。
这种集成工艺链能够批量生产纤维体积分数>60%、空隙率<1-2%的零件，浪费最小，成本低于金属。根据零件尺寸，单个构建模块和融合模块组（两者的构建包络均为350×270×250毫米）每年分别可以生产多达5000个预成型件和10000个零件。AFT还可以实现复杂、精细的细节和非常精确的纤维取向控制，以定制设计，优化承载能力、重量、制造速度和成本。
图2. 金属基准。本研究中的基准是一个航空航天级数控铣削不锈钢零件，尺寸为112×42×22.5毫米，最大静载荷为2.172千牛顿，垂直于门打开时的轴承力。
9T Labs与瑞士西北应用科学大学（FHNW，Windisch）合作，研究使用AFT生产直升机舱门的结构碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）铰链（图1）。基准是空客直升机（前身为欧洲直升机公司）EC135舱门上使用的数控加工不锈钢铰链。该铰链通过四个M8尺寸的螺栓连接到旋翼机的碳纤维/环氧树脂门上，设计用于在门打开时承受垂直于轴承载荷的近2.2千牛顿的最大静载荷（图2）。
此前，法国的一个团队使用手工层压和压缩成型的短切碳纤维（CF）/聚醚醚酮（PEEK）胶带对同一零件进行了基准测试。9T实验室/FHNW研究的目标是超越基准，其屈服点为3千牛顿，以及法国设计，其失败点为4.2千牛顿。
迭代AFT设计，增加故障负载
使用现成的CF/聚醚酮酮（PEKK）胶带（预切至相当于1-2K丝束）和纯聚合物长丝开发和印刷了三种AFT设计。所有三种3D制造设计都在四个螺栓孔和铰链销的主轴承孔中加入了金属衬套。该过程始于使用9T Labs基于云的Fibrify软件套件，该套件通过插件与常见的结构分析包进行交互。
Fibrify设计套件是Ansys（宾夕法尼亚州Canonsburg，美国）CAE/多物理仿真环境中SpaceClaim 3D建模工具的扩展。对于直升机舱门铰链，第一个黑色金属设计（图3a）是从现有的CAD文件导入SpaceClaim的。该设计使用了与基准相同的内部和外部几何形状。使用Fibrify选项（例如，带生成器、填充的线或轮廓参考、垂直分布工具等）布置纤维路径，以提供典型的准各向同性（0°、90°、±45°）层压板，而没有优化来利用各向异性复合材料的性能——例如，每个特定几何形状或负载路径都没有纤维取向。黑色金属部分包括底部水平板中的34层和垂直板中的26层，每层厚度为0.2毫米。
(a) 黑色金属设计
（b） 负载条件和拓扑优化（TO）应用于黑色金属设计，以更好地利用AFT工艺。
（c）TO导致第一次铺放（左），通过在第二次铺放中添加局部加固（右）进一步优化。
（d） 使用多个印刷子部分可以在所有方向上优化纤维放置。
图3. 优化结构的步骤。9T Labs首先开发了一种非优化的黑色金属设计（a）。拓扑优化（b）产生了第一层纤维铺层（c），然后通过在垂直和水平板连接处添加局部加固，在第二层纤维铺膜（c）中得到了改进。最终的优化（d）将铰链分成四个打印的子部分，随后在9T Labs融合模块中融合。
为了加快打印速度，对接下来的两种设计——第一种纤维铺层和第二种纤维铺层（图3c）的尺寸进行了轻微修改（见图4中的表）；纤维取向也得到了优化，以充分利用各向异性复合材料的性能。
第一次纤维铺层。优化开始于将黑色金属设计导出到Ansys中，以运行有限元分析（FEA-finite element analysis ）模拟。该设计以HDF5C文件的形式导出到Ansys Composite PrepPost（ACP）中，用于各向同性优化。输入铰链边界条件和载荷，并使用模拟结果改进CF/PEKK铰链设计（图3b）。
与有限元分析模拟中的黑色金属设计相比，由此产生的第一层纤维铺层（图3c）将失效载荷提高了200%。故障发生在远离铰链销的位置，朝向垂直板与水平板相交的零件的“后部”。
第二层纤维铺层。为了进一步提高零件的强度，然后进行了第二次优化，添加纤维以加强初始失效区域。第二次纤维铺层使破坏载荷又增加了45%，并将破坏转移到垂直板中的铰链销区域。因此，故障现在发生在设计受限的几何形状区域，因此，如果不改变几何形状和/或零件厚度，超出本项目允许的范围，就无法进行进一步的优化。
验证结果
第一和第二纤维铺层设计是使用多体策略生产的，将零件分为四个子部分（图3d）。这种方法允许所有空间方向的纤维充分利用连续纤维印刷的各向异性特征，使纤维与负载对齐。这四个子部分是使用9T Labs的红色系列构建模块打印的，然后使用机加工的钢匹配工具组在9T实验室的融合模块中通过压缩成型融合在一起。请注意，在350°C下，仅使用6千瓦时的功率进行压缩成型，压力为45千牛顿，循环时间为20分钟。通过进一步优化工艺参数，可以进一步降低功耗。
然后，FHNW对印刷和压缩成型的AFT铰链进行了机械测试。铰链的底部水平板用螺栓固定在称重传感器中的固定金属板上，然后对安装在垂直板主轴承孔中的铰链销施加垂直力。每个铰链都经过了故障测试。
优化零件比较
将优化后的AFT铰链的特性和性能与基准和图4中的黑色金属设计进行了比较。第二种纤维铺层设计重量仅为27.5克，比钢基准轻75%，而最大静载荷能力从3.0千牛顿提高到6.9千牛顿，提高了200%以上。
图4. 优化了AFT部件。与钢基准和3D制造的黑色金属设计相比，优化的AFT打印复合材料零件的破坏载荷增加，重量减轻。
对第一和第二纤维铺层设计的成本进行了评估——使用Fibrify的生产评估工具计算——发现成本是钢基准的一半。每个设计都是导入的，然后添加了参数——例如使用的材料、打印温度、为机器摊销生产的零件数量等——从而得出成本估算，并按成本构成（材料、工艺）和子部分进行细分。
在随后的一项研究中对进一步的优化进行了研究，并发表在2022年12月的论文《增材制造的连续碳纤维增强聚酰胺12复合材料固结过程的实验和数值分析》中。铰链的设计再次使用CF/聚酰胺12（PA12）材料打印和固结，这次是为了演示红色系列聚变模块中固结/成形过程的模拟模型。该模型预测了固结部分的过程诱导变形，包括温度、结晶和孔隙率的影响。它可以高精度地预测最终零件的成分、残余应力和孔隙率，以及翘曲的趋势。它还可以快速模拟Fusion Module过程，减少原型迭代次数，并朝着“第一时间正确”的复合材料生产迈出重要一步。
9T Labs继续推进设计和工艺优化，因为它扩大了AFT的使用，以批量生产更大、更复杂的零件，并增加了用更坚固、更实惠的复合材料替换金属零件的机会。
原文，《Optimizing a thermoplastic composite helicopter door hinge》2023.1.31
目前民机结构中的钣金件，如机身、机翼、尾翼的蒙皮、长桁、框、梁；以及整流罩、各种角片，几乎全都可以用复材制造。空客A350复材用量是53%。这其中除了钣金件用复材外，还有一些铝、钛机加零件，如客舱门绞链接头、门框、以及本文介绍的小型绞链接头等，也是用复材制造的。由于它们用的材料和工艺都很特殊，大都处于保密范围。一些科技信息网站报道也只是凤毛麟角，屈指可数。
C929复材用量要达到51%（超过波音787的50%），一些金属机加件势必也得改用复合材料制造。
杨超凡 2024.9.3
