NCF和ASF
• 诺斯罗普·格鲁曼航空航天结构公司
•研发工程师
•3年复合材料工艺工程经验
•爱好：沙漠探险（远程步枪射击），冲浪和滑板
大纲
•简介
•NCF
•ASF
•问题陈述
•压实试验
•预成型试验
•材料观察
引言
• HiCAM—高速复合材料飞机制造主要飞机结构
•每月80-100架飞机
•降低成本
•无重量问题
•演示TRL/MRL 4，朝着TRL/MRI 6努力
每月80架飞机需要传统模式转变为复合材料结构制造技术
树脂注入复合材料
•组装和制造
–干纤维、树脂注入技术可制造单元化结构
•闭模树脂传递模塑（RTM）可实现可重复 的集成结构
–综合结构→ 减少装配步骤→ 降低制造成本
–可重复的尺寸→ 无垫片组件→ 降低制造成本
–减少紧固件数量→ 降低装配重量和成本
卷曲织物（NCF）
•多轴织物实现高速率生产
–材料的快速下料速度
•一次多层
–多层缝合在一起-无纺布格式=↑ 特性
–层间粘合剂和/或面纱
•当热激活时，稳定NCF层板
干式NCF预成型
•闭模树脂注入（RTM）工艺依赖于用于批量制造的固化预成型件
–形成并压实成形状的干纤维NCF材料
•生产高质量的层压板
•批量拆卸可确保轻松装入固化模具
•稳定的减薄层压板是后续自动修整的关键
•稳定、坚固的预成型件可以安全运输和搬运
•预成型操作可以与固化操作并行进行实现高速生产
自动加强筋成型（ASF）
•诺斯罗普·格鲁曼公司专利工艺
•逐层自动渐进式辊压成型
–目前用于热固性加强筋生产的技术
•成熟技术，每月生产多达12架飞机
–能够形成高轮廓飞机加强筋
•Omegas长桁、T型长桁、Z型加强筋、Z型框、C型梁
–NCF材料适用于ASF
ASFM用于生产热固性长桁
ASF渐进式辊轧成形概念图
问题陈述
•确定ASF设备修改和工艺参数，以从NCF材料生产近净厚度加强筋预成型件
–定义加工各种NCF材料的温度和压力要求
–应用预浸料ASF经验教训开发干纤维ASF技术，以制造高轮廓加强筋预成型件
实验
•评估了各种NCF材料
–单层UD、双轴、三轴、四轴、
–典型的NCF成分：缝合、面纱、粘合剂
•NCF结构驱动工艺参数
最近用ASF过程评估的NCF材料
压实试验
•平板上开发的压实工艺参数
–目标0%体积系数（BF%）
–温度范围为23°C（70°F）至180°C（356°F）
–测试了低和高固结压力
–层压板冷却至室温
加固后的NCF层压板 NCF层压板固化前
压实试验结果
•最终BF%取决于根据温度和压力
–温度和压力参数必须为针对每个NCF进行了优化
–温度更高对BF%的影响压力
Quad NCF预成型体的固化试验：恒压，温度变化
NCF适应ASF
•从平板压实试验中开发的工艺参数，应用于NCF材料的ASF工艺
–用ASF演示Omega、T、C和Z横截面
•1米至17米长的梁
•形成的弯曲机身框
ASF渐进成形NCF Omega长桁
T型长桁预成型试验
•ASF组建了T-Stringer预制件
–恒定横截面
–长0.6米（2英尺）
–达到接近净厚度
–在众多预成型件上
•-2%BF至+2%BF
–稳定的预成型件
•随着时间的推移，没有观察到可测量的解离量
由Quad NCF制成的T形串接器预成型件
C-梁预成型试验
• ASF组建了C-梁预成型件
–可变截面
•沿长度方向滴落
•18mm（0.7英寸）厚的锥8毫米（0.3英寸）
–1.5米（5英尺）长
–接近净厚度
•0.25%BF
–Saertex、Hexcel和帝人NCF制造
帝人Biax NCF–厚梁层压板上令人印象深刻的零件表面处理和成型质量
C-梁层压板压实至净厚度为8mm
C-梁预成型体和RTM输液
•高质量的固结预成型件是网状RTM工艺的关键使能技术
–目标的关键网状RTM工艺技术
–预成型质量驱动最终零件质量
–BF%必须严格控制
–RTM的理想BF%：0%至5%
–3 ASF C-梁预成型件注入（RTM）以验证预成型件质量和ASF过程
C-梁演示器部分：
预成型体当时是用ASF制造的在封闭模具中注入（RTM）
观察：NCF和ASF
•高质量的固结预成型件是网状RTM工艺的关键使能技术
–双轴NCF在ASF中表现良好
–三轴NCF （+45/90/-45）在弯曲框几何结构上成功成形
帝人Biax NCF展现出卓越的半径一致
在弯曲Z几何上形成的Saertex三轴NCF
观察NCF 和 ASF
•NCF格式：UD和Quad
–四轴NCF需要仔细处理
–一些UD NCF结构允许显著的丝束剪切
Saertex UD-240gsm，牵引剪切和符合弯曲框架几何形状
观察：NCF和ASF
•NCF成分：缝线、面纱和粘合剂
–缝合和面纱的熔融温度驱动ASF工艺
•ASF的理想选择：面纱熔融温度<缝合熔融温度
–牢固的缝合优于精细缝合
–使用粉末粘合剂的NCF在ASF工艺中表现良好
•所需的加工温度较低
•NCF层可以在不损坏层压板的情况下重新加工
结论
•自动加强筋成型（ASF）技术已被证明可以为主要飞机结构制造高质量的加强筋预成型件
–控制加热和压实以获得最佳BF%
–无皱纹层压板–成功的RTM注入验证了ASF工艺
原文《Automated Ply-by-Ply Lamination and In-Situ Consolidation of Dry Carbon Fiber Non-Crimp Fabrics for High-Rate Aircraft Manufacturing of Structural Aircraft Components 》
编后语
本文仅仅只介绍了用NCF制造梁、长桁、加强筋等细长的结构件。其实它在制造蒙皮、球面框等大面积类零件，仍然具有绝对优势。空客“新A320”机翼翼盒蒙皮、扰流板、襟翼、球面框，均将使用NCF制造（梁、长桁也将用NCF）。
NCF+RTM+OOA替代环氧树脂基碳纤维预浸料，制造飞机结构件是发展趋势！
