纤维超声铺放
纤维铺放是指大面积、双曲面产品所选择的铺叠技术。目前可用的纤维铺放设备采用了热气和激光灯等各种加热系统。2008年,福克航空结构件公司开始寻求适合于纤维铺放的设备。在需要大量投资的背景下,超声波的出现成为相对低成本的加热源的理想选择。
福克航空结构件公司拥有丰富的超声点焊经验,如将注塑成型的零件焊接到热塑性板件上。而且,A380 飞机的固定机翼前缘蒙皮就是超声点焊的。超声波焊接是一种很好的低成本焊接工艺。
虽然过去的经验证明,连续超声焊接板与板是困难的,但将一条薄的碳/ 单向带超声焊接到单向带叠层上似乎是可行的。最后,超声焊接单元被集成到安装在机械手上的纤维铺放头上。最初的尝试是手工焊接1 条10mm 宽的碳/ 聚醚醚酮单向带取得了成功,下一步是要在1 条线性轨道上焊接。2009 年年中,荷兰航空专家鲍肯研制了1个10mm 条宽的2m×1m×1m 三维纤维铺放设备单元。单向带熔化时略超过其宽度,足以附着在带子上。随着超声纤维铺放的发展,面临的挑战是如何成功地高速让1条带子附着在位于其下的厚层板上,不因放慢过程而破坏效率。借助于纤维铺放设备单元,一种新型的固定翼前缘的理念开始建立起来。
这个始于福克内部产品改进实践的产品研发技术,现在成为一个名为COALESCE(低成本高效率先进前缘结构)的欧洲框架项目的一部分。新型前缘是一个多肋薄蒙皮设计。肋为平板预制件,在产品熔化(共固结)过程中对接到蒙皮上。蒙皮在一副阳模上用纤维铺放而成。2 部分同时制造,接合处由1块真空袋网膜板覆盖,然后共固结。
7m 扭力盒验证件
双曲面、7m 长的扭力盒是作为TAPAS 项目的一部分开发的,将于2011 年制造并验证完毕。该产品是对湾流G650 平尾中段重新设计的产物,其蒙皮的特点是整体对接T 形加强筋。研究还在继续,以便确定热压罐外成型是否可行。纤维铺放因其在铺叠过程中对材料的浪费最少而成为首选的铺叠技术。蒙皮铺叠将采用专业化的纤维铺放设备单元。该设备单元将安装GTech的Vericut 复合材料程序模块,以便将CATIA 设计与机械手软件链接起来。该设备单元只需少量投资即可开发,满足成批量生产12m 全尺寸蒙皮壁板的需求。
该设备典型地符合了当代以零件为核心的航空制造趋势。该设备为相关尺寸和外形、铺叠和速率的产品量身定做,在材料储备方面所需投资最少。
TAPAS 项目研究的其他技术包括创新肋和加强筋的压力成型系统(由DTC 公司的荷兰专家开发)、加强筋的焊接(由KVE 复合材料集团开发)。计算机分析取样的结构监测技术(由Technobis 纤维技术公司开发)也在研究之列,并将在扭力盒验证件上得到验证。与此同时,空客公司还将这些技术集成到一个机身结构验证件上。图恩特和德尔福特理工大学正在开展建模技术和设计优化领域的长期研究。
应用与潜在发展
迄今为止,已经为(热塑性复合材料的)应用建立起了一个合理的商业模式。该模式将重量轻和低成本有机地结合起来。热塑性大型主结构件的商业模式也需要验证。与其他技术,如现代合金和最先进的热固性材料的解决方案在成本和重量上的比较工作目前也在进行中。由于韧性好,热塑性材料比热固性复合材料能减重是肯定的;其良好的防火、防烟、防毒性能也为其加分;通过采用对接和负担得起的材料等简单设计理念和高速加工等,可以持续降低成本。因此,热塑性复合材料具有巨大的发展潜力。例如,如果热塑性复合材料因其高韧性、低加工成本和良好的防火性能而被选作未来客机的机身结构材料,其用量将是巨大的。