A380 機翼前緣

這家荷蘭航空航天供應商利用其創始人一個世紀前的開拓精神，引領了當今熱塑性航空復合材料的發展。

?？说拿衷诤娇战缬兄凭玫臍v史。這可以追溯到最早的載人飛行時代，1911 年荷蘭人安東尼 ·?？耸状务{駛他的蜘蛛飛機飛越哈勒姆市。在成立荷蘭航空公司后，?？擞?1912年在德國成立了福克Aviatik GmbH，為德國軍隊提供補給。在整個20世紀20年代和30年代，?？丝梢哉f是世界上最著名和最成功的飛機制造商。到了20世紀50年代，他的公司在航空航天行業全面展開，于1958年推出了F-27，這是一款雙引擎單通道客機，成為該公司的標志性飛機。到1996年，因市場的原因，這家飛機制造商宣布破產，最終停止運營。

圖 1：雖然?？艘云錈崴苄运芰蠈I知識而聞名，但該公司仍然依賴熱壓罐來鞏固成型后冷卻的許多零件，因為它仍然是滿足孔隙率規范的最佳工具。

福克的名字并沒有消亡。它在破產前分拆出來的業務部門中繼續生存。以?？思夹g公司的名義繼續經營有以下項目：1.起落架，電氣系統；2.服務-制造零件；3. 執行維護和維修工作。4.也是最著名的是?？撕娇战Y構。這次參觀的工廠是總部位于荷蘭帕彭德雷希特，航空航天用熱塑性復合材料結構的開發商和制造商。

01

熱塑性復合材料

25年前，?？顺闪⒘艘粋€小型研發團隊，與材料供應商TenCate Advanced Composites BV和潛在客戶密切合作，開始了其熱塑性復合材料活動。最初的客戶是?？?飛機公司、道尼爾和空客。因此，越來越多的產品被開發并投入生產。這從最初的應用，如支架、肋、機翼壁板和地板，到完全組裝的結構，包括機 翼前緣、方向舵和升降舵。團隊中的一位關鍵人物被證明是天才的 研發工程師約翰 · 泰尼森，他創造并開發了幾種 新的制造技術和產品概念。1995 年，一項突破是“灣流”公務機5號地板的開發，其中包括主要結構壓力艙端框。這導致了利用相應的工程和制造知識制造熱塑性復合材料次級結構的趨勢。

參觀工廠期間，我們的主持人是技術副總裁理查德·科本 和研發總監阿爾特·奧夫林加。奧夫林加以其熱塑性復合材料專業知識在復合材料界聞名，他帶領我們參觀了福克在胡格芬的大型工廠。在參觀之前，科本介紹了不同的?？斯尽Ｈ缓?，在帶領我們進入生產區之前，阿爾特·奧夫林加回顧了福克工廠制造的一些零件和組件，最引人注目的是“灣流 G650”公務機的方向舵/升降舵、灣流5公務機的升降舵和地板，“達索獵鷹5X”的方向舵和升降舵，空客A380超大型客機的機翼前緣，以及 F-35 閃電 II 戰斗機所有變體的所有檢修門。除了F-35之外，這些應用都依賴于熱塑性塑料及其熱塑性復合材料，福克的名字現在就基于此。

作為熱塑性塑料的有力支持者，奧夫林加相信，它們只會在航 空航天市場上增加使用和應用。他指出，這種材料提供了熱固性材料無法比擬的韌性(而不是脆性)，使其適用于全結構和半結構應用。

“因此，新設計的重量可以更輕，因為復合材料層的數量可以減少， ”他認為“焊接熱塑性方向舵和升降舵比其熱固性復合材料前代產品輕10%，這是因為所謂的“后壓彎-post-buckled”設計。盡管如此，正如一些熱塑性塑料支持者所聲稱的那樣，福克公司的熱塑 性復合材料制造并非熱壓罐外工藝。事實上，該公司仍然嚴重依賴 熱壓罐來確保其產品達到孔隙率目標(見圖 1 ，左側)。 “我知道， 我們喜歡認為熱塑性塑料不需要熱壓罐固化，但對于大型零件，我們認為這是實現所需壓實和固結壓力的最佳方式，以去除任何揮發物， ” 阿爾特·奧夫林加指出。 “對于航空航天結構來說，這是至關重要的。 ”

圖 2：熱塑性材料實現了創新的方向舵/升降舵組合-這些熱塑性翼梁適用于灣流 G650方向舵/升降機，其設計特點是，由于材料的高韌性，允許在飛行中彎曲，而不會損壞或失效。

02

良好的屈曲、研發

我們在進入胡格芬車間時看到的第一個部件是灣流 G650 方向舵/升降舵的剛成型翼梁(圖2)。它們的長度分別為 4 米和 6 米，厚度僅小于1毫米至幾毫米。它們在熱壓罐中固化，并具有區域厚度的集成肋(焊接件)。材料為TenCate Cetex 碳纖維/PPS。

阿爾特·奧夫林加說，這些部件是堅韌/不易碎特性的典范，這使得熱塑性塑料對航空航天制造商和原始設備制造商非常有吸引力。奧夫林加說，它們的設計是在使用過程中輕微彎曲，不會斷裂或開裂。 “熱塑性方向舵由焊接在肋骨和翼梁的剛性內部骨架上的薄蒙皮組成。當使用方向舵時，它承受扭轉載荷，蒙皮允許在極限 載荷的70% (飛機壽命中發生一次的載荷)下彎曲。這使得蒙皮比其他情況下更薄，從而與傳統復合材料相比減輕了重量。” ?？说臒崴苄詮秃喜牧喜考?.5倍極限載荷下進行測試和認證。

圖 3：內部設備開發：Fokker 推出的大部分熱塑性復合材料創新是該公 司研發實驗室的產品，該實驗室的特點是這種自動纖維放置(AFP)機器，配有 Fokker開發的末端執行器

?？嗽跓崴苄詮秃喜牧现圃?、組裝和性能方面所學到 的很多知識都是由公司在奧夫林加指導下進行的重大研發工作所推 動的。 ?？说难邪l實驗室雇用了10名員工， 配備了環境模擬、 3D打印、 熱壓罐固化和自動纖維鋪放的設備。后者配備了Fanuc機器人、福克開發的具有35000 Hz超聲波加熱能力的末端執行器以及CGTech控制軟件。

正是在研發實驗室里，福克與空客和其他合作伙伴合作開發了 歐洲熱塑性平價主飛機結構項目 ，以評估熱塑性復合材料在航空結構中的性能。?？诉€參與了歐洲清潔天空聯合技術倡議，該倡議的一部分是比較熱固性材料和熱塑 性材料之間的熱壓罐能耗。

03

A380 的大組件

然而，制造只是?？撕娇战Y構公司故事的一半，因為該公司在 組件裝配方面的投資同樣巨大，當涉及到熱塑性塑料時，這為焊接方法打開了大門。?？苏嬲瞄L的是熱塑性焊接技術的發展。?？?公司用熱塑性復合材料制造大型空客 A380機翼前緣的合同是21世紀頭十年復合材料行業最大的新聞之一。該項目還占用了胡格芬工廠最大的空間。這項工作是在工廠的工、夾具車間完成的，之所以如此命名，是因為它由八個雙面夾具(一個用于左翼，另一個用于右翼) 主導，其中?？藢崴苄郧熬壝善ず土号c一系列加強肋焊接 在一起。每個夾具可容納3.5m長的前緣蒙皮。每個機翼前緣包括八個3.5米的分段，總前緣長度為26米，從每個機翼的內側發動機到翼尖。

圖 4：等待焊接的機翼前緣- 由玻璃纖維/PPS 模塑而成，這些 支架上的空客 A380 機翼前緣蒙皮很快將通過?？舜笮凸?、夾具室的焊接與肋骨和梁集成

圖 5：肋骨部件的壓縮成型-A380 機翼前緣肋骨采用 TenCate 公司的 Cetex 預固化玻璃纖維/PPS 片材切割而成的材料，在這 臺由自動化機械制造商 Pinette Emidecau (法國沙隆省沙隆市)提供的大型壓力機上進行壓縮成型。

前緣蒙皮和翼梁采用Cetex品TenCate Advanced Composites 提供的玻璃纖維/PPS 半預浸料，通過手工疊層制造。蒙皮和梁使用單層半預浸料疊層，在Gerber Technology(Tolland，CT， US)平板切割臺上切割。層定位制導由 Virtek Vision International Inc. (加拿大安大略省滑鐵盧) 激光投影系統提供。將零件裝袋，然后在 320°C 的熱壓罐中固化， 總循環時間為3 小時- 熱固性復合材料通常為6-9小時。

肋條和加強筋(圖 5)在Pinette Emidecau Industries (Chalon Sur Saone，France)壓機上使用相同的Cetex 材料進行壓縮成型，但由 TenCate 作為預固結片材提供。奧夫林加說，Cetex片材首先在紅外 加熱器中軟化，然后迅速轉移到壓力機，壓力機提供0.5秒的閉合循環。機翼前緣的加強筋由玻纖/PPS 制成，由松下VR-016機器人系統在Pinette壓力機附近進行機械加工和鉆孔。

所有機翼前緣部件—— 蒙皮、翼梁、肋、加強件—— 最終在工、夾車間組裝和焊接。多年來，?？斯疽恢痹趪L試各種焊接技術， 但對于A380機翼前緣組件，它決定采用電阻焊接。對于該方法，將涂有PPS的金屬網條連接到每個肋的接觸邊緣(圖 6)。

熱塑性蒙皮和熱塑性肋的焊接非常重要，因為這種組裝技術實際上創造了一種統一的熱塑性復合結構。這一好處很重要，因為它免除了制造商在飛機認證過程中所需的額外步驟，否則這將是一個成本高昂的步驟：膠合蒙皮和肋骨將需要冗余使用機械緊固件。但焊接的蒙皮和肋條卻沒有。然而，這使得焊接過程的一致性和可重復性至關重要。

圖 6：蒙皮-A380 機翼前緣的模制肋通過電阻焊接與蒙皮結合，其 中，將涂有 PPS 的金屬網條連接到肋的邊緣。將電流 施加到網格 上，使 PPS 軟化并將肋骨與皮膚結合。金屬網成為連結的一部分。

圖 7：機器人自動焊接-A380機翼前緣的所有焊接都是用機器人設備完成的，該設備測量沿著蒙皮行進的距離，以識別其焊接的肋骨。

圖 8：逐段組裝——A380機翼前緣蒙皮及其肋、梁和加強件，安裝在組裝夾具中，在電阻焊接過程中顯示。每個夾具固定一段 3.5 米的機翼蒙皮。每個機翼前緣包括八個3.5米的部分，總長26米。

然后將肋插入夾具中，用肋夾持器導軌固定。然后， 焊機從一 個肋骨移動到另一個肋骨， 在金屬網的一端向每個肋骨施加電流1分鐘。接下來是1分鐘的保持和1分鐘的冷卻。電流會熔化網格周圍的 PPS，并與皮膚形成粘合。網格保持在位，并成為焊接件的永久部分。在所有肋條接合后，梁通過加強筋連接并固定到位，加強筋也焊接在一起(圖7)。

04

機器人自動焊接

圖7：機器人自動焊接-A380機翼前緣的所有焊接都是用機器人設備完成的，該設備測量沿著蒙皮行進的距離，以識別其焊接的肋骨。

奧夫林加說，這種組裝大部分是自動化的，但連接夾具需要 一些人工。然而，焊接本身依賴于速度和一致性的自動化。奧夫林加說：“每個夾具上的電子尺告訴機器它在哪個肋骨上” (圖 8）。

05

感應焊接的進展

盡管A380機翼前緣組件所采用的電阻焊接方案是一種有效且目前相對成熟的?？思夹g，但灣流6號和達索獵鷹5X的零件通過感應焊接組裝代表了最新的發展步驟，已經實現了其巨大的希望。

這項工作是在馬可尼街大樓完成的，距離?？嗽诤裎牡闹饕O施有很短的車程。在這里，我們看到了一個夾具設計和自動化過程，它已經超越了用于 A380 機翼前緣配置的夾具設計和自動過程。

奧夫林加說，感應焊接優于電阻焊接的優點在于，它不需要使 用金屬條或其他導體，因此焊件不存在重量損失。?？烁袘ㄓ?KVE復合材料集團(荷蘭海牙)開發和提供。它被稱為電感器，在熱塑性層壓板內的導電碳纖維增強件中產生渦流。電流是通過在焊接線上移動感應線圈產生的；它產生的渦流然后從內部加熱層壓板。KVE表示，焊接的零件必須放置在專用工具材料(鋼，具有“特殊” 成分) 中，該材料對電磁場是透明的，并且具有良好的導熱性。 福克的線圈運動由機器人驅動。

奧夫林加首先向參觀人員展示了灣流6號舵的裝配夾具，該舵 由兩個帶支撐肋的梁組成。全部由碳纖維/PPS 通過壓縮成型制成。與A380機翼前緣組件一樣，灣流 6 號舵夾具(共有六個)水平定 向并提升至腰部高度。夾具長度為 4 至 6 米，具有固定翼梁的水平 槽和將肋定位在翼梁上的垂直槽。在所有部件就位后，一個裝有KVE感應線圈的機器人沿著夾具移動到各個槽中，將每個肋焊接到 翼梁上。

圖 9：在?？?，焊接的未來被視為“熄燈-lights out”技術。對于達索獵鷹 5X 升降舵，?？瞬捎昧诵乱淮袘附蛹夹g，與電阻焊接不同，該技術允許熱塑性塑料與熱塑性 材料之間的直接結合，并且不需要金屬網條。該裝配夾具 保持升降舵的所有梁和肋；在夜班期間，機器人引導的感 應線圈被插入夾具中以將零件結合在一起。

對于達索獵鷹 5X升降舵，?？擞腥齻€夾具，類似于灣流夾具 系統， 但改進之處在于，六個夾具現在僅被三個夾具取代，使用相 同的感應技術(見圖 9)。在這些夾具上，白班工人被用來將復合零 件裝入夾具中，然后機器人通宵工作以感應焊接最終的組件，這一過程大約需要六個小時。

06

新的一章

奧夫林加總結了他的公司對熱塑性塑料的全心全意的關注， 福克將其稱為“飛行器”：“當我們開始熱塑性塑料的工作時，所設想的優點還沒有得到證實。過了一段時間后，它們就變得清晰起來，然后新的、不可預測的優點顯現出來，例如與熱固性塑料相比， 后屈曲設計的優點、更少的生產步驟和更大的設計自由度。 ” 。“材料和設計創新代表了飛機飛行，這反映了?？藢υO計、組裝和維護現代飛機的所有細節的承諾和贊賞。

現在,公 司 百 年 經 驗 的 又 一 篇 章 開 始 了 。 ?？擞?月28日宣布將被英國懷特島GKN公司收購。福 克首席執行官漢斯 ·布思克表示， GKN 的規模、創新和財務實力將使福克受益匪淺， 合并后的實體將為福克員工帶來新的機會，他們將參與一 些世界上最大、最具挑戰性的航空航天項目。

“對有限數量的獨特技術的強烈關注， ”奧夫林加總結道，“已證明是創造新商機的成功途徑。 ”

07

編后語

此原文是[ CW (composite world) ]編輯人員參觀荷蘭胡格芬工廠后，于 2015.9.30 編發的一篇文章。該文于 2023.2.28更新重新發出。本文是按更新的文章編譯。當時， 由于樹脂成本高， 以及在 250°C 至 350°C(約480°F 至 660°F)下加工它們的困難和成本， 早期對更先進的聚合物(包括聚醚醚酮(PEKK) 和聚醚醚酮(PEEK)) 的研究沒有在產生中廣泛的應用。

A380雖然已經退出市場， 但?？说臒崴軓筒闹圃旒夹g， 卻充 實了GKN的熱塑復材制造飛機結構件的制造能力。GKN在空客“新 A320”熱塑機身演示件制造中大顯身手(前些日子我的微信短文陸續有報道)。

附：A380 機翼前緣圖片

三段裝配完畢的“J-nose”前緣

注：原文，《 Plant Tour: Fokker Aerostructures: Hoogeveen, The Netherlands 》 ( 2015.9.30 日發布) 2023 ．2 ．28 日更新）