所選擇的材料是由 TenCate Advanced Composites BV（Nijverdal，荷蘭）制造的 PPS-CETEX 半成品預(yù)固結(jié)熱塑性面板，用 Toray Industries（日本東京）的 T300碳制成的編織碳纖維織物加固。所使用的碳纖維/PEEK 材料是預(yù)固結(jié)的 Tenax TPCL 層壓板，也基于機織織物，由 Toho Tenax Europe GmbH（德國伍珀塔爾）制造。面板具有準(zhǔn)各向同性疊層，根據(jù)該區(qū)域的連接位置和機身載荷條件，提供不同厚度，從 1 毫米到 5 毫米，或 5 到 14 個織物層。Miaris 解釋道：“夾子的設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化，重量盡可能輕。” “我們在機身內(nèi)的不同載荷情況下使用不同的材料厚度，以盡量減輕重量。”

更高強度的 Tenax 碳纖維/PEEK 被指定用于機身區(qū)域的夾子，這些區(qū)域?qū)⒊惺芨叩妮d荷，通常是在開口周圍，如貨艙門和乘客門。

制造一架 A350-900 機身要用到 8000 多個角片。其中機身的 13-14 段和 16-18 段需要 5000 多個具有 2000 多種不同的角片。

 

圖 1. A350 角片的基本設(shè)計

制造角片采用一種自動熱成型工作站，以滿足生產(chǎn)需求。該工作站包含兩個機器人——一個是“主”，第二個是“從”——由一個復(fù)雜的專有計算機過程控制系統(tǒng)驅(qū)動，該系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)測的 A350 裝配需求計算工作流程和速率，以便及時交付零件。工作站的流程達到順暢、快速、無紙化。

每個工作單元包括六個步驟或功能（圖 2.）：

1.在高速自動切割臺上將熱塑性板材切割成坯料

2.機器人將坯料轉(zhuǎn)移到兩個紅外烘箱中的一個用于聚合物熔融（因為PEEK 和 PPS 需要不同的熔融溫度）

3.機器人將加熱過的坯料從紅外烘箱轉(zhuǎn)移到壓力機中的熱成型工具

4.在熱成型機中成型

5.機器人將成型夾子轉(zhuǎn)移到修剪站進行邊緣修剪（在某些情況下還可以鉆孔）

6.超聲波檢查和零件編號標(biāo)記

 

圖 2. 角片制造過程的主要步驟

創(chuàng)新制造

為了開發(fā)高度自動化的過程，需要為各種問題開發(fā)新的解決方案。

熱成型操作是對所生產(chǎn)零件的最終質(zhì)量影響最大的工藝子步驟。此外，質(zhì)量保和工藝文件是航空航天零件生產(chǎn)中非常重要的一點。考慮到這一點，設(shè)計熱成型工作站是為了能夠滿足所有相關(guān)要求。熱成型工作站可以通過閉環(huán)控制在預(yù)定義的斜坡下加熱坯料。對沖壓成型溫度進行持續(xù)監(jiān)測和控制，根據(jù)零件調(diào)整成型力，并記錄和保存所有成型參數(shù)(圖 3.)。

 

圖 3. 展示了一個理想的熱成型工藝循環(huán)。

最苛刻的規(guī)格之一是自動穩(wěn)定夾的成型。這些部件沿3 個方向折疊。為了能夠自動執(zhí)行此操作，開發(fā)了一種創(chuàng)新的處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于使用具有 3 個鉸鏈的折疊框架。框架由一個專門設(shè)計的機器人頭處理，該機器人頭執(zhí)行折疊并將熔化的堤岸放置在金字塔形沖壓模具上（圖 4）。

如果不使用，就不可能生產(chǎn) 2500 多種不同的零件幾何形狀先進的工具更換概念。這個概念是基于工具的集群和使用模塊化主窗體。工具的集群允許制作多個剪輯幾何圖形。另一方面，模塊化主窗體的使用（圖 5）提供了所需的剛度，確保工具平行閉合，并允許均勻的壓力應(yīng)用在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計出更小、易于放置的沖壓工具該操作由配備有專門設(shè)計的搬運系統(tǒng)（圖 6）。

 

圖 4：坯料折疊系統(tǒng)。

 

圖 5：壓力機和凹模概念示意圖

另一個具有挑戰(zhàn)性的子過程是銑削最終零件輪廓。為了實現(xiàn)所需的公差，并確保零件從銑床的工作臺上快速安裝和釋放，開發(fā)了一種新型的夾緊裝置。使用這種夾具，每個零件的銑削操作持續(xù)時間不到兩分鐘。

最后一步是使用來自歐洲供應(yīng)商的相控陣脈沖回波超聲波設(shè)備對所有零件進行檢查。半自動測試包括將零件浸入水箱中進行 C 掃描測試，但使用手持掃描傳感器手動檢查一些更復(fù)雜的帶有折彎的角片。經(jīng)過測試的零件都標(biāo)有識別射頻識別（RFID- radio frequency identification）標(biāo)簽，以便在整個機身組裝過程中實現(xiàn)無紙化跟蹤。零件只需 85 秒就可以循環(huán)通過各個工位。

 

圖 6：角片制造操作的最后步驟：脫模 3D 裝飾和NDI 檢測

持續(xù)改進

角片的局部加熱和成型——也就是說，在熱成型之前，不是加熱整個坯料，而是只在需要改變形狀的地方加熱坯料的一部分。局部成型需要一個專門設(shè)計的紅外爐，只加熱坯料的指定區(qū)域；機器人處理部分軟化的坯料；以及具有定位特征的成形工具和壓力機，所述定位特征能夠正確地定位加熱區(qū)域以進行成形。這一概念已經(jīng)得到了廣泛的試驗，并使用碳纖維/PEEK 和碳纖維/PPS 坯料對零件進行了測試。機械測試和微觀切片顯示，局部成型零件沒有任何孔隙跡象，機械性能符合設(shè)計要求。差示掃描量熱法測試證明，樹脂在加熱成型區(qū)域的結(jié)晶度沒有偏離結(jié)晶度在零件的其余部分觀察到。

在某些情況下，夾子需要連接一個鈦 L 形零件，以獲得額外的強度。目前，鈦片是用粘合劑手動粘合到夾子上的，這減緩了整個生產(chǎn)過程。為了減少勞動力需求，開發(fā)更具成本效益的焊接技術(shù)，目前正在研究兩種方法：超聲波焊接和感應(yīng)焊接。測試表明，更快的焊接工藝將兩種材料固定在一起，其強度足以承受在車間地板上的搬運、鉆孔和組裝，而不會損壞任何一種材料。另外替代加固形式，特別用單向預(yù)浸帶，以取代編織碳/熱塑性塑料板材。它們遠遠超過了使用編織碳纖維增強半成品板材的性能，該板材具有更大的纖維體積分數(shù)（60%，高于 55%）和小于 0.1%的空隙率（圖 7）。

 

圖 7：UD-TP 帶等先進材料允許制造更復(fù)雜的角片

結(jié)論

用復(fù)合材料制造機身，其中框與蒙皮連接的角片，一定得用熱塑復(fù)材制造。由于角片形狀各異、數(shù)量眾多，少不了得建電腦控制的自動化工作站。

本文對承擔(dān)商飛“C929 長航程寬體客機”機身的供應(yīng)商，提供一點參考。

注：主要原文見，《 Thermoplastic Matrix Composites: Xtra complex, Xtra Quick, Xtra Efficient Manufacturing advanced composites for the A350 XWB and beyond 》

楊超凡 2023.10.30

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