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熱塑性復(fù)合材料(TPC- Thermoplastic composite)在商用飛機(jī)和其他航空航天應(yīng)用中的使用勢頭越來越大，包括電動(dòng)垂直起降(eVTOL- electric vertical takeoff and landing)飛機(jī)。TPC曾經(jīng)被認(rèn)為對(duì)于小型組件以外的應(yīng)用來說過于昂貴。現(xiàn)在，材料和加工技術(shù)的進(jìn)步正在推動(dòng)TPC成為航空航天業(yè)的焦點(diǎn)。 

TPC正在越來越多的航空航天應(yīng)用中取代熱固性復(fù)合材料(TS- thermoset composite)和金屬材料，因?yàn)門PC組件和零件更輕、更耐用、加工效率更高，具體取決于應(yīng)用。TPC特性還提供了TS或金屬不可能或不容易實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)和制造選項(xiàng)。

從環(huán)境可持續(xù)性的角度來看，TPC零件和結(jié)構(gòu)的重量更輕有助于飛機(jī)原始設(shè)備制造商(OEM- original equipment manufacturers )降低飛機(jī)燃料消耗和排放。體重減輕幅度很大，在某些情況下甚至超過2000磅。此外，TPC可以很容易地回收和再利用，而TS回收，如熱解，是一個(gè)復(fù)雜且耗能的過程。

TS零件通常必須在熱壓罐中固化。TPC可以在組裝過程中原位固結(jié)。新的自動(dòng)鋪絲(AFP- automated fiber placement)和自動(dòng)鋪帶(ATL- automated tape laying )設(shè)備包括激光頭，當(dāng)鋪設(shè)光纖或膠帶時(shí)，激光頭會(huì)立即固接TPC。TPC還與壓縮成型、連續(xù)壓縮成型、編織和3D打印制造方法兼容。在許多應(yīng)用中，TPC經(jīng)過這些過程后，除了一些最終修整外，幾乎不需要進(jìn)行任何后處理。

TPC為用更少的整體零件和步驟制造飛機(jī)組件和結(jié)構(gòu)打開了大門。例如，傳統(tǒng)上通過將兩個(gè)或三個(gè)零件緊固在一起制成的組件現(xiàn)在可能是一個(gè)焊接的TPC組件，現(xiàn)在可以焊接到飛機(jī)上。這意味著材料浪費(fèi)更少，提高了購買率。

TPC仍然比TS和一些金屬貴得多，但由于TPC加工設(shè)備的進(jìn)步，使用它們的經(jīng)濟(jì)模型現(xiàn)在是有意義的。有了這種自動(dòng)化設(shè)備，TPC組件制造比TS生產(chǎn)過程更快、更高效。焊接TPC的能力對(duì)其日益普及至關(guān)重要。當(dāng)原始設(shè)備制造商可以焊接TPC零件而不是用緊固件、粘合劑和支架連接零件時(shí)，它們可以節(jié)省重量和制造步驟。此外，可焊性適用于模塊化裝配工藝。

例如，飛機(jī)的不同組、部件和子系統(tǒng)可以由非現(xiàn)場供應(yīng)商制造，然后焊接和接線到飛機(jī)機(jī)身上。這種方法通常用于汽車行業(yè)，以其模塊化制造效率而聞名。相比之下，如今大多數(shù)商用飛機(jī)的制造周期都很長。

總而言之，原始設(shè)備制造商可以通過更大的TPC使用來減輕20%或更多的重量。當(dāng)考慮到制造的總成本時(shí)，成品的成本可以降低30-40%。

特別是，熱壓罐外復(fù)合材料加工的前景對(duì)原始設(shè)備制造商具有吸引力，因?yàn)闊釅汗扪h(huán)需要時(shí)間、能源和資本資源。隨著時(shí)間的推移，等待零件完成熱壓罐固化，瓶頸可能會(huì)形成。此外，TS預(yù)浸料需要冷藏，即使冷藏，其保質(zhì)期也比TPC短得多，TPC可以在室溫下儲(chǔ)存。TS預(yù)浸料對(duì)制冷的需求增加了原始設(shè)備制造商及其供應(yīng)鏈管理的物流挑戰(zhàn)。

TPC在商用飛機(jī)中的新應(yīng)用包括翼梁、桁條、吊艙和尾翼等。歐盟的“清潔天空-Clean Sky”倡議通過其多功能機(jī)身演示器(MFFD -Multifunctional Fuselage Demonstrator)項(xiàng)目取得了長足的進(jìn)步。“清潔天空-Clean Sky”在一篇關(guān)于MFFD的文章中說：“該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于復(fù)合熱塑性塑料在多大程度上可以被證明適用于統(tǒng)一系統(tǒng)、機(jī)艙和機(jī)身的功能。”

TS密集型飛機(jī)是由內(nèi)而外建造的，這限制了原始設(shè)備制造商隨著時(shí)間的推移如何裝備飛機(jī)內(nèi)部的靈活性。但是，TPC密集型飛機(jī)是從外到內(nèi)建造的，讓原始設(shè)備制造商對(duì)飛機(jī)內(nèi)部的建造和完成方式有更大的控制和選擇。“清潔天空-Clean Sky”的結(jié)論是：“通過更模塊化的設(shè)計(jì)形式，如果航空公司希望改變機(jī)艙元素，將有可能調(diào)整和修改機(jī)艙內(nèi)部，”。

除了模塊化設(shè)計(jì)選項(xiàng)外，TPC還為創(chuàng)建輪廓設(shè)計(jì)和復(fù)雜形狀提供了靈活性。TPC比金屬更容易彎曲，使其成為大半徑圓形或管狀結(jié)構(gòu)的理想選擇。例如，Daher使用TPC作為勞斯萊斯超風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的大型進(jìn)氣艙壁。艙壁周長幾米，設(shè)計(jì)成四段組裝。在一篇關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目的博客文章中，Daher提到了TPC如何幫助解決航空航天業(yè)的“雙重困境”——環(huán)境和競爭力。

TPC可能是新設(shè)計(jì)飛機(jī)項(xiàng)目的主要材料選擇。對(duì)于這些項(xiàng)目，原始設(shè)備制造商在選擇材料和加工路徑方面有一個(gè)全新的開始。這是一個(gè)建立專門用于高效TPC模塊化組裝的新生產(chǎn)線的機(jī)會(huì)。

TPC在eVTOL飛機(jī)上也越來越受歡迎。這些飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)模型要求它們比大型商用飛機(jī)更快、更便宜。如果受到熱壓罐和冷凍機(jī)容量的限制，eVTOL的 OEM不太可能成功擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。相反，他們需要材料和制造工藝在幾秒鐘內(nèi)完成飛機(jī)零件，而不是幾個(gè)小時(shí)。

TPC特別適合用于eVTOL飛機(jī)螺旋槳葉片。TPC材料賦予葉片韌性和抗損傷性，使其能夠承受巨大的應(yīng)力。eVTOL飛機(jī)有許多螺旋槳葉片，因此葉片耐用性對(duì)于原始設(shè)備制造商向客戶提供的整體價(jià)值主張非常重要。葉片越堅(jiān)硬，壽命越長。

一些原始設(shè)備制造商正在考慮將TPC用于航天器運(yùn)載火箭，但需要進(jìn)行更多的測試，以檢查TPC在極端溫度波動(dòng)下的穩(wěn)定性，以及它們承受流星碎片潛在撞擊的耐用性。

航空航天業(yè)的變化不會(huì)在一夜之間發(fā)生。安全標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格的測試和驗(yàn)證。許多TS材料在航空航天應(yīng)用中有著悠久的歷史，已經(jīng)通過了眾多原始設(shè)備制造商的認(rèn)證，并獲得了國家先進(jìn)材料性能中心(NCAMP-National Center for Advanced Material Performance )的認(rèn)證。在認(rèn)證方面，TPC仍然是新手。截至撰寫本文時(shí)，只有一家TPC獲得了NCAMP的認(rèn)證。其他產(chǎn)品已由個(gè)別原始設(shè)備制造商針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行了資格認(rèn)證。

與TS供應(yīng)相比，TPC供應(yīng)相對(duì)不成熟。隨著越來越多的TPC被開發(fā)出來并獲得NCAMP認(rèn)證，TPC的采用有望起飛。有了NCAMP認(rèn)證后，TPC材料就可以進(jìn)行開源驗(yàn)證。TPC組件供應(yīng)商將可以自由地與各種原始設(shè)備制造商合作，除了最大的參與者。

確保材料規(guī)格規(guī)范符合TPC的特殊細(xì)微差別和性能特征也很重要。例如，經(jīng)驗(yàn)豐富的TPC材料檢驗(yàn)員確切地知道狹縫膠帶規(guī)格中應(yīng)包含哪些公差，直到膠帶將在哪臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行。材料檢驗(yàn)員還可以與上游的TPC材料供應(yīng)商合作，確定最適合應(yīng)用的卷材長度和寬度。無論材料是需要切割用于壓縮成型工藝，還是需要切成超薄帶用于增材制造工藝，格式化都可以根據(jù)所需的最終用途定制TPC。

隨著新的TPC材料、加工設(shè)備和焊接技術(shù)的進(jìn)步，飛機(jī)原始設(shè)備制造商在設(shè)計(jì)和制造創(chuàng)新方面擁有豐富的新機(jī)會(huì)。下一代飛機(jī)有望更輕、更環(huán)保、更高效地制造，這在很大程度上要?dú)w功于TPC的發(fā)展。

本文由銷售和新業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)阿什利·格雷伯（Ashley Graeber）和Web Industries股份有限公司（馬薩諸塞州馬爾伯勒）航空航天部門全球熱塑性塑料市場開發(fā)經(jīng)理Jim Powers撰寫。

熱塑復(fù)材+焊接是民機(jī)設(shè)計(jì)、制造的一次革命。目前商飛正在設(shè)計(jì)C929，這正好是參與的好時(shí)機(jī)。

楊超凡