目前原始設備制造商和供應商在探索下一代飛機的材料和工藝時，有兩種不同的方法正在進入視野，種是干纖維預制件的液態成型，例如，在蘇格蘭Spirit AeroSystem的高速樹脂傳遞成型（resin transfer molding，RTM）生產線中，以及在空中客車公司主導的明日之翼（Wing of Tomorrow，WOT）項目中，該項目使用了自動放置非卷曲織物（noncrimp fabrics，NCF）和液體樹脂灌注，然后在烘箱中進行高壓釜（out of autoclave，OOA）固化。
 

第二種是采用熱塑性復合材料（thermoplastic composites，TPC），例如，在Clean Sky 2項目多功能機身演示器（Multifunctional Fuselage Demonstrator，MFFD）中，使用自動纖維放置（下半部分現場加固，上半部分通過高壓釜固化）制造硬化蒙皮，然后通過焊接進行組裝。這些程序使用自動化來提高生產率和質量，同時降低成本。但這兩種技術究竟孰優孰劣呢？

　　德國航空航天中心（DLR）結構和設計研究所在奧格斯堡設有輕型生產技術中心（ZLP）。在眾多復合材料制造項目中，PROTEC NSR和Fast Lane RPB提供了一個獨特的機會，可以分別比較雙通道空中客車A350的液態模塑熱固性后部壓力隔板（rear pressure bulkhead，RPB）（圖1）和單通道空客A320的熱塑性RPB。這兩個項目都與這些結構的一級供應商Premium Aerotec Group合作，并在評估周期時間和成本的同時演示了自動化。

液態模制后壓力艙壁的干碳纖維預成型件

　　液態模塑熱固性隔板

　　預制件和夾具：制造真空袋裝干燥預制件的工藝步驟如下圖2所示。通過采用空客技術——真空輔助工藝（vacuum assisted process，VAP）向其中注入RTM6環氧樹脂，該工藝采用半透膜降低孔隙率。預制件疊層包括兩組16層，長5米，使用5束緞紋碳纖維織物的整個寬度1.27米。在這兩個裝置之間嵌入了25個復雜形狀的加強件，尺寸達到1.5×2.5米，上面放了八根桁條。

　　PROTEC NSR的工藝步驟，用于制造干式預成型坯：（a）切割材料；（b）（d）將材料運輸到機器人小室；（c）增強層和（e）結構層的切片識別、拾取、覆蓋和應用；（f）更嚴格的整合；（g）工具側和（h）B側外部輔助材料的真空裝袋。

　　在該過程中開發能夠在鋪蓋和處理方面達到必要精度的工具和夾具是大的挑戰之一。部分原因是由于復雜的層混合需要三種不同的懸垂機制：

　　其一、直接從輥子上施加必須適應模具形狀的全寬材料。

　　其二、大面積結構鋪層的懸垂，其中兩個機器人協作，每個織物邊緣一個，以拾取并創建模具的目標幾何形狀 以確保貼合前無皺紋。

　　其三、適用于1.5到2.5米的小型異形鋪層。

　　對于協作機器人，專家開發了末端執行器，其中包含六個通過球形接頭連接的模塊，這使得末端執行器可以類似于蛇的方式變形，從而符合模具的目標幾何形狀。集成的加熱裝置可在織物運輸和成形過程中激活粘合劑，一旦放置便保持其3D形狀和位置。

　　對于小形狀的層在高達1.5×2.5米的地方，開發了第二種抓取器，該抓取器使用了127個配有真空抽吸裝置的模塊進行拾?。▓D3）。此夾具在2D狀態下拾取材料，然后將其彎曲到目標幾何形狀，但它必須決定要固定的127個模塊中的哪個，以及要滑動以將2D層轉換為3D形狀的模塊。因此，它與手的懸垂工作方式非常相似。

　　末端執行器具有一個抓取器，該抓取器使用127個配備有真空抽吸功能的模塊來拾取切下的織物層，然后轉變為3D形狀，然后在放入模具之前對其進行加熱

　　在線檢查：模塊化夾持器中的光學傳感器監測懸垂過程。放置層板后，末端執行器將結合徠卡T-SCAN和基于PrimebaseTM照相機的纖維角度測量系統檢查質量。測試過程中先測量了纖維角度，并與CAD文件進行了比較，然后測量了每一塊的邊緣，并對照CAD文件檢查了其位置。

　　縱梁和真空袋：完成預制件后，將八個加強筋（縱梁）連接到頂部。為此，開發了多運動夾持器，并將其應用于真空袋輔助材料。該夾持器由三個獨立的6自由度小型機器人和一個剛性臂組成，全部安裝在工業6自由度機器人的中心法蘭上。真空包裝輔助材料——剝離層、穿孔離型膜和樹脂流動介質（工具側輔助材料）——預先切割和預連接，設計用于放置位置。它們不需要疊起來，只需要放置即可。預制的半透膜通過帶有“傘狀”機構的末端執行器以半自動方式應用，而粘性膠帶和外部真空袋的放置仍然是手動的，但也可以自動化。

　　周期時間和成本：大的挑戰是構建基于人工智能（AI）的模塊化制造執行系統（manufacturing execution system，MES），以監控流程鏈。在整個過程中必須建立數據管理系統，將完全不同的流程整合在一起，然后利用MES通過一個數據交換端口進行指揮。PROTEC NSR技術于2019年1月通過制造全尺寸演示器得到驗證，并在2019年年中達到TRL 5-6的成熟度水平。與PAG目前先進的工藝相比，這種自動化工藝鏈將軋制布料應用的周期時間縮短了58%，切割層的選擇和放置減少了50%。這些業務的制造成本分別降低了11.5%和31%。

　　熱塑性RPB

　　該項目始于2018年，由PAG和Institut für Verbundwerkstoffe研究所合作，以展示熱塑性復合材料在大型零件和主要結構中的可能性，RPB并不是真正的主要部件，因為它的機械要求沒有機翼或機身那么高，但它顯示了對于大型、扁平、略微彎曲的結構是可能的。在短短四個月內，便開發了一款A320 RPB演示機，并將其作為如何將現有鋁結構轉換為熱塑性復合材料的示例。

　　該演示使用Cetex碳纖維織物/聚苯硫醚（PPS）有機板（Toray Advanced Composites）和電阻焊。焊接的兩個表面之間的電阻元件產生熱量并留在焊接結構中。GKN Fokker幾十年來一直使用這種技術來生產飛機起落架門和固定前緣。對于這架A320 RPB，ZLP團隊使用了CF電阻元件，而不是傳統的不銹鋼網。

　　由于熱塑性復合材料RPB的價格相同或更便宜，但材料要貴得多。因此，通過自動化而降低生產成本是關鍵，使用八個相同的花瓣部分也是關鍵。熱成型作為一個單獨的部分將需要一個非常大的壓力，這會太昂貴。熱塑性塑料壓制成型的自動化程度高于熱固性復合材料。主要使用匹配的金屬模具，但恒定的溫度是主要問題，但這也使自動沖壓周期非常快。演示器RPB的整體處理步驟如圖4所示。

　　熱塑性RPB，其工藝步驟用于生產八段（底部）印模成型CF / PPS有機板，然后通過電阻焊接將其連接起來以形成演示器A320隔板。

　　整合質量檢查：使用一個標準試驗臺制作多個焊接樣品，測量電流、電壓和溫度，然后用超聲波檢測（UT）對它們進行了檢查，并得出了工藝參數和良好固結度之間的相關性。還建立了一個過程模擬，將焊接過程中獲得的數據與建立的初始基線進行比較。

　　自動化和循環時間：整個過程非?？欤_到了汽車零部件的規模。在2019年的評估中實現了TRL3，并且已經成熟到TRL4。將在2021年底實現TRL6。在疫情大流行之前，PAG曾表示將在2021年前將熱塑性RPB投入生產。雖然未來還不太明朗，但熱塑性RPB仍然被視為“未來的機身”，重量從41公斤減少到35公斤，加工和裝配時間減少75%，整體零件成本降低10%以上。

　　TS和TP復合材料對比

　　熱塑性塑料的加工速度如此之快，以至于可以比鋁便宜，甚至可以達到每月100架飛機的生產率。RPB既適用于熱塑性焊接，也適用于自動化。相比之下，干纖維，液態模制的RPB自動化成本更高。

　　但是，這種自動化只有通過實現部分子流程自動化來獲得真正的收益，例如，通過自動化輔助設備，可以在大約一個小時內完成真空裝袋，大約比手動過程快10倍。但是，成本是實施此類改進的主要障礙。對于一個零件如RPB，數字工具、機器人和開發的成本太高了。但是，如果可以開發一種模塊化的方法，并將該系統用于許多零件，那么成本可能會控制，從而在減少時間和人工的情況下可以負擔得起。

　　雖然截止目前僅僅對比了熱固性和熱塑性復合材料成型工藝，但是對兩者復合材料的結構還沒有進行詳細對比，因此未來目標是證明熱塑性焊接線也具有飛機機翼和機身所需的性能，并且，對于大型集成液體成型機翼也必須表現出這種性能。這正是MFFD和WOT程序要完成的任務。

主要參考來源：CW