跨領域合作。ASCEND計劃的目標是在英國境內為航空航天和汽車行業建立可共用的復合材料供應鏈。項目合作伙伴包括專門從事數字工具、材料、工裝制造設計等的原始設備制造商、材料制造商、研究機構和供應商。

 

portant;">汽車后地板設計。后地板組件（此處顯示了包括連接到車輛底盤其他部分的渲染圖）展示了邁凱倫公司創新的預成型和膠帶沉積工藝。截至2022年底，第一批結構部件已完成制造并在車輛上進行相關測試。

 

portant;">第一個翼梢小翼部件。從現在開始一直到2024年項目結束，完整的翼梢小翼演示驗證件將最終完成。這種熱成型翼肋是第一批生產出來的結構零部件，它使用美國赫氏和比利時索爾維公司為ASCEND計劃開發的快速固化預浸料制造。

 

portant;">自動化工作單元。ASCEND計劃合作伙伴Airborne公司開發了一種全自動預成型和RTM單元，將于2023年夏季部署在GKN航宇公司位于布里斯托爾的全球技術中心，用于生產該計劃中的多個航空航天演示驗證件。

 

portant;">工裝設計。翼梢小翼演示驗證件研發工作的一部分是開發新的RTM制造工具，以實現更快速的自動化制造。自加熱和形狀記憶聚合物（SMP）工具是其中使用的關鍵技術之一。

 

portant;">新一代設計工具。數字線索和優化仿真技術是整個項目中的首要任務。

 

關注可持續性。ASCEND計劃流程的每一步都不斷考慮減少廢物和排放。陳濟桁 2月22日，復合材料世界網站報道了ACCEND計劃的最新進展，英國GKN航宇公司、邁凱倫汽車公司和其他位于英國的合作伙伴展開了更為緊密的合作，旨在實現高生產速率、能夠支持工業4.0發展的可持續材料與工藝。在先進復合材料領域開啟航空航天與高端汽車制造業供應鏈的合作，是一次非常有意義和嘗試，目前取得了部分比較可觀的研究成果。全球范圍內，航空復合材料供應鏈正在努力為飛機原始設備制造商提供潛在的解決方案，以更高速率生產更多復合材料密集型飛機的部件——包括研發新材料、新工藝、新結構連接在內的諸多創新技術。在這一浪潮中，英國也不例外。大約3年前，英國GKN航宇公司集成復合材料結構技術總監、英國工業委員會復合材料領導論壇（CLF）主席格雷格·卡爾，開始重點關注到CLF成員及合作伙伴邁凱倫汽車公司的高度自動化技術，該公司在其位于英國謝菲爾德的邁凱倫復合材料技術中心致力于生產高質量的復合材料汽車部件。兩家公司很快意識到，也許跨領域合作可以為雙方都帶來很多好處。邁凱倫公司于2018年開設了復合材料技術中心，其工作重點是為公司高性能車輛開發能以更高速率制造復合材料的技術。這里所指的“更高速率”意味著每年生產出幾千個合格的大型零部件。實際上在汽車領域，幾千個零部件的年產量并不是嚴格意義上的“高速率”，但具體到復合材料零部件就是非常顯著的“高速率”。邁凱倫公司內部一直認為，對于生產速率和利用復合材料構建復雜集成部件的方式而言，公司的業務模式更接近航空航天業而不是主流汽車工業。GKN航宇公司和邁凱倫公司開始探索，如何更好地利用雙方都明確需要的復合材料制造技術。在汽車工業高速率生產制造能力和航空航天領域超高質量要求之間，應該存在一個平衡點，使得雙方互利共贏。基于上述討論，ASCEND（航空航天與汽車供應鏈聯合發展）計劃于2021年初正式啟動。這項斥資4000萬英鎊、為期4年的計劃由GKN航宇公司位于英國布里斯托爾的全球技術中心（GTC）牽頭，由英國Axillium研究公司組織和管理。英國政府通過“創新英國”（Innovate UK）和英國航空航天技術研究所（ATI）向該項目提供了部分財政支持。除了GKN航宇公司、邁凱倫汽車公司和Axillium研究公司，ASCEND計劃還包括其他13個跨供應鏈的英國項目合作伙伴：Assyst Bullmer軟件公司、英國Cygnet Texkimp公司、Far-UK公司、赫氏復合材料公司（Hexcel）、Hive復合材料公司、LMAT公司、Loop科技公司、英國國家復合材料中心（NCC）、Rafinex公司、Sigmatex公司、索爾維復合材料公司（Solvay）、Airborne公司和Des復合材料公司。ASCEND計劃的領導者將其稱為跨領域技術和供應鏈開發計劃，旨在將航空航天工業和汽車工業緊密地結合起來。具體的，對于商用單通道飛機來說，ASCEND計劃的目標是滿足每月100架復合材料密集型飛機的生產速度；對于城市空中交通（UAM）市場來說，速率可能要高得多。Axillium研究公司董事長Will Searle表示，該計劃的主要內容不僅是開發演示驗證件，而且是為航空航天與汽車行業創造跨領域和集成供應鏈的解決方案，使產品的制造速度更快。當前面臨的最大挑戰、也是實現技術突破的核心問題是，如何將現有生產率提高1倍，并通過這種方式實現新零部件的快速生產和跨行業共用。計劃包含五大主題：從設計到檢驗ASCEND計劃包括五個主題：輕量化設計工具 未來材料體系 自動化高速率 電氣化、多功能化 集成混合結構 這五個主題將通過17項任務解決，這些任務進一步細分為42個單獨項目或重點研究內容。該計劃從2021年開始到2024年結束，其目標是讓盡可能多的工作達到技術成熟度6級（TRL），并在汽車和航空航天市場的原型級別產品中演示驗證關鍵的生產速率目標。除了技術本身，構建供應鏈能力的另一個重要部分是在勞動力中實現創新，創造新的工種和新的職業技能。ASCEND計劃實施過程中將為英國創造大約2000個技術工作崗位。以下是迄今為止每個主題的部分進展情況摘要。主題1：輕量化設計工具在設計層面，仿真和優化算法開發商英國Rafinex公司與Far-UK工程公司等合作伙伴正在共同開發軟件工具，優化復雜復合材料結構設計，包括模擬應對現實工況環境多樣性以及由此產生的可靠性風險。目前正在針對數字與物理演示驗證模型開展相關研究。數字線索技術正在貫穿全部工作，從零件建模開始，通過樹脂傳遞模塑（RTM）或纏繞成型工藝步驟，自動化解決方案專家Airborne公司通過監測數據、集合架構實現自動化和數字化。主題2：未來材料體系通過該項目開發的所有技術，無論是利用熱壓罐還是使用非熱壓罐工藝，其最終目標都將是實現更快的循環和固化時間，因此需要創造出能夠更快固化的樹脂體系。ASCEND計劃主要關注熱固性樹脂體系，而熱塑性樹脂主要在復合材料儲氫罐任務中重點考慮。合作伙伴赫氏復合材料公司、索爾維復合材料公司和Sigmatex公司一直致力于開發快速固化的兩部分樹脂系統，重點使用干纖維帶、預浸料和非卷曲織物（NCF）。此外，GKN航宇公司的首席研究工程師Kevin Barlow表示，“可持續性”是隱藏在每個主題背后的首要目標，尤其是在未來材料體系任務中。英國國家復合材料中心（NCC）正在與材料供應商伙伴合作，研究和記錄在材料研發與后續工藝步驟中產生的排放物。未來需要利用這套用材框架實現凈零排放目標。目前材料領域正在過去所做工作基礎上，通過逐步轉向使用非熱壓罐（OOA）工藝（如RTM）和自動非卷曲織物鋪放技術，并在空客“明日之翼”項目中完成部件成型，最終節省80%的能耗。而在這項工作中，科研人員正在努力使用更少的能源并產生更少的廢物。英國國家復合材料中心正在創造可持續復合材料的回收價值。隨著零部件產量增加，生產效率提高，資源浪費不可避免地持續增加。在ASCEND計劃中，增強復合材料的回收價值是NCC領導項目的一個中心目標，以支撐整個計劃的可持續性。隨著該計劃的繼續執行，具有更強抗沖擊性和多功能性的材料也將是主題2任務中需要完成的工作。主題3：自動化高速率本項任務中貫穿整項的工作內容是預浸料熱成型，RTM與新型干纖維沉積工藝。為了縮短制造周期，自動化和機器人技術正盡可能多地應用到制造過程中，先進的層片切割和嵌套技術也廣泛應用以優化預成型工藝，同時進一步減少原材料浪費。此外，項目中還進一步開發了創新和優化的工具系統，以實現更快速的制造周期循環。迄今為止已經發展了包括3D打印工具、自加熱復合材料工具、形狀記憶聚合物（SMP）工具等可重復使用的智能工具演示驗證技術，以及超聲波傳感器和其他用于過程監控無損評估（NDE）的集成系統。英國LMAT公司是該計劃的重要合作伙伴，致力于開發具有更高熱效率的自動化加熱復合材料工具，以及自動/免工具零部件脫模功能，以增強制造過程的可操作性和耐用性。此外，英國Hive復合材料公司正在研究一種新型自加熱模具技術，與傳統的熱固性復合材料固化方法相比，該技術可顯著降低能耗。主題4：電氣化、多功能化主要任務包括引入集成化的多功能機身結構——包括由合作伙伴Hive復合材料公司開發的基于納米材料的除冰系統、復合材料面板中的集成天線，以及用于未來零排放、凈零飛機的V型低溫氫儲罐材料概念。在氫儲罐任務中，其主要目標包括考察適用于低溫的復合材料全球供應鏈，同時在英國開發測試能力以在試件級別驗證低溫性能，并了解纖維纏繞或編織儲氫罐的制造能力。主題5：集成混合結構由Hive復合材料公司與Far-UK公司牽頭的主題5任務，主要致力于利用粘合或其他連接方式全面代替緊固件。當前目標是使用機器人粘合劑點膠實現鍵合過程自動化，使用嵌入式加熱改進二次鍵合過程，同時評估表面處理方法。納米導電粘合劑也正在與聯合檢測技術共同開發，例如可用于監測粘合層結構完整性的傳感器。在驗證個別技術的同時，上述所有任務還支撐了幾項針對航空航天和汽車工業的演示驗證項目。此外，其中一些演示驗證件可直接跨兩個行業共同發揮作用——如帆片式翼梢小翼和汽車后座地板。 航空航天演示驗證件：被證明適用于汽車工藝和生產速率 航空航天演示驗證件將驗證多種工藝：如纖維纏繞制造的氫儲罐；RTM工藝制成的翼盒；熱成型預浸料后緣、翼肋和翼梁；用纖維帶鋪放成型的曲面翼梢小翼蒙皮；由RTM非卷曲織物制成的帆片式翼梢小翼等。帆片式翼梢小翼（bladed wingtip）演示驗證件，是GKN航宇公司與邁凱倫汽車公司合作首個零部件。GKN航宇公司根據類似客戶的單通道飛機機翼設計，結合主題1任務中形成的新一代隨機拓撲優化軟件，設計了翼梢小翼，包括蒙皮、翼梁和翼肋。該部件數字模型已提供至邁凱倫公司相關研究團隊。目前該團隊正致力于利用汽車生產準則優化設計和流程，以實現更高的生產速率。這項工作的主要目標之一是使用一種可以將產距時間從1小時縮短至30分鐘的工藝生產零部件。這意味著，機翼蒙皮和翼梁預成型件需使用非卷曲織物并通過RTM工藝和專門的預成型工藝制造——這種材料和工藝最初由邁凱倫公司在其復合材料技術中心（MCTC）為汽車零部件生產研發。邁凱倫公司表示，其最新推出的Artura插電式混合動力電動汽車的全復合材料底盤，是促使邁凱倫參與ASCEND計劃合作的動因之一，也是邁凱倫復合材料技術中心自成立以來交付的第一款產品。被稱為邁凱倫碳纖維輕量化架構（MCLA）的全新底盤，實現了完全集成——完整的結構、地板、電池腔、碰撞結構、安裝硬件等都集成到一個單一的RTM成型組件中。邁凱倫表示，RTM工藝是過去15年中公司一直努力研發的東西。在過去5年中，公司一直在內部推進項目，并對自身的RTM系統進行了大量改進，其中一些改進將在航空航天領域發揮真正重要的作用。新的制造體系如何能夠實現時間縮短并提高產量？邁凱倫表示，高速率RTM確實是長期以來一直追求的關鍵技術，公司已經在整個材料供應鏈中研發了這項技術——包括工藝、樹脂配方，甚至延伸到了層切機新刀片的幾何形狀，以便能夠實現每小時切割數千塊碳纖維。該工藝的一項重大改進是開發了不需要在零部件之間進行清潔或維護的專用精密工具。零部件成型后，只需要機器人將零部件取出，制造工具即可以迅速投入下一個零部件的生產中。這種方式在以往注塑成型實踐中是比較常規的做法，但在復合材料行業幾乎沒有實現。在整個制造過程中，用于工藝過程監控的集成傳感器還可以實現對過程操作的高度可見。為了進一步縮短制造周期，邁凱倫公司還開發了專有預成型工藝，使用專門設計的成型機，每次可在兩分半到三分鐘內交付預成型件，并使用轉盤系統更換制造工具以適應不同的結構外形。然后將這些半固結的預制件置入RTM制造體系中，在自加熱工具上進行結構灌注與成型。上述技術均是為邁凱倫高性能公路汽車研發，雖然具體參數存在差異，但技術本身與航空航天制造領域存在很多明顯相似點。ASCEND計劃翼梢小翼被選為在航空航天零部件中驗證該技術的首個部件。翼梢小翼也體現了部分汽車工業的設計理念。邁凱倫公司認為，如果將翼梢小翼確定為汽車結構中的一部分，需要明確如何將它設計出來，如何通過工程方式實現，如何將它制造出來，同時也要深刻理解，如何利用新工藝技術將零部件產距時間縮短至以分鐘為單位計算。針對翼梢小翼項目，研究人員最終開發了自加熱和形狀記憶聚合物工具，進一步實現了降低成本、縮短加工時間。翼梢小翼研發工作的最后一部分任務，將在明年項目結束前完成。截至2023年初，該項目正在完成第一批相關零部件的制造，如熱成型翼肋等。汽車演示驗證件：驗證航空航天材料應用品種與質量 ASCEND計劃中的兩個主要汽車演示驗證件是后地板和車門。后地板在某些方面與許多航空航天裝備應用部位類似，均需要抗壓的表面蒙皮，后車架的一部分為汽車后部提供剛度，以在承受轉彎載荷、車體獲得制動力期間保持結構穩定性。此外對于汽車來說，它還是非常重要的、滿足空氣動力學要求的結構表面。翼梢小翼演示驗證件不僅是邁凱倫公司現有汽車制造技術向航空航天領域轉移應用的絕佳機會，同時也是研究開發下一代汽車制造技術的絕佳機遇。這項工作中面臨的下一個重大挑戰是消除制造過程中產生的材料和能源浪費。為此，邁凱倫公司已經開始研發自有的纖維帶沉積技術。這種專有工藝是自動纖維鋪放（AFP）技術的替代方案。自動纖維鋪放技術是用來獲得具有近凈形材料且零浪費纖維帶形式的主要方法，但這種工藝方法對于汽車制造業來說過于緩慢。為此，邁凱倫復合材料技術中心正在開發一種用于鋪放平面結構的高速纖維帶沉積工藝，然后可以對其進行預成型和RTM制造。邁凱倫汽車公司現已為ASCEND計劃制造了其車后地板演示驗證原型件，并于2022年底在Artura GT4車輛上進行了實車測試。新工藝帶來的好處顯而易見，包括高生產率，由于減少廢料而節省的材料成本，略微提高的結構剛度以及相比鋁合金部件顯著的結構減重效益。纖維帶材料和工藝由邁凱倫公司與ASCEND計劃中的合作伙伴共同研發，如Sigmatex公司就在其中發揮了關鍵作用。在完成汽車地板演示驗證件后，ASCEND計劃的下一步將是設計和制造汽車車門演示驗證件。該步驟將進一步增加難度和復雜性，其中包括安全和質量要求、負載情況，此外，由于車門結構需要在外表面涂漆，RTM結構表面也將受到進一步考驗。在改用纖維帶鋪放工藝后會面臨新挑戰，與GKN航宇公司的緊密合作和其帶入的專業技術能力對整個研發過程至關重要。使用纖維帶沉積工藝實現預成型與傳統方式存在細微差別——縫隙、重疊、延展等方面，纖維帶的穩定性與非卷曲織物存在極大不同。使用纖維帶預成型方面已經取得了很大發展，但這一切都基于現有的技術。新技術將有能力改變溫度、壓力、速度等，通過不斷磨合最后調配出最適用于纖維帶的最佳工藝參數。航空航天工業是纖維帶制造工藝驗證方面的專家。只要航空領域使用RTM工藝，就會用到纖維帶制造技術，所以航空航天領域對于纖維帶在制造基礎設施中的表現，以及通過何種流程進行驗證，具有充分的經驗。這項工作對于汽車工業來說是一個很好的學習機會，可以將汽車行業中使用的方法與其他不同行業進行比較，同時分享制造過程中的經驗教訓。航空航天工業也處于實時在線工藝檢測領域的前沿，這項工作對于汽車行業來說也同樣具有重要意義。后續工作：自動化RTM單元制造更多原型件 截至2023年初，前兩個主題（工具、材料和零部件級設計）的大部分工作已經完成，并且正在生產第一批零部件。邁凱倫公司汽車后地板演示驗證件已經完成制造，此外還有包括用于翼梢小翼的翼肋和翼梁。在GKN航宇公司的全球技術中心中，由ASCEND計劃合作伙伴Airborne設計的自動化預成型單元將于2023年8月完成部署，并將生產最終的翼梢小翼和翼盒演示驗證件。研究團隊還致力于提高已經開發的形狀記憶聚合物工具和熱成型翼肋演示驗證件的技術成熟度（TRL）。GKN航宇公司表示，之所以同時推進這么多項目，是因為公司主要關注產品，以及其中的所有需求。因此，公司在設計、材料、自動化、檢測等領域正在全方位推進工作，這些任務都要以滿足公司需求的高速度標注持續推進。這一切的努力最終不僅將帶來具有高技術成熟度的演示驗證零部件，還可以深入了解材料和工藝技術，并將其推廣至新一代航空航天裝備和汽車工業領域中應用。研究人員將不僅僅專注于在工廠制造零部件，還將共同構建起以最佳速度運營工廠的能力，同時擁有最好的材料和專業化高技能勞動力，以加速英國復合材料工業文化的發展。這對于ASCEND計劃的成功至關重要。