降低成本的RTM工艺

空中客车不来梅公司的目标是用一次成型的多翼梁复合材料襟翼取代几十个预浸料部件和装配操作。

通过RTM 降低制造成本：空中客车公司不来梅的复合材料多段襟翼（CMF）项目通过将 26 个单独的碳预浸料部件（见图 1，下图）集成到通过树脂转移模塑（RTM）制成的单次成型、单元化结构中，简化了窄体飞机 7.4米长外侧襟翼的生产

图 1-常规襟翼结构：常规 CFRP 襟翼中使用的 26 个预浸零件。在运往不来梅进行多次组装操作之前，必须对其进行单独分层、热压管固化、机械加工和无损检查。

图 2-临时CMF 设计变更：如这些照片所示，最初的 CMF 设计用四到五个编织盒取代了桁条和肋。随后，这被修改为五个“双 T”（I 型梁）梁（如左图所示），使用 5 丝缎来提高纤维定向精度和工艺可扩展性

步骤 1：从切割干织物（或 SQRTM 部分的预浸料）开始进行全尺寸演示器制造。

步骤 2：使用激光投影系统将切割好的碎片精确地叠放在运输板上。

步骤 3：将包括底部表皮、前缘和顶部蒙皮的弯曲表皮预制件叠放在片状固定装置上，并用可重复使用的真空袋进行拆散。

步骤 4：同样，梁预制件的铺层被铺成 “双T” 心轴，并进行分解。

步骤 5a：在这里，下部 RTM 工具显示为已准备好并准备好预成型件的叠层。

步骤 5b：将“双 T”翼梁预制件装载到下部工具中。

步骤 5c：然后将弯曲的蒙皮预成型件（底部蒙皮、前缘和顶部蒙皮）装载到下部工具中。

步骤 6：关闭RTM 工具，然后加热至 100°C ，之后注入 HexFlow RTM 6 树脂。

步骤 7：将注入的部分升温至 180°C ，固化 2 小时，然后趁热脱模（结果见下一张照片）

在没有权衡的情况下节省成本：完成的 CMF，如图所示，未修剪（正面）、修剪、喷漆和完全装备（背面），已经证明（TRL 6）在不增加完全装备的襟翼重量的情况下，显著减少了零件物流和组装操作，并有可能节省超过 20%的成本。由空中客车公司不来梅（德国不来梅）领导的复合材料多段襟翼（CMF-Composite Multispar Flap）项目的目标是简化窄体商用飞机 7.4 米长的复杂外侧机翼襟翼的生产。空中客车不来梅公司负责襟翼、扰流板和其他高升力系 统的设计和制造，这些系统是优化起飞和降落的可移动 机翼部件。CMF 项目于 2005 年获得资助，由空中客车 工程师 York Roth 博士领导的多功能团队与合作伙伴 Radius Engineering（美国犹他州盐湖城）和 Faserinstituit Bremen（德国不来梅 FIBRE）密切合作，开始了设计研 究和可行性测试。该团队瞄准了 A320 机翼的外襟翼，该襟翼在当前生产版本中包括 26 个单独的碳纤维增强聚合物（CFRP）零件，包括两个蒙皮、前缘零件以及多个肋和翼梁。在 运往不来梅进行同样密集的组装过程之前，所有这些预 浸料部件必须单独分层、热压管固化、机械加工和无损 检查（见图 1，左侧）。金属端肋和载荷框架——后者能 够连接和载荷传递到机翼——必须安装在组装夹具中，然后安装肋和蒙皮桁条面板。技术人员为铆钉钻孔，然 后将复合材料和铝元件拆开，清除钻孔中的碎屑，并将 所有部件更换到夹具中。随后进行多个钻孔和铆接步骤，然后手动安装复合材料前缘和金属后缘部件。CMF 替代方案被设想为一个多段扭转箱，将包括前缘在内的所有 26 个预浸料部件集成到一个使用热压罐外（OOA）树脂传递模塑（RTM）技术制成的单元化结构中。空中客车公司不来梅的工业活动建筑师 Stefan Bauer 博士表示：“CMF 不仅可以消除大量的组装操作，还可以消除许多预浸部件的高交付周期和复杂的工艺链。”挑战将是如何设计零件并通过单次注射和固化以可接受的孔隙率制造这种现在封闭的结构，同时保持当前的程序公差。空客不来梅制造工程师 Mohamed Attia解释道：“由于需要将承载架与襟翼轨道相匹配，以连接到机翼上，并满足空气动力学要求，因此最终的几何形状必须精确。”。由于在不增加整个喷漆和配备的襟翼重量的情况下，潜在的成本节约超过 20%，空中客车不来梅接受了这一挑战。

完善设计

Bauer 回忆道：“最初的想法是用四到五个编织盒取代所有预浸料坯的桁条和肋条，然后是上下蒙皮。”
鲍尔指出：“主要的挑战之一是这个部分超过 7 米长。”“我们以前从未与 RTM 进行过如此大规模的合作。然而，Radius Engineering 是一个出色的合作伙伴。我们从小零件开始，一路向上规模。”2007 年建造了一个 1.5 米的截面，并进行了静态测试，以展示设计和工艺，达到了 4 级的技术准备水平（TRL）。到 2010 年，编织盒的想法已经被放弃了。Bauer 解释说，用于襟翼预成型的编织“袜子”的直径是恒定 的，但襟翼的宽度并不是恒定的。相反，它们是高度锥 形的，因此，箱形梁也是如此。这意味着编织物中的±45°纤维仅在编织物直径处最佳定向，编织物直径大致为箱 形梁长度的一半。在宽（≈200 mm）和窄（≈80 mm）端，纤维方向实际上不会是±45°。根据 Attia 的说法， 这种不太理想的纤维取向需要更大的性能降低，从而增 加重量以满足应力要求。他补充道：“干编织物很容易歪 斜。”这进一步使最佳纤维排列变得复杂。还需要考虑制造过程对工业生产率的可扩展性。对于编织箱梁，在工艺的早期需要原始工具来为预成型件提供成型心轴。如果使用“双 T”（也称为工字钢）翼梁，则可以使用伪心轴进行预成型，并且 RTM 心轴仅在零件注射和固化循环期间需要。考虑到上述因素，设计改为工字钢翼梁，采用传统的 5 丝缎织物。

制造全尺寸襟翼

新的基于 I-beam 的设计在 2010 年被用于生产全尺寸的演示器，并最终达到 TRL5。因为矩形比实际的锥形襟翼更容易制造，所以 CMF 的这一迭代是使用 7.8 米长的铝芯轴和 RTM 模具制造的，然后加工成其最终尺寸。芯轴和外表面工具都需要大量的工程设计。芯轴分为三部分以便于拆卸。Bauer 说：“对于厚零件，RTM很容易满足厚度公差。”。但 CMF 相对较薄，在加固区域为 2 毫米至 5 毫米。通常情况下，像这样的薄零件是使用预浸料和真空袋制造的，正如 Bauer 所解释的， “你主要会受到原材料树脂含量的公差影响，有些是由于单一的工具面。”但将 CMF 改为 RTM 导致零件厚度完全取决于两个铣削的工具表面。Bauer 指出：“工装精度对零件厚度的影响增加了一倍。”他补充道，“工装必须非常准确，以确保纤维体积含量在设计公差范围内。”他指出，由于零件的厚度会改变树脂含量，“在某些领域，如果你的工具偏差甚至小于 0.2 毫米，那么你就已经超出了纤维体积的公差。”零件生产始于蒙皮预制件的制造，通过使用激光投影系统将干织物铺在运输台上制成（步骤 1 和 2，左侧）。这种 5 丝缎织物是用来自 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德）的干碳纤维制成的。然后，将包括底部蒙皮、前缘和顶部蒙皮的弯曲蒙皮预成型件叠放在片状夹具上，并将翼梁预成型件类似地叠放在“双 T”芯轴中（步骤3 和 4）。在这两种情况下，都使用可重复使用的真空袋来对预成型件叠层进行拆散和成型。鲍尔承认，有许多处理和预成型步骤，后者需要非常注意准确性。“帘布层的边缘定位对达到公差至关重要，”他指出， “但是，你永远不知道预成型件是否正好在工具内部的位置。它在公差范围内吗？所以我们开发了一个创新的概念和工程设计来应对这一问题。”然后将蒙皮和工字钢翼梁预制件配对，放置在 RTM工具中并封装在 RTM 中（步骤 5-7），RTM 工具由 Radius Engineering 设计和制造。将工具、预成型件和树脂预热至约 100°C，注入树脂，然后将复合材料升温至 180°C的固化温度。使用 Hexcel 的 HexFlow RTM6 树脂是因为它是目前合格的主要 RTM 环氧树脂，用于空中客车公司的结构。Bauer 说：“这个部分非常复杂，我们不想像输液一样控制树脂的流动。”这个过程必须稳定可靠。通过控制真空和压力来解决孔隙率问题。“当然，模具设计很重要，”他指出，“选择温度是为了在加工过程中不会发生可能导致孔隙率的排气。”值得注意的是，如此大的零件只使用了一个注射点和一个出口。这是不寻常的，因为许多 RTM 零件的典型设置采用了多个注射点和出口点。Bauer 反驳道：“但这些问题在于你必须控制它们。”。“由于泄漏和流量问题，你必须控制的点越多，风险就越大。”他补充道，对于 CMF，注入只在一个点发生，但随后在工具内呈直线移动。Bauer 说：“这是一个非常简单但稳健的过程。”。“这是必须的，因为如果我们失去了一部分，那就不仅仅是一根肋骨，而是一整个 7 米长的襟翼。”经过 2 小时的固化循环后，成品零件在仍高于100°C 的情况下被热脱模，因为工具上的冷却会导致零件拆卸问题。使用铝制工具，尤其是在零件的强化载荷引入区域，可能会导致底切损坏，除非在金属收缩之前将其脱模。最后一个挑战是襟翼结构是一个封闭的盒子。Bauer解释说，这就提出了如何检查最终结构的问题。CMF 团队开始与总部位于不来梅的蒂森克虏伯系统工程公司合作，使用相控阵超声（UT-ultrasonic）无损检测系统检查已拆除的单元化零件，该系统使用单侧通道和水膜作为与零件表面的耦合剂。蒂森克虏伯帮助开发了检测技术和获得专利的无损检测设备，该设备使用弹簧加载来帮助将相控阵超声波聚焦在零件的轮廓上，并向内观察蒙皮下的翼梁以及翼梁和蒙皮之间的半径。事实上，该系统使用两个头部——一个沿着翼梁移动，另一个检查翼梁和蒙皮之间的半径——来加快速度并确保彻底检查。Bauer 解释道：“我们还使用不同的末端效应器一步到位地观察和检查这些区域。”。该团队还讨论了在使用中受损的襟翼的修复方法，包括检查、损伤去除和修补技术。闭箱结构提出的第二个问题是如何实现机翼的连接和载荷传递。以前，使用金属负载框架和端肋来实现这一点。尽管新的组合结构大大减少了机械紧固件，但金属载荷传递部件和金属后缘仍需要一些紧固件。Attia指出，CMF 较低的紧固件数量不仅降低了疲劳风险， “还降低了机械加工造成的纤维损伤。”他补充道， “在高度优化的复合材料层压板上钻孔在设计和制造方面都非常低效。”这也是不来梅研发团队继续推动更大程度的零件集成的原因之一。负载连接点的替代设计使用碳纤维增强材料，实现了从金属到复合材料的集成和转换。最初独立的金属后缘也已集成，转换为三明治结构，使用赢创（Evonik-德国埃森）闭孔泡沫和碳纤维蒙皮，与 CMF 的其余部分分层并 RTM 成型。Attia 解释道：“最初的 CMF 设计并没有完全优化，因为它本可以在一个全新的飞机设计中进行。”。“这是因为该解决方案是作为在役 A320 的改造设计而开发的，具有设计限制，特别是在载荷引入区域。”该团队认为，使用这些集成的 CFRP 后缘和载荷传递部件，可以将 CMF 的成本节约提高到 30%。

准备工业化

全尺寸的演示器取得了成功，并在 2013 年法国巴黎 JEC 欧洲展上展出。Bauer 警告说，如图所示，制造步骤尚未工业化。一旦实现，其中许多——例如，织物叠层、拆封、将工具放入 RTM 模具——都将使用机器人实现自动化。
当该工艺投入生产时，当在一个 RTM 循环中有这么多以前分离的部件共同固化在一起时，是否会出现潜在的粘合问题？Bauer 说没有。“这种分层的问题是典型的预浸料，”他说。“RTM 的问题是孔隙率。”正如大多数航空航天结构的典型情况一样，复合材料机翼襟翼的孔隙率必须小于 1%。Bauer 说，对于 CMF 来说，风险在于零件的大面积以及蒙皮和翼梁之间半径内可能存在的孔隙率。他说：“经过 NDI 的验证，我们已经在沿着桅杆的整个长度上实现了良好的层压质量。”“就半径而言，这不容易检查孔隙率，但我们在开发的检查方法中结合设计中使用的击倒因素进行了处理。”Bauer 说：“CMF 技术已经为工业化做好了准备。”“一年前，它通过了 TRL 6 审查，这意味着它已经脱离了研发阶段，准备在未来的平台上采用。”他补充说，这种新方法也可以用于其他飞机部件。纵观空客不来梅的生产车间，以及 A320 襟翼当前组装过程中的所有零件，所有这些操作会发生什么？Bauer回答说，他们将减少，主要由铺放预成形代替。这就是目标吗？Bauer 和 Attia 都回应说，商用飞机复合材料生产的唯一未来是变得越来越高效。CMF 项目的工艺将预浸料与 RTM 相结合为了实现简化窄体飞机外侧机翼襟翼生产的目标，由空中客车公司不来梅（德国不来梅）领导的复合材料多段襟翼（CMF）项目展示了将 26 个碳纤维增强聚合物（CFRP）部件集成到一个一体式结构中，该结构通过单次注射树脂转移成型（RTM）工艺注射和固化。除了演示使用干织物和液体树脂的传统 RTM 工艺生产新 CMF 外，空中客车不来梅团队还演示了使用 Radius Engineering 开发的相同质量的树脂传递模塑（SQRTM- Same Qualified Resin Transfer Molding）工艺制造零件。SQRTM使用预浸料叠层而不是干织物预成型件，RTM 工艺注入与预浸料中使用的树脂相同的树脂，但呈液体形式。这种方法的好处是避免了任何对新材料进行鉴定的需要。为什么选择 SQRTM？因为 CMF 概念可以应用于其他结构，例如机翼内侧襟翼。然而，正如空客不来梅公司的工业活动建筑师 Stefan Bauer 博士所解释的那样，内侧襟翼必须承受跑道碎片的冲击，因此需要一个钢化树脂系统。“我们没有合格的 RTM 增韧树脂系统，”他补充道，“因此，SQRTM 的可行性也在 CMF 项目中的 7.8 米全尺寸组件上得到了证明，并取得了良好的效果。概念基本相同。”Bauer 表示，干织物RTM 和SQRTM工艺变体都已准备好工业化。

补充图片

原文见《 Reducing manufacturing cost via RTM 》2015.11.30．杨超凡 2023.8.16

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