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在航空领域加速应用的热塑性复材

来源:荣格-《国际复材技术商情》 发布时间:2021-09-06 1148
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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飞机制造商在未来20年将非常繁忙,而热塑性复合材料行业正在定位自己,以充分利用这一机遇。

据波音公司的《2020-2039年商业市场展望》(commercial Market Outlook for 2020-2039),到2039年,全球将有48,400架商用飞机飞行,比2019年多22,500架。与此同时,航空公司正在加快老旧飞机的更换周期,以提高其机队的效率和可持续性。热塑性复合材料可以帮助航空航天制造商满足这一迅速增长的需求。


热塑性塑料为这个行业提供了许多优势。轻质碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP)部件提供卓越的强度和刚度;耐腐蚀、耐化学、耐疲劳和耐久性。它们通常比同等的金属部件性能更好。


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它们也是一种可持续的材料。热塑性部件比相应的金属部件重量更轻,使航空公司能够减少燃料和碳排放。此外,热塑性复合材料是可回收的,所以制造商可以熔化和再利用生产废料和报废部件的材料。


生产速度是更广泛采用热塑性飞机部件的阻碍之一。在过去十年左右的时间里,热塑性塑料的布局、固结和零件成型过程与热固性塑料的相似。包括高压釜处理,其生产过程可能需要几个小时。


材料和制造业的发展为加快生产开辟了道路。通过使用自动化设备和非热压罐加工,制造商证明他们可以以更快的速度生产更高质量的热塑性塑料部件,使其成为飞机生产的一种成本效益高的选择。


设计师们也越来越习惯使用热塑性塑料。尤其是在欧洲,预测建模和软件增强了工程师对这种材料的信心。“人们对新材料总是充满疑虑,不知道如何在生产项目中设计和实施热塑性塑料。一旦原始设备制造商和一级供应商的工程团队了解了如何设计和使用它,并对制造过程有信心,就能够真正克服这种心理障碍。”Qarbon Aerospace的工程研发主管Evan Young说。

材料的进步

单向带(UDT)的升级就是热塑性塑料制造中使用的材料发生变化的一个例子。ATC制造公司的业务开发总监David Leach说:“从纤维的一致性、聚合物分布和预浸料内空隙的消除方面来说,材料的质量得到了改善。”材料一致性对于快速、大规模生产和自动化至关重要。


在纤维增强方面也取得了进展。航空航天设计师主要使用连续纤维热塑性塑料来实现飞机零件所需的强度和性能可预测性。但连续纤维材料在制造复杂零件时存在一些缺点。“通常这些部件的成型速度非常快,让纤维和层片在极短的时间内(通常是几秒钟)移动是一项挑战。”Leach 说,“如果采用不连续的形式,实际上可以制造更为复杂的零件,因为这允许在纤维方向上发生一些运动。”但零件设计人员对不连续纤维材料的性能有所担忧。


现在还有另一个选择。美国国防部高级研究计划局(DARPA)与特拉华大学复合材料中心合作,开发一种新型的低成本碳纤维复合材料原料和制造工艺。这种被称为凝灰岩(TuFF)的新材料可作为航天性能要求的小型金属部件的低成本替代品。该材料易于成型,制造商可以以与汽车零部件相同的生产速度生产航天质量的零部件。


新树脂也在加快加工速度。自 1980 年代以来,热塑性复合材料制造商一直在将聚芳醚酮 (PAEK) 家族中的树脂加入到他们的产品中。 然而,由于更苛刻的加工条件(例如高温),这些高性能聚合物很难使用。几年前,威格斯(Victrex)推出了低熔点 PAEK (LMPAEK™) 以加快速度。


开发LMPAEK是为了在这些高性能聚合物复合材料与自动化生产系统的可加工性和适用性之间找到平衡。这些材料需要的总能量更少,有助于显著提高处理速度。


低熔点PAEK在机械强度、耐化学性和其他特性方面与PAEK系列聚合物具有相似的性能,但其熔点比PAEK系列聚合物低约40摄氏度。Victrex全球战略营销经理Gilles Larroque表示,尽管这看起来并不重要,但在冲压成型、注射成型和自动纤维放置(AFP)等生产过程中,它会产生巨大的差异。


Victrex最近与航空工具和自动化制造商Electroimpact合作进行LMPAEK演示项目。“使用LMPAEK和自动化的纤维放置过程,我们已经能够达到100米每分钟的铺层速度。这几乎是类似PAEK UDT的四倍。”Larroque说。


2020年10月,Victrex和法国飞机制造商及设备供应商Daher宣布,他们已使用AFP和LMPAEK UDT生产了176层、1.2英寸厚的热塑性结构飞机面板。据Victrex称,该厚度在以前无法获得的。该公司表示,这种47 x 23英寸的面板在孔隙度、结晶度、固结度和粘合层方面符合航空工业标准。


“我们在这里看到的是独特的UDT性能对快速AFP工艺的贡献,这是由合作伙伴Coriolis Composites和Electroimpact公司开发和演示的。这种制造速度使热塑性复合材料在飞机设计的深远规模上取代金属成为可能。”Victrex航空航天总监Tim Herr评论道。


由AFP和LMPAEK制造的部件可以用于大型主要结构。这种材料也适用于承载高荷载的二级结构零件,如支架和系统附件。


LMPAEK树脂和由其制成的零件都必须通过航空工业认证,才能用于大规模生产。

减少生产时间

热塑性复合材料公司正在使用新设备来减少生产的时间和步骤。例如,连续压缩成型(CCM)使制造商能够以非常低的成本生产大量层压板。传统的压力机对所生产零件的尺寸有限制。Leach说:“随着层合板越来越大,所需的压力、温度、尺寸和设备成本都呈指数级增长。”


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一种用于大型零件的替代方法是真空加工。“AFP过程正在达到一个相当高的巩固水平,在那里你可能只需要一个最终的真空过程来完全巩固部分。”Leach说。


为了实现更大零件和可变厚度零件的生产所需的成本降低和速度,制造商需要转向自动铺层。用人工叠放和包装这些层是不切实际的。一些公司正在使用拾取和放置机器人系统,该系统可以铺设织物形式(干燥或预浸料)并增加或减少某些区域的层数。这使得制造商能够更容易地根据重量、刚度和强度来裁剪零件。


注塑二次成型用于加固飞机部件,为零件添加加强筋或附件。“如果您要使用连续纤维,几何形状会受到限制,而注塑成型可以为您提供更复杂的几何形状。”Leach 表示。在大批量生产时,这可能是一种非常经济高效的创建复杂形状的方法。


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尽管热塑性塑料的生产正在朝着更加自动化的生产方向发展,但在生产过程中仍然需要人工。Leach预计协作机器人(collaborative robots)的数量将会增加,这种机器人足够小、足够安全,可以在生产车间与人一起工作。协作机器人可以处理危险的、重复的工作部分,如转移热坯料到冲压机。这使人们能够从事需要判断力的工作,比如零件检查。

感应焊接

热塑性材料可以熔化和改造,这使得部件可以焊接在一起,从而制造出更大、更复杂的部件。焊接减少了对紧固件的需求,从而节省了生产时间,减轻了零件的重量,并且无需在层压板上打孔。


“任何复合材料设计师或应力工程师都会告诉你,复合材料的主要限制因素是紧固件。”Young说。
碳纤维增强塑料(CFRTP)的感应焊接在业界引起了广泛关注。该过程使用配备有感应线圈的机器人,该机器人会产生一个磁场,该磁场与碳纤维的电磁特性相互作用以感应加热。当两个碳纤维层压板接触,机器人将感应线圈移动到需要热量的区域上方时,就形成了焊缝。


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在过去三年中,Qarbon(前身为 Triumph Aerospace Structures)的一个项目团队一直在努力改进这一过程。由于各种碳纤维材料的电气特性各不相同,因此它们对感应焊接工艺的反应也不同。因此,Qarbon 团队获得了一种无需基座即可聚焦焊接能量的方法的专利,并开发了针对特定材料和工艺设计感应线圈的复杂方法。基座材料,通常是金属,有时包含在复合部件的接头处以引起加热,但可能会降低接头强度。Qarbon 的技术将使原始设备制造商能够使用最适合其需求的材料制造零件;然后制造商就可以为该材料和该部件创建优化的感应焊接线圈。


焊接后复合材料的强度没有降低。在与一家飞机OEM的测试项目中,Qarbon团队证明了感应焊接的接头强度超过了等效紧固件和其他连接技术的强度。
在开发感应焊接技术的过程中,项目组制作了一个类似于水平飞机尾部的扁平演示盒,以及一个类似于许多航空航天结构形状的弯曲盒。


Young表示:“我们已经准备好将这项技术应用到OEM的生产项目中,无论是城市空中交通、商业航空还是军事客户。我们希望采用他们的特定设计,并开始执行我们的知识产权。这样我们就能了解如何为他们优化的机身设计做出最好的制造。”


Young表示,有几家OEM对感应焊接部件表示了兴趣,他预计在未来两到三年内,感应焊接部件将搭载在演示飞机上。

城市空中交通

对热塑性复合材料部件感兴趣的不仅仅是传统飞机制造商。生产电动垂直起降车辆 (eVTOL) 的公司也明白它们的好处。这些城市空中交通工具将用于在大约 60 英里的范围内运送人员和包裹,需要热塑性部件提供的优势。


与标准飞机甚至是旋翼飞机相比,城市空中交通对重量的要求将更加关键。他们试图成为一种重复使用的飞行器,而且他们的操作节奏相当快。eVTOL将由电池提供动力,因此如果飞机要达到预期的航程,减轻重量是至关重要的。


eVTOL生产商也需要生产速度。“其中一些eVTOL公司表示,他们希望在未来十年每年建造4000辆。你不可能让热固性高压釜工艺达到每年4000台;与塑性材料系统相比,所需的基础设施将使空中出租车的经济性令人难以接受。”Young说。


热塑性复合材料可以解决这两个问题。他说:“与使用紧固件的钻填作业相比,我们使用的是机器人动态组装,因此制造速度更快。”制造商将享受重量和成本节省的双重价值。


eVTOL部门的接受也可以加快传统航空航天工业对热塑性塑料部件的采用。大多数原始设备制造商倾向于风险不利,一旦热塑性技术得到验证,它们将更容易接受。相反,eVTOL的OEM厂商似乎更关注市场速度,并愿意承担一定程度的风险。


“我认为更广泛的行业将开始接受结构热塑性塑料是未来的东西,而不仅仅是遥远的科学。我们真的能够将设计和制造过程结合起来,利用优势,达到我们需要的航空航天行业的成本和重量机会。” Young说。


来源:荣格-《国际复材技术商情》


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