Spirit AeroSystems（美國(guó)堪薩斯州威奇托）于6月17日星期一2019年巴黎航空展（法國(guó)巴黎）首次推出一種專為下一代高容量單通道機(jī)身生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的新型復(fù)合材料制造技術(shù)。該技術(shù)在展覽會(huì)上展示了18英尺×12英尺的演示機(jī)身面板 - 被稱為ASTRA（Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture/先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)和革命性建筑） - 采用新型材料/工藝組合制造的集成桁條，現(xiàn)有架構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)方法相比，節(jié)約了了大概30%的成本。 “對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是對(duì)Spirit能做什么的一個(gè)很好的證明，”Spirit AeroSystems的研究和技術(shù)高級(jí)主管Eric Hein說(shuō)。

 

       Hein說(shuō)，差不多兩年前，該公司開(kāi)始研究下一代單通道飛機(jī)機(jī)身的潛在需求，并確定了必須克服的設(shè)計(jì)和M＆P挑戰(zhàn)，以使復(fù)合材料成為飛機(jī)制造商的可行選擇。

 

        首先，他說(shuō)，是速率的問(wèn)題。波音和空中客車公司估計(jì)，下一代單通道替代產(chǎn)品分別為737和A320，產(chǎn)量為60-100架。復(fù)合材料密集型波音787和空中客車A350目前分別以每月約14架和10架的速度制造。因此，下一代制造技術(shù)必須滿足比現(xiàn)有技術(shù)快4到10倍的生產(chǎn)速度。

 

       其次，Hein說(shuō)，與鋁相比，應(yīng)用于單通道飛機(jī)的現(xiàn)有復(fù)合材料和配置的重量和成本都很高。因此，為了使下一代復(fù)合材料機(jī)身外皮更具競(jìng)爭(zhēng)力，Hein說(shuō)，它們必須是幾層更薄 - 并且仍然滿足所有適用的沖擊和負(fù)載要求。

 

       因此，在過(guò)去的18個(gè)月中，Spirit AeroSystems進(jìn)行了貿(mào)易研究，并為廣泛的M＆P組合開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)值，旨在評(píng)估哪種組合為滿足Hein確定的費(fèi)率和成本目標(biāo)提供了最可行的途徑。對(duì)于費(fèi)率，該公司假設(shè)每月60個(gè)船舶。為了降低成本，該公司假設(shè)與現(xiàn)有的金屬材料相同。 Hein說(shuō)，貿(mào)易研究評(píng)估了高壓釜固化的預(yù)浸料，液體樹(shù)脂灌注（包括樹(shù)脂傳遞模塑）和熱塑性復(fù)合材料。所有這些都顯示出下一代單通道飛機(jī)的潛在可行性。 “我們相信復(fù)合飛機(jī)的未來(lái)可以以低成本的方式制造，”Hein說(shuō)。

 

       Spirit AeroSystems為ASTRA演示器選擇的組合是高壓滅菌預(yù)處理的預(yù)浸料，因?yàn)樗鼮榇_定的成本和速率目標(biāo)提供了最易管理的途徑。然而，達(dá)到這些目標(biāo)取決于對(duì)工具配置和面板架構(gòu)的一些新穎思考。

 

       為降低模具成本，Spirit AeroSystems將模具面與模具支撐結(jié)構(gòu)分離。在這樣做時(shí)，該公司選擇了較低成本的金屬支撐結(jié)構(gòu)，然后開(kāi)發(fā)了一種“浮動(dòng)”雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）模具面板，該面板位于該結(jié)構(gòu)上。這使得模具投資可以集中在最重要的地方 - 在零件制造表面上。

 

       面板最具創(chuàng)新性的方面可能是集成皮膚和縱梁的設(shè)計(jì)，這與傳統(tǒng)的復(fù)合機(jī)身皮膚/縱梁結(jié)構(gòu)有很大不同。對(duì)于787和A350，機(jī)身縱梁分別制造，然后插入機(jī)身蒙皮工具中的固定裝置/插槽中。然后將它們用通過(guò)自動(dòng)纖維鋪放（AFP）施加的單向碳纖維預(yù)浸料包裹以構(gòu)建表層壓板。然后將整個(gè)結(jié)構(gòu)在高壓釜中共固化。 787設(shè)計(jì)規(guī)定機(jī)身采用桶形段制造。 A350設(shè)計(jì)規(guī)定機(jī)身采用面板部分制造。

 

       Hein說(shuō)，當(dāng)前皮膚/縱梁結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)之一是每個(gè)縱梁雖然與皮膚共同固化，但是是一個(gè)不連續(xù)的部分，在縱梁位置之間產(chǎn)生不連續(xù)性。他說(shuō)，為了克服這個(gè)問(wèn)題，通常將幾毫米厚的碳纖維復(fù)合材料層壓板連接到機(jī)身蒙皮的內(nèi)表面，以填充每個(gè)縱梁之間的間隙，從而提供縱梁到縱梁的連續(xù)性。此外，在桁條的末端，這種不連續(xù)性通常通過(guò)使用緊固件來(lái)解決。

 

       ASTRA設(shè)計(jì)繞過(guò)這種架構(gòu)，Hein稱之為“板材縱梁技術(shù)”。采用這種技術(shù)，縱梁由首先放置在開(kāi)槽機(jī)身模具面上的碳纖維預(yù)浸料板制成。然后，使用真空成型，將片材拉入縱梁通道中，實(shí)際上產(chǎn)生波紋縱梁面板。然后，如現(xiàn)在所做的那樣，通過(guò)AFP覆蓋機(jī)身蒙皮，然后進(jìn)行高壓釜固化。結(jié)果是機(jī)身面板具有連續(xù)的內(nèi)部皮膚，具有完全集成的縱梁。

 

       隨著這種工具策略和面板架構(gòu)的建立，Spirit AeroSystems隨后與威奇塔州立大學(xué)的國(guó)家航空研究所（NIAR）合作開(kāi)展了一項(xiàng)測(cè)試機(jī)制，旨在評(píng)估皮膚和板條縱梁中的不同纖維組合。該公司測(cè)試了抗沖擊性，強(qiáng)度，疲勞，環(huán)境沖擊，雷擊，F(xiàn)ST（火焰，煙霧，毒性）和損傷容限。 Hein說(shuō)，它開(kāi)發(fā)的ASTRA機(jī)身結(jié)構(gòu)通過(guò)了所有的結(jié)構(gòu)測(cè)試，并滿足了公司目標(biāo)的減少的厚度。“

 

       "這項(xiàng)具有顛覆性的全新技術(shù)將為航空復(fù)合材料部件的制造成本和重量的降低帶來(lái)飛躍。例如，集成桁條加強(qiáng)板是機(jī)身內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，采用新方法可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制造，免去了許多現(xiàn)有的常規(guī)工藝步驟，其中包括一條獨(dú)立的桁條生產(chǎn)線，以及多種工具的使用。”

 

       Hein解釋說(shuō)，新方法集成了多種新技術(shù)，比如，無(wú)縫桁條加強(qiáng)板和蒙皮為連接結(jié)構(gòu)和其他部件提供了光滑、連續(xù)的表面；復(fù)合材料鋪絲鋪帶技術(shù)的更高效利用能夠有效實(shí)現(xiàn)減重；航空結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中使用無(wú)排氣氣囊系統(tǒng)能夠顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)；低成本制造工具的使用則能降低新技術(shù)的整體成本。

 

       另外，Spirit AeroSystems公司采用了東麗公司能夠顯著提高部件結(jié)構(gòu)性能的T1100/3960復(fù)合材料，以及A&P技術(shù)公司具有更優(yōu)加工性能的QISO編織物。這些新材料經(jīng)過(guò)上百次的試制和結(jié)構(gòu)測(cè)試，最終獲得了Spirit AeroSystems公司研發(fā)人員的認(rèn)可。