提示：本文中出鏡的中國國際復(fù)材展展商有迪芬巴赫、恩格爾。
TxV公司生產(chǎn)的飛機(jī)行李艙B支架具備高強(qiáng)度和復(fù)雜的幾何外觀，這都?xì)w因于采用了混合材料復(fù)合模塑工藝技術(shù)。
通常，航空航天企業(yè)愿意為獲得更加適合的復(fù)合材料零部件付出更多成本，因?yàn)樗麄冎肋@樣的付出必有回報。因?yàn)橘|(zhì)量輕，它能減少油耗；因?yàn)槟陀茫姆蹓勖L，還能減少運(yùn)維成本。這種從“全生命周期”考慮問題的視角為復(fù)合材料打開了很多終端應(yīng)用市場的大門。然而，即便具備上述種種優(yōu)勢，它在成本上的劣勢也是顯而易見的。眾所周知，現(xiàn)有條件下，復(fù)合材料零部件的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于金屬材料。
然而，這種局面正在悄然發(fā)生變化。
由美國TxV Aero Composites公司推出的新的復(fù)合材料自動化生產(chǎn)技術(shù)正在將低成本的天平向復(fù)合材料一方傾斜，這種技術(shù)被稱之為“混合材料復(fù)合模塑工藝”。
TxV Aero Composites公司是由美國Tri-Mack Plastics Manufacturing公司和英國威格斯公司（Victrex）共同成立的合資企業(yè)，其所推出的“混合材料復(fù)合模塑工藝”自問世起，目標(biāo)就直指商業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)。目前，TxV公司已與德國SFS intec Aircraft Components公司合作（以下簡稱SFS intec），放棄了此前一直采用的航空鋁料，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而推出了復(fù)合材料飛機(jī)行李艙支架產(chǎn)品，并具備了量產(chǎn)能力。該產(chǎn)品的成功面世，顯示出“混合材料復(fù)合模塑工藝”以及威格斯旗下品牌名為VICTREX AE 250的碳纖維/PAEK單向預(yù)浸帶產(chǎn)品在眾多航空領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。如果把傳統(tǒng)金屬部件的生產(chǎn)稱之為一種“減材工藝”，那么復(fù)合材料部件的生產(chǎn)則可稱之為一種“增材工藝”。
從“減材”到“增材”
機(jī)械師經(jīng)常戲稱自己是“廢料制造機(jī)”，因?yàn)樵趯⒔饘侔宀募庸こ蔀榻饘俨考倪^程中，會產(chǎn)生大量的碎片和廢料。它們或被回收、或被處理、或被旋即重新投入生產(chǎn)。但不管采用哪種方式，都改變不了浪費(fèi)的事實(shí)，還直接拉高了生產(chǎn)成本。據(jù)稱，以SFS intec公司生產(chǎn)的飛機(jī)行李艙鋁支架為例，在經(jīng)過一系列機(jī)加工環(huán)節(jié)之后，廢料的發(fā)生比率高達(dá)60%-70%。
正因?yàn)橛兄绱酥叩膹U料發(fā)生率，僅從原材料角度考慮，不管是生產(chǎn)凈成型還是近凈成型支架，復(fù)合材料的成本都比鋁低。“盡管鋁料便宜，但因?yàn)閺U料發(fā)生率高，給了復(fù)合材料從成本角度一較高下的機(jī)會。特別是當(dāng)BTF比率（購買-飛行比率）達(dá)到8:1（廢料發(fā)生率高達(dá)87.5%）的時候，大多數(shù)買來的鋁都浪費(fèi)了。”TxV公司高級客戶經(jīng)理Jonathan Sourkes表示，“另外，從生產(chǎn)周期角度考慮，復(fù)合材料也極具優(yōu)勢，它能夠?qū)⑸a(chǎn)周期從數(shù)小時縮短到數(shù)分鐘。”
除此之外，復(fù)合材料還能賦予零部件復(fù)雜的幾何外觀，從而滿足特定的載荷能力。這對于傳統(tǒng)工藝而言，是無法在低成本條件下實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。設(shè)想，如果以短切纖維為原料，輔之以注塑這類速度快、人工介入少的工藝，生產(chǎn)出的零部件成本較低，但無法獲得足夠的載荷能力；與之相反，如果以連續(xù)纖維為原料，輔之以速度慢、人工介入頻繁的工藝，生產(chǎn)出的零部件能夠獲得足夠的載荷能力，但造價卻十分昂貴。
基于以上矛盾的存在，復(fù)合材料行業(yè)投入了巨大的資源，意圖開發(fā)出一種兼具高效率、低成本，同時又能賦予零部件較高載荷能力的自動化生產(chǎn)工藝，以滿足航空航天領(lǐng)域客戶的特定需求。在此背景下，經(jīng)過威格斯公司和Tri-Mack公司協(xié)商，以推動PAEK基復(fù)合材料的航空應(yīng)用為己任，于2017年正式成立TxV公司。
虛擬原型設(shè)計(jì)：無需實(shí)際生產(chǎn)出樣件，TxV公司就可以對鋪放和片層取向進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，直到載荷能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
步驟二：坯料進(jìn)入自動模壓單元，用一熱一冷兩套壓板將其壓實(shí)、冷卻。
步驟三：B支架初始形態(tài)完成
步驟四：用水刀切割坯料，切出碳纖維/PAEK嵌入件。每個支架上需要2個這樣的嵌入件。
第五步，利用恩格爾公司（ENGEL）提供的高溫注塑機(jī)進(jìn)行復(fù)合模塑。將嵌入件置于注塑機(jī)腔體內(nèi)，并注入熔化的PEEK。由于嵌入件采用PAEK LM制造，熔點(diǎn)較低，表面部分會與熔融的PEEK緊密結(jié)合在一起。
步驟五：利用恩格爾高溫注塑機(jī)機(jī)進(jìn)行復(fù)合模塑成型
第六步，如果需要，還可對注塑成形的部件進(jìn)行機(jī)加工直至凈成型。“雖然我們的目標(biāo)是達(dá)到近凈成型，”Soukers解釋說，“但多數(shù)情況下，為了確保產(chǎn)品的實(shí)際幾何外觀與設(shè)計(jì)準(zhǔn)確無二，還需要進(jìn)行最小程度的機(jī)加工。”這部分操作通常利用水刀或者在CNC數(shù)控加工中心完成。
步驟六：B支架最終成型，生產(chǎn)周期約為3分鐘，BTF數(shù)值達(dá)到1.06:1，減重30%-40%。
由TxV公司推出的混合材料復(fù)合模塑工藝具備兩個關(guān)鍵優(yōu)勢。其一，對部件中連續(xù)纖維增強(qiáng)部分實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)；其二，充分利用注塑工藝生產(chǎn)效率高的特性并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的幾何外形。需要強(qiáng)調(diào)的是，在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的過程中，TxV先是生產(chǎn)出滿足載荷要求的片層（Laminates），再將其進(jìn)行復(fù)合模塑成型，實(shí)現(xiàn)其功能化，并賦予其最終的幾何外觀。SFS intec公司創(chuàng)新事業(yè)部主任Sascha Costabel表示說：“傳統(tǒng)工藝中，零部件的高載荷能力和復(fù)雜幾何外觀需要通過一系列操作才能實(shí)現(xiàn)。與之相比，TxV所推出的新工藝真是一個不錯的選擇。”
Sourkes表示，TxV公司將SFS視為絕佳的合作伙伴：“作為系統(tǒng)附件產(chǎn)品的全球領(lǐng)導(dǎo)者，SFS公司對新技術(shù)保有一貫的濃厚興趣。他們具備創(chuàng)新的精神，具有投資新技術(shù)的強(qiáng)烈意愿。” 另外，SFS intec公司還和航空界客戶保持著緊密的聯(lián)系，同時具備認(rèn)證資質(zhì)。這對于經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的航空零部件而言十分重要。
這款飛機(jī)行李艙支架也被稱為“B支架”，因其在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面都極具挑戰(zhàn)性，所以被選為首個利用復(fù)合材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的航空附件產(chǎn)品。借助Altair公司提供的有限元分析工具，經(jīng)過聯(lián)合工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)和模型設(shè)計(jì)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從第一個樣件開始就進(jìn)行了反復(fù)測試、驗(yàn)證并最終證明了模型的成功。TxV公司表示，研發(fā)的關(guān)鍵在于堅(jiān)持“設(shè)計(jì)服務(wù)于生產(chǎn)”的理念，在于充分利用了連續(xù)纖維自動鋪帶技術(shù)和短切纖維高速注塑技術(shù)的優(yōu)勢。
B支架的生產(chǎn)
在混合材料復(fù)合模塑工藝中，使用了相同級別、不同類型但特性突出的多種聚合物原材料。以B支架為例，與連續(xù)纖維增強(qiáng)部分配合使用的是PAEK，而在復(fù)合模塑外圍部分則采用了PEEK。PAEK和PEEK產(chǎn)品均由威格斯公司提供，具備卓越的抗疲勞性、耐化學(xué)腐蝕性，耐煙火毒性、快速成型性和出色的可焊接性。其中，VICTREX AE 250是一款低熔點(diǎn)PAEK材料（LM PAEK），熔點(diǎn)比PEEK低40攝氏度。“當(dāng)熔化的PEEK流經(jīng)LM PAEK復(fù)合材料表面時，二者會更好地熔結(jié)在一起。”
生產(chǎn)B支架時所采用的關(guān)鍵原材料包括：品牌名為VICTREX AE 250、寬度為2英寸的單向碳纖維/PAEK預(yù)浸帶（碳纖維含量58%）以及品牌名為VICTREX PEEK 150CA30的短切纖維PEEK模塑料（碳纖維含量30%）。這些原料在喂入混合材料復(fù)合模塑生產(chǎn)單元之后，歷經(jīng)下列步驟逐步成型：
第一步，利用迪芬巴赫提供的Fiberforge 2000鋪帶系統(tǒng)，鋪放碳纖維/PAEK預(yù)浸帶。“這是目前世界上最快的鋪帶系統(tǒng)之一，”Sourkes表示。它可以與機(jī)器人配合使用，無間斷裝填并鋪放預(yù)浸帶。整個鋪放過程經(jīng)過了嚴(yán)密的設(shè)計(jì)，以確保預(yù)浸帶之間最小的孔隙率。同時，每鋪放一層之前，都會對上一層進(jìn)行重新檢測。上述流程在嚴(yán)密控制的環(huán)境下進(jìn)行，確保不受外界雜物和碎屑（FOD）的干擾。
步驟1：利用迪芬巴赫Fiberforge 2000自動鋪帶機(jī)生產(chǎn)坯料。
第二步，在鋪放完成之后，坯料被送入自動模壓單元。先用一套加熱過的壓板壓實(shí)，去除內(nèi)部孔隙；再用一套冷壓板對坯料進(jìn)行冷卻。采取這樣“一冷一熱”兩套壓板的作業(yè)方式要比單純采用一套壓板效率更高。“直接的好處就是零部件的生產(chǎn)周期可以從數(shù)小時縮短到數(shù)分鐘。”Sourkes表示說。
第三步，壓實(shí)之后，形成預(yù)制件，并被送入下一個工作單元，完成支架的初始形態(tài)。
第四步，用Flow International公司提供的水刀對預(yù)制件進(jìn)行裁切，生產(chǎn)出碳纖維/PAEK嵌入件。
“每個項(xiàng)目都需要權(quán)衡預(yù)制件的尺寸。”Sourkes指出，”如果計(jì)算得當(dāng)，一塊預(yù)制件上可以切出3-4個長方形嵌入件。這樣做能夠有效減少浪費(fèi)，但會相應(yīng)延長水刀切割的作業(yè)時間。”以B支架為例，一塊預(yù)制件上能夠切出數(shù)塊小的嵌入件。
第五步，利用恩格爾公司（ENGEL）提供的高溫注塑機(jī)進(jìn)行復(fù)合模塑。將嵌入件置于注塑機(jī)腔體內(nèi)，并注入熔化的PEEK。由于嵌入件采用PAEK LM制造，熔點(diǎn)較低，表面部分會與熔融的PEEK緊密結(jié)合在一起。
第六步，如果需要，還可對注塑成形的部件進(jìn)行機(jī)加工直至凈成型。“雖然我們的目標(biāo)是達(dá)到近凈成型，”Soukers解釋說，“但多數(shù)情況下，為了確保產(chǎn)品的實(shí)際幾何外觀與設(shè)計(jì)準(zhǔn)確無二，還需要進(jìn)行最小程度的機(jī)加工。”這部分操作通常利用水刀或者在CNC數(shù)控加工中心完成。
突破性進(jìn)展
在B支架的生產(chǎn)過程中，混合材料復(fù)合模塑工藝成功地將生產(chǎn)周期控制在3分鐘，將BTF數(shù)值控制在1.06：1（廢料發(fā)生率約為5.7%）。“借此技術(shù)，原材料得到了最充分的利用，生產(chǎn)效率得到了提高，我們?yōu)榭蛻籼峁┝烁吒郊又档臒崴苄詮?fù)合材料零部件，還降低了金屬部件的設(shè)計(jì)成本。”生產(chǎn)結(jié)果顯示，B支架的重量下降了30%-40%，生產(chǎn)成本節(jié)約了20%-30%，其幾何外觀和各項(xiàng)參數(shù)性能均達(dá)到現(xiàn)有金屬部件水平。”如果給我們一個機(jī)會，對部件系統(tǒng)進(jìn)行完全重新設(shè)計(jì)，減重的比率最高能達(dá)到60%。”
此外，這款碳纖維/PAEK/PEEK行李艙支架還有效減少了部件的數(shù)量。此前，支架的配套底托采用PEEK材料制造，靠2個鉚釘固定在支架底部。如今，TxV和SFS雙方已商定利用同樣的復(fù)合模塑工藝，在支架底部直接復(fù)合成型一個底托。
毋庸置疑，混合材料復(fù)合模塑工藝的成功離不開TxV公司背后兩家股東的技術(shù)支持。Sourkes解釋說，完成PAEK材料和相關(guān)工藝的開發(fā)后，威格斯首先在現(xiàn)有合作伙伴中尋找合作機(jī)會。“然而，掌握注塑訣竅的公司往往不具備處理連續(xù)纖維的能力，而掌握連續(xù)纖維加工能力的公司又往往對注塑工藝知之甚少。”受此制約，在TxV公司和聚酮復(fù)合材料創(chuàng)新中心成立之前，威格斯和Tri-Mack公司對這兩個關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行了多年的合作研發(fā)。
在被要求對混合材料復(fù)合模塑工藝和傳統(tǒng)工藝進(jìn)行比較時，Soukes表示，傳統(tǒng)工藝無法對B支架進(jìn)行修復(fù)，尤其從成本角度考慮是極不可行的。
首飛認(rèn)證
借助SFS intec公司具備認(rèn)證資質(zhì)這一優(yōu)勢，雙方已經(jīng)為這款B支架申請了單獨(dú)的適航認(rèn)證。“因?yàn)锽支架需要懸空安裝在頭頂，在使用過程中很容易達(dá)到額定載荷。”Sourkes表示說，“尤其在起飛和降落階段，實(shí)際載荷會更大。”TxV公司和SFS公司希望這款部件能夠在2020年年初上機(jī)飛行。
一旦取得適航認(rèn)證，TxV將啟動B支架的量產(chǎn)工作。Sourkes強(qiáng)調(diào)說，TxV可以利用自有生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，也愿意為感興趣的潛在合作伙伴提供技術(shù)支持，利用他們的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。
這款B支架產(chǎn)品有望為同類復(fù)合材料產(chǎn)品打開更加廣闊的市場大門。根據(jù)預(yù)測，一架民航飛機(jī)上需要數(shù)以千計(jì)的支架及其他系統(tǒng)附件產(chǎn)品。一旦采用復(fù)合材料，這些產(chǎn)品將幫助飛機(jī)減少自重、降低成本。“毫無疑問，熱塑性復(fù)合材料零部件將在航空航天市場扮演越來越重要的角色。”Costable表示說。
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