不铆、不焊造壁板-静水压膜固结·杨超凡

目前制造壁板（蒙皮与长桁）：铝合金壁板采用铆接、热固复材壁板使用共固化或共胶接、热塑复材壁板用焊接。近年，空客与有关单位，主要针对制造热塑复材壁板合作研发“静水压膜固结”工艺。

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空中客车公司和Siempelkamp公司展示了冲压工艺作为热塑性焊接的替代品，旨在实现每月制造100架“新A320”飞机和未来机动性制造。

长桁加固蒙皮的壁板

这款1.2 x 0.7米的碳纤维/PAEK挑战壁板采用了与蒙皮融合的预制长桁，该蒙皮采用实心下部工具（带长桁空腔）和薄金属膜作为上部工具（其后面有加热油），在一个短的冲压循环中施加静水压。

在德国联邦航空研究计划V-3（LuFoV-3）中，TRumpf项目是“高度集成的热塑性机身”的简称，旨在开发热塑性预浸料层压板的无热压罐固结，作为飞机机身制造的一种使工艺。德国航空航天中心（DLR）结构与设计学院（斯图加特）展示了其真空固结技术（VCT- vacuum consolidation technique）。DLR使用VCT生产带有集成长桁的曲面蒙皮，并结合电阻焊接来连接框和角片。但热塑性复合材料焊接也存在一些问题，因此，TRumpf正在开发另一种方法。

本文讨论了空客汉堡和斯塔德制造部与空客子公司复合材料技术中心（CTC- Composites Technology Center，德国斯塔德）和冲压生产线供应商Siempelkamp（德国克雷费尔德）合作领导的一个子项目，旨在设计一种替代制造工艺，用一步加热冲压技术代替焊接长桁，同时集成长桁、角片和甚至可能框。

“空客正在为下一代飞机开发技术，”汉堡空客制造部复合材料技术开发人员Alexei Vichniakov解释道。他目前专注于明天机身的热塑性技术。“如今的飞机使用铝和热固性复合材料，组装时需要钻孔和紧固件，包括连接过程所需的九个制造步骤。但热塑性复合材料能够简单地重新加热和再造预制材料（其具有货架稳定性和坚固性），实现了非常快速的固结循环，消除了目前热固性预浸料叠层所需的冷藏室和洁净室。”

他指出，热塑性复合材料也可以通过施加压力和热量熔合在一起，与铆接相比，这可以实现无尘连接（dustless joining）和低成本制造。维奇尼亚科夫说：“这是未来制造业的一个重要推动者，我们可以将系统和设备预安装到非常复杂的模块中，然后将它们干净地连接在一起。然而，我们不知道哪种技术会是最好的。”

“因此，我们（空中客车公司）正在开创各种方法，”他继续说道，“包括清洁天空2（Clean Sky 2）项目的多功能机身演示机（MFFD- multifunctional fuselage demonstrator），和其他欧洲项目，包括德国、法国和西班牙资助的国家项目，我们的合作伙伴正在开发使能技术。

TRumpf公司演示的静水压固结的项目就是其中一项技术，我们可以在无需热压罐或真空装袋所需的辅助材料的情况下快速连接零件”他承认，尽管这项技术还不够成熟，不足以被纳入MFFD，但它已经在使用碳纤维增强聚芳醚酮（PAEK）单向（UD- unidirectional）胶带制成的1.2 x 0.7米的部件上得到了证明，“以目前的知识水平，它可以应用于当前飞机上的小部件，也可以进一步开发用于更大的部件。”

在TRumpf计划中，空客确定了待制造的测试零件，而CTC负责复合材料的制造准备，包括蒙皮铺层和加强件的生产，以及项目文件。Siempelkamp负责模具的概念和设计，并在其实验室压力机中制造测试板。

CTC项目负责人Lennart Finger解释说，静水压力，定义为流体在所有方向上均匀施加的压力，本质上施加均匀的压力。“这种均匀的压力分布对于热塑性复合材料层压板的正确固结和成品内部结构的高质量至关重要。”

Siempelkamp研发主管Michael Schoeler表示，使用传统的硬钢模具一直是一个挑战。“由于材料的厚度公差，在某些区域施加的压力过大，因此在其他区域施加的力过小。此外，硬质工具模具无法为弯曲部件产生均匀的压力分布，因为由于角度增加，力在半径范围内减小（图1）。通过使用后面有加热流体的金属膜，我们可以在零件上施加非常均匀的静水压力，并减轻上下模具使用硬工具的缺点和公差问题。”

CTC主管雷莫·辛兹给出了更多细节：“我们需要一个工具概念，可以解决过去预浸料层在预成型件中厚度和厚度各为百分之几的问题。还有几十层，每层的位置公差在一个方向可能为0.5毫米，但在另一个方向上可能为2或3毫米。当你关闭一个没有薄膜的实心工具时，你会在某些方向上产生过压。”其他区域的压力和压力不足。”

Finger解释道，空中客车和Siempelkamp构想的工艺解决方案， “将预固结的长桁放入下模具中，然后将蒙皮放置在顶部，蒙皮表面接触上模具的薄膜。然后我们进行固结过程，将两个工具加热到蒙皮和长桁中的热塑性基体的熔融温度。然后我们使用压机保持模具闭合，同时在薄膜后面建立油压。泵或蓄压器连接，以使膜压在预制件的表面上。在这个过程中，所有的东西都被完全重熔，然后冷却，形成一个固结的、融合的、一体化的结构。”

Hinz表示：“我们的目标还在于将热塑性叠层快速整合成零件，并将这项技术转移到热固性预浸料上。”空客斯塔德制造部的复合材料制造工程师Jörg Schwicket表示，“还需要解决方案来满足提高的生产率。”该公司为空客生产所有飞机的垂直尾翼。

Schwicket还参与了“热塑性复材机身”项目。他解释道：“我们需要找到一种解决方案，在不增加热压罐数量的情况下，每月生产高速度的飞机。”。“我是研究大型碳纤维复合材料（CFRP）制造零件产业化的团队的一员，包括焊接等装配工艺。我们需要制造或多或少完美的零件的能力，并消除制造过程中补偿、测量零件等工作，保证满足更高的生产率。”

温度和工具

以前曾使用过膜。例如，在波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）领导的快速高性能制造（RAPM- RApid high-Performance Manufacturing）项目中，碳纤维/聚醚醚酮（PEKK）UD胶带被制成演示肋骨。（参见：微信短文《形状复杂复材小零件 快速成形》）

“开发的模具方法使用了一个薄的铝囊，在高温下用惰性气体加压，在冲压过程中膨胀以对零件的所有表面施加均匀的压力。这使得可以在使用缺少水平液压系统和控制装置的压力机时，保持对零件垂直凸缘的y垂直方向的静水压力。”

空客TRumpf项目经理保罗·约恩（Paul Jörn）表示：“德国项目TP Closed Box使用硅酮膜来压实热塑性复合材料预制件，但也存在问题。为了解决硅酮膜的问题，Siempelkamp设计了TRumpf的金属膜。”

Hinz指出，这是一个固结过程，而不是一个复杂的形状形成过程——长桁已经制造好，蒙皮相对平坦。尽管如此，公差仍然是一个问题，而且温度相当高。“对于热塑性复合材料固结过程，温度高达400°C”。Siempelkamp的TRumpf项目技术负责人Fabian Koeffers表示，Siempelkamp选择使用相对较薄的不锈钢膜，厚度小于1.0毫米。他说：“这允许有足够的灵活性将加热流体的压力通过薄膜施加到零件的表面上，包括在未来成型具有一定曲率的表面。”。

“为了满足沿模具分布热量的要求，” Koeffers补充道， “我们使用油，几十年来我们一直使用油来加热我们的压力机。上下工具都有油加热和冷却的通道，我们了解如何获得良好的热分布，尤其是冷却。冷却需要非常好的分布，因为如果零件表面的温差很大，这会导致质量差。此外，冷却过程也很复杂。”这是固结过程中最关键的一点，需要遵循特殊的“时间-温度曲线”，以开发飞机机身结构用热塑性塑料的高机械性能所需的结晶度。”

TRumpf测试板从简单的几何形状开始，以了解膜和材料行为。然而，随着正在制造的零件变得更加复杂，冲压工具也变得更加复杂。Schoeler解释道：“下部模具可以通过空腔添加加强元件”。“预制长桁适合这些空腔，但我们需要芯棒（插入物）对加筋腹板施加水平压力，并通过复杂的几何结构实现固结。“Koeffers解释说，“膜的作用就像它是弹性的，因此可以通过表皮层向芯棒施加压力（见上面的设计结果图）。水平压力是由芯棒的角度产生的，以在长桁腹板中施加均匀的压力，并保持其几何形状。整体膜的概念相对简单，但效果很好。”

Finger指出，这些芯棒还可以使零件容易脱模。“我们还在模具中使用液体脱模剂，以免除脱模箔，减少浪费。”Schoeler指出，芯棒的设计和公差对于高质量零件至关重要。“如果配合太松，则不会对长桁施加足够的压力。如果配合太紧，则我们可能会将材料挤出长桁空match腔以及其他问题。”Siempelkamp尝试了各种芯棒设计，以找到一种在整个过程中表现良好的设计。

Siempelkamp面临的一个问题是，热塑性塑料的热膨胀系数（CTE-thermal expansion）非常低，这与通常用于模具和型芯的钢的大膨胀系数截然不同。Schoeler指出：“重要的是要匹配零件和模具的CTE，以确保冷却过程中的良好固结”。一种解决方案是使用因瓦（Invar）或科瓦（Kovar）金属合金，它们在加热时膨胀最小，但它们也非常昂贵，且交付周期长。

因此，Siemelkamp转向了其铸造部门Siemelka Giesserei，该部门在大型金属铸件和合金方面拥有数十年的经验。在获得最适合热塑性复合材料热膨胀行为和TRumpf固结过程的材料之前，它研究了各种合金概念和分子晶格结构。Schoeler说：新的铸造合金被用于生产500 x 500毫米的测试模具，包括型芯”。“铸造模具的加工以及模具和型芯的固结试验均显示出最佳结果。”他指出，由于其制造优势和在复合材料固结过程中表现出的优异性能，这种合金比经典的机械加工殷钢模具具有竞争优势。

演示试件的挑战

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图2.高质量固结

预制长桁和角片如图所示，位于机加工的下部工具上，在将蒙皮叠层放置在顶部之前将其插入，然后按压以进行加固。对所产生的壁板进 行超声波C扫描（上图），除放置在零件中的热电偶（扫描右下方的虚线框）外，没有其他缺陷。

随着测试部件的复杂性增加，设计了几个挑战壁板，以证明该工艺能够一次性共同加固使用CF/PAEK UD胶带制成的长桁加强的机身壁板。

Finger说：“倒数第二个挑战面板的蒙皮约为1.2 x 0.7米，有三个直长桁、一个锯齿状桁条和四个角片，以展示不同的芯棒插入件以及我们巩固这些特征的能力。”锯齿状桁条的形状有局部变化，以适应其在整个帘布层构建和蒙皮脱落过程中的匹配表面。

Koeffers说：“我们在大约70分钟内制造了挑战面板。”。这个循环包括30分钟的上升、10分钟的保持和30分钟的冷却。“这是一次示范性试验，”他指出，“但如果有足够的加热和冷却能力，循环可以缩短到一小时。”

Finger说：“我们使用超声波C扫描检查检查了挑战部位的固结情况，没有发现任何缺陷。”。图2所示的颜色梯度，他说，“根据我们的检验技术人员，是一种常见的模式，是超声波探头频率和与零件耦合的结果。黑色虚线框显示了检测到的主要缺陷，这是一个用于监测零件温度的热电偶。没有发现其他缺陷”，尺寸为1.35 x 2.0米，弯曲半径为2.0米，正在制造和测试中。

过程控制：“我们在制造中有一个控制系统，”Schoeler解释道， “对于来自膜后油腔的压力，我们使用了另一个控制系统，我们可以将其添加到压力机控制中。对于温度，我们将热电偶放置在下模具板不同深度的孔中，这为我们提供了温度分布。我们还将一些热电偶放置在零件中，我们对模具本身有很好的了解，因此我们可以维护在整个过程中保match持规定的压力和温度分布，并知道这足以保证良好的零件质量。”

展示的好处，未来的应用

团队对迄今为止的成功感到满意，并看到了许多好处。Koeffers说：“我们将压力机的速度与热压罐施加的均匀压力相结合，但没有真空袋和辅助材料。”。此外，Vichniakov说，因为长桁在加固蒙皮的同时被集成在一起，“没有额外的制造工艺，所以这进一步减少了时间和成本。例如，这也为机身壁板制造打开了新的可能性，因为你不需要焊接它们，只需要焊接机身框。”

关于长桁的整合，该团队研究了两个方向的加固长桁。Vichniakov说：“我们生产了一个这样的测试match面板，长桁已经连接在一起了”。

“这是我认为我们可以利用这项技术实现的另一个真正的好处，而这项技术的推动因素是热塑性固结，而不是焊接。”但这不需要非常复杂的工具吗？“是的，”他承认， “这是我们调查的一部分。

我们正在研究集成的水平是合理的，一个方向或两个方向的加强件，以及这项技术的各种应用。但这也取决于生产速度。我们可以使用这一工艺快速生产蒙皮，然后焊接框。但我们在这个项目中生产的壁板显示加长桁的有效整合-我们是世界上第一个以这种方式实现的-我们相信这种方法有可能显著节省成本。”

维奇尼亚科夫指出，match如今用于复合材料飞机零件的热压罐工艺“非常耗时，而且使用了大量辅助材料。而对于机身壁板和其他弯曲部件，如果你试图用简单的垂直压力来加固这些部件，那么你就没有必要的水平压力。

他补充道，“我们在整个表面上施加20到30巴的静水压力，而不是热压罐通常的6到15巴的压力。现在没有其他技术可以做到这一点。”

金属膜（顶部）的柔性使得在固结部分（底部）的上侧/外侧形成倾斜层压板。薄膜将适应零件的整体几何形状，同时保持其弹性材料状态，不会发生永久变形。

这使得一种工具能够用于不同的叠层，通常用于不同厚度的零件。

Schwicket回到了速率和速度，这种方法不仅在过程中和过程之后，而且在过程之前。“对于我们生产的测试部件，蒙皮层非‍常松散地堆叠在一起，因此AFP（自动铺丝）铺放只需要容易处理，而且可以很快完成。

我们还应‍该致力于消除所有的剥离箔，因为这些高温热塑性塑料材料——比如卡普顿——非常昂贵。这是这种基于膜的生产将减轻的额外负担。”

Jörn表示，另一个成本节约是，“膜让我们摆脱了两个刚性工具中的一个，因此可以以低成本实现几何结构的微小变化。”Koeffers补充道，“例如，我们已经证明，薄膜可以压缩倾斜层预制件。这使得可以使用一种工具在零件中制造不同的叠层，并且通常可以制造不同厚度的部件”

Hinz表示，现在的重点是成熟和扩展这项技术，并展示其在所有组件上的潜力，而不仅仅是机身蒙皮。他说：“任何具有厚度变化的扁平或弯曲蒙皮都可以通过这种方式制成，有或没有集成的长桁和加强筋”。

“例如，这可以包括襟翼设计或门，也可以用于热固性复合材料，而不仅仅是热塑性塑料。”由于循环时间短，因此有可能将这项技术转化为城市或先进的高级空中机动（UAM- Urban Air Mobility /AAM- Advanced Air Mobility）。”

早在UAM/AAM开始每年需求数千架飞机之前，空中客车公司就已经大幅提高了窄体喷气式飞机的生产速度。

2021年5月，该公司宣布，到2024年第一季度，A320系列飞机的生产速率将达到70架/月，到2025年可能达到75架。

Vichniakov说，“对于更高的生产速率，我们生产零件的交付周期将大大缩短。这正是我们需要这项技术的原因，这项技术能够缩短壳体生产的交付周期”。

Schwickert补充道，“没有目前热固性复合材料生产中的所有工艺材料和废料。当你想到大部件的更高生产率时，有巨大的技术优势和差异，这使我们认为这项技术是未来飞机制造的基础技术分支之一。”

压力机的尺寸制造机身壁板的可行性

Siempelkamp具有它生产世界上最大的压力机生产线，包括一台77米长的双皮带压力机和一台30米高的金属成型压力机，力为500兆牛顿。

该公司向航空航天市场提供了类似的大型金属锻压机，包括美国铝业（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）的450兆牛顿压力机，用于生产波音和空客飞机以及F-35战斗机的金属框架和主要结构零件。它还为汽车行业提供了2500万牛顿的CFRP压力机。