新型热塑性复合材料设计概念及其自动化生产

玻璃钢 2010年第4期

译 文

新型热塑性复合材料设计概念

及其自动化生产

谢 薇 编译

（上海玻璃钢研究院有限公司，上海 201404）

摘 要

热塑性复合材料内在特性使其成为轻质、低成本航空构件的理想之选。这种复合材料具有高韧性、可再利用和极好的阻燃性能。

目前，我们正在朝生产大型主结构件的方向迈进，例如整体增强的蒙皮板。新材料、创新设计理念以及航空学是创新的关键因素。

1 迄今为止热塑性复合材料在航空上的应用

热塑性复合材料因其内在特性在航空领域越来越受欢迎。它们韧性高，使设计的产品分量轻。物理过程只是熔解没有固化周期，因此加工起来又快又好。它们卓越的FST （即阻燃、抗烟、防毒）性能以及循环利用性也是优势。空客公司最近与荷兰一家公司合作在TAPAS 项目上合作。一家名为TPRC 的热塑性复合材料国际研究中心也于2009年在荷兰成立了。 当前，越来越多的热塑性复合材料零件以

及组装件被用于最先进的飞机上。例如用于许

多飞机项目的多翼肋概念，以及空客A380上

采用Ten Gate 公司玻纤/PPS 制成的焊接固定

机翼前缘（图1）。

热塑性复合材料的主结构过去已有涉足。

Gulfstream 550以及G650飞机上的压力舱壁肋

板是一连串结构粘接的碳/PEI 夹层结构，带有

模压成型的补强件（图2）。

空客公司用热塑性复合材料制造了A400M 驾驶员座舱板，最近开始向焊接主控制面迈图1 空客A380机翼上的焊接固定机翼前端

进。新型Gulfstream G650商务飞机上的方向舵和升降舵（获JEC 2010创新奖）是感应焊接多翼肋扭转箱结构（图3）。

图2 Gulfstream G550和G650压力舱壁肋板 图3 焊接后的Gulfstream G650 热塑性材料舵 感应焊接是荷兰KVE 复合材料集团研究

的技术，由Fokker Aerostructures 公司工业化

（图4）。

采用碳/PPS （Ten Gate 公司先进复合材料）

的多翼肋设计要比采用碳/环氧夹层设计轻

10%，费用低20%。用焊接来代替胶黏剂粘接

和螺栓是节约成本的一个重要因素，模压成型

的翼肋以及蒙皮和加强杆的铺设/

加固减轻同

样如此。 2 整体增强热塑性蒙皮概念的发展

2003年诞生了一架用碳纤/PEKK 单向带（Cytec ）制成的客机（图5）。这种高建造率产品很适合航空技术，因此腹板和帽的预成型件的铺设方法采用选择和放置的方法。之后将其在同一个工艺中一起熔融，称为“共固化”。

在I 型梁形零件的开发过程中，需要一种方法来简化大量加强肋的生产。这种方法就是通过共固化将平层压板和基础I 型梁“对接”（图6）。

图5 热塑性地板横梁 图6 对接加强肋 图4 Gulfstream G650方向舵和升降舵的感应焊接

这证明一种有效的方法能比模压成型加强肋的原始设计生产起来简单的多。对接接头强度随后通过注模填充料来增加半径的方法进行优化（图7）。

对接设备的开发为创新设计开启了全新的机遇，比如正弦波梁（图8），通常在复合材料中是不易做到的。另一种源自对接概念的设计是整体增强的蒙皮板。T型增强件由平面预成型件制成，再与蒙皮共固化。该蒙皮板概念于2008年首创，并通过与荷兰国家航空实验室一起进行的剪切和压缩试验（图9）。

图7 用半径填充料对接图8 对接正弦波梁图9 整体对接的T型梁蒙皮板

3 大型热塑性主结构

荷兰的工业、研究院所以及空客公司自2005年起已联手在热塑性材料领域进行合作，2009年又加强了这方面的合作。由空客公司提议，荷兰经济事务部引入了多个荷兰公司与研究院所。他们与空客公司合作进行了一个长达4年名为TAPAS的项目：热塑性非昂贵型飞机主结构。TAPAS项目的目的是开发必要的热塑性复合材料技术，为未来的飞机项目制造大型主结构。开发的材料、生产工艺、设计概念以及工具必须达到技术准备6级水平（TRL）。与实物大小相同的样品作为该开发项目的一部分。面临的技术挑战包括：合适材料的开发及判定、对接以及生产技术，比如纤维焊接、模压成型和纤维铺放。

TAPAS项目的合作方有空客公司、Fokker 航空结构、Ten Gate公司、Airborne技术中心、KVE复合材料集团、DTC、Technobis纤维技术公司、Delft技术大学以及Twente大学。荷兰国家航空实验室同步进行相关的研究项目和测试项目。

4 超声波纤维铺放

纤维铺放对于双曲率的大表面积产品是一种选择铺设技术。目前可用的纤维铺放设备使用不同的加热装置，比如热气和激光。2008年，Fokker航空结构开始寻找合适的纤维铺放设备。遗憾的是，需要大笔先期投资，然而产量依然跟不上客户的要求，出现了供不应求的情况。在此背景下，超声波在费用相对低廉的情况下成为一种很好的加热来源选择。

Fokker 航空结构公司在超声点焊接经验方面具有很长的历史，比如把注射成型零件焊接到热塑性平板零件上。此外，A380固定机翼前缘蒙皮的铺设是通过超声点焊接来完成的（图10）。超声焊接是一种成熟的低成本焊接工艺。

尽管将一个平板在另一个平板上连续超声焊接曾经是比较困难的，但是，通过超声将薄的碳纤/单向带焊接在单向带堆层上似乎是可行的。最后，超声焊接装置合并到机器人的纤维铺放头内（图11）。

图10 超声焊接A380 J 型前端蒙皮 图11 超声纤维铺放头 最初的试验—用手工焊接10mm 宽的碳纤/PEKK 单向条是成功的。下一个步骤是在线轨上焊接。到2009年中期，荷兰航空学专家Boikon 建造了一个2×1×1米的3D 研发纤维铺放设备，它带有一个单独的10米宽的条。单向条以小部分带子的宽度熔化，足够依附在带子上。有了超声纤维铺放，就能成功快速将带子固定在下面的厚叠层板上，不会因放慢工艺而做无用功。一种新的固定机翼前缘概念由于该纤维铺放装置被搁置不用（图12）。

产品研发过程最初是作为Fokker 的内部产品

改进练习，现在却已成为欧洲构架项目的一部份，

该项目被称为COALESCE （成本高效先进前缘结

构）。

新的前缘是一种多翼肋薄蒙皮设计。机翼肋是

平板预成型件，在产品熔化（共固化）时将其对接

到蒙皮上。蒙皮是放置在指定模具上的纤维。两种

零件是同时制造的。在铺层上盖上隔板，真空包裹

起来，并且共固化。两种完成的零件之一见图14。

图13 平面肋预成型件 图14 共固化机翼前缘 一个双曲7m 长扭转箱样品正作为TAPAS 项目的一部分在开发。2011年将完成并经过测试。该产品是Gulfstream 650水平尾翼中心部分的重新设计（图15）。它的蒙皮完整展示了对接T 型增强筋。 超声焊接 装置

图12 对接正弦波梁