柯林斯航空航天公司利用全球团队数十年的经验，为下一代飞机展示大型弯曲AFP和焊接结构。
全热塑性复合材料扇形整流罩开拓者。柯林斯航空航天公司正在开发一种扇形整流罩（白色，左侧最顶部结构）作为探路者部件，以推进其热塑性复合材料结构路线图，包括大型弯曲蒙皮的自动纤维放置（AFP）（右上）和冲压帽加强件部分的熔接（右下），这些加强件将被焊接成一个集成结构 柯林斯航空航天公司（美国北卡罗来纳州夏洛特市） 是世界上最大的航空航天和国防工业供应商之一。它成立于2018年，当时联合技术公司(UTC)收购了罗克韦尔柯林斯，并将其与自己的航空航天和国防业务联合技术航空航天系统公司合并。在 UTC和雷神公司成功合 并后，柯林斯公司后来成为RTX的一个实体。如今，柯林斯航空航天公司是RTX的三个子公司之一（以及雷神公司和普惠公司），由六个战略业务部门组成——先进结构、航空电子、互联航空解决方案、内饰、任务系统和动力与控制。 Aerostructures是柯林斯高级结构部门的一个投资组合，在全球15个地点拥有6000多名员工，专门从事航空发动机短舱、热塑性复合材料和吊挂。柯林斯公司已经为大约 35个商业和军事项目提供了40000多个短 舱。其中仅空中客车就有近20000个短舱，普惠GTF发动机短舱目前正在2024年投入使用的空中客车 A321XLR 上进行飞行测试。 Rohr对柯林斯短舱的创新 Fred Rohr为Charles Lindbergh的《圣路易斯精神》(Spirit of St.Louis)设计了油箱，并于1940年创立了Rohr飞机公司。他还发明了第一个用于成型铝板的落锤，极大地加快了航空发动机短舱进气唇的成型过程。在第二次世界大战期间，Rohr Aircraft 是世界上最大的航空推进组件生产商，到1965年，其制造的喷气发动机动力装置和推力反向器数量超过了世界上任何其他制造商。1965年Fred Rohr 去世后，该公司实现了多元化，生产卫星天线、火箭发动机部件、深潜/海军舰艇和地面运输，如BART汽车。1986年， Rohr在Chula Vista工厂建立了一个碳碳和高温复合材料实验室。到1990 年，Rohr再次将重点放在先进的结构、短舱和吊挂上，并在全 球范围内建立了生产基地。Rohr于1997年与Goodrich合并成立Goodrich Aerostructures，并于2012年被UTC收购。 短舱也体现了柯林斯航空航天公司在复合材料及其美国加利福尼亚州里弗赛德工厂的悠久历史，该工厂于1952年由短舱、推力反向器和吊挂的长期领导者Rohr Aircraft（美国加利福尼亚州Chula Vista）开设。现在，河滨工厂(Riverside site)是一条新的热塑性复合材料(TPC)航空结构试点生产线的所在地，也是两个合作生产窄体 飞机发动短舱全TPC、2 米直径风扇罩的工厂之一，作 为一个开拓者项目。 柯林斯航空航天公司于2021年收购的第二家工厂之前是荷兰热塑性组件公司（DTC，荷兰阿尔梅尔）。该公司由David Manten于1998年创建，为12架不同的大 型客机和公务机制造2000多个独特的零件号，包括肋、 抗剪腹板、剪切复板、加强筋、夹子和夹板。柯林斯航空航天公司热塑性复合材料总经理Manten表示:“我们作为小型结构热塑性合成材料零件的制造商有20多年的历史，已经生产了150万个冲压成型零件。 ” 。“但即使在收购之前，我们就已经开始开发厚度可变、形状更复杂的更大零件。 ” 柯林斯航空公司热塑性复合材料首席工程师Dan Ursenbach指出，这个短舱开拓者部分是全球柯林斯航 空公司TPC团队开发的。 “我们使用AFP（自动纤维 放置）制作了一个大蒙皮，冲压成型帽子加强件，然后 将这些部件焊接在一起。所有这些都得到了基于知识的 数字工具的支持，目标是在未来两年内达到 TRLtechnology readiness level（技术准备水平）6。 ” 这听起来很简单，但柯林斯航空航天公司复合材料高级技术研究员Michel van Tooren解释了实际的复杂性。 他说： “我们不得不研究这一过程的许多方面，以及如何使其适用于工业生产——如何为具有集成雷击保护(LSP-lightning strike protection)和热压罐外(OOA-out-of-autoclave) 固结的大型弯曲蒙皮提供AFP，以及如何对冲压加强筋进行感应焊接。 ” 尽管挑战很大，但不断增长的成就也是如此。Van Tooren说： “你可以看到许多大型TPC静态演示者， 尤其是在欧洲，但还没有任何东西在飞行。这将是AFP制造的最大的TPC部件。 ”事实上，这个短舱的认证将是这个开拓者的最终成就之一，但这只是柯林斯TPC技术的开始。 为什么选择 TPC？ Manten说： “热塑性塑料的主要原因是有机会实现 制造自动化，并在每个过程中获得显著的循环时间。 ” 。 “与此同时，我们可以通过消除紧固件来实现重量节省。 重量节省和速率提高是两个主要驱动因素。我们正在为下一代飞机做好准备，我们预计下一代的飞机将使用更 多的复合材料和大量的复合材料制造。我们的复合材料技术必须能够满足这些速率，这就是热塑性复合材料所能实现的。 ” Ursenbach提到了波音公司的一项研究，该研究表明，使用自动切割和装配、手工叠层和热压罐固化将热 固性复合材料翼肋的循环时间从400分钟缩短到使用冲 压成型的TPC零件的45分钟。通过消除材料的冷冻储存和解冻（热固性预浸料所需）以及热压罐固化（这是能源和时间密集型的），制造业得到了进一步的改进。 Ursenbach说： “我们进入连续纤维TPC生产部件的第一步是A320短舱的梁(longeron)。 “这是我们已经在使用手工叠层和热压罐固化制造的一个零件。2018年， 我们开始与包括DTC在内的TPC公司讨论将其作为TPC零件的可行性。预计的好处是巨大的，因此我们开始与DTC合作，将梁(longeron)作为冲压成型的TPC零件生产。当我们开始研究短舱中的其他零件时，很明显， 这就是对的。我们的客户群也给了我们很多鼓励，他们 期待着下一代飞机和每月75 架以上单通道商用飞机的生产率。 ” 为什么是机舱开拓者？ 柯林斯航空航天公司高级结构工程和战略计划副总监Christian Soria 表示： “柯林斯航空结构公司一直处于复合材料开发的前沿。 ” “当我们决定开始开发TPC时，我们想确保我们涵盖了最终全面应用于我们的 产品所需的全部技术和能力领域。作为一个团队，我们定义了使我们能够生产和制造大型复杂组件（如短舱组件）的关键要素，并由此制定了差异化的路线图技术。 ” 图 1. 热塑性复合材料（TPC）开发路线图。柯林斯航空航天公司于 2021 年收购了荷兰热塑性组件公司（DTC），并在其位于美国加利福尼亚州里弗赛德的机舱制造厂安装了一条试验性TPC生产线。这些互补的工厂在各种路线图技术方面进行了交叉培训，以利用专业知识，并作为一个单一的全球团队发展壮大。 Ursenbach补充道： “我们选择风扇罩作为我们的开拓者，因为它可以在一个产品中驱动大多数关键的TPC过程。 ” “我们需要开发冲压成形，将冲压成形的零件连接成更大的加强件，也需要将超出冲压成形的 大蒙皮连接成AFP，以及将这些更大的增强件连续、更长地焊接到AFP蒙皮。风扇罩包括制造大多数类型的商用航空结构所需的所有元件，但足够简单，可以在合 理的时间内实现。 ” 。这也是我们可以在飞机上进行飞行测试并在实际产品上实施的一部分，以获得在役反馈。 ”他补充道，认证是这项技术发展的一个关键要素， “但这在行业中还没有得到很好的定义，因为没有很多焊接TPC结构通过认证。 ” DTC，Riverside试点线路，TRL目标 柯林斯公司在定义其 TPC 技术路线图时（图 1）， 对该行业进行了调查，以了解其他公司在做什么。Soria说： “我们意识到像DTC这样的玩家已经是专家了。 ” 。 “我们可以尝试有机地发展同样的能力，或者我们可以收购像DTC这样的人，并将他们带到我们的团队中， 在行业还没有那么先进的领域提供帮助。我们就是这么做的。我们正在努力完成我们的路线图，并使这些技术 成熟。 ”他指出，河滨（Riverside）的试验线强调了DTC没有那么关注的技术块， “但我们也在不同地点之间进行交叉培训，这样我们就可以利用来回学习的机会，作为一个热塑性复合材料团队成长起来。 ”在阿尔梅雷， 柯林斯还扩大了先进的冲压成型和焊接能力。 Ursenbach说： “我们不想偏向于某个特定的过程。 ” ， “但相反，我们能够以制造所需的方式设计TPC零件。 要做到这一点，我们需要将所有流程放在一个屋檐下。 这使我们能够优化每一步，并帮助我们的工程师理解流程。我们有40年的时间来迭代和优化热固性复合材料零件的组装方式。我们希望通过TPC零件尽可能加快 这一过程。 ” 图2. 中试生产线。Riverside的TPC中试生产线包括风机整流罩探路器部分演示的全过程链，从用于帽加劲肋部分的ATL坯料到将熔接加劲肋感应焊接到蒙皮 Soria 指出，试验线已建在河滨(Riverside)的工厂中， 目前每天都在那里生产商业零件（图 2）。他说： “我们想确保在开发这些技术的同时，我们也在证明它们可以工业化，而不仅仅是在实验室环境中 ” 。工作中试生产线中的设备能够进行低速率的商业生产。目前，该生产线包括一个Boikon(Leek，Netherlands)FALKO高速 （高达450平方米/小时）自动铺带(ATL)工作站，用于生产定制坯件和近净形状的冲压件，一个Pinette Emidecau Industries(PEI，Chalon Sur Saone，France)245 公吨冲压机，Wisconsin oven（美国威斯康星州东特洛伊） 的一个用于OOA固结的大型烤箱，用于自动材料和零件处理的双 KUKA（德国奥格斯堡）机器人，以及得益于Van Tooren多年的技术经验而在内部开发的感应焊接工作站。 如图6所示，1，柯林斯正在同时成熟路线图技术， 但有些技术已经达到了更高的 TRL。Manten 说： “更小、更简单的零件的冲压成形已经完全成熟和工业化， 但具有厚度变化的复杂和更大的零件仍在优化中。对于用AFP制成的大蒙皮和焊接，我们处于TRL 4到6之间。 ” 。对于已完成的焊接组件，我们正在考虑2026年的TRL 6。 ” 开拓者零件设计，工艺链 第一个问题是将热固性复合材料零件转换为TPC。 Soria说： “我们的设计工程团队研究了如何利用TPC制造工艺。 ” 。 “我们仍在经历一条学习曲线，因为这 些过程开辟了一个不同的设计空间，工程师们必须考虑 一套不同的工具来设计TPC零件。我们开始与制造工程师进行迭代，从David和他在 Almere的团队那里获得了意见，然后Michel van Tooren加入了我们的团队，并 就制造和如何重新设计提供了建议仔细想想设计。 ” 该团队开始最终确定风扇罩不同部件的工艺链。Soria说： “我们已经知道我们需要以某种方式将零件焊接在一 起，但不知道哪种焊接方法适合风扇罩。 ” 。 “因此，我们 开始探索广泛的领域，包括感应、超声波、红外和传导焊接。目前，我们发现它们在我们产品的不同领域都有 用途——长连续焊缝、局部焊缝、盲焊。我们还开始与DTC合作，研究如何冲压成型风机整流罩的大加强筋， 在我们研究冲压大蒙皮的同时，我们也开始了AFP，知 道以后更大面积的材料需要它。 ” 柯林斯航空公司收购荷兰热塑性塑料组件用于复合材料的 热塑性聚合物柯林斯航空航天公司通过DTC（顶部）获得了重要的冲压专业知识，并继续探索和鉴定用于集成TPC结构的热塑性聚合物。 Ursenbach补充道： “我们完成了为期一年的两个公司之间的知识转移”“DTC拥有冲压专业知识， 但Riverside的Collins拥有AFP和焊接专业知识。因此，我们花时间将所有这些知识编成法典，并制作零件，以便在现场之间传递工艺知识。” 柯林斯公司合格的碳纤维/PEEK单向(UD)预浸带用于A320机舱梁(longeron)，但现在正在研究用于开 拓者风扇整流罩的LM-PAEK和PPS材料。正如2022年的文章《热塑性复合材料焊接进展…》中所解释的那样， 与其他聚芳基酮聚合物相比，LM-PAEK的加工温度更低，因此已成为TPC焊接的首选材料。Van Tooren说： “LM-PAEK的快速铺放和较低的温度固结使其能够更好地流经工艺链。 ” “我们在风扇整流罩上主要使用UD预浸带，但也使用了一些织物来帮助实现高度轮廓化的部件。 ” 固结炉中的热塑性复合材料风扇整流罩蒙皮原型位于美国加利福尼亚州里弗赛德的柯林斯航空航天试验生产线的一部分，位于固结炉中的TPC风扇整流罩蒙皮原型。 优化流程链、演示器状态 开拓者扇形整流罩的工艺链从弯曲蒙皮的AFP叠层开始。Van Tooren解释道： “AFP机器已经为行业做好了准备，但这个过程仍然需要大量的工作。 ” “例 如，短舱结构需要铜网 LSP，必须在外层。此外，TPC预浸料不像热固性复合材料预浸料那样粘稠，所以将预浸带放入工具中并不容易。我们刚开始时的标准做法是 放入聚酰亚胺薄膜并将其粘在一起。这适用于开发，但不适用于生产。在过去的两年里，我们已经成熟了如何创建带有局部加强的大曲面蒙皮，将LSP集成到这些叠层中，并确保我们获得正确的表面质量，以及OOA固结所需的质量。 ” 图3. 材料搬运，AFP 曲面蒙皮。中试生产线包括机器人操作和焊接熔接帽加强件（白色半圆，上图）。该单元的右侧是一个用于参数开发和验证的小型感应焊接工作站，然后是AFP工作站，其中完成了2米直径的风扇整流罩蒙皮叠层（底部）。 该团队选择了快速铺放和OOA固结，而不是不需要二次固结步骤的原位固结（ISC-in-situ consolidation）。 “根据我们的经验， ”Van Tooren解释道， “ISC 很慢， 与AFP固结层压板相比，层压板蒙皮的强度下降将超过30%。 ”Ursenbach 指出，这似乎是由于缺乏足够的时间进行直接接触和压实(reptation)（聚合物在层压板之间的缠绕）。在烘箱中进行OOA固结是团队策略的一部分，以摆脱热压罐的批量处理和由于对流传热效率低而导致的长循环时间。然而，挑战依然存在。Ursenbach说： “TPC材料的加工温度较高，限制了可以使用的工具和工艺辅助材料。 ” 。 “例如，不能选择可重复使用的硅胶袋。 ” 用于风扇罩的热塑性复合材料帽加强件。 蒙皮在圆周方向上由空心帽加劲肋加固。Van Tooren说： “这些部分直径约为8英尺，虽然看起来很简单，但它们的长度和宽度都是弯曲的。 ” 。 “我们发现它们太大了，无法一次冲压。相反，我们需要冲压分段并将它们连接在一起。如何在没有机械紧固件的情况 下做到这一点，而是利用TPC的能力重新熔化和再固化，需要付出很多努力。这导致了我们称之为熔接的专利工艺。我们现在能够制造这些大型加强件，我们正在努力制造更大的加强件以及更长的零件。 ” 图 4. 将加强筋感应焊接到蒙皮上。安装在机器人上的感应焊接头（顶部）在焊接线上移动感应 线圈—在这种情况下，原型加强件和蒙皮由焊接工具（灰色）顶部的夹具（白色）固定，该夹具 也控制散热。在底部，一个焊接的加强筋蒙皮原型坐在热固性复合材料风扇罩的前面。 接下来，使用安装在机器人上的感应焊接头将加劲 肋感应焊接到蒙皮上（图 3 和图 4）。Van Tooren解释道： “由于焊接是在没有任何额外材料的情况下进行的， 这需要对零件和焊接工艺进行适当的设计，以在它们之间建立紧密的接触。 ” 。 “加强筋和蒙皮被装载到一个夹具中，该夹具将零件推到一起，然后机器人在焊缝上 移动感应线圈。焊接工具由不同的专有材料组合制成， 以允许以可控的速度散热。整个过程中，温度和压力都 通过机器人和安装在工具上的传感器进行监测。我们付出了很多努力开发工具，以便在焊接时最好地控制形状和热量。 ”在工艺的加热、重熔和冷却阶段，工装必须 保持焊接零件上的压力。控制焊缝处的热量也很重要， 以避免在零件中产生热应力。Van Tooren指出： “你还必须确保在这个过程中不会破坏空气动力学表面质量。 ” “为了验证焊接质量，我们一直在通过各种试片测试 （搭接剪切、拉拔测试等）支持的实验设计来微调焊接参数， ”他继续说道。 “我们已经证明，我们可以将帽子 加强筋焊接到蒙皮上，但仍在通过原型演示器改进所有方法和流程。我们应该能够在未来6-9个月内完成全尺寸的最终演示器。其他功能，如风扇罩的长梁加强筋， 也将进行焊接，以形成一个完全无紧固件的加强蒙皮组件。“ 飞行试验品 Soria指出，该开拓者的路线图遵循标准的航空航天行业构建块方法，从试验件到子元素再到集成结构， 收集测试数据。他解释道： “我们并不是在建造一个看起来像风扇罩的东西。 ” 。 “这款演示机是根据我们目前的 一条产品线设计的。一旦完成，我们将与客户合作寻找飞行试验台。最终，它将在飞行中进行验证，但所有这 些都将得到大量额外测试的支持。 ” Ursenbach补充道：“如果我们只是制造了一个静态演示器，我们本可以走得更快，但实际上我们正在建造一个可以安全飞行的部件，这需要更多的确定性、数据和子元件测试。 ”测试完成后，目标是在柯林斯目前的一种短舱产品上推出这项技术，目的是尽早展示这项技术的好处。他解释道： “我们希望在现有平台上引入这一功能，而不一定要等到下一个新的清洁飞机设计。 ” 。 “我们希望开始从现实世界的环境中获得反馈， 这将有助于我们不断构建和改进这些技术块，以便在宣布下一个清洁设计时做好准备。 ” 最大的挑战和成就 Ursenbach说： “内部的一大挑战是，TPC看起来很像热固性复合材料，所以每个人都想这样对待它。 ” 。 “但这些都是非常不同的材料，具有非常不同的加工要求和条件。 ”他指出，过渡到TPC实际上更像是从金属过渡到复合材料。 “这是一个重大转变。人们天生认为所有相同的规则都适用，但我们不得不制定一套全新的规范和允许值，以及一本新的设计手册。 ”后者是一项重大努力，DTC的所有知识非常宝贵。Ursenbach说： “我们能够为我们的设计工程师编纂这些知识，不仅了解和记录TPC的差异，而且在我们的工程、质量和生产 社区以及监管社区内将其社会化，这是一项持续的活动。 ” Manten 指出，另一项重大成就是在使用集成LSP 焊接零件方面取得的进展。正如 2018年文章《焊接热塑性复合材料》中所解释的那样，当感应线圈沿着焊缝移动时，它会在导电碳纤维层压板中感应出涡流，产生热量 并熔化热塑性塑料。然而，铜网 LSP 甚至更具导电性， 也需要采取措施防止在该层中产生涡电流。Manten补充 道： “我们已经取得了成功，但这需要在工艺链的每个环节进行工作，从冲压成型到AFP。 ” 。这使得该团队开发了一种坚固快速的焊接解决方案。 Soria说： “另一个重大成就是收购了DTC，两个团队已经合并，像一个全球团队一样合作得很好。有很多沟通和共享，这是一个巨大的成功。 ” 进一步应用，推动行业发展 尽管单通道商用飞机市场有很多市场机会，但柯林斯航空航天公司有更广阔的前景。柯林斯航空航天公司高级结构战略总监Paul Johnson表示： “还有很多其他 应用程序可以使用我们开发的这些技术。 ” “其中包括双通道、区域和商务航空市场以及国防的短舱，也包括其他结构。 ” Ursenbach指出，TPC材料在抗冲击性和耐化学性方面表现得更好， “柯林斯公司内部的一些业务部门确实可以利用这一点。例如，我们的螺旋桨部门Ratier Figeac也对 TPC非常感兴趣，但原因与我们不同。我们的航天系统集团也有一些发展，负责下一代宇航零件。” 柯林斯航空航天公司正在与多个行业联盟合作，以成熟热塑性复合材料回收技术和供应链。 Ursenbach还指出，TPC结构提高了可持续性。“这也是我们路线图的一部分，不仅利用了循环时间和重量，还成功地实现了客户所要求的可回收性。” 柯林斯航空航天公司是热塑性复合材料研究中心（TPRC，荷兰恩斯赫德）的一级成员，该中心已证明将 热塑性塑料生产废料回收到航空航天零件的工艺链中。 在“可持续空气地平线2020”项目中，柯林斯航空航天公司正在开发旨在为飞机结构提供新的可持续解决方 案的回收和连接概念，而在阿尔梅雷，它正在与荷兰Spiral RTC公司合作，该公司旨在实现碳纤维TPC生产废物和报废零件的循环。Collins Aerospace Almere 还参 与了荷兰国家项目“转型中的航空”和“可持续航空 的热塑性塑料” ，这些项目正在为小型（电动）和大型 商用飞机的轻型部件开发新材料、工具和生产技术。 柯林斯还领导了复合材料保形液氢储罐(COCOLIH2T Composite Conformal Liquid H2 Tank)项目，为液氢储罐开发新的 TPC 技术，为更可持续的未来飞机的零排放推进架构提 供动力。在美国，它是高速复合材料飞机制造(HiCAM Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing)项目中先进复合材料联盟 的成员，该项目是美国国家航空航天局可持续飞行国家 伙伴关系(SFNP-Sustainable Flight National Partnership)的一部分， 旨在使下一代商用运输机的能效提高 25-30%。 “我们正 在参与 HiCAM 的 TPC 工作包， ”Van Tooren 说，他也 是焊接团队的负责人，该团队已经制定了焊接 TPC 结 构认证的初步路线图（见“焊接不是粘合”）。 Ursenbach 补充道，努力解决这些全行业的问题，如认证和验收，以及所需的材料量和循环性，这些都有助于柯 林斯公司，也有助于整个行业。索里亚说： “我们希望 成为专注于 TPC 技术的行业团队的一员，该技术可以 减轻重量和燃料消耗，并改善未来飞机的声学性能。 ” 。 “我们希望成为该社区的团队成员，推动这些技术的边 界，使航空业更具可持续性，成为一个向前发展的行业。 ” 注：原文见《 The potential for thermoplastic composite nacelles 》2023.11.30
