Spirit AeroSystems（美國堪薩斯州威奇托）于6月17日星期一2019年巴黎航空展（法國巴黎）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)計的新型復(fù)合材料制造技術(shù)。該技術(shù)在展覽會上展示了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。 “對我來說，這是對Spirit能做什么的一個很好的證明，”Spirit AeroSystems的研究和技術(shù)高級主管Eric Hein說。

 

       Hein說，差不多兩年前，該公司開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，是速率的問題。波音和空中客車公司估計，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，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)身外皮更具競爭力，Hein說，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，在過去的18個月中，Spirit AeroSystems進(jìn)行了貿(mào)易研究，并為廣泛的M＆P組合開發(fā)了設(shè)計值，旨在評估哪種組合為滿足Hein確定的費(fèi)率和成本目標(biāo)提供了最可行的途徑。對于費(fèi)率，該公司假設(shè)每月60個船舶。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，貿(mào)易研究評估了高壓釜固化的預(yù)浸料，液體樹脂灌注（包括樹脂傳遞模塑）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)的未來可以以低成本的方式制造，”Hein說。

 

       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，該公司選擇了較低成本的金屬支撐結(jié)構(gòu)，然后開發(fā)了一種“浮動”雙馬來酰亞胺（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，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。然后將它們用通過自動纖維鋪放（AFP）施加的單向碳纖維預(yù)浸料包裹以構(gòu)建表層壓板。然后將整個結(jié)構(gòu)在高壓釜中共固化。 787設(shè)計規(guī)定機(jī)身采用桶形段制造。 A350設(shè)計規(guī)定機(jī)身采用面板部分制造。

 

       Hein說，當(dāng)前皮膚/縱梁結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)之一是每個縱梁雖然與皮膚共同固化，但是是一個不連續(xù)的部分，在縱梁位置之間產(chǎn)生不連續(xù)性。他說，為了克服這個問題，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)性通常通過使用緊固件來解決。

 

       ASTRA設(shè)計繞過這種架構(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)的國家航空研究所（NIAR）合作開展了一項(xiàng)測試機(jī)制，旨在評估皮膚和板條縱梁中的不同纖維組合。該公司測試了抗沖擊性，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，它開發(fā)的ASTRA機(jī)身結(jié)構(gòu)通過了所有的結(jié)構(gòu)測試，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，新方法集成了多種新技術(shù)，比如，無縫桁條加強(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)件制造過程中使用無排氣氣囊系統(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)過上百次的試制和結(jié)構(gòu)測試，最終獲得了Spirit AeroSystems公司研發(fā)人員的認(rèn)可。