热塑性复合肋用于明天的翼

具有成本竞争力的热塑性肋骨。作为明天计划的一部分,GKN航空航天的U.K.和荷兰的位置,使用高压釜(OOA)制造工艺设计了一种热塑性复合肋,这些方法是具有成本竞争力的和机械相当于传统铝肋。照片信用,所有图片:GKN航空航天

2015年推出的明天(WOT)计划的空中客车翼已在过去六年中花费了更具成本竞争力,高通量的材料,制造和装配技术,为单极商用飞机翅膀(CW.之前的WOT计划的覆盖范围)。

根据GKN航天全球技术中心荷兰(Hoogeveen)的Arnt Offringa,GKN航空航天(布里斯托尔,U.K.)在WOT计划中一直非常活跃,包括通过树脂转移成型(RTM)和四个铝翼肋制成的机翼翼梁示范。最近由GKN航空航天提供的另一位技术示意图涉及开发成本竞争力的热塑性复合肋,以及用于单次外釜(OOA)制造的创新,模块化的新闻系统,以生产它。

跃入热塑性塑料

2018年,GKN航空航天开始有关可用于生产五名示威者的材料和制造技术的内部讨论

设计热塑性复合肋

设计肋骨。为了使薄,轻巧的部分,肋骨设计(顶部)包含GKN的对接技术(底部),注塑成型加强件(中间,以绿色显示)。

用于明天的翼的热塑性复合肋骨设计
复合对接联合飞机罗纹连接技术

WOT计划的肋骨。GKN航空航天比较了几种材料选择,包括热固性和热塑性复合材料。铝,商用飞机肋的传统材料,被选中生产四个较大,内侧肋骨,但对于较小的舷外肋骨,该公司决定探索复合选项。inforringa注意到,由于WOT示威者将成为复合翼,开发可与铝竞争的复合肋是逻辑步骤。

“综合翼上的复合肋是有益的,原因是”他说。“首先,使用具有复合材料的复合材料意味着材料之间的热膨胀没有差异,因为您在复合机翼上具有金属肋,反之亦然。其次,您不会对腐蚀产生问题或疑虑。复合材料也意味着减轻重量。最后但并非最不重要的是,使用复合材料使检查更容易。“

Offringa解释说,一旦组装了最终的翼,典型的金属肋是需要视觉人体检查。然而,由于肋骨内部的肋条的位置,这意味着需要大的椭圆形孵化物需要切入底部翅膀上,使得人类可以进入机翼检查它们。“如果你去复合肋骨,你的肋骨疲劳少,你必须检查的潜在疲劳裂缝。检查变得更简单,密集不那么密集,而且您不再需要将舱口构建到Wingskin中。这将是一个连续的翅膀,“他说。

可以从热固性或热塑性复合材料中获得减重,耐腐蚀性和较少的侵入性检查益处。“我们做了一个内部研究,并寻找重量,成本和工业化,并且在比较不同的技术后,采用热塑性塑料做出选择,因为它具有最大的潜力和最佳的商业案例,而且达成了成本,”的因瑟。

凭借其靠近空中客车的Filton,U.K. Wing Technology Center,WOT示威者将被测试,GKN Aerospace的Bristol,U.K.分支是该公司WOT工作的主要中心。然而,在GKN航空航天荷兰的荷兰从其作为Fokker Technologies的日子,这两个GKN航天队加入了肋骨演示。“设计是在U.K的中完成的,但制造业开发在荷兰完成,因此GKN航天的不同团队之间是一个非常好的合作,”Offringa说。

Sue Partridge是空中客车,笔记的WOT负责人,“与合作伙伴的合作是明天计划的一个重要方面。通过组合我们的资源,我们可以进步解决方案,这些解决方案利用我们组织的能力进行更好的结果。“

对于送到空中客车的WOT肋骨,GKN航空航天使用索尔维's(布鲁塞尔,比利时)APC碳纤维/聚醚蛋白质酮(PEKK-FC)胶带,其基于公司的Novaspire PEKK-FC(FC)快速结晶配方。informringa指出Toray先进复合材料'(摩根山,加利福尼亚州,美国)的低熔融碳纤维/聚芳基酮(PAEK)材料也被评估为未来肋骨结构的选择。

设计下一代翼肋骨

典型的单极飞机翼上有超过20个肋骨。热塑性复合演示肋是演示翼的第14位;其他人将展示替代材料和过程。

Offorcinga说,热塑性复合肋通常通过印模制造用于小型飞机。然而,GKN航空航天排除了传统的邮票,因为商用飞机翼,即使对于像WOT示威者这样的狭窄体,也可以在非常高的压缩和张力载荷下放置。

“如果你打印在传统意义上形成热塑性肋骨,那么你必须制作一个非常厚的肋骨,带有厚厚的网页,使其更加强大,以便它可以承受作出作用的力量,”Offringa说,并且给予重量减轻要求是不可取的。此外,印章成型将无法在肋骨上创建双面底部法兰分量,部分连接到下翼皮肤;需要制造额外的部件并将其螺栓固定在肋骨的其余部分。GKN航空航天需要制造过程,使得该团队记住的设计更具灵活性。

明天的热塑性复合飞机肋翼

最后一部分。GKN航空航天的最终肋骨设计将在WOT示威者身上取得14位。

GKN航空航天的90厘米长,24厘米高的热塑性肋骨具有垂直幅材和沿肋骨底部延伸的双向8毫米厚的法兰。为了满足体重要求,网站仅为7毫米厚。为了防止屈曲和增加刚度,使用GKN航空航天的对接技术通过3毫米厚的加强元件加强了3毫米厚的加强元件,它使用平坦的加强件预制件和注塑成型的“填充物”材料来产生强大的连续接头(见“热塑性初级空气结构前进”了解在用Solvay碳纤维/ PEKK-FC磁带制造的湾流机身面板上使用该技术的使用)。

“我们知道如果我们可以在复合材料中制作这种形状并使其变得稳健,我们会有一个非常轻巧的设计,重量减少我们正在寻找。但问题是,你如何成本有效地和高利率制作这种复杂的形状?这就是我们努力创造这一新产品的地方,“Offringa说。

一步,oOA制造

该过程构建了GKN航天以前使用的技术塔帕斯(热塑性实惠的主要飞机结构)项目,以及用于湾流的机身面板开发,用于采用公司对接技术的湾流。对于WOT RIB,GKN航空航天开发了一种OOA,一步合并过程。“我们在第一次走出了高压灭射器的下一个级别之前,我们将我们以前的工作带走了,”Offringa Notes。

首先,单向(UD)热塑性胶带被狭缝到正确的宽度,并且使用层压机将平板电元件预成形为两个L形网状预制件。纸幅预制件,用于凸缘的平坦预制件,以及构成纵梁的较小的预制件和注塑成型的填充元件都装入工具中,该工具放置在类似于树脂转移成型的模块化共同固结压机内(RTM)按。压机关闭,膀胱系统用于从水平和垂直方向产生压力,模拟高压釜中的压力。一体化电阻加热系统将复合材料带入熔化温度,然后冷却以进行整合。

GKN航空航天热塑性复合飞机肋的试点加工厂

单次,ooa处理。GKN航空航天的试点工艺和专门设计的印刷机技术为复杂的肋骨,翼梁和其他部件提供单次OOA加工。

“我们将大部分开发努力放在调整和优化工具中,”Offringa说。该系统设计为模块化;可以将工具换掉,以容纳具有不同尺寸或其他类型的部件的肋条,同时保持相同的加热和冷却系统。虽然这些肋骨没有必要,但在其技术中心开发的新闻GKN航空航天可容纳长达6米长的零件,这也可以包括其他面板或梁。

处理热塑性塑料时的过程控制系统是钥匙。热塑性塑料在比热固性件更高的温度下熔化,并且必须在受控的一致过程中冷却,以最大限度地减少翘曲并最大化囊空心。“控制从开始完成的确切过程非常重要,”Offringa说。“加热循环的热管理非常重要。”(参见“热塑性(TP)形成问题”侧边栏本文有关使用热塑性塑料时流程控制的问题和重要性的详细信息)。

特殊的工具功能用于启用薄,集成的加强件,可轻松从工具释放。脱模的部分靠近净形状,然后修剪以形成成品部分。从工具到工具外,整个过程大约需要45分钟。这意味着用一个压力,可以在八小时的换档中制造大约15个翼形肋。

GKN航空航天的未来高批量生产线的计划,基于WOT Pilot Process ..

肋骨制造未来。此图描绘了GKN航天基于WOT试点过程的未来大批量生产线的计划。这些计划包括用于其他项目的自动磁带(ATL)。

“它最终是一个简单的制造过程,”Offringa Notes。“我们立刻做了很多东西:用不同形状共同合并预制件,产生肋骨的底部,具有双向法兰,同时我们与对接技术加强了网。然而,尽管如此,我们采取了材料的所有元素,将它们放在工具中,我们在一个处理步骤中创建一个,同质部分。“

测试,交付和超越

测试明天计划热塑性肋翼的子组件

测试。经过测试的子组件,以满足GKN的Wight和Hoogeveen设施的张力和压缩强度要求。

在2019年底,Rib子组件在Gkn Aerospace的伊斯勒的怀特和Hoogeveen设施中进行了测试,而Offrings则表示他们通过了张力和压缩负荷要求“通过宽边缘。”他补充道,“这很强壮,这很艰难,易于制造。这是一个完全符合我们希望的概念。“与铝版相比,Offringa表示,热塑性复合版本提供重大储蓄,并且具有成本竞争力。

该公司已将三个肋骨交付给空中客车,其中一个将在WOT示威者上组装和测试。GKN航空航天仍在继续优化其用于商业航空航天肋骨的工艺和材料,无论是为明天及以后的翼。

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