Spirit航空系统公司开发全新碳纤维机身面板 节约30%成本

 

       Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托）于6月17日星期一2019年巴黎航空展（法国巴黎）首次推出一种专为下一代高容量单通道机身生产而设计的新型复合材料制造技术。该技术在展览会上展示了18英尺×12英尺的演示机身面板 - 被称为ASTRA（Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture/先进结构技术和革命性建筑） - 采用新型材料/工艺组合制造的集成桁条，现有架构和生产系统方法相比，节约了了大概30%的成本。 “对我来说，这是对Spirit能做什么的一个很好的证明，”Spirit AeroSystems的研究和技术高级主管Eric Hein说。

 

       Hein说，差不多两年前，该公司开始研究下一代单通道飞机机身的潜在需求，并确定了必须克服的设计和M＆P挑战，以使复合材料成为飞机制造商的可行选择。

 

        首先，他说，是速率的问题。波音和空中客车公司估计，下一代单通道替代产品分别为737和A320，产量为60-100架。复合材料密集型波音787和空中客车A350目前分别以每月约14架和10架的速度制造。因此，下一代制造技术必须满足比现有技术快4到10倍的生产速度。

 

       其次，Hein说，与铝相比，应用于单通道飞机的现有复合材料和配置的重量和成本都很高。因此，为了使下一代复合材料机身外皮更具竞争力，Hein说，它们必须是几层更薄 - 并且仍然满足所有适用的冲击和负载要求。

 

       因此，在过去的18个月中，Spirit AeroSystems进行了贸易研究，并为广泛的M＆P组合开发了设计值，旨在评估哪种组合为满足Hein确定的费率和成本目标提供了最可行的途径。对于费率，该公司假设每月60个船舶。为了降低成本，该公司假设与现有的金属材料相同。 Hein说，贸易研究评估了高压釜固化的预浸料，液体树脂灌注（包括树脂传递模塑）和热塑性复合材料。所有这些都显示出下一代单通道飞机的潜在可行性。 “我们相信复合飞机的未来可以以低成本的方式制造，”Hein说。

 

       Spirit AeroSystems为ASTRA演示器选择的组合是高压灭菌预处理的预浸料，因为它为确定的成本和速率目标提供了最易管理的途径。然而，达到这些目标取决于对工具配置和面板架构的一些新颖思考。

 

       为降低模具成本，Spirit AeroSystems将模具面与模具支撑结构分离。在这样做时，该公司选择了较低成本的金属支撑结构，然后开发了一种“浮动”双马来酰亚胺（BMI）模具面板，该面板位于该结构上。这使得模具投资可以集中在最重要的地方 - 在零件制造表面上。

 

       面板最具创新性的方面可能是集成皮肤和纵梁的设计，这与传统的复合机身皮肤/纵梁结构有很大不同。对于787和A350，机身纵梁分别制造，然后插入机身蒙皮工具中的固定装置/插槽中。然后将它们用通过自动纤维铺放（AFP）施加的单向碳纤维预浸料包裹以构建表层压板。然后将整个结构在高压釜中共固化。 787设计规定机身采用桶形段制造。 A350设计规定机身采用面板部分制造。

 

       Hein说，当前皮肤/纵梁结构的挑战之一是每个纵梁虽然与皮肤共同固化，但是是一个不连续的部分，在纵梁位置之间产生不连续性。他说，为了克服这个问题，通常将几毫米厚的碳纤维复合材料层压板连接到机身蒙皮的内表面，以填充每个纵梁之间的间隙，从而提供纵梁到纵梁的连续性。此外，在桁条的末端，这种不连续性通常通过使用紧固件来解决。

 

       ASTRA设计绕过这种架构，Hein称之为“板材纵梁技术”。采用这种技术，纵梁由首先放置在开槽机身模具面上的碳纤维预浸料板制成。然后，使用真空成型，将片材拉入纵梁通道中，实际上产生波纹纵梁面板。然后，如现在所做的那样，通过AFP覆盖机身蒙皮，然后进行高压釜固化。结果是机身面板具有连续的内部皮肤，具有完全集成的纵梁。

 

       随着这种工具策略和面板架构的建立，Spirit AeroSystems随后与威奇塔州立大学的国家航空研究所（NIAR）合作开展了一项测试机制，旨在评估皮肤和板条纵梁中的不同纤维组合。该公司测试了抗冲击性，强度，疲劳，环境冲击，雷击，FST（火焰，烟雾，毒性）和损伤容限。 Hein说，它开发的ASTRA机身结构通过了所有的结构测试，并满足了公司目标的减少的厚度。“

 

       "这项具有颠覆性的全新技术将为航空复合材料部件的制造成本和重量的降低带来飞跃。例如，集成桁条加强板是机身内部的支撑结构，采用新方法可以实现现场制造，免去了许多现有的常规工艺步骤，其中包括一条独立的桁条生产线，以及多种工具的使用。”

 

       Hein解释说，新方法集成了多种新技术，比如，无缝桁条加强板和蒙皮为连接结构和其他部件提供了光滑、连续的表面；复合材料铺丝铺带技术的更高效利用能够有效实现减重；航空结构件制造过程中使用无排气气囊系统能够显著提高产品品质；低成本制造工具的使用则能降低新技术的整体成本。

 

       另外，Spirit AeroSystems公司采用了东丽公司能够显著提高部件结构性能的T1100/3960复合材料，以及A&P技术公司具有更优加工性能的QISO编织物。这些新材料经过上百次的试制和结构测试，最终获得了Spirit AeroSystems公司研发人员的认可。