【簡(jiǎn)介：】不可以，比較差。飛行器上的碳槳具有高強(qiáng)度、高韌性、耐磨性好，良好的耐熱性，尺寸穩(wěn)定性好，良好的注塑成型性能和外觀，著色性能好，更換為尼龍槳或木漿會(huì)使它的性能大幅度降低，會(huì)變差

不可以，比較差。飛行器上的碳槳具有高強(qiáng)度、高韌性、耐磨性好，良好的耐熱性，尺寸穩(wěn)定性好，良好的注塑成型性能和外觀，著色性能好，更換為尼龍槳或木漿會(huì)使它的性能大幅度降低，會(huì)變差。

飛行器制造商尋找高速生產(chǎn)的復(fù)合材料技術(shù)

高速生產(chǎn)復(fù)合材料的技術(shù)是什么？可能是熱塑性復(fù)合材料+機(jī)器人自動(dòng)化鋪放+原位檢測(cè)和固化這樣的技術(shù)，而現(xiàn)在這些技術(shù)都在成熟中，而且每年都有眾多的報(bào)道來(lái)驗(yàn)證其提升的技術(shù)和制造成熟度。之前一二十年，是黑與白的競(jìng)爭(zhēng)，熱固性復(fù)合材料替代鋁合金成為主承力結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)在新的競(jìng)爭(zhēng)者已經(jīng)出現(xiàn)，未來(lái)可能還有黑吃黑的競(jìng)爭(zhēng)，那就是熱塑性復(fù)合材料替代熱固性復(fù)合材料，這就是航空制造業(yè)的魅力。

復(fù)合材料制造雜志5月報(bào)道稱(chēng)，新的復(fù)合材料技術(shù)將有助于滿(mǎn)足民用飛機(jī)不斷增長(zhǎng)的需求。2018年，民航公司在全球范圍內(nèi)創(chuàng)造了創(chuàng)紀(jì)錄的43億乘客（國(guó)際民用航空協(xié)會(huì)），到2037年，這一數(shù)字可能達(dá)到82億（國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)）。為了服務(wù)這些乘客，研究公司德勤估計(jì)飛機(jī)制造商將在未來(lái)20年內(nèi)生產(chǎn)超過(guò)36700架飛機(jī)――甚至不包括來(lái)自地區(qū)航空公司的飛機(jī)訂單。

飛機(jī)公司已經(jīng)在加大制造力度。斯普利特航空系統(tǒng)公司研究和技術(shù)高級(jí)主管Eric Hein表示，公司支持的平臺(tái)如波音787和空中客車(chē)A350的生產(chǎn)速度繼續(xù)提高。這給復(fù)合材料行業(yè)帶來(lái)了壓力，因?yàn)轱w機(jī)制造商一直在穩(wěn)步增加其飛機(jī)上使用的復(fù)合材料的比例。例如，波音787的機(jī)體由50％的先進(jìn)復(fù)合材料制成。

Eric Hein表示：“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)速度提高對(duì)商業(yè)航空航天業(yè)非常重要，因?yàn)樗鼘?duì)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。與金屬相比，復(fù)合材料具有許多優(yōu)點(diǎn)。這些包括重量、可定制性、自動(dòng)化機(jī)遇和服役性能。“

當(dāng)今飛機(jī)中的復(fù)合材料主要用于容納發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料或其他設(shè)備的短艙、流線型外殼或儲(chǔ)罐。“但是，未來(lái)的單通道機(jī)身結(jié)構(gòu)可能含有大量的復(fù)合材料，”Hein補(bǔ)充道。

更多地使用復(fù)合材料將有助于減輕這些新設(shè)計(jì)的重量，這對(duì)于想要減少飛機(jī)碳足跡的運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的考慮因素。但也有經(jīng)濟(jì)因素在發(fā)揮作用。

“由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)和更快的上市時(shí)間，復(fù)合材料制造中的速度和批量的增加導(dǎo)致成本降低?！蓖ㄓ迷雍娇障到y(tǒng)公司（GA-ASI）的創(chuàng)新負(fù)責(zé)人John Geriguis表示。復(fù)合材料的使用也滿(mǎn)足了客戶(hù)對(duì)降低擁有成本的需求，而不僅僅是飛機(jī)的初始成本。

Geriguis補(bǔ)充道：“飛機(jī)的燃料使用、維護(hù)、可靠性和可用性在總成本中起著重要作用。設(shè)計(jì)和制造的可生產(chǎn)、重量更輕、單元化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，對(duì)于降低啟動(dòng)成本、維護(hù)成本和燃料消耗是至關(guān)重要的?！?/p>

承載人們短距離交通的新型城市空中運(yùn)輸服務(wù)將增加對(duì)更快速的復(fù)合材料制造技術(shù)的需求。一些公司，如優(yōu)步Elevate，Joby航空和德國(guó)的Volocopter正在開(kāi)發(fā)各種小型電動(dòng)飛行器，每次充電可行駛150英里。這些飛行器可以在上下班途中運(yùn)送上班族或在兩個(gè)城市之間短途跳躍。雖然一些飛行器最初將由飛行員操作，但目標(biāo)是最終讓它們自主運(yùn)行。

“這些飛行器必須由復(fù)合材料制成，因?yàn)樗鼈儽仨毷禽p量化的?！睆?fù)合自動(dòng)化有限公司總裁John Melilli說(shuō)。由于這些服務(wù)無(wú)處不在，因此需要數(shù)千架飛機(jī)。“當(dāng)他們談?wù)摻ㄔ斐鞘酗w行器時(shí)，他們并不是在談?wù)撁吭陆ㄔ?0或40架，他們談?wù)摰氖敲吭陆ㄔ?00至1000架?！?/p>

改進(jìn)技術(shù)

制造商目前使用手工鋪放和熱壓罐固化生產(chǎn)許多熱固性復(fù)合材料飛行器零件。這是一個(gè)勞動(dòng)和資本密集型的工藝。

今天的大部分制造設(shè)備也不是為提高生產(chǎn)速度而設(shè)計(jì)的。零件的具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，包括其幾何形狀和層板堆疊，可能會(huì)限制設(shè)備的進(jìn)給和速度。聯(lián)邦航空管理局復(fù)合材料的首席科學(xué)和技術(shù)顧問(wèn)Larry Ilcewicz表示：“例如，根據(jù)局部零件曲率、橫截面積、層板開(kāi)始和終止以及其他設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，設(shè)備將不得不放慢速度以完成任務(wù)并避免產(chǎn)生不希望的制造缺陷?！?/p>

滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求所需要的是能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展和可變制造速度的工藝。Melilli說(shuō)，制造商必須找到能夠?qū)⑸a(chǎn)從手動(dòng)操作轉(zhuǎn)移到自動(dòng)操作的工藝，從需要進(jìn)入高壓罐的樹(shù)脂系統(tǒng)到可以不用熱壓罐就生產(chǎn)零件的系統(tǒng)。

斯普利特航空系統(tǒng)目前正在研究可改善性能、加工和成本的新材料系統(tǒng)。它還在開(kāi)發(fā)新的高速沉積工藝。Hein指出：“材料沉積速度和固化時(shí)間是提高制造成本和產(chǎn)量的關(guān)鍵?！?/p>

航空航天復(fù)合材料制造商開(kāi)始圍繞快速固化樹(shù)脂系統(tǒng)研究和構(gòu)建工藝。固化時(shí)間的改善最終終結(jié)熱壓罐或烘箱這種潛在的生產(chǎn)瓶頸。

熱塑性的可能性

復(fù)合材料零件制造商正在試驗(yàn)各種非熱壓罐（OoA）技術(shù)，包括壓縮成型、樹(shù)脂傳遞成型（RTM）、真空輔助樹(shù)脂傳遞成型（VARTM）以及氣囊和心軸固化。

熱塑性原位固結(jié)是一種令人感興趣的OoA技術(shù)。 現(xiàn)代激光技術(shù)使制造商能夠更好地控制使用熱塑性塑料所需的溫度；他們可以使用激光加熱熱塑性樹(shù)脂系統(tǒng)并用輥輪產(chǎn)生壓力，因此不需要熱壓罐固化。

機(jī)器人鋪帶是原位固化的另一種可能性。例如，GA-ASI推出了一種無(wú)需工裝的熱塑性復(fù)合材料制造工藝，該工藝使用兩個(gè)機(jī)器人，一個(gè)用于分配熱塑性預(yù)浸帶，另一個(gè)用于固化。這消除了對(duì)大量工裝的需求；只需要周邊的保持和操作夾具。

通過(guò)原位固化，零件制造商可以實(shí)時(shí)形成包含多個(gè)不同組件的統(tǒng)一復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這取消了鉆孔并將物體栓接在一起的需要。Melilli說(shuō)：“你不會(huì)想在復(fù)合材料零件上鉆孔，因?yàn)槟銜?huì)破壞纖維?！?/p>

原位固化還可以在更短的時(shí)間內(nèi)制造出堅(jiān)固、輕量化的零件。Trilion質(zhì)量系統(tǒng)公司總裁John Tyson說(shuō)：“熱塑性復(fù)合材料可以更快地鋪放，而且沒(méi)有那么多浪費(fèi)?！庇糜跓峁绦圆牧系氖h(huán)氧樹(shù)脂具有有限的保質(zhì)期，并且在制造商可以使用之前它們可能過(guò)期。對(duì)于熱塑性復(fù)合材料，沒(méi)有保質(zhì)期限制。

熱塑性復(fù)合材料具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。Tyson補(bǔ)充道：“熱塑性復(fù)合材料零件實(shí)際上至少與熱固性的一樣強(qiáng)，因?yàn)樗鼈儧](méi)有那么多的組合物。你不需要在零件上添加額外的材料，這樣可以使它更輕?！彼赋?，熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)被用于空中客車(chē)A380這樣的飛機(jī)，制造熱塑性機(jī)翼前緣。此外，Tyson預(yù)測(cè)使用熱塑性復(fù)合材料可以大幅降低成本，可能高達(dá)50％。

雖然熱塑性復(fù)合材料方面的工作大有前景，但Melilli警告說(shuō)，它還沒(méi)有為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備?！盁崴苄运芰显诤翁幰约叭绾卧谔岣唢w機(jī)的生產(chǎn)能力方面發(fā)揮作用仍在研究中，”他說(shuō)?！斑@個(gè)領(lǐng)域的主要公司有很多興趣和工作。材料制造商、一級(jí)供應(yīng)商和OEM正在共同 探索 這些技術(shù)如何以及在何處用于某些類(lèi)別的零件?！?/p>

原位檢測(cè)和維修

轉(zhuǎn)向OoA零件生產(chǎn)的挑戰(zhàn)之一是保持質(zhì)量。Tyson表示：“當(dāng)您將熱塑性復(fù)合材料放入工裝中然后將工裝放入熱壓罐中時(shí)，在真空袋和硬質(zhì)工裝下的退火或固化過(guò)程解決了許多問(wèn)題。制造中的許多錯(cuò)誤都在固化過(guò)程中得到了解決?！?/p>

例如，GA-ASI已開(kāi)始將原位檢測(cè)以及原位返工和修理納入其無(wú)工裝制造工藝。這使得該過(guò)程更加可靠和高效，并產(chǎn)生更可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

ARAMIS 熱像儀由Trilion 質(zhì)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，是一種全視場(chǎng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，可以監(jiān)控復(fù)合材料零件的生產(chǎn)質(zhì)量。它是GA-ASI使用的實(shí)時(shí)視景裝配工具（RVAT）系統(tǒng)的組成部分。

Melilli表示：“該技術(shù)使用高速熱像儀。我們可以加熱固化零件，并且隨著零件冷卻，使用這個(gè)攝像頭，我們實(shí)際上可以探測(cè)出零件中的任何空隙或任何異物。這使我們能夠從質(zhì)量的角度了解該零件是否可以接收。它比使用超聲技術(shù)更快，而超聲技術(shù)是目前公認(rèn)的零件檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

Tyson解釋說(shuō)，一臺(tái)攝像頭可以做很多不同的事情?！爱?dāng)我們用機(jī)器人鋪放頭鋪放預(yù)浸帶時(shí)，我們可以在六個(gè)自由度上跟蹤鋪放頭，這樣我們就可以確保它將材料鋪放在應(yīng)有的位置。我們可以檢查已經(jīng)鋪放的材料的粘合質(zhì)量，我們?cè)跇?gòu)建過(guò)程中可以檢查材料的形狀――或整個(gè)零件――以確保它與CAD實(shí)時(shí)匹配?！?/p>

Tyson表示，熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)中進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，使生產(chǎn)步驟的數(shù)量降到熱固性塑料零件生產(chǎn)的一半。這使制造速度提高了10倍，并可將成本降低一半。不過(guò)利用熱像儀攝像頭的數(shù)據(jù)也有助于熱固性零件的生產(chǎn)。在鋪放過(guò)程中，攝像頭可以立即探測(cè)到在織物層之間捕獲的任何異物。

為了充分利用攝像頭的能力，Trilion開(kāi)始在制造過(guò)程中為關(guān)鍵復(fù)合材料零件添加圖案，以增強(qiáng)視景檢測(cè)。使用熱像儀的數(shù)據(jù)，飛機(jī)公司將能夠?qū)ふ覉D案的變化，以檢查這些零件的應(yīng)變。他們可以在飛機(jī)的使用壽命期間監(jiān)測(cè)飛機(jī)的結(jié)構(gòu) 健康 狀況，而無(wú)需向飛機(jī)增加任何重量或功率（例如多個(gè)應(yīng)變儀或聲學(xué)傳感器）。根據(jù)Trilion的說(shuō)法，它相當(dāng)于使用了數(shù)百萬(wàn)個(gè)應(yīng)變儀。

更快的鋪放

使用復(fù)雜的軟件是制造商在提高零件質(zhì)量的同時(shí)加快零件生產(chǎn)的另一種方式。例如，纖維補(bǔ)強(qiáng)片的放置可以縮短鋪放時(shí)間，減少?gòu)?fù)合材料零件所需的纖維量而不會(huì)影響其強(qiáng)度。

由Cevotec開(kāi)發(fā)的纖維補(bǔ)強(qiáng)片鋪放過(guò)程使用從信用卡到信封大小的單向材料，以及柔性的夾具和CAD模型。夾具拾取補(bǔ)強(qiáng)片后，系統(tǒng)中的攝像頭會(huì)檢查材料是否有缺陷。然后，夾具將每個(gè)補(bǔ)強(qiáng)片放置在工裝上，對(duì)這些零件進(jìn)行布置和定向，以?xún)?yōu)化零件沿其載荷路徑的強(qiáng)度。

Melilli解釋說(shuō)：“我們可以布置補(bǔ)強(qiáng)片，使它們準(zhǔn)確地位于零件中，為零件提供在CAD模型中定義的所需強(qiáng)度。該軟件完成了所有分析，包括對(duì)零件的有限元分析?！?/p>

通過(guò)該系統(tǒng)，公司可以生產(chǎn)熱固性或干燥纖維預(yù)制件，可以進(jìn)入熱壓罐或蛤殼式模具進(jìn)行樹(shù)脂浸漬。此外，纖維補(bǔ)強(qiáng)片放置比手工更快，取消了制造過(guò)程中的許多步驟。

復(fù)合材料自動(dòng)化已經(jīng)完成了一些帶有纖維補(bǔ)強(qiáng)片放置的原型程序，歐洲航空航天公司賽峰和空客旗下Premium Aerotec也在進(jìn)行一些開(kāi)發(fā)工作。

共享的信息

工業(yè)界的合作努力，包括分享有關(guān)新制造技術(shù)的資料，將有助于加速下一代復(fù)合材料飛機(jī)組件的開(kāi)發(fā)。Hein說(shuō)：“總的來(lái)說(shuō)，必須積極開(kāi)發(fā)這些改進(jìn)，這需要行業(yè)和合作伙伴的承諾和參與?！?/p>

在英國(guó)，斯普利特公司正與斯特拉斯克萊德大學(xué)和其他組織合作開(kāi)展此項(xiàng)研究?！坝?guó)彈射器中心允許像斯普利特這樣的工業(yè)合作伙伴加入，這可比通常通過(guò)內(nèi)部資金更快地試驗(yàn)下一代設(shè)備?！睆椛淦髦行挠捎?guó)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)創(chuàng)新英國(guó)建立，是一個(gè)非盈利中心的網(wǎng)絡(luò)，旨在促進(jìn)各行各業(yè)的創(chuàng)新。

合作的另一個(gè)例子是荷蘭的熱塑性復(fù)合材料研究中心（TPRC）。該聯(lián)盟的成員認(rèn)為，熱塑性復(fù)合材料是輕量化制造大批量材料的最佳選擇，它們共同努力消除采用它的技術(shù)障礙。

Melilli表示，NASA正在美國(guó)提出建立類(lèi)似的熱塑性固化研究機(jī)構(gòu)。但無(wú)論這是否成為現(xiàn)實(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)國(guó)家的制造商將很快嘗試一些新的飛機(jī)零件生產(chǎn)方法。 Geriguis預(yù)測(cè)，未來(lái)三到五年，NASA、空客、波音和通用原子公司等航空領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者以及GKN?？撕退蛊绽氐戎圃焐虒⒉捎脽崴苄詮?fù)合材料固化的新概念，十年內(nèi)它將成為復(fù)合材料制造的常規(guī)方法之一。

然而，Hein看到了一些挑戰(zhàn)。雖然許多新的復(fù)合材料技術(shù)將在未來(lái)五年內(nèi)就緒并進(jìn)入制造業(yè)，但飛機(jī)制造業(yè)的性質(zhì)可能會(huì)推遲其實(shí)施。他解釋說(shuō)：“一些技術(shù)將需要資本化，材料鑒定甚至工程變更都是現(xiàn)有計(jì)劃難以證明的成本。在這些情況下，實(shí)施新技術(shù)將需要與新產(chǎn)品發(fā)布協(xié)調(diào)，而這在航空航天領(lǐng)域并不像其他一些行業(yè)那樣頻繁。與此同時(shí)，這促使人們需要在實(shí)施機(jī)遇出現(xiàn)時(shí)提前準(zhǔn)備好技術(shù)?！?/p>

改進(jìn)的技術(shù)將加速飛機(jī)制造業(yè)對(duì)復(fù)合材料的采用。Hein繼續(xù)說(shuō)道：“航空航天領(lǐng)域的復(fù)合材料利用率已經(jīng)大幅增加，這與過(guò)去20多年來(lái)的生產(chǎn)率增長(zhǎng)相吻合。隨著成本和周期的進(jìn)一步改進(jìn)，復(fù)合材料可能在未來(lái)的飛機(jī)產(chǎn)品中扮演更重要的角色?！?/p>