热塑复材的来龙去脉（第二篇）

大潘鸡

热塑性复合材料结构可以消除热压罐和紧固件，但一步或两步工艺会占上风吗？荷兰和法国的开发计划（例如，STELIA“拱形TP”机身），如果通过二次操作进行固结和桁条连接，声称AFP会更快。 FIDAMC和Automated Dynamics已经演示了一步ISC集成蒙皮/桁条机翼和机身结构。 图1.现场固结热塑性AFP的受控激光加热键当热塑性预浸料带通过AFP头输送到零件上时，激光将其加热到基体的熔化温度，从而能够对先前沉积的层进行部分焊接（需要第二次固结步骤）或完全焊接（原位固结）。红外相机测量基板和传入胶带的表面温度，提供用于控制激光加热的数据。图2.热塑性AFP激光器和光学器件与用于热固性AFP的红外加热器的橙色光不同，用于热塑性AFP的激光发出紫色辉光。激光光学器件（如图所示）将激光从圆形横截面转换为矩形横截面，使其宽度与放置在压实辊夹点处的胶带/丝束的宽度相匹配。
图3.试图提高ISC速度的具有较低空隙含量的扁平带这些来自FIDAMC的显微照片是预浸胶带的。空隙和不规则的厚度使AFP过程中的压实效果较差。即便如此，ISC结构的固结度可以约为热压罐或热压机固结度的90%——对于初级航空结构来说，固结度足够高。但FIDAMC仍在与供应商合作，提供更高质量、更平整的磁带，以提高ISC的整合和速度。
在这个由两篇文章组成的第1篇文章中，CW回顾了热塑性复合材料（TPC）在商用飞机结构飞机部件中的出现和历史。特别关注的是原位固结（ISC）热塑性复合材料（TPCs），这是一种单步工艺，在该工艺中，当（通常）使用自动纤维放置（AFP）设备放置单向热塑性胶带时，施加热量和压力。以这种方式制成的结构是完全固结的，因此可以实现小于2%的空隙率和足够的机械性能。因此，不需要进一步加热或加压。
ISC气瓶和储罐自20世纪80年代末开始生产，ISC零件已在石油和天然气行业使用了几十年。此外，ISC飞机结构原型已经在与直升机机身一样大的组件中进行了演示。然而，目前没有一架商用飞机。
如第1篇文章所述，ISC在放置时完全固结层压板，在TPC冷却时实现目标空隙率和机械性能。但批评人士认为，安置/整合过程太慢，否定了单步骤工艺在整体生产速度方面的好处。更传统的两步工艺的支持者坚持认为，尽管它们需要通过烤箱、热压罐、加热工具或压机进行二次固结步骤，但它们具有更快的TPC胶带放置速度的潜力，并导致更快、更便宜的整体零件生产过程。事实上，哪种方法更快还不太清楚，每种方法的最终零件生产速度都会受到多种因素的影响。
“我们今天可以提供使用原位整合制造的高性能零件，”空中客车创新与发展、制造技术复合材料公司（法国南特）负责人西里尔·科拉特（Cyrille Collart）说。但未来的机身上到底会用什么呢？空客表示，这将取决于哪种技术最能满足每种应用和飞机项目的目标。
平衡时间和温度在其最基本的形式中，AFP铺放头包括带进给和切割机构、压实辊和加热器（图1）。通常，红外（IR）加热器是热固性材料的标准，二极管激光器现在是TPC的标准。当热塑性预浸料带通过AFP铺放头输送到零件上时，激光将其加热到热塑性基体的熔体温度，通常高于该温度。这使得在进行第二次固结步骤的情况下，能够对之前沉积的层进行部分焊接，或者实现单步骤ISC应用所需的完整焊接。IR相机通常用于测量基板和引入胶带的表面温度。这些数据用于开环或闭环系统中，以控制激光器提供的热量。
AFP设备供应商Coriolis Composites（法国魁北克）的首席技术官兼董事亚历山大·哈姆林（Alexandre Hamlyn）解释道：“你走得越快，你需要的功率就越多，但太多了，你会烧掉复合材料。”。“因此，红外相机会感应到叠层温度，并在温度超出指定范围时向操作员发出警报。”他指出，科里奥利机器用于一系列零件和材料。哈姆林说：“AFP机器在零件开发和材料鉴定过程中经过‘培训’。”。“这是建立每个零件和材料的加热轮廓的地方。”这些参数保存为配方，然后由操作员选择。整个系统由中央计算机控制，提供主要飞机结构所需的高级控制。
Accudyne Systems（德国纽瓦克，美国）销售和营销副总裁迈克·斯穆特（Mike Smoot）表示：“加热胶带的时间越长，温度就会穿过层压板，并在下面的层压板中产生应力。”。“所以，这是温度和时间的平衡。”他指出，薄壁结构的问题不大，厚结构的问题更大，并观察到后者“在加工时会分层”。
荷兰航空航天中心（NLR，阿姆斯特丹）结构技术部复合材料高级科学家亨利·德·弗里斯（Henri de Vries）表示同意：“这是ISC最大的问题之一。”。“通常，需要退火来释放主要部分的热应力，但也可以通过在铺放过程中将零件保持在100°C来降低热应力。”
加热元件及其使用方式也可以起到纠正作用。FIDAMC（西班牙赫塔菲）工艺开发与实验室负责人费尔南多·罗德里格斯（Fernando Rodriguez）解释道：“我们可以在放置过程中使用不同轮廓的激光加热更长长度的胶带，这会导致更长的接触和加热时间，从而更好地固结和减少空隙。”。使用光纤（optical fiber ）和激光光学器件对热塑性AFP中使用的二极管激光的轮廓或形状进行了修改（见图1和图2）。哈姆林说：“这是一根从二极管源到安装在头上的激光光学器件的直径非常小的（1毫米）光纤，它将激光源从层压板上的圆形点转换为夹点处的矩形输出，这与正在铺设的光纤的宽度相匹配。”。他补充道：“我们的机器可以铺设从1/8英寸到2英寸（3.2毫米到50.8毫米）的宽度。光纤将把激光输出拉伸到2英寸（20.8毫米）宽和1英寸（25.4毫米）高。”     速度与空隙、结晶度和胶带厚度影响工艺效率的一个关键特征是空隙率。Automated Dynamics总裁罗伯特·郎贡（Robert Langone）表示：“原位固结TPC零件的空隙率取决于AFP率、零件几何形状和预浸料质量。”。“大多数使用PEEK的零件空隙率为4-6%，而大多数航空航天零件的空隙率可低至3-4%。”特瑞堡生产各种ISC玻璃、碳和芳纶纤维零件，石油和天然气零件使用PEEK，航空航天零件使用聚苯硫醚（PPS）、PEKK和PEEK。他指出：“我们能做的最好的事情是1%或更低一点，但不是针对每种几何形状或每种类型的热塑性胶带。”。
哈姆林说：“对于复杂的零件，我们可以实现96%的固结（3-4%的孔隙率），而对于平坦的零件，孔隙率小于2%。”。“使用平板，您可以更准确地放置纤维，这有助于提高固结度。关键是我们如何设置和控制工艺窗口和高压实压实机的压力。”
Accudyne的斯穆特指出，他的公司在20世纪90年代的ISC开发过程中遇到了胶带质量差的问题（见上篇文章）。“你无法满足孔隙率或性能要求，”他解释道。“Accudyne必须先将胶带固结，然后用其原位层压机进行处理。通过这种方式，它能够获得3%以内的热压罐性能，甚至生产出一些超过这一性能的面板。”
但哈姆林指出，热塑性胶带和丝束的质量有了显著改善，孔隙率尽可能低至1%。
然而，FIDAMC的罗德里格斯看到了一些问题，尤其是在最近的强化机身面板演示中。“由于滚筒的作用，层压板之间的固结非常好，”他说，“但由于原材料的多孔性，每个层压板（内部）都有空隙。”他还指出了胶带厚度、宽度和树脂/纤维分布的均匀性问题。图3中的显微照片为CF/PEEK。罗德里格斯观察到：“你可以看到空隙和不规则的厚度，这会导致压实问题。”。“我们需要更均匀的厚度，”他补充道，“包括胶带的宽度和长度。”
尽管存在这些问题，但一步工艺中的固结度约为热压压或热压所实现的固结度的90%。罗德里格斯表示，这对于初级航空结构来说已经足够高了，但FIDAMC正在与供应商合作，包括Barrday（美国马萨诸塞州米尔伯里）、TenCate（荷兰Almelo）、Toho Tenax（德国伍珀塔尔）和Victrex（英国兰开夏郡Cleveleys），以实现更高质量的磁带和相应的整合以及原位AFP处理速度的目标。
另一个关键问题是结晶度，这是半结晶聚合物（如PEEK、PEKK和PPS）在从熔体温度冷却成固体时形成的有序分子结构。一般来说，较慢的冷却速率会增加结晶度，从而导致成品层压板具有更高的机械性能和耐化学性。罗伯特·郎贡认为结晶度对某些应用比其他应用更重要。“你希望满足每种应用的耐化学性和机械性能，以及零件在使用寿命内的稳定性。零件在结晶时会收缩，所以你真的希望在零件生产过程中完全做到这一点，以防止在使用过程中零件形状发生变化。”他说，目标不仅是降低零件尺寸稳定性的风险，还降低零件内残余应力形成的风险。
“在我看来，你不需要40%的结晶度，”德弗里斯在谈到典型的理想百分比时说。“如果你比最大值（39-40%）低5-6%，性能和耐化学性都会有一点变化。所以，35-36%就足够了，但低于这个值，性能会显著下降。”
关于PEEK还是PEKK在结晶度方面提供更容易的加工，也存在争议。德弗里斯（De Vries）认为PEKK在375°C和385°C的PEEK温度下加工更适合AFP，“因为加工窗口更宽。”但并非所有人都同意。有人认为PEEK可以用于机翼结构，但由于其成本较低，PEKK可以用于机身。但这也存在争议。大多数AFP设备制造   商和航空结构开发合作伙伴都在考虑这两者。
第三个因素是胶带厚度。在NLR，德弗里斯认为较厚的材料可以提高材料放置率，他声称可以像较薄的胶带一样处理，并进行一些工艺窗口优化。他说：“我们目前使用0.13毫米厚的标准0.25英寸宽的胶带，这是索尔维公司的认证材料。”。“但我们正在TAPAS 2项目中使用TenCate探索厚度高达0.18毫米的胶带。我们希望PEEK和PEKK都能达到0.25毫米的厚度，但很难获得高质量的胶带。”
一步流程还是两步流程？尽管大型ISC TPC零件显然是可能的，但GKN Aerospace（英国Redditch）Fokker业务（荷兰Papendrecht和Hoogeveen）的航空结构研发主管阿恩特·奥夫林加（Arnt Offringa）认为，“原位固结的挑战是实现高铺设速度。”ISC在气缸、储罐和管道应用中取得了成功，部分原因是其几何形状适合一步加工。他解释道：“对于管状形状，可以获得高速度，因为在铺层过程中可以对纤维施加张力。”。
NLR的德弗里斯补充道，“Automated Dynamics很早就在圆柱体中实现了这一点，因为在每45°和90°的帘布层上，它就像一个环箍，施加环箍应力，防止固结，同时缓解热应力。”
福克是唯一一家拥有TPC机身零件在生产飞机上飞行的一级供应商，但这些零件是用热压罐或压力机制造的。奥夫林加、德弗里斯以及TPC初级结构开发中的大多数荷兰和法国合作伙伴都是航空结构特遣队的一部分，该特遣队更喜欢非圆柱形TPC零件的两步工艺。
当开发TPC结构的一个经常被引用的驱动因素是比当前热固性材料更快的循环时间时，为什么要使用热压罐？德弗里斯说：“因为在AFP中平衡速度和质量仍然相当困难。”。“你走得越快，你的质量就越差，但零件就越便宜。”因此，第二个热压罐步骤可以让你达到快速AFP速度，同时仍然满足所需的空隙率。
“我们正在开发一套加工技术，包括热压罐和非热压罐，”奥夫林加说。尽管热压罐和热压同时施加热量和压力，但奥夫林加将更快、更简单的压制选项与热压罐替代品进行了分类。“基本上，冲压成型是一种非热压罐工艺。我们正在朝着更复杂、更大的结构迈出这一领域的下一步。同时，热压罐工艺也有一席之地，尤其是对于具有集成设计功能的大型、强弯曲产品。选择哪种工艺取决于几个因素，如成型率、零件尺寸和零件复杂性。”
哈姆林强调，两步TPC的第二步不像热固性复合材料那样繁琐、昂贵和耗时。尽管仍然需要真空装袋，并且必须在真空下留出足够的时间，将初级结构的孔隙率降低到<2%的要求，但“时间不如热固性结构的时间多，”他说。“今天，你要花4-8个小时加热一个巨大的工具，然后花8个小时聚合热固性预浸料，然后冷却。对于热塑性塑料，你不是在聚合。你加热30分钟，达到400°C，再保持几分钟，而不是几个小时，然后冷却下来。”他指出，也有对加热工具的研究，这可能会进一步加快循环时间。
哈姆林总结道：“我们不进行原位固结，而是在不减缓（与热固性AFP速度相比）的情况下实现尽可能高的固结。我们可以在层间实现1-3%的孔隙率，然后进行短的真空装袋循环。”。
德弗里斯对此表示赞同，并指出ISC AFP比率与第二步完成整合的流程之间仍存在明显差距。“对于原位固结的热塑性复合材料，我们可以以60-100毫米/秒的速度铺设，但如果我们尽可能快地铺设，然后在热压罐后铺设，速度为600-700毫米/秒。”
为ISC TPC辩护Automated Dynamics的罗伯特·郎贡承认，使用高压釜进行两步固结也简化了认证，因为这与目前用于热固性复合材料机身的工艺基本相同。也就是说，朗格尼坚定地站在ISC一步到位的阵营中。他说，通过激光加热，TPC零件的生产速度可以接近热固性零件。“在许多情况下，你会遇到二次速度问题，如管理结晶度、AFP工具的惯性以及机器人系统的加速和减速。”他指出，实际零件生产速度不仅仅是基于最大机器速度。他解释道：“你还必须处理零件的复杂性、纤维方向、帘布层的堆积和脱落以及停止和重新启动，以产生接近净形状并减少浪费。”。无论材料是热固性的还是热塑性的，这些问题都会减缓生产。
此外，罗伯特·郎贡认为，真正的优势在于消除第二步的好处：“第二步整合会损害零件的整体经济性，”他说。“我们使用标准工艺预制桁条、肋和舱壁，将其放入工具/心轴中，然后在顶部放置纤维。由此产生的现场固结、集成结构是Trelleborg（总部在瑞典的一家全球性公司）的关键能力之一，因为您可以在没有粘合剂或紧固件的情况下生产结构。”尽管焊接也消除了粘合剂和紧固件，但与ISC相比，这是第三步。这些额外的步骤必须考虑到生产成本中，才能真正比较一步和两步TPC工艺。
FIDAMC的罗德里格斯承认ISC AFP速度较慢，但他认为，如果不是机翼，也可以在机身铺放中进行商业论证。“机翼结构非常厚，”他指出，“因此原位固结非常缓慢。但机身结构没有那么厚。以我们在这里可以达到的速度，不需要额外的步骤，我们相信原位固结可以具有竞争力。”
罗德里格斯还呼吁注意工具成本的差异：“通过原位固结，工具就不那么复杂了。”与Trelleborg一样，FIDAMC将完全固结的桁条和框架放入工具/心轴中，然后使用AFP在顶部构建层压板，实现ISC加硬蒙皮。他声称：“你可以完美地控制所有元件的几何形状，因为当你AFP放置在顶部时，你只加热桁条的最后一层。”。“您不需要复杂的工装。例如，在桁条腹板中，您可以在没有心轴和多件式工具的情况下保持几何配置。”因此，在第二个固结步骤中安装工装嵌件不会减慢生产速度，总体而言，工装成本更低。罗德里格斯承认：“很明显，我们需要的原位整合速度低于两步流程，但一步原位整合的工具数量和工具成本/复杂性要高得多。”
另一方面，对于一步训练营来说，CW在新闻发布会前了解到了一种TPC胶带替代品，该替代品可能会提高ISC的AFP放置速度。作为地平线2020项目NHYTE的领导者，Novotech（意大利那不勒斯）正在与各种合作伙伴合作，建造一种具有ISC蒙皮和感应焊接桁条的TPC机身面板，两者都由预固结混合胶带制成。该胶带概念已获得Leonardo Aircraft（意大利罗马）的专利。Novotech采用工业化的连续工艺，将来自索尔维复合材料公司（Alparetta，GA，US）的AS4/APC2胶带夹在两层未增强的无定形聚醚酰亚胺（PEI）之间。将层加热至400°C，并在控制冷却的同时进行压制，以实现PEEK中的结晶度。初步测试显示PEEK和PEI之间具有良好的固结性。然后将这种混合胶带缠绕并在科里奥利AFP机器中用于铺设ISC外皮。因此，除了集成的蒙皮加劲肋结构外，ISC可以单独用于蒙皮，桁条可以焊接到蒙皮上。成熟度和为未来回报所做的工作尽管ISC TPC材料和加工仍需要大量的开发工作，科里奥利复合材料公司的哈姆林认为该机器技术已经非常成熟。“现在的主要问题是如何使用这些机器；这是还有很多工作要做的地方。”
NLR的德弗里斯表示：“对于大型零件，我们仍然需要做大量工作来缩短ISC的机器时间。”。或者，他认为冲压成型非常成熟。“我们已经为世界各地的客户完成了冲压成型工作。”将冲压成型的加强筋焊接到ISC蒙皮上确实可以提供一种平衡良好的折衷方案，并更快地到达未来飞机上飞行的更多TPC主结构。
罗伯特·郎贡说：“35年来，Automated Dynamics，现在的Trelleborg，每天都在生产ISC零件。”。“从每年50万个小到2克的零件，到每年多个大到40英尺长、使用2500磅复合材料的零件。”。
空中客车公司的科拉尔（Collart）表示：“如今，关键的挑战不是要比热固性复合材料更好，而是要开发一种在性能和成本方面与金属具有竞争力的热塑性技术。”。“我们的使命是成为复合材料技术和组件的灯塔，热塑性塑料就是其中的一部分。”