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行业分析

制造单通道民机机翼 用什么复合材料
来源:杨超凡  2020-12-31 10:20:20
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10341.html       用复合材料制造机翼,除了一般复合材料带来的好处外,还给空气动力带来很大的好处。机翼蒙皮是在凹模中用复合材料模塑成形的。蒙皮外形准确、且光滑流线,再加上它与长桁连接不用铆钉连接,进一步保证了这个优点。装配好的机翼,比金属机翼阻力小。

       复合材料比强度高,机翼做的比金属机翼薄。薄机翼阻力小。特别复合材料机翼,可以做到比金属机翼展弦比大。展弦比大,机翼的升力就大。展弦比大就是机翼窄长,像滑翔机、太阳能飞机,为追求大的升力,都有很长的机翼。

       目前单通道民机有:
  • 空客A320(铝合金机翼),展弦比10.45。
  • 波音B737(铝合金机翼),展弦比9.45。
  • 商飞C919(铝合金机翼), -----
  • 俄罗斯MC-21(复合材料机翼), 展弦比11.5。
  • 空客A220(复合材料机翼)。
       其中空客A220属100-150座级单通道民机。其余4种同属150座级单通道民机。

       这里讨论的机翼材料,是指翼盒中的上下壁板、前后梁所用的材料(图1.- 2.)。MC-21和A220机翼所用的复合材料,都是环氧树脂基碳纤维复合材料。环氧树脂属于热固性树脂。通常热固性树脂需要在高温、高压条件下,经过一定时间固化。

       MC-21和A220机翼所用的复合材料,材料牌号不同、使用的工艺也不相同。

图1. A320铝合金机翼翼盒

图2. 机翼结构


       俄罗斯MC-21复合材料机翼

       材料:苏威(Solvay)的干碳纤维无捻纱带(slit tape)PRISM® TX 1100 和基材PRISM® EP 2400 增韧树脂。
       工艺:自动铺放(AFP)干碳纤维无捻纱带 - 热灌注树脂 - 不用热压罐,在高温炉中固化(图3.至10.)。

图3. AFP铺放干纤维带制造机翼蒙皮
 
图4. AFP铺放干纤维带制造机翼梁

图5. 干纤维带机翼蒙皮(注意厚度)

 
图6. 用NCF(无卷曲织物)制造机翼长桁

图7. 自动热灌注入中心(TIAC),270°C±2°C、温度均匀
 
图8. 壁板灌注树脂后进入高温炉固化
 
图9 机翼翼盒铆接装配

图10. 铆接装配好的翼盒

       空客A220复合材料机翼

       材料:Saertex(德国萨尔贝克)的单向和多向无卷曲织物(NCF)。苏威(Solvay)公司的Cytec 890环氧基材树脂。
       工艺:使用庞巴迪的专利技术-树脂转移灌注( RTI )工艺(图11.)。

图11.A220机翼壁板制造工艺

       1.在蒙皮模具 (图11.中的1)上铺放干碳纤维无卷曲织物(NCF),形成机翼壁板蒙皮。(此图中未示出)
       2.在铺好的蒙皮上,放置、定位干碳纤维无卷曲织物长桁和长桁模具(图11.中的3)。
       3.盖上柔性带(图11.中的2)。柔性袋是一种用针织物增强的聚丙烯酸材料,可以向任何方向延伸,但同时具有柔软区域和半硬区域(用固化复合材料增强),共同为树脂完全湿润所有纤维开辟了一条通道。采用真空压力将Cytec 890 RTM环氧树脂压入柔性带内。真空压力最高可达14psi。树脂注入温度80°C。(注入树脂时热压罐内不加压)
       4.在热压罐中固化。温度180°C,2小时,压力100 psi(7大气压)。
       5.  接下来是复合材料制造的通用工序:C扫描无损检测、修剪、划线、钻孔、切割。

       “新320”复合材料机翼研发动态

       空客准备在2030年,推出机身、机翼都是复合材料的“新320”,以取代现在的铝合金A320。“新320”机身用碳纤维增强热塑性树脂复合材料。机翼用碳纤维增强热固性树脂复合材料。

       “新320”机翼为什么不用MC-21和A220复合材料机翼技术?直观的原因有:
       1.“新320”的目标产量,每月生产70-100架飞机。上述两种复材技术达不到要求。特别是MC-21灌注加温的基材树脂和在高温炉中固化,需要20多小时。机翼产能每年仅能生产100套机翼。
       2.“新320”为降低经常性生产成本,生产中不使用热压罐。A220灌注基材树脂和固化,都是在热压罐中进行。

       “新320”机翼研发使用的材料:
  • 由Teijin Carbon Europe GmbH(德国Wuppertal)公司提供的干无卷曲织物(NCF)
  • 由苏威(Solvay)复合材料公司(美国佐治亚州阿尔法瑞塔)提供的单组分环氧树脂基材系统
       “新320”机翼研发使用的工艺和工具:

       在新冠疫情前,GKN完成了一个4米长的机翼后梁试验模具;Spirt试制一件7米长的,机翼下蒙皮;明年年初,完成17米长的下蒙皮模具(图12.)。此模具可以制造蒙皮的最大弦长3.3米,尖端宽1.1米。蒙皮铺层的厚度在尖端附近测量为5毫米,在蒙皮与主起落架梁的接口处为30毫米。

图12. 17米长机翼下蒙皮模具

       该工具采用专门的模具温度控制技术,具有半柔性薄膜和加热工具盖。使用靠近模具表面的集成加热装置,以提供快速和精确的温度控制。

       基材树脂采取一套称为智能树脂注入系统(IRIS-Intelligent Resin Infusion System )的技术,多点注入基材树脂进行生产。

       干无卷曲织物(NCF)使用超高速铺放工作站(UHRDCU -ltra High Rate Deposition Cell)。此工作站可以按设计要求,精准测量、切割干无卷曲织物(NCF)。使得以后成型的零件,做到净边无余量。此工作站还有两个NCF处理系统,用于将切割好的NCF织物精确地装载到蒙皮工具中。

       第一个系统,称之为FibreFORM,由密集270个吸盘组成的吊具(图13.)。吸盘安装在柔性轴上,每个吸盘都能够根据产品三维模型数据,发出指令定位和提供吸力。它可以捡起一块切割好的NCF材料,并小心地将其吸成三维形状,然后将其放在模具上。

       第二个系统,称为FibreROLL,将切割好的、长的NCF叠层卷到滚筒上。此滚筒是吊具一部分。然后将它们吊往模具,精确地展开到模具上。

图13. 吸盘吊具

       综述

       “新320”机翼采用干无卷曲碳纤维织物(NCF)- 灌注环氧树脂基材 – 高温炉固化的工艺路线,无疑是目前最佳的选择。特别是在工序中应用如下创新自动化技术:
  • 干无卷曲碳纤维织物(NCF)是在超高速铺放工作站(UHRDCU)内。计算机控制的切割、抓取、吊运、铺放。
  • 智能树脂注入系统(IRIS),多点注入基材树脂。
  • 模具温度控制技术。
       用此种材料和工艺,确保了高质量、低成本、高速率,生产单通道飞机机翼。空客如果预期在2030年推出“新320”,那么他将稳坐单通道民机,第一把金交椅。在世界民机市场谁是第二?让我们拭目以待。

       引申出以下问题:

       1. 目前所有复合材料机翼的翼肋(包括波音787和空客A350),全是铝合金制造的。“新320”翼肋用什么材料,cy未见报道。

       “新320”机身研发中,使用新型高温、高性能聚醚醚酮(PEKK)热塑性树脂碳纤维复合材料。其中承受较大压缩载荷的门框也使用这种热塑性复合材料制造。按此,翼肋也能使用这种复合材料制造。A320一侧机翼有18个翼肋。如果全机36个翼肋都用复合材料制造,其减重效果将十分明显。

       2. FACC(奥地利一家制造复材结构件公司。2009年被中航工业西飞收购。)他给俄罗斯研制MC-21原型复合材料机翼时,曾经用过赫氏(Hexcel)的OoA HiTape(厚度达30mm)碳纤维无捻纱带及其HexFlow灌注树脂。后来采用苏威(Solvay)的干碳纤维无捻纱带PRISM®TX 1100 和 PRISM®EP 2400增韧树脂。

       主要经验是,一.碳纤维与基材树脂要匹配。二. 复材机翼的制造质量不取决于结构类型,而是取决于能否保持对工艺参数的严格控制。

       3.在制造长60米以上风力发电叶片的翼梁加强件,可以采用干碳纤维无卷曲织物(NCF)- 灌注基材树脂- 高温炉固化的工艺路线。前面提到的SAERTEX(德国萨尔贝克)公司就提供这种干碳纤维无卷曲织物(NCF)。

       4. 铝合金机翼的C919在2030年后,很难再在国际民机市场上竞争。机翼改用复合材料,也是一种选择。改机翼用什么材料、工艺是不言而喻的了。

文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-10341.html