摘要：全热塑性复合材料风扇罩探路者。柯林斯航空航天公司正在开发一种风扇罩（白色，最顶部的结构在左），作为开拓者零件，以推进其热塑性复合材料结构路线图，包括大型弯曲蒙皮的自动纤维放（AFP）（右上）和冲压帽加强件的熔接（右下），这些加强件将焊接成一个整体结构。
柯林斯航空航天公司利用全球团队数十年的经验，为下一代飞机演示大型弯曲AFP和焊接结构。
全热塑性复合材料风扇罩探路者。柯林斯航空航天公司正在开发一种风扇罩（白色，最顶部的结构在左），作为开拓者零件，以推进其热塑性复合材料结构路线图，包括大型弯曲蒙皮的自动纤维放（AFP）（右上）和冲压帽加强件的熔接（右下），这些加强件将焊接成一个整体结构。
柯林斯航空航天公司（美国北卡罗来纳州夏洛特市）是世界上最大的航空航天和国防工业供应商之一。它成立于2018年，当时联合技术公司（UTC）收购了罗克韦尔柯林斯，将其与自己的航空航天和国防业务UTC航空航天系统合并。在UTC和雷神公司成功合并后，柯林斯后来成为了现在被称为RTX的实体。如今，柯林斯航空航天公司是RTX的三家子公司之一（与雷神公司和普惠公司并列），由六个战略业务部门组成——先进结构、航空电子、互联航空解决方案、内饰、任务系统和动力与控制。
Aerostructures是柯林斯先进结构部门的一个产品组合，在全球15个地点拥有6000多名员工，专门从事航空发动机发动机吊舱、热塑性复合材料和吊挂。柯林斯公司为大约35个商业和军事项目提供了40000多个吊舱。这包括仅空客就有近20000个吊舱，普惠GTF发动机的吊舱目前正在空客A321XLR上进行飞行测试，该飞机将于2024年投入使用。
吊舱也体现了柯林斯航空航天公司在复合材料及其位于美国加利福尼亚州里弗赛德的工厂的悠久历史，该工厂于1952年由Rohr Aircraft（美国加利福尼亚州丘拉维斯塔）开放，Rohr Aircracy是发动机吊舱、推力反向器和吊挂的长期领导者。现在，河滨工厂是一条新的热塑性复合材料（TPC- thermoplastic composite）航空结构试点生产线的所在地，也是共同生产全TPC、直径2米的窄体飞机发动机机舱风扇罩的两个设施之一，这是一个探路者项目。
柯林斯航空航天公司于2021年收购的第二家工厂以前是荷兰热塑性塑料零件公司（DTC，Almere，Netherlands）。该工厂由David Manten于1998年创立，为12架不同的大型客机和公务机生产2000多个独特的零件号，包括肋、剪力肋、腹板、加劲肋、角片和加强件。柯林斯航空航天公司热塑性复合材料总经理曼腾表示：“我们作为小型结构热塑性塑料复合材料零件的制造商已有20多年的历史，生产了150万个压制成型零件。”。“但即使在收购之前，我们已经开始开发厚度可变、形状更复杂的更大零件。”
柯林斯航空航天公司热塑性复合材料总工程师丹·乌尔森巴赫（Dan Ursenbach）指出，这种吊舱探路者零件是柯林斯航空航天TPC全球团队开发的。“我们使用AFP（自动铺丝）制作一个大的蒙皮，冲压成形帽型加强件，然后将这些组件焊接在一起。所有这些都得到了基于知识的数字工具的支持，目标是在未来2年内达到TRL（技术准备水平）6。”
这听起来很简单，但柯林斯航空航天公司复合材料高级技术研究员米歇尔·范·图伦（Michel van Tooren）解释了实际的复杂性。他说：“我们不得不研究该工艺的许多方面，以及如何使其适用于工业生产——如何为具有集成雷击保护（LSP）和热压罐外（OOA）固结的大型弯曲蒙皮提供AFP，以及如何感应焊接冲压加强件。”。
尽管挑战很大，但取得的成就也越来越大。范·图伦说：“你可以看到许多大型TPC静态演示，特别是在欧洲，但还没有任何东西在飞行。这将是AFP实际飞行中最大的TPC零件。”事实上，这个吊舱的认证将是这个开拓者的最终成就之一，但只是柯林斯TPC技术的开始。
罗尔对柯林斯发动机舱的创新
弗雷德·罗尔（Fred Rohr）为查尔斯·林德伯格（Charles Lindbergh）的圣路易斯精神号（Spirit of St.Louis）制造了油箱，并于1940年创立了罗尔飞机公司（Rohr Aircraft Corp.）。他还发明了第一个用于成形铝板的落锤，这大大加快了航空发动机发动机吊舱进气口的成形过程。在第二次世界大战期间，Rohr Aircraft是世界上最大的飞机推进包生产商，到1965年，其制造的喷气发动机动力装置和推力反向器比世界上任何其他制造商都多。
弗雷德·罗尔于1965年去世后，该公司多元化生产卫星天线、火箭发动机部件、深潜/海军舰艇和BART汽车等地面运输。1986年，罗尔在其Chula Vista工厂建立了一个碳碳和高温复合材料实验室。到1990年，罗尔再次将重点放在先进的结构、吊舱和吊挂上，并在世界各地设有生产基地。罗尔于1997年与Goodrich合并，成立了Goodrich Aerostructures，并于2012年被UTC收购。
为什么是TPC？
曼腾说：“热塑性塑料的主要原因是制造自动化和从每个过程中获得大量循环时间的机会。”。“与此同时，我们可以通过消除紧固件来减轻重量。减轻重量和提高生产率是两个主要驱动力。我们正在为下一代飞机做好准备，我们预计下一代的飞机将使用更多的复合材料大量制造。我们的复合材料技术必须能够满足这些要求，这就是热塑性复合材料所能实现的。”
乌尔森巴赫提到了波音公司的一项研究，该研究表明，使用自动切割和配套、手工铺叠和热压釜固化，可以将热固性复合材料翼肋的循环时间从400分钟缩短到使用冲压成型的TPC零件的45分钟。通过消除材料（热固性预浸料所需）的冷冻储存和解冻以及热压罐固化，进一步提高了制造效率，热压罐固化是能源和时间密集型的。
“我们进入连续纤维TPC生产部分的第一步是A320吊舱的纵梁，” 乌尔森巴赫说。“这是我们已经在使用手工叠层和热压罐固化制造的一个零件。2018年，我们开始与包括DTC在内的TPC公司讨论将其作为TPC零件的可行性。预计的收益是巨大的，所以我们开始与DTC合作，将纵梁作为压模TPC部件生产。当我们开始研究吊舱中的其他零件时，很明显这是要走的路。我们也得到了客户群的很多鼓励，他们期待着下一代飞机和每月75架以上单通道商用飞机的生产率。”
为什么选择吊舱探路者？
柯林斯航空结构公司高级结构工程和战略计划副主任克里斯蒂安·索里亚说：“柯林斯航空结构一直处于复合材料开发的最前沿。”。“当我们决定开始开发TPC时，我们希望确保我们涵盖了最终全面应用于我们产品所需的全部技术和能力。作为一个团队，我们定义了使我们能够生产和制造大型复杂组件（如吊舱组件）的关键要素，并制定了不同技术的路线图。”
图1. 热塑性复合材料（TPC）开发路线图。柯林斯航空航天公司于2021年收购了荷兰热塑性塑料部件公司（DTC），并在其位于美国加利福尼亚州里弗赛德的吊舱制造工厂安装了一条试验性TPC生产线。这些互补的工厂在各种路线图技术方面进行了交叉培训，以利用专业知识并作为一个单一的全球团队成长。
“我们选择风扇罩作为我们的开拓者，因为它可以在一个产品中驱动大多数关键的TPC流程，” 乌尔森巴赫补充道。“我们需要开发冲压成型，将冲压成型的零件连接成更大的加强筋，以及超越冲压成型的大型蒙皮，形成AFP，以及这些更大加强筋与AFP蒙皮的连续、更长的焊缝。风扇罩涉及制造大多数类型的商用飞机结构所需的所有要素，但足够简单，可以在合理的时间内实现。这也是我们可以在飞机上进行飞行测试并在真实产品上实施以获得使用反馈的一部分。”他补充道，认证是这项技术发展的关键要素，“但这在行业中还没有得到很好的定义，因为没有很多焊接的TPC结构通过认证途径。”
DTC，河滨试验线，TRL目标
柯林斯在定义其TPC技术路线图（图1）时，对该行业进行了调查，以了解其他公司在做什么。索里亚说：“我们意识到，像DTC这样的公司已经是专家了。我们可以尝试有机地发展同样的能力，或者我们可以收购像DTC那样的人，并将他们带到我们的团队中，在行业还不那么先进的领域提供帮助。这就是我们所做的。我们正在制定我们的路线图，并使这些技术成熟。”他指出，河滨的试验线强调了DTC不太关注的技术块，“但我们也在各工厂之间进行交叉培训，这样我们就可以利用来回的学习，作为一个热塑性复合材料团队成长。”在阿尔梅勒，柯林斯还在扩大先进的冲压成型和焊接能力。
“我们不想偏向于特定的工艺，” 乌尔森巴赫说，“而是能够按照需要的方式设计TPC零件。为此，我们需要将所有工艺放在一个屋檐下。这使我们能够优化每一步，并帮助我们的工程师了解流程。我们有40年的时间来迭代和优化热固性复合材料零件的组装方式。我们希望用TPC零件尽可能加快这一过程。”
图2. 试生产线。河滨的TPC中试生产线包括风扇罩探路者部分演示的全过程链，从帽子加强件部分的ATL坯料到将熔合加强件感应焊接到蒙皮。
索里亚指出，河滨工厂已经建成了试点生产线，目前每天都在生产商业零件（图2）。他说：“我们想确保在开发这些技术的同时，我们也在证明它们可以工业化，而不仅仅是在实验室环境中工作。”。中试生产线上的设备能够进行低速商业生产。目前，该生产线包括一个Boikon（荷兰Leek）FALKO高速（高达450平方米/小时）自动铺带（ATL）工作站，用于生产定制坯料和近净形状的冲压件，一个Pinette Emideau Industries（法国PEI，Chalon Sur Saone）245公吨冲压机，一个Coriolis Composites（法国Quéven）C1 AFP工作站，用于大型叠层，一个来自Wisconsin oven（美国威斯康星州East Troy）的OOA固结大型烤箱，用于自动化材料和零件处理的双KUKA（德国奥格斯堡）机器人，以及一个内部开发的感应焊接单元，该单元受益于范·图伦多年的技术经验。
如图1所示，柯林斯正在同时使路线图技术成熟，但有些已经达到了更高的TRL。“更小、更简单的零件的冲压成型已经完全成熟并工业化，”曼腾说，“但具有厚度变化的复杂和更大的零件仍在优化中。对于用AFP制成的大型蒙皮和焊接，我们的TRL在4到6之间。对于已完成的焊接组件，我们预计在2026年达到TRL 6。”
开拓者零件设计、工艺链
第一个问题是将热固性复合材料部件转换为TPC。索里亚说：“我们的设计工程团队研究了如何利用TPC制造工艺。我们仍在经历一段学习曲线，因为这些工艺开辟了一个不同的设计空间，工程师们必须考虑设计TPC零件的不同工具集。我们开始与制造工程师迭代，从大卫（David）和他在Almere的团队那里获得意见，然后米歇尔·范·图伦（Michel van Tooren）加入了我们的团队，并就制造和如何重新思考设计提出了建议。”
该团队开始最终确定风扇罩不同部分的工艺链。索里亚说：“我们已经知道我们需要以某种方式将这些部件焊接在一起，但不知道哪种焊接方法适合风扇罩。因此，我们开始探索包括感应、超声波、红外和传导焊接在内的广泛焊接方法。目前，我们正在为每种焊接方法在我们产品的不同领域找到用途——长距离连续焊接、局部焊接、盲焊。我们还开始与DTC合作，研究如何冲压风扇罩的大型加强件，当我们考虑冲压大型蒙皮时，我们还开始了AFP，因为我们知道以后需要更大面积的材料。”
柯林斯航空航天公司通过DTC（上图）获得了丰富的冲压专业知识，并继续探索和鉴定用于集成TPC结构的热塑性聚合物。
乌尔森巴赫补充道：“我们完成了两个网站之间长达一年的知识转移。”。“DTC拥有冲压专业知识，但Riverside的Collins拥有AFP和焊接专业知识。因此，我们花了时间将所有这些知识编码并制造零件，以便在工厂之间传递工艺知识。”
柯林斯公司为A320吊舱纵梁认证了碳纤维/PEEK单向（UD）胶带，但现在正在寻找LMPAEK（英国克莱维利威格斯）和PPS材料用于探路者风扇罩。正如2022年的文章“热塑性复合材料焊接进展……”中所解释的那样，LMPAEK已成为TPC焊接的首选材料，因为与其他聚芳基酮聚合物相比，它的加工温度更低。范·图伦说：“LMPAEK的快速铺叠和低温固结使其在工艺链中的流动性更好。”。“我们主要使用UD胶带制作风扇罩，但也使用了一些织物来帮助实现高度轮廓的零件。”
优化流程链、演示器状态
美国加利福尼亚州里弗赛德柯林斯航空航天公司试点生产线的一部分，TPC风扇罩蒙皮原型在固结炉中。
探路者风扇罩的工艺链始于弯曲皮肤的AFP铺层。范·图伦解释说：“AFP机器已经为行业做好了准备，但这个过程仍然需要大量的工作。”。“例如，吊舱结构需要铜网LSP，而铜网LSP必须位于外层。此外，TPC预浸料不像热固性复合预浸料那样粘稠，因此将胶带放入工具中并不容易。我们开始时的标准做法是放入聚酰亚胺薄膜并将其粘在一起。这适用于开发，但不适用于生产。在过去的2年里，我们已经成熟了如何制造具有局部增强的大型弯曲蒙皮，将LSP集成到这些叠层中，并确保我们获得正确的表面质量，以及OOA固结所需的质量。”
图3. 材料处理，AFP曲面蒙皮。试生产线包括机器人搬运和焊接熔融连接的帽型加强筋（白色半圆，上图）。该工作站右侧是一个用于参数开发和验证的小型感应焊接工作站，然后是AFP工作站，其中完成了2米直径的风扇罩蒙皮叠层（底部）。
该团队选择了快速铺叠和OOA固结，而不是不需要二次整合步骤的原位固结（ISC- in-situ consolidation ）。“根据我们的经验，” 范·图伦解释道，“与固结AFP叠层相比，ISC速度较慢，层压板蒙皮将受到超过30%的强度降低的影响。” 乌尔森巴赫指出，这似乎是由于缺乏足够的时间进行亲密接触和再移动（层间的聚合物缠结）。烤箱中的OOA固化是该团队策略的一部分，该策略旨在摆脱热压罐的批量处理和由于对流传热效率低而导致的长循环时间。然而，挑战依然存在。“TPC材料的较高加工温度限制了可以使用的工具和工艺辅助材料，” 乌尔森巴赫说。“例如，可重复使用的硅胶袋不是一种选择。”
风扇罩的热塑性复合材料帽型加强件。
蒙皮在圆周方向上由空心帽加强件加固。范·图伦说：“这些部分的直径约为8英尺，虽然它们看起来很简单，但它们在长度和宽度上都是弯曲的。”。“我们发现它们太大了，无法一次性冲压。相反，我们需要冲压段并将其连接在一起。如何在没有机械紧固件的情况下做到这一点，而是利用TPC的重熔和再凝固能力，需要付出很多努力。这导致了一种我们称之为熔融连接（fusion joining）的专利工艺。我们现在能够制造这些大型加强件，我们正在努力制造更大更长的零件。”
图4. 将加强件感应焊接到蒙皮上。安装在机器人上的感应焊头（顶部）在焊缝上移动感应线圈——在这种情况下，原型加强件和蒙皮由焊接工具（灰色）顶部的夹具（白色）固定，该夹具也控制散热。在底部，一个焊接的加强筋蒙皮原型位于热固性复合材料风扇罩的前面。
接下来，使用机器人安装的感应焊头将加强筋感应焊接到蒙皮上（图3和图4）。范·图伦解释说：“由于焊接是在没有任何额外材料的情况下完成的，这需要对零件和焊接工艺进行适当的设计，以建立它们之间的紧密接触。”。“加强筋和蒙皮被装入一个将零件推到一起的夹具中，然后机器人将感应线圈移动到焊缝上。焊接工具由不同的专有材料组合制成，以允许以可控的速度散热。在整个过程中，通过机器人和工具安装的传感器监测温度和压力。我们在开发工具方面付出了很多努力，以最好地控制焊接时的形状和热量。”在加热、重熔和冷却过程中，工具必须保持对被焊接零件的压力。控制焊缝处的热量以避免在零件中产生热应力也很重要。范·图伦指出：“你还必须确保在这个过程中不会破坏空气动力学表面质量。”。
他继续说道：“为了验证焊接质量，我们一直在进行各种试样测试（搭接剪切、拉脱测试等）支持的实验设计，以微调焊接参数。”。“我们已经证明，我们可以将帽子加强筋焊接到蒙皮上，但仍在通过原型演示器来改进所有方法和工艺。我们应该能够在未来6-9个月内完成全尺寸的最终演示器。其他功能，如风扇罩的纵梁加强筋，也将被焊接，形成一个完全无紧固件的加强蒙皮组件。”
飞行试验品
索里亚指出，该探路者的路线图遵循标准的航空航天工业构建块方法，从试样到子元件再到集成结构收集测试数据。他解释说：“我们不是在建造一个看起来像风扇罩的东西。”。“这台演示机是为我们目前的一条产品线设计的。一旦完成，我们将与客户合作寻找飞行试验台。最终，它将在飞行中得到验证，但所有这些都将得到大量额外测试的支持。”
乌尔森巴赫补充道：“如果我们刚刚制作了一个静态演示器，我们本可以走得更快，但我们实际上正在制造一个可以安全飞行的部件，这需要更多的确定性、数据和子元件测试。”在完成这项测试后，我们的目标是在柯林斯公司目前的一种吊舱产品上推出这项技术，目的是尽早展示这项技术的好处。他解释说：“我们希望在现有平台上引入这种能力，而不一定要等待下一个新的洁净板飞机设计。”。“我们希望开始从现实环境中获得反馈，这将有助于我们继续构建和改进这些技术块，以便在下一个干净的设计公布时做好准备。”
最大的挑战和成就
乌尔森巴赫说：“内部最大的挑战之一是TPC看起来很像热固性复合材料，所以每个人都想这样对待它。”。“但这些是非常不同的材料，具有非常不同的加工要求和条件。”他指出，向TPC过渡实际上更像是从金属到复合材料。“这是一个重大的转变。人们天生认为所有相同的规则都适用，但我们必须建立一套全新的规范和允许条件，以及一份新的设计手册。”后者是DTC知识无价的一项重大努力。“我们能够为我们的设计工程师编纂这些知识，” 乌尔森巴赫说，“不仅理解和记录TPC的差异，而且在我们的工程、质量和生产社区以及监管社区中进行社交，这是一项持续的活动。”
曼腾指出，另一项重大成就是在使用集成LSP焊接零件方面取得的进展。正如2018年“焊接热塑性复合材料”一文所解释的那样，当感应线圈沿着焊缝移动时，它会在导电碳纤维层压板中感应出涡流，产生热量并熔化热塑性塑料。然而，铜网LSP的导电性更强，也需要采取措施防止在该层中产生涡流。曼腾补充道：“我们已经成功了，但这需要在从冲压成型到AFP的整个过程链中进行工作。”。这促使团队开发了一种坚固快速的焊接解决方案。
索里亚说：“另一项重大成就是收购了DTC，两个团队已经合并，形成了一个全球团队。有如此多的沟通和分享，这是一个巨大的成功。”
进一步应用，推动行业发展
尽管单通道商用飞机市场有很多市场机会，但柯林斯航空航天公司有更广阔的视野。柯林斯航空航天公司高级结构战略总监保罗·约翰逊说：“还有很多其他应用可以使用我们开发的这些技术。”。“这些包括双通道、区域和公务航空市场以及国防的吊舱，还有其他结构。”
乌尔森巴赫指出，TPC材料在抗冲击性和耐化学性方面表现更好，“柯林斯公司内部有一些业务部门可以真正利用这一点。例如，我们的螺旋桨部门拉蒂尔菲雅克（Ratier Figeac）也对TPC非常感兴趣，但原因与我们不同。我们还与负责下一代宇航服的太空系统小组进行了一些开发。”
柯林斯航空航天公司正在与多个行业联盟合作，以成熟热塑性复合材料回收技术和供应链。
乌尔森巴赫还指出，TPC结构提高了可持续性。“这也是我们路线图的一部分，不仅利用了循环时间和重量，而且在可回收性方面取得了成功，这是我们客户所要求的。”
柯林斯航空航天公司是热塑性复合材料研究中心（TPRC，Enschede，Netherlands）的一级成员，该中心已证明将TPC生产废物回收到航空航天零件的工艺链中。在SUSTAINair Horizon 2020项目中，柯林斯航空航天公司正在开发回收和加入概念，旨在为飞机结构提供新的可持续解决方案，而在阿尔梅勒，它正在与荷兰公司Spiral RTC合作，该公司旨在实现碳纤维TPC生产废物和报废零件的循环利用。Collins Aerospace Almere还参与了荷兰国家项目“转型中的航空”和“可持续航空热塑性塑料”，这些项目正在为小型（电动）和大型商用飞机的轻质部件开发新材料、工具和生产技术。
柯林斯还领导了复合共形液氢罐（COCOLIH2T- Composite Conformal Liquid H2 Tank）项目，为液氢罐开发新的TPC技术，为更可持续的未来飞机的零排放推进架构提供动力。在美国，它是高速复合材料飞机制造（HiCAM）项目先进复合材料联盟的成员，该项目是美国国家航空航天局可持续飞行国家伙伴关系（SFNP）的一部分，旨在使下一代商用运输机的能效提高25-30%。“我们正在参与HiCAM的TPC工作包，” 范·图伦说，他也是焊接团队的负责人，该团队已经制定了焊接TPC结构认证的初步路线图（见“焊接不是粘合”）。
乌尔森巴赫补充说，努力解决这些全行业的问题，如认证和验收，以及所需的材料量和循环性—这些对柯林斯公司乃至整个行业都有帮助。索里亚说：“我们希望成为专注于TPC技术的行业团队的一员，将其作为减轻重量和燃料燃烧以及改善未来飞机声学的一种手段。我们希望成为该社区的团队成员，推动这些技术的边界，使航空业更具可持续性，作为一个行业向前发展。”
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原文，《 The potential for thermoplastic composite nacelles 》 2023.11.23
杨超凡 2025.4.2
来源：复合材料前沿
