exic是推动运输的未来
柯林斯航空纤维缠绕复合材料轴

科林斯航天公司的班伯里,英国,设施是众所周知的纤维缠绕复合飞机部件,如传动轴和燃料管道。该公司最近投资了新技术,将其能力扩展到更复杂的形状和更低成本的制造工艺。照片来源,所有图片:柯林斯航空公司

为了使飞机制造商能够在下一代飞机设计中达到提高制造率、提高效率和减少排放的目标,将需要多种技术。

根据柯林斯航空航天公司(美国北卡罗来纳州夏洛特市)的说法,通过新颖有效地使用复合材料降低飞机重量,并实施低成本制造工艺,对于满足这些需求至关重要。在过去的几年中,科林斯航天公司在英国班伯里的卓越中心一直在开发新技术,为具有复杂形状的部件提供新的轻型解决方案,其目的是减轻未来复合燃料管、轴和其他翼盒部件的重量和增加可承受性。

在2012年开始的一系列收购之前,班伯里工厂以前被称为Crompton Technology Group(CTG)。自成立以来,该工厂专门生产纤维缠绕复合材料零件。在过去十年中,该公司主要专注于燃料管和传动轴等航空航天产品,其中该公司每年为各种空客和波音飞机(包括空客A350)生产数万架。该公司还生产用于航空航天以外应用的传动轴,如高性能汽车和火车。

最近,Collins Aerospace已经开始了若干研究和发展计划,旨在使新市场和新技术多样化。其中一个最开发的是一种被称为齿关节的复合材料,用于通过支柱和拉杆传递轴向载荷。

更高效、更经济的复合金属连接

“直线,简单的管是具有成本效益,并且结构高效,因为您可以将光纤对准到负载的方向,”柯林斯航空航天的研究和技术经理James Bernard,Research Manager解释说。连接复合管最常见的方式是通过使用金属连接器,其中复合管通过机械地或使用粘合剂连接到金属。

用于金属复合连接的复合齿接头

柯林斯航空航天公司的复合金属连接技术旨在提高直管结构机械连接的效率和强度。

然而,典型的机械连接技术可以导致金属和复合部件之间的轴向载荷的效率低下,Bernard说。胶林航空航天的企业发展经理,柯林斯航空航天的商业发展经理,“柯林斯航空公司”的康斯伯德,“柯林斯航空公司的商业发展经理(Collins Aerospace)的挑战是非常小心的,您必须非常谨慎地仔细努力。“如果任何事情没有正确进行,你会得到一个邦格粘合的关节。此外,粘合的关节需要昂贵的NDT [非破坏性测试]以进行质量保证,这通常仍然不足。用纯机械接头,没有粘合剂,它更容易重复,容易被检查,并且不太依赖于人类的人类互动。“

复合材料金属连接的齿形连接技术

专利的齿圈技术由金属和复合连接点的螺旋状匹配槽组成,锥形端部和接头外部的复合箍环。

柯林斯航空航天公司着手设计一种复合材料-金属连接技术,该技术无需粘合剂,制造成本低,并能有效传递轴向载荷。该公司有几项专利连接技术正在开发中,但其中一项被称为齿形接头的技术在技术准备水平(TRL)6方面进展最远。Bernard解释说,接头类似于机械螺纹连接,包括需要连接的两个零件上的螺钉状匹配槽或侧面,但有一些不同。他说,在一个典型的螺纹接头中,只有一半的螺纹侧面是接触的,这可能导致在接头上增加载荷时分离。复合材料零件在金属上的这种运动会导致微动磨损。

在柯林斯航空航天公司获得专利的齿形接头中,复合管设计为在端部至侧面逐渐变细,以便更精确地匹配,并防止金属撕裂复合零件。伯纳德说:“这也给了我们巨大的力量提升。”。此外,也由复合材料制成的环箍组件放置在接头顶部,将管和金属端部配件夹在一起,并将接头置于径向压缩下。伯纳德说:“当你使这个齿关节疲劳时,齿侧永远不会失去接触;事实上,即使在一微米以下,复合材料也不会相对于金属齿移动。”。

纤维缠绕复合管

该公司的目标是提高其纤维缠绕直复合管结构的效率和自动化,同时投资于更复杂形状和更低成本工艺的新技术。

他补充说,该团队决定开发一种粘合的关节,这将是另一个常见选择,因为即使在室温下粘结的接头可能更强烈,“在热/湿环境条件下,粘合的接头较弱,“ 他说。“在100°C下完全饱和,水分饱和,粘合的接头掉落悬崖,而齿圈只输掉其室温不饱和强度的10-15%。”还排除了一种铆接的关节,因为它削弱了复合管并增加了部件的重量。

Meddes说,复合管和接头的简单性使“一个非常可重复的过程,”具有高水平的自动化。Bernard指出,纤维缠绕过程是完全自动化的,从最初的树脂混合到缠绕、固化和芯轴提取。目标应用包括翼盒和起落架支柱以及各种宽度和长度的内杆。

整体自动化工艺:编织预制件和RTM

该公司的连接技术最接近商业化,但柯林斯航空航天公司的班伯里工厂也在通过投资编织技术和自动化实现多样化,以开发复杂形状的管道、压力容器、电池外壳和其他最终用途产品。

“我们正在寻求制造能力的多样化,”Meddes解释道。“我们有大量的自动纤维缠绕机,这些机器生产出性能优异的产品。但主要目标是尝试生产价格与金属结构非常匹配的复合材料部件,因此我们已经开始研究其他可以以较低成本完成的制造方法,并生产专业的复合材料部件“快点。”

Bernard指出,最初,预浸料是这种多样化的首选材料类型,这主要归功于其坚固的材料性能,以及许多预浸料已经在商业航空航天工业中得到广泛认可的事实;然而,预浸料的生产成本很高。这促使科林斯考虑替代方案。伯纳德说:“在我看来,该行业正朝着(较便宜的)树脂灌注工艺发展,特别是随着snap-cure树脂系统的出现,模内时间缩短到了几分钟,为RTM(树脂转移模塑)和干纤维的使用打开了大门。”

该策略导致了一个投资赫尔佐格(德国奥尔登堡)多轴编织机,Meddes说,还有一个新的研发设施,目前正在建设中,专门用于自动化编织和RTM技术。

柯林斯航空航天复合材料工厂的Herzog braider

随着赫尔佐格编织机的新增加,柯林斯航空公司的目标是使用编织预制件来生产形状更复杂的飞机部件。

“这不仅仅是辫子技术,”伯纳德解释说,“但却是一个整体过程,从编织[饲养场]到树脂转移成型。”赫尔曲机将辫子直接展示在专门设计的心轴上;然后将编织预制件加载到RTM工具上进行输注。“新的是我们制作心轴的方式,我们已经建立了辫子和RTM过程,”他说。整个过程目前在TRL 4,几年距离为客户提供。

凭借这一新工艺和技术,柯林斯航空航天公司打算从其标志性的直管和传动轴扩展到更复杂的形状和曲线管状结构。推动这一进程的是该公司为空中客车公司生产玻璃纤维复合燃料管的工作。多年来,该公司一直在为A350生产这些部件,这些部件的设计是将导电微粒添加到基体中。微粒使管道部分导电,因此能够消散燃油流经管道时产生的静电积聚。然而,这些管道的导电性不太好,以至于它们会将雷击引入燃油系统。在赢得A350燃油管道合同时,技术限制使柯林斯航空公司只能建造直管,这限制了飞机燃油系统的设计。

伯纳德解释说:“对于下一代飞机,我们需要一个部分导电的管道和一个形状复杂的管道,以使原始设备制造商在开发复合机翼时具有更大的灵活性,而不受直燃油管道的限制。”。

除了复杂形状的管之外,该设施还在扩展其编织的预制件技术,包括用于储存氧气的编织压力容器,以及用于航空航天和汽车市场的应用的气态和液态氢气。Collins Aerospace希望为其编织,衬里IV型和无线型V复合储罐提供各种尺寸选择。“我们认为编织的预制件和RTM解决方案将使我们更快的生产时间[与市场上的其他压力容器相比],因此,成本有吸引力,”Meddes表示。

相关内容

阿尔卑斯先进材料公司即将加入CAMX