寻求减轻航空重量的热塑性塑料

Victrex、Tri-Mack 和 Safran Cabin 开发的飞机储物箱支架集成了两个用 PEEK 树脂包覆成型的碳纤维/PAEK 插件。 结果是质量减少了 50%，成本降低了 20%，并且购买与飞行的比率显着提高。来源 |威格斯

将金属航空结构转换为热固性 复合材料，大部分悬而未决的果实——机翼、机身和尾翼结构——已经被采摘。在下一代飞机中，热塑性复合材料肯定也会在大型结构中发挥重要作用。不过，与此同时，今天有转化机会可用 用于热塑性塑料。

其中一个部件是一种很少见但非常重要的类型：内部承重支架。这些是将舱壁、盥洗室、厨房和行李储存箱连接到飞机地板和机身的支架（目前为铝、不锈钢和钛）。这些支架有多种形状和尺寸，具体取决于所连接的物品。这些支架本身并不重。但是，由于每架飞机要消耗数百个支架，因此总重量很大。

飞机内饰专家 Safran Cabin（美国加利福尼亚州亨廷顿海滩）认识到了这一点，最近求助于热塑性复合材料专家 Victrex（英国桑顿克利夫利斯）和制造商 Tri-Mack Plastics Manufacturing（美国布里斯托尔，布里斯托尔）来改造铝制储物箱驾驶室支架采用全新设计，采用 VICTREX PEEK（聚醚醚酮）150CA30 聚合物包覆成型的 VICTREX AE 250 碳纤维/聚芳醚酮 (PAEK) 单向 (UD) 胶带制成。

包覆成型支架的物理测试。来源 |威格斯

该支架具有一个矩形底座，带有从底座中心突出的两个垂直插件。底座的每个角落都有一个模制孔，用于安装紧固件；每个插件在其顶点附近还有一个孔，以容纳连接销和其他硬件。插入件由碳纤维/PAEK材料制成；底座采用 PEEK 树脂包覆成型。

威格斯和 Tri-Mack 与赛峰客舱合作，提供实现设计特征和满足关键性能参数所需的材料、零件设计优化、加工和工具专业知识。赛峰客舱提供了设计和制造方面的专业知识，以确保在航空航天服务和认证环境中的适用性。

Victrex 航空航天部门主管 Tim Herr 表示，这些插件是由 Dieffenbacher（加拿大安大略省温莎市）Fiberforge 机器制造的，该机器铺设碳纤维/PAEK UD 胶带以构建层压板。这种层压板经过压制加固、修边，然后进行水刀切割以制成嵌件。在水刀切割过程中，每个刀片的底部都有扇贝形，以在包覆成型期间形成机械互锁表面。

然后将插件放入工具中，然后对 PEEK 进行注塑包覆成型。 “当我们包覆成型时，”Herr 说，“我们在 PAEK 复合材料嵌件和​​注塑成型的 PEEK 材料之间建立了非常牢固的结合。” Herr 说，这个推动因素的关键是 PAEK 和 PEEK 的独特组合。他指出，PAEK 的工艺温度比 PEEK 低约 40°C。这个温度增量有助于两个部分之间的紧密和持久的结合。 “如果没有 PAEK 的发明，”Herr 认为，“这种类型的混合成型是不可能的。”

负载条件下支架性能的设计仿真图像。来源 |威格斯

这种设计/工艺组合需要大量的模拟、分析、原型制作和物理测试，威格斯通过这些测试确定了几个设计和工艺缺陷，包括嵌件变形、树脂流动迟滞、粘合/界面失效和空隙。这让设计师回到绘图板优化设计，制造工程师回到注塑机做工艺优化。最终的设计/工艺组合克服了这些挑战，并证明了热塑性复合材料包覆成型支架的可行性。

最初的原型支架是在 Tri-Mack 生产的。与原始铝部件相比，原型复合材料实现了 20% 的成本节约、50% 的重量减轻和 5 倍的购买飞行比。

“我们需要满足对飞机支架和类似结构部件的许多需求，每种情况都有许多载荷、约束和暴露条件，”赛峰客舱的 R&T 工程师 Tyler Smithson 说。 “成功的关键是开发一个灵活的复合平台，可用于多个项目，降低我们的零件数量和设计复杂性，缩短上市时间，加快创收速度。”

Victrex 表示，混合包覆成型工艺是一种可扩展、可重复的技术，有潜力帮助商业航空航天客户降低废品率、缩短周期时间、促进零件整合并减少二次操作。

支架第二次设计迭代后的测试结果表明，载荷限制和故障条件得到了显着改善。来源 |威格斯

“在威格斯，我们为我们在我们所服务的领域引入‘颠覆性’技术方法，利用我们在 PAEK 材料的加工和性能方面的专业知识来加速商业化进程方面的记录感到自豪，”赫尔评论道。 “混合包覆成型和 VICTREX AE 250 复合材料当然属于这一类别，但这只是一个开始。在客户和合作伙伴的支持下，我们将继续测试我们的复合材料产品，以展示这些材料的全部潜力。”

目前，该支架计划进行生产部件的最终测试和鉴定。 “目标是在 2019 年晚些时候将复合支架投入使用。我们已竭尽全力证明该支架的性能，”Herr 说。

威格斯的 Frank Ferfecki、赛峰的 Tyler Smithson 和 Tri-Mack 的 Chris Bjerregaard 将于 2019 年 9 月 24 日星期二在阿纳海姆会议中心（美国加利福尼亚州阿纳海姆）举行的 CAMX 2019 上发表关于赛峰混合支架开发的演讲：下午30点，201D房间