在航空航天领域加速热塑性复合材料

连续纤维增强热塑性复合材料 (TPC) 已被认为是可持续飞机未来的一项支持技术，可提高轻质、高韧性零件的生产率，这些零件无需孔或紧固件即可连接成经济的焊接组件。

连续波 2018 年发表了一系列关于 TPC 胶带、原位固结和焊接的文章，并在 2019 年举办了两次关于汽车应用中的 TPC 和航空航天 TPC 开发的网络研讨会。大部分我的 迄今为止的文章和演讲都参考了欧洲的 TPC 零件制造商和设备供应商，以及特瑞堡在美国的自动化动力部门。我还参观了美国的 Tri-Mack Plastics。但不幸的是，我忽略了美国的另一家 TPC 零件制造商，该制造商 15 年来一直在悄悄推动技术和生产范围向前发展。 ATC Manufacturing — 位于华盛顿州斯波坎市外的爱达荷州 Post Falls — 每年生产 100 万个零件，所有零件都是连续纤维增强热塑性塑料，并且全部用于航空航天工业。 ATC 在 3D 零件的快速成型方面拥有独特的专业知识，同时也是波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）和国防高级研究计划局的 RApid 高性能成型 (RAPM) 研究计划的重要合作伙伴（DARPA，美国弗吉尼亚州阿灵顿）为美国国防部 (DoD) 提供服务。

ATC Manufacturing 每年生产 100 万个用于航空航天应用的热塑性复合材料部件，包括加强筋、夹子、支架和加强筋。来源 |空管制造

谁是 ATC？

ATC Manufacturing 由前波音工程师 Dan Jorgenson 于 2004 年创立，他仍然是该公司的联合主席。 “我们一直非常重视技术和工程，”ATC Manufacturing 业务发展总监 David Leach 说。该公司与波音公司也有着悠久的历史，过去连续五年被评为银级供应商，并于 2016 年和 2017 年被提名为波音年度供应商。支架和较小的冲压件，”Leach 说。 “但近年来，我们已经开发出更复杂的组件，以及更厚、更大的零件——长达 60 英寸——以及主要结构的零件。”后者包括结构性翼尖部件、各种横截面定制铺设的长梁以及机身和尾翼结构。

公司现有员工150人，工程师20多人。它的制造集中在一个 67,000 平方英尺的工厂中，该工厂于 2015 年专门建造，旨在优化工作流程并有扩展空间。 （请注意，52,500 平方英尺的空间已经为未来的增长预先规划。）“一切都在一个屋檐下，”Leach 指出，“这简化了运营。”这包括九台冲压成型机，容量从 30 到 150 吨不等，压板面积高达 60 英寸 x 30 英寸。 “我们正在安装额外的 200 吨压机，该压机将于 2019 年底全面投入使用，”他补充道。 ATC 拥有 10 个 CNC 加工站，能够处理长达 12 英尺的零件和水射流切割长达 30 英尺的零件。

ATC Manufacturing 运营着 9 台冲压成型压力机，包括此处所示的 80 吨压力机，容量高达 150 吨，压板面积高达 60 x 30 英寸。
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无损检测 (NDI) 也被集成到工厂的运营和工作流程设计中，包括五个 C 扫描罐系统，为长达 30 英尺的零件提供脉冲回波和透射测试。其他内部专业知识包括所有表面处理和喷漆。 “我们已经为热塑性复合材料开发了非常有效的表面处理方法，这些材料可能难以喷涂和粘合，”Leach 说，并指出 ATC 还致力于 TPC 部件的等离子处理。公司每年喷漆20万件，封边7万件。

“我们还大量投资于研究，例如 DARPA 的 RAPM 计划，我们是热塑复合材料研究中心（TPRC，恩斯赫德，荷兰）的成员，”他继续说道。 ATC 正在参加将于 10 月 8 日在荷兰特温特大学举行的题为“热塑性复合材料的未来”的 TPRC 10 周年大会。 “ATC 副主席 Corbin Chamberlain 将参加小组会议，我们还将在与会议同时举办的展览中展示我们制造的航空航天结构部件，”Leach 说。

已安装配件的涂漆热塑性复合材料通道。来源 |空管制造

织物到 UD 胶带、成型和快速循环时间

尽管 ATC 的 TPC 支架和夹子的制造始于织物增强材料，但他们现在已转向使用单向 (UD) 胶带。 “然后我们演变成更大的结构部件，因为我们已经在如何使用 UD 胶带形成 3D 部件方面积累了丰富的经验，”Leach 解释说。 “这些部件的厚度从 1-2 毫米到 6.5 毫米不等，必须与其他结构配合。我们必须满足接合面的严格尺寸公差，例如 ± 0.010 英寸（0.25 毫米）轮廓公差和 ± 0.5 度角公差。”

该公司随后开始开发长 TPC 型材。 “我们使用连续压缩成型 (CCM) 制造我们自己的扁平层压材料，”Leach 说。 “我们有两台用于平面层压板的 CCM 机器，一台用于将 TPC 预浸料成型为连续的 3D 轮廓，生产长达 75 英尺的通道。”

使用连续压缩成型 (CCM) 成型的热塑性复合型材。来源 |空管制造

当被问及形成 3D 轮廓和形状的挑战时，ATC Manufacturing 的研发工程总监特雷弗·麦克雷 (Trevor McCrea) 解释说，对于织物，“编织本身控制了很多正在发生的变形。对于 UD，有不同的动态。例如，与半径成 90° 想要变薄或变厚，但在结构部件中不能这样做。这些问题会随着更复杂的形状变得更糟。您在如何管理成型过程中也面临更多挑战。”

管理流程？ “对我们来说，这与在热固性塑料中成型有很大不同，因为我们只有 2 秒的时间来成型，”麦克雷说。 “你可以在高压釜循环中掩盖很多罪过，”他补充道。 “但我们正在使用非常快速的成型和冲压工艺，没有这种余地。我们还必须管理结晶度。”这是因为高负载的飞机结构使用半结晶热塑性基体聚合物——例如聚醚醚酮 (PEEK)、聚醚酮酮 (PEKK) 和低熔点聚芳醚酮 (LM PAEK)——它们从形成的晶体结构中获得了显着的机械性能和耐化学性因为他们很酷。 “你可以等温结晶，这对于平板来说不是太难，但对于 3D 形状来说更具挑战性，”麦克雷说。 “材料必须充分加热以形成 [注意这些材料的熔化温度在 300-400°C 之间]，然后迅速冷却到足够热脱模，以避免工具热循环，同时管理形状、公差、结晶度和表面光洁度.”

近年来，TPC 零件增长的原因之一是它们能够提供非常快的周期时间。 “我们为军用飞机演示者制作了肋骨，周期为 5 分钟，我们的平均周期时间约为 10 分钟，”Leach 指出。 “我们可以实现飞机原始设备制造商目前正在寻求的高生产率。”这种非常快的平均循环时间实际上导致了不断变化的零件组合。 “我们很想连续几个月只生产一个零件，但我们的速度能力超过了飞机制造的能力，”麦克雷说。 “所以，我们总是在各个部分循环。” ATC 的大部分生产都是每天一个班次，每周 5 天。 “我们有足够的能力来满足增加的产量，”Leach 指出。

热塑性复合材料结构带和涂漆型材。来源 |空管制造

未来愿景

ATC 通过其十年以上的 TPC 生产经验提供了重要的价值。 “我们经常帮助客户设计制造零件，”Leach 说。 “我们经常从热固性复合材料转换零件，例如，为了保持原始厚度而生产的机身主要结构配件。但如果它最初是为 TPC 设计的，那么它的重量可能会轻得多。”为什么？ “因为这些半结晶 TP 基体材料具有更高的性能，”他解释说。 “您不必像使用热固性基体那样设计微裂纹和损伤容限，而且热/湿击倒也少得多。事实上，在 PEEK、PEEK 或 PAEK 中根本没有湿击倒。除非您接近 Tg，否则也不会发生热击倒，Tg 通常约为 150°C。例如，对于损伤容限的标准裸眼压缩 (OHC) 测试，当您评估样品从 RT 到 120°C 时的强度时，几乎没有任何击倒。”

“我们将能够设计出更薄的部件，并消除当前第一代复合材料设计中的大量铝和钛材料 [例如波音 787 和空客 A350 宽体飞机]，”麦克雷补充道。 “我们正在继续推进这些材料的成型，这将继续开辟新的应用。”

Leach 认为这将对未来的飞机应用产生重大影响。 “我们现在实际上正在研究零件，因为对性能和生产率的要求，您根本无法使用热固性材料进行生产。”

有关更多信息，ATC Manufacturing 将在 9 月 25 日星期三下午 4:00 的 CAMX 2019 热塑性材料和应用会议上展示作者 Corbin Chamberlain、David Leach 和 Trevor McCrea 的技术论文“航空结构中的成本效益热塑性复合材料”在 210C 房间。

它还在 SAMPE 2019（5 月 4 日至 7 日，美国北卡罗来纳州夏洛特）的闭门会议上与波音公司共同提交了一份题为“结构热塑性复合材料部件的快速高性能成型”的联合论文。见我的博客：https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-应用程序