优化低批量航空结构自动化复合材料生产

商用飞机复合材料航空结构制造逾50年，稳步从小部件进化至超大主体结构——机身、机翼、尾翼、发动机——2000年代初为波音787和空客A350开发。绝大多数演变依赖高压釜固化碳纤维/环氧预浸料，初期手工铺放，后经自动铺纤（AFP）、自动铺带（ATL）等机器工艺。

这些材料工艺（M&P）技术适用于宽体787/A350，疫情前月产10-15架。展望未来，波音空客考虑将复材应用于单通道飞机主体结构，预期月产60-100架，设计与M&P将青睐大批量、非高压釜（OOA）、高度自动化工艺，含树脂传递模塑（RTM）、压缩模塑、液体树脂浸润等。

但即便大批量制造主导商用航天，低批量飞机——含支线飞机和公务机项目——复材航空结构制造不仅将持续，且应受益于大批量项目将部署的成本、设计、M&P创新。

基于此，欧洲清洁天空2计划启动OPTICOMS——Optimized Composite Structures for Small Aircraft。OPTICOMS联盟由航空航天制造商Israel Aerospace Industries（IAI，以色列洛德）牵头，合作伙伴供应创新自动化技术、材料、软件、工装机械。目标评估具自动化制造、集成结构、OOA固化、大型结构粘接、创新制装工装、粘接线结构健康监测、虚拟测试的低批量机翼盒设计。

IAI航空集团研发总监兼OPTICOMS经理Arnold Nathan说：“每当把自动化引入复材制造讨论，常听客户说‘自动化好，但仅限大批量’。OPTICOMS旨在探究无大批量时自动化能否合理。复材制造自动化能否在低批量下具竞争力和成本效益？”

机翼设计

OPTICOMS源于清洁天空2应意大利公务机制造商Piaggio Aerospace（热那亚）请求，为其P180 Avanti九座双涡桨公务机开发全复材替代机翼。机翼盒长6.8米，根部宽0.71米、尖端0.28米。Nathan称Piaggio渴望评估全金属传统机翼盒替代方案——同尺寸但减重20%，成本较常规复材机翼盒制造降20-30%。IAI及伙伴中标，2016年起与Piaggio合作。

OPTICOMS为多部件项目，旨通过一系列高度详尽艰辛权衡研究，评估确定低批量全复材机翼盒自动化制造的最优设计、材料组合、OOA制造工艺。

IAI和OPTICOMS早期决定聚焦评估三合作伙伴提供的三制造工艺：Techni-Modul Engineering（TME，法国库德）供应干/预浸织物机器人拾取放置；Coriolis Composites（法国凯文）供应干/预浸粗纱自动铺纤（AFP）；Danobat（西班牙埃尔戈伊巴尔）供应自动干法材料铺放（ADMP）技术。技术伙伴选择对引导IAI多变量权衡研究至关重要。

设计结果

• 整体多梁（三梁）设计最小化装配
• “工作型”承载蒙皮分担梁机械应力
• 带SHM粘接下蒙皮省去机械紧固件

首步设计评估由IAI Adam Sawday（先进技术结构设计工程师）主导。他与IAI采用白纸设计机翼，研究18+概念跨多架构。设计快分两类：一类“工作型”蒙皮即机翼盒蒙皮成承载结构；二类非工作蒙皮带载荷梁帽。类内含传统肋条双梁概念，或三梁（多梁）无肋条。多概念也考虑三明治板结构产生半工作蒙皮。

Sawday说：“信条是减少制造和装配工作量。相信开发更高效更整体结构，能得更廉更轻结构。”

设计按系列指标评估达标能力：材料成本、设计复杂度、部件制造成本、装配成本、无损检测（NDT）成本、工装夹具成本、重量、强度、技术就绪等级（TRL）、生态考量、风险概况、稳健性、可靠性。权重最高者：重量、制造装配成本、设计复杂度、TRL、风险概况。

最终设计筛选

评估数据助IAI筛选至10入围设计。4个多梁/工作蒙皮、1个多梁/非工作蒙皮带载荷梁、4个多肋/工作蒙皮带条、1个多肋/工作蒙皮无条、1个三明治/工作蒙皮无条。各设计提供预固化、共固化、粘接或机械紧固各种组合。

再轮权衡研究用相似准则定最终设计。每设计得权衡值，基于达标程度。“有大权衡表，每选项有值，助我们看最强选项。”Sawday说。

从开始有个设计在权衡研究持续表现好、似可能胜出，Sawday注。果真如此。内部代号多梁/工作蒙皮#2，特高度集成共固化上蒙皮与三梁，再粘接带检修面板的下蒙皮。梁间选择性布置系列“后备”肋，支撑承受大部分弯曲载荷的蒙皮。

Sawday说：“最有利结构是多梁工作蒙皮，蒙皮承载，梁简化变薄，不像传统复材机翼设计那么重。若能使梁极简、恒定截面，将省大量麻烦和废料。”

粘接整体多梁/工作蒙皮设计在降装配成本、低重量、易自动化、极低部件数显特别前景。问题剩：哪材料哪制造工艺最适合落地？

材料工艺权衡研究

首材料权衡研究由IAI Yaniv Yurovitch（复材工程师）执行。称OPTICOMS基于Piaggio、IAI、技术伙伴建议评估OOA碳纤维预浸料、干碳纤维（带/织物）及树脂。得35款合格新材料。

首组材料按OPTICOMS最关键参数筛选：成本、玻璃化转变温度（Tg）、粘度（浸润/注射）、自动铺放技术适用性。评估将材料单从35降至20款预浸料、干纤维、树脂。

订购这20材料样品；Yurovitch制作允许值做机械测试作次筛选。“工作量巨大，”Yurovitch说。“让我们做更多决定选定最终三材料。”最终三纤维/树脂组合：

• Toray Composites Materials America（美国华盛顿州塔科马）2510碳纤维/环氧预浸料。
• Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福）HiTape碳纤维UD带材，配Hexcel HexFlow RTM6环氧树脂。
• SAERTEX（德国萨尔贝克）供应碳纤维无捻布（NCF），配Solvay Composite Materials（美国佐治亚阿法雷塔）PRISM EP2400增韧环氧树脂浸润。

此列表明显偏好干纤维，进而偏好浸润工艺。Nathan称部分源于低批量环境管理预浸料货架寿命挑战。“低批量生产时，真不想背负大量预浸料担心管理货架寿命。干纤维无此问题。”

这三材料也与OPTICOMS选定一或多制造工艺配对：Toray预浸料配拾取放置和AFP；Hexcel HiTape/RTM6配AFP及拾取放置；SAERTEX NCF配拾取放置或ADMP。

自动化制造工艺权衡——哪技术适合哪类部件——IAI和OPTICOMS仍在进行。但Nathan称初步结果明确指引技术方向。如Danobat ADMP技术原为风机叶片快速宽幅织物铺放开发，在OPTICOMS同等高效。技术在OPTICOMS成熟，稳健可靠性提升，但仍不如AFP成熟的航空航天铺放技术。

反之，Coriolis AFP系统凭丰富航天经验，成熟精准，但铺放时间比ADMP长，需相对频繁检查异常。Nathan称Coriolis在OPTICOMS中在线实时铺放检测开发取得显著进展应对此挑战。最后，TME拾取放置技术，设计用于自动化将切割织物从切割台传至模具，对多梁/工作蒙皮设计中后备肋等小型离散件最有效。

后续步骤

Nathan称OPTICOMS按计划达成自动化、成本、减重目标，仍有数月工作评估制造工艺及装配方案。

“这是OPTICOMS重要点，”他解释。“我们稳健筛选设计、材料、工艺。所有这耗时费力。这是项目独特之处。”

OPTICOMS发起三轮技术硬件征集提案（CFP）支持确保强化项目目标。中标提案成清洁天空2项目，关联补充OPTICOMS“母”核心合作伙伴——共同朝共同目标。

首项FITCoW，旨开发新型整体碳纤维工装系统用于工作蒙皮与三梁共固化。FITCoW目标雄心勃勃：制件成本降50%，工装成本降30%（vs金属替代），制造时间降20%（vs高压釜/OOA替代），CTE失配降40%（vs Invar工装），升降温时间降20%，得益尺寸控制能力检查时间降40%。

为粘接梁/蒙皮结构至下蒙皮，第二CFP成WIBOND项目，开发粘接装配工具：施胶、施压、粘接线植入光纤传感器监测粘接SHM；CW将另文2022年刊发此及其他装配技术。

第三CFP应对残余应力致梁/蒙皮结构“弹回”关键挑战。变形危害粘接装配。ELADINE项目加入OPTICOMS开发软件，建模预测热各向异性、聚合收缩、工装件相互作用、树脂流动压实、结构温度梯度。

IAI和OPTICOMS当前重点在2022年Q2前交付完整6.8米演示机翼予Piaggio做静态疲劳测试。随之分析机翼整体性能及设计材料工艺达标能力。随后Piaggio将就潜在商业化后续步骤建议。

超越Piaggio，IAI望OPTICOMS机翼盒应用于其他飞机。“虽项目基于特定飞机，”Sawday说，“我们尝试使设计可扩展至不同厚度尺寸。从未忽视此技术应高度适配。”