优化OOA浸润机翼盒设计，推动可持续航空航天

航空航天业在预期从COVID-19大流行复苏之际，先前对高速生产的推动已转向迫切降低对地球与人类的环境威胁。这包括限制温室气体（GHG）排放、能源与水资源消耗、制造不可回收废弃物。虽这些倡议疫情前已推进，但重点现更聚焦，复合结构大幅降本需求亦更迫切。清洁天空2（Clean Sky 2）泛欧航空计划在所有这些领域资助研发，显著推进多种纤维增强复合材料技术。

清洁天空2第七轮提案征集（CFP07，2017年10月）含Airbus Defence and Space（Airbus DS，西班牙加的斯）需求：创新灵活的中试生产线，利用自动铺纤（AFP）与液体树脂浸润制造高度集成的机翼盒飞行演示器。

此前有其他树脂浸润/非高压釜（OOA）机翼盒演示器：GKN Aerospace（英国雷迪奇）2013年发布OOA“混合”机翼盒；Spirit AeroSystems Belfast在北爱尔兰用树脂传递浸润于高压釜生产Airbus A220机翼；AeroComposit（俄罗斯莫斯科）为MS-21客机生产OOA机翼。但均采用机械紧固件组装离散复合材料弦筋加强蒙皮与翼梁（见“迈向少紧固件OOA机翼之路”）。

Airbus DS在清洁天空2要求的机翼盒更进一步：集成加强下蒙皮与加强前/后翼梁，使更完整模块“无紧固件”即可移交组装剩余机翼部件。

该机翼盒还采用窄（0.25或0.5英寸宽）干碳纤维带与高温（180°C T_g）固化树脂，但配节能低成本加热系统、基于传感器的数字化控制与仿真以预测管理加工、缩短开发试错循环、实现制造人员快速培训。数字化演进含增强现实移动应用（App），提供用户维护手册、工艺序列定义、无纸化工艺零件追踪、CATIA模型投影至零件辅助精准放置弦筋预成型件、工装嵌件与碳纤维增强聚合物（CFRP）压力板。

最苛刻要求：所有工装制造设备须便携灵活、标准车辆可运输、快速部署无特殊措施、可适配其他零件设计及未来更先进工装、加热、复合材料4.0过程控制技术升级。

主题经理Luis Rubio（Airbus DS复合材料开发工程主管——技术与工艺）阐述：“项目最终目的是证明：替代技术（相对预浸料/高压釜）可在更低成本、更短周期、更小环境足迹下，达到相似设计公差与质量水平。”

MTorres（西班牙Torres de Elorz）单独应标。“我们内部具备全能力：AFP、浸润、干带材料、自动化，”MTorres复合应用技术高级经理Sebastian Diaz解释。公司获创新浸润机身制造系统（IIAMS）项目，经欧盟地平线2020计划资助（协议编号820845），2018年10月开工。

外机翼盒演示器

Airbus DS选定基于其C-295双涡桨军用运输机（图1）的外机翼盒演示器，于西班牙塞维利亚圣帕布罗生产。这4.14米长复合外翼扭矩盒对接内侧金属扭矩盒，亦连接翼梢小翼、前缘、后缘。

“制造左右两个4米长演示器，将装机试飞，”Diaz说，“制造为一键式过程，无二次粘接。仅制造‘U’型件，含六根集成弦筋的下蒙皮与两侧翼梁。蒙皮、弦筋、翼梁厚度均变化。J型翼梁与其加强筋集成制造颇具挑战。亦面临如何用此工艺保持紧公差精准几何的挑战，尤根部对接内翼盒、翼梢处至关重要。”

创新工业制造设计在MTorres完成，Airbus DS提供零件设计规格。“我们轻松协作设计最佳制造工艺，验证设计可由我方工艺生产、反之亦然，”Diaz说。

自动化热浸润中心（ACTI）

按Airbus DS规格，生产机翼盒所有工装设备须便携、标准车辆可运、快速部署无特殊措施。此催生自动化热浸润中心（ACTI），执行弦筋与翼梁热铺型成型；弦筋、翼梁、蒙皮浸润；固化循环。热铺型成型（HDF）——源自航空结构热脱容、航空航天外热预成型——消除铺层孔隙，将弦筋翼梁二维坯料转化为成型预成型件（见“热铺型成型”）。

ACTI有效内部区域约5.5×2.2米，外观似传统HDF系统，钢框架、电动升降上半部含锁紧安全装置。固化工装与多副热铺型工装置于ACTI内。“仅施加真空，无压力，”Diaz注，“ACTI用定义气流的热风提供热铺型与浸润过程快速传热。”

系统自找平。“ACTI结构（与固化工装）刚度设计满足简支两点支撑条件下运行载荷公差，”Diaz解释，“即放地面无需进一步找平即保持尺寸精度。ACTI还具低能耗、低制造成本。”

后者很大程度因用多预成型件组装替代多固化件组装，一次浸润固化成单一集成结构。“固化工装即装配工装，”Diaz说，“所有元素为干预成型件，装入固化工装一次性共浸润。无需装配夹具，通过工装创新元件达严格公差。”

另一关键点：移除破坏/无损检测（NDT），转而依赖制造各步骤采集的过程数据验证工艺质量、标记超规参数。ACTI配套传感器采集温度、真空、树脂流动、固化状态。“监测气温与零件温度，”Diaz说，“工装集成热电偶追踪模具与零件表面温度。所有数据记录、分析、打印图表辅助制造决策。”

“IIAMS与未来项目中，数据助早期改进工艺设置，”Diaz解释。树脂流动与固化状态用Netzsch（德国Selb）介电传感器监测，直接安装于CFRP固化工装。“蒙皮需非接触传感器因树脂与模具无直接接触，”Diaz说，“传感器监测介电场随树脂到达固化变化。用此数据缩短固化周期。”

项目后期，传感器与ACTI结合MTorres开发的人机界面（HMI），实现电脑真正过程控制：真空、温度、树脂流动经进料阀控制。按Airbus DS目标，推进集成复合材料初级结构大批量生产，使流程更流线化智能化。

轻量化工装与便携性

MTorres制造两套模具——右翼一套、左翼一套。“几何相同件如弦筋仅一套，”Diaz注，“其他工装能共用则共用。”

单件一体化固化工装成型蒙皮三维形状，所有其他预成型件定位其上。长约4.5米，左右版本用CFRP制造。“这利于保持公差，因工装与零件同铺层同工艺，CTE极接近最终零件。CFRP固化工装轻约200公斤，小电动叉车可移动。若用金属4.5米工装则不可能。”

其余工装——压力板、定位器、HDF工具——人工轻松搬运。弦筋、翼梁、翼梁加强筋预成型件HDF用公模（IML）工具，亦CFRP制。使用时安装于铝台、置入ACTI。

采用新型干纤维带的AFP

机翼盒所有结构元件——蒙皮、弦筋、翼梁、翼梁加强筋——均用MTorres AFP技术铺放干纤维带。“提案要求快速廉价材料，”Diaz说，“但商业干纤维带，尤其大供应商产品，不易采购，我们有自制材料专长（见‘液体模塑复材新型干带’）。故用我们0.5英寸宽、300g/m²三菱人造丝（日本东京）50K高强（HS）纤维制干碳纤维带。带材工程化利于浸润、也利于AFP头铺放。我们掌握AFP铺放、热铺型、树脂浸润全参数，需微调可随时调整因有带材生产线。”

MTorres也测试Hexcel（法国Les Avenières）200g/m²中模量（IM）纤维带。“虽工艺对两类带材均适用，”Diaz说，“开发阶段用自制材料比商业材料更容易更便宜——宽度刚度工程化使其从卷轴到工作台行为顺滑快速。且现货即用。”

AFP遵循两策略：一下蒙皮、一弦筋/翼梁/翼梁加强筋。蒙皮（3-6毫米厚）在固化工装上铺放最终三维形状（步骤1），用半透膜——Airbus其真空辅助工艺（VAP）浸润专利。弦筋、翼梁、翼梁加强筋铺放为平板坯料（二维）于真空台，再移至HDF工具达最终三维形状（步骤2）。

热预成型

“用真空吸盘龙门吊将弦筋、翼梁、翼梁加强筋平板坯料从铺放台移至热成型工位，自动系统能平态移动坯料、放置公模成型工具[步骤3]不产生皱褶，”Diaz解释。成型工具装于铝成型台、置入ACTI。可重复使用硅胶真空袋（Mosites Rubber Co.，美国德州Fort Worth）覆盖坯料，在ACTI加热至130°C、真空压力成型（步骤4）。“温度达设定点后，按预设坡度通过控制阀平滑施加真空，”Diaz说。

他指出干带材更易预成型/热铺型，“因层间结合比预浸料软。虽为干材料，实为HDF/热脱容，成型预成型件得益于带材含粘结剂而保形。”

弦筋与翼梁加强筋坯料成型为两个L形，回背放置于固化工装形成T型弦筋/加强筋。六根蒙皮弦筋各异，需不同形状坯料成预成型件。24根翼梁加强筋长度各异。

前/后J型翼梁各由一坯料成C形朝翼盒内侧、一坯料成Z形朝外侧，背靠背放置。翼梁外侧还有正弦波形翼梁脚（步骤7箭头处）。“翼梁脚形状在平铺放台切好再移至成型工位，”Diaz说，“此区域后续不可修边铣削。坯料直接放公模成型工具，翼梁脚在工具左侧、顶部法兰在右侧。”

一键式浸润

下一步将弦筋、翼梁、翼梁加强筋预成型件放置于已铺下蒙皮上（步骤5）。“放置时对每预成型件索引编号，”Diaz说。步骤5左侧翼梁末端、图3双翼梁末端可见作为定位元件的圆柱体。图亦显示弦筋与J型翼梁白色定位器。最终预成型组装含13个定位器，各不同。

压力板是预成型件定位放置系统关键部分。除传统维持复杂铺层/几何区域均匀压力温度功能，对浸润也关键（见下文）。步骤5与图3末端弦筋、翼梁处可见带弦筋镂空的黑色CFRP压力板。

“弦筋预成型件位置取决于压力板位置，”Diaz解释。“我们开发的数字化监控控制制造过程技术含增强现实App，投影CATIA模型至铺层，辅助压力板、定位元件、预成型件放置引导，也显示下一步骤。平板电脑自支持，全员易获取所有信息。”

最后一组黑色CFRP压力板置于T型弦筋L形预成型件顶部、各J型翼梁内外侧延伸至法兰外侧翼梁脚，如步骤5与图3所示。“翼梁内侧末端也用类压力板，提升接头区精度，”Diaz说。“所有压力板在HDF过程使用、全程随预成型件保留。”

完成的干预成型件组装含压力板，覆盖剥离布与真空袋膜。蒙皮、弦筋、翼梁整体组件置入ACTI，工装加热至120°C。Hexcel RTM6环氧树脂加热至70°C脱气后，经单一树脂进料口浸润。“ACTI准备四进料口，”Diaz注，“经大量仿真测试，决定单进料口更易更廉。”

即使单进料口，浸润过程极复杂，含三种不同模式。“先用PAM-RTM软件（ESI Group，法国巴黎）流动仿真，”Diaz说，“湿润所需流动锋面与参数极其复杂混合。如翼盒中心树脂流动快，但润湿所有加强筋是挑战。”

VAP半透膜对下蒙皮有效，但弦筋与翼梁内侧换用高温流网。“角区最难润湿，”Diaz注，“却是装配公差保持最关键区，及边缘区。”见图4红区。“这些区域开发定制化方案达精准尺寸要求，”他解释。“亦用翼梁顶部与周边真空口。”

浸润相对快，如仿真预测，随后180°C热风固化两小时，无加热工装。脱模后每机翼盒演示器经超声检测（UT）检验。此为IIAMS项目交付物分析演示器质量。工业应用将减少传统NDT，倾向数字传感器与视觉系统等更快在线检测工具。

Diaz称，虽浸润固化周期似高压釜预浸料机翼盒相似，但总周期应更短。“消除大部分后续装配，也无需像预浸料那样垫片，质量却相当。如蒙皮最后层与弦筋第一层粘结无需中间胶膜改善力学性能兼顾公差。显然更高效，但他注零件生产率非最初驱动因素。‘此法竞争对手非单件制造而是完整机翼盒组装。’”

完整演示器与认证之路

“仅18个月完成项目，含工艺工装设计、制造、演示器生产，”Diaz说。“第14个月首件演示器就绪，拟2020年2月底JEC展出，因疫情取消。项目实于2020年9月底收官，扣除疫情停工月份，实际第16个月完成。靠内部设计能力与AFP/CNC铣加工工装原型制造，守住极紧节奏。”

简化1米长演示器在MTorres验证全工艺参数。随后生产首件全尺寸演示器。工装制造设备随后迁至加的斯Airbus DS（步骤8），生产最终演示器。此亦为项目交付物，证明设备易运输多地安装。

侧栏“IIAMS机翼盒认证路线图”详述：Airbus DS在清洁天空计划关键角色，从清洁天空原始计划（2008-2017）绿色区域飞机（GRA）集成技术演示器（ITD）联合牵头，进阶为清洁天空2（2014-2024）AIRFRAME ITD联合牵头、REGIONAL集成飞机演示平台（IADP）飞行试验台2（FTB#2）牵头。FTB#2将含其他复材航体发展，含驾驶舱与其他机翼部件。

所有FTB#2筹备项目实为Airbus更广长远战略一部分：开发更轻更高效未来涡桨机身，生产过程更廉、少能耗/制造液体/辅料、少废料、高可回收性。

“Airbus DS逐步走完从试样到外机翼全尺寸静力/功能测试的整个机身结构测试金字塔，”A.E. Jiménez Gahete在2020年9月《Materiales Compuestos》文章“Airbus Defence and Space高度集成机翼盒段由干纤维铺放与液体树脂浸润制造”中解释。材料表征测试、设计细节测试矩阵、亚部件测试获取设计许用值均完成且结果积极。MTorres协助测试，含制造测试试样件、演示器验证机翼盒制造工艺与设计细节。仅剩最终外机翼全尺寸静力功能测试获FTB#2飞行资格，Gahete称计划2021年底完成。

“一键式浸润减接头、减重、增鲁棒性，”Diaz说。“MTorres开发的新型干带在加工——AFP、热铺型、浸润——与零件结构性能上均表现优异。”他指出，历史上曾质疑树脂浸润复材能否匹配高压釜预浸料同等结构性能与公差。

“用软（非金属）工装单键式过程达同等公差是最大挑战，”他让步，“但我们证明了此技术可行，能生产未来飞机所需大型初级结构。下一步持续推进数字化技术与生产系统便携性。”