西班牙EURECAT推动Clean Sky 2热塑性复合材料RTM创新

加泰罗尼亚技术中心EURECAT（西班牙巴塞罗那）是私营非营利研发机构，11个中心、650员工、年营收5000万欧元。“系西班牙第二大研发中心，”航空航天市场项目总监Angel Lagraña Hernandez介绍。收入部分来自加泰罗尼亚政府，其余半数须来自私企（多为中小企），另半数可来自公共资金如欧盟Clean Sky 2计划。“现有18个Clean Sky项目，”Lagraña指出，“纯凭竞争性提案中标。”

Clean Sky 2中复合材料应用示例

• 下一代多功能机身演示器——以热塑性材料助力清洁天空
• 循环经济：支线飞机复合机身成型
• 借力赛车专长推进Clean Sky FastCan项目

“EURECAT高度跨界，除航空航天外涉足汽车、轨交等，在数据分析、区块链等IT领域也有大量布局。Composites 4.0是战略重点领域。”Lagraña称。复合材料方面，EURECAT主攻非热压罐（OOA）技术：“聚焦热塑性与液体压缩模塑，含实时过程监控，包括加工中树脂玻璃化转变温度（Tg）监控。（文末COFRARE部分详述Tg监控。）”

EURECAT近期Clean Sky 2复合材料核心项目

• KEELBEMAN：演示热塑性复合龙骨梁（获Clean Sky 2联合项目资助，欧盟Horizon计划，GAP编号785435）
• WINFRAME 4.0：为Clean Sky绿色支线飞机（GRA）演示器及Clean Sky 2支线飞机IADP（创新飞机演示平台）制造热塑性复合（TPC）窗框（GAP编号821323）
• COFRARE 2020：采用树脂传递模塑（RTM）制造热固性机身框架，配TPC剪力拉筋（GAP编号821261）

热塑性复合龙骨梁（KEELBEMAN）

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20。项目周期：2018年3月-2019年12月

目标：开发面向A320机型的制造导向龙骨梁结构，以热塑性复合材料实现高产率且可承受成本。除EURECAT任协调员，合作伙伴包括：

• 空客（法国图卢兹）任课题管理方
• CETMA（意大利布林迪西欧洲技术设计材料研究中心）
• CT Engineering Group（CT Ingenieros，西班牙马德里），全球多办公室，与空客签有多年合同：汉堡办公室研发机身/机翼/尾部，西班牙研发尾部，图卢兹研发机身动力装置相关结构，布里斯托研发机翼
• Sofitec（西班牙塞维利亚），航空结构制造装配专家，具复合材料专长与产能

CT Engineering图卢兹办公室提供龙骨梁几何全建模，Sofitec开发无损检测（NDT）。Lagraña强调：“这种闭合箱型结构NDT极具挑战。”

龙骨梁结构演进

“除A350采用整体碳纤维复合龙骨梁外，多数飞机龙骨梁仍为金属，”Lagraña说，“需大量铆钉、耗时装配。”龙骨梁是机身关键结构，“曾发生龙骨梁着陆断裂导致整机身开裂解体。”

2011年Steve Wilhelm文献记载：A350龙骨梁70%复合、长54英尺（16.5米）、1万紧固件、重1.2吨、构成机身骨干。波音787不依赖此类坚固龙骨结构，因机身强度更多来自端对端紧固的复合材料机身段。G2 Solutions合伙人Michel Merluzeau评价空客设计“更常规、风险更低”，但指出龙骨梁“关乎该机型结构完整性”。

空客2001年曾为A340开创复合龙骨梁，但高铆钉数量抵消复合减重优势。KEELBEMAN关键目标：以热塑性复合组件焊接装配，最小化紧固件。

TPC龙骨梁演示器

“开发用焊接装配的热塑性复合龙骨梁，是空客‘明日飞机’开发的一部分，含‘未来机翼’与‘未来机身’计划，”Lagraña说。“KEELBEMAN中我们制造了250×500×1000毫米龙骨梁演示段（含纵筋），演示了尽可能自动化的焊接可行性。”

演示器壁板与纵筋采用碳纤维/聚醚酮酮（PEKK）单向（UD）带，经CETMA开发的连续压缩模塑（CCM）工艺成型（“航空级压缩模塑”与“PEEK vs PEKK vs PAEK与连续压缩模塑”详见别处）。横向加强肋由EURECAT采用传统非等温压缩模塑制造。

感应焊接：关键赋能技术

CETMA在KEELBEMAN中不仅负责零件制造，还凭借专利感应焊机与技术主导演示器装配。该焊接技术源自首期Clean Sky ECO FAIRS项目（2011-2014），同期验证了上述等温/非等温TPC压缩模塑。ECO FAIRS中，CETMA利用这些技术基于Agusta Westland直升机尾部现有上蒙皮（加筋蒙皮板）与弯曲浮箱整流罩制造原型演示器。虽采用CETEX（TenCate供货，现Toray Advanced Composites）T300 3K 5HS碳纤维织物双面PPS（聚苯硫醚）膜，但CETMA也验证了PEEK、PEI复合材料感应焊接。

CETMA选定感应焊接（IW）为最具前景的TPC焊接技术，联合焊接电子工程专家SINERGO srl（意大利特雷维索瓦尔多比亚德内）开发新型感应焊机。SINERGO提供的龙门式SICE 1 WIDE机可连续焊接航空级零件，最大1米×1米。含鲁棒控制系统确保焊接区优化温度分布，配水冷气缸施加固结压力、风冷系统移除边缘过热（涡流受限导致高电流密度过热）。亦可将CETMA感应焊头安装于6轴机械臂焊接复杂几何形状。

CETMA利用COMSOL Multiphysics有限元建模（FEM）软件开发仿真工具优化感应焊工艺，经大量物理测试验证模型。单搭接焊接试样剪切强度极接近文献最大值，显著高于结构胶粘接最大值。

CETMA验证焊接能力覆盖织物/UD碳纤维、PEEK/PEI/PEKK/PP/PA6/PA12，甚至利用热塑性PVB（聚乙烯醇缩丁醛）过渡层实现CF/环氧热固性基材与热塑性面层焊接。（本节大量细节源自CETMA能力介绍与ECO FAIRS CORDIS最终报告。）2014年申请欧洲专利，发明人Silvio Pappada与Andrea Salomi于2016年获专利EP2801472A1。CETMA发表多篇论文与报告，含：

• “支持非热压罐技术开发的有限元仿真”，A&D，2012年10月11-12日
• “支持PPS-碳复合材料连续感应焊的有限元仿真”，SEICO 13，2013年3月11-13日，巴黎
• “面向航空航天热塑性复合材料的新型感应焊机开发”，意大利航空航天协会第22届会议，那不勒斯，2013年9月9-12日
• “航空航天领域感应焊接”，TPRC热塑性复合材料欧洲联盟网络会议，2013年12月
• “航空航天热塑性组件全尺寸测试”，SEICO 14，2014年3月10-11日，巴黎
• “航空航天新型感应焊设备”，JEC杂志第87期，2014年3月，89-91页

KEELBEMAN现状与后续路径

空客12月访问CETMA见证1米演示段最终焊接，KEELBEMAN团队同步开展技术成熟度（TRL）最终评审。“结果良好，技术从TRL 3向TRL 4成熟，”Lagraña说。后续或含推进至TRL 6及制造全尺寸龙骨梁安装于Clean Sky 2演示器（如WP 2.3.2全尺寸下部中央机身），尚未定夺。

WINFRAME 4.0：TPC窗框项目

另一EURECAT热塑性复合（TPC）项目WINFRAME 4.0，目标为区域飞机机身/客舱一体化地面演示器制造24个窗框（见下文Clean Sky 2支线飞机发展与全尺寸创新机身客舱演示器）。合作伙伴：

• 跨国航空航天企业Leonardo（意大利罗马）任课题管理方
• EURECAT
• Sofitec

“我们的工艺每10分钟产出一个窗框，”Lagraña说。工序：炉中加热TPC层压板坯料→转运模具→压机合模→加热加压10-20分钟→脱模成品。“此法不只周期短于液体模塑，工装成本也低得多。”该工艺汽车界熟知，高自动化配置的压缩模塑提升零件质量，但航空材料不同：碳纤维增强PPS与Toray Advanced Composites（前TenCate）碳纤维。项目结束将达TRL 6。

COFRARE项目：RTM C型框架与热塑性剪力拉筋

COFRARE 2020为初始COFRARE 2.0延伸：

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16。“面向高产率低成本复合框架制造的工艺开发” 项目周期：2016-2018年。

COFRARE 2.0目标：为支线飞机复合板式机身开发具竞争力可行的碳纤维复合框架制造工艺。合作伙伴：

• 那不勒斯一级航天供应商/工程工业化企业DEMA（Design Manufacturing SpA，意大利Somma Vesuviana）
• EURECAT
• 巴塞罗那Applus+ Laboratories分部LGAI Technological Center S.A.提供测试

新一代COFRARE 2020目标：为Clean Sky 2机身/客舱一体化地面演示器制造全尺寸复合框架与剪力拉筋。该演示器隶属Clean Sky 2支线飞机IADP，详见2015年3月联合技术计划文件第5.2.2节：

“支线飞机是Clean Sky关键要素，通过专用ITD——绿色支线飞机（GRA），提供面向环境友好、安全无缝出行、构建欧洲工业领导力的航空运输体系必备构建块。在Clean Sky 2中……支线飞机IADP演示目标远超现行Clean Sky GRA项目的复杂性、全面性与挑战性，后者受预算与工期制约……”

2015联合技术大纲规划支线飞机发展含两架飞行试验台与五大一体化地面演示器，后者含全尺寸创新机身客舱演示器：“机身将全尺寸演示复合材料、结构与制造技术，旨在实现减重降本，通过生态设计与全生命周期能耗优化最小化环境影响（向零影响迈进）。”

COFRARE 2020合作伙伴：

• Leonardo任课题管理方
• EURECAT
• DEMA
• 飞机部件组件制造商A. Abete（意大利Nola/Marigliano）

“COFRARE 2020中我们用RTM制造机身框架，集成至机身演示器，”Lagraña解释。“采用Shikibo（日本大阪）Ziplus技术生产适合树脂注射的预成型件。”Shikibo属Composite Alliance Corp.（美国达拉斯），提供多种纺织预成型技术。

亮点：引入Synthesites（比利时Uccle）传感器实时监测树脂到达、温度、压力、Tg与固化。“传感器布置于复合件与RTM模具关键区域，优化树脂注射策略，”Lagraña注注。注射由ISOJET（法国Corba）高度自动化系统完成，亦属Composite Alliance Corp。Synthesites传感器为介电传感器，但区别于主流交流（AC）介电分析（DEA），采用直流（DC）。“高电阻率材料如树脂适配性好，单电压无需多频分析，末端固化仍保高精度，”Synthesites总监Dr. Nikos Pantelelis解释。

Lagraña回忆：“2011年SAMPE会议结识Synthesites，他们讲缩短固化周期传感器。我们探索机身框架预成型自动化、甚至HP-RTM加速，仍需3-4小时工艺时间。引入Synthesites监测Tg后，固化周期减半。现验证性能。传感器耐高压，但我们RTM仅用8 bar。”

Synthesites直流介电传感器、OptiFlow液体树脂流动监测、OptiMold固化监测系统已在风电叶片量产验证。庞巴迪航天（英国贝尔法斯特）用其生产C-Series（现空客A220）液体复合模塑机翼。德国航空航天中心（DLR，施塔德）在热压罐预浸料与RTM中均演示固化周期减半50%。英国国家复合材料中心（NCC，布里斯托）验证：即使高反应性树脂，传感器实测树脂温度/电阻率计算的实时Tg与差示扫描量热法（DSC）测固化板Tg精度相当。

TPC剪力拉筋连接框架

COFRARE 2020另一关键：为连接RTM机身C型框架与复合机身蒙皮所需的数百个剪力拉筋与支架，开发高产量制造工艺。“我们开发255种几何形状的热塑性复合支架，采用压缩模塑生产，”Lagraña说。（注：GKN Fokker在Clean Sky 2有多项目为大型客机IADP多功能机身演示器生产TPC支架；COFRARE 2020针对较小支线飞机。）基本工艺如下图：配套钢模+加热压机。“此类压缩模塑工装仅2000欧元，远低于RTM工装成本，”他补。“冲压模塑周期极短。”

Lagraña总结：“EURECAT致力保持复合技术前沿。我们相信清洁环境压力将大幅推高复合材料在所有交通领域的应用，经济性与性能将齐头并进。因此我们聚焦自动化非热压罐技术服务客户。”

敬请期待后续博文：Clean Sky 2 STUNNING与MECATESTERS项目，将探讨多功能机身演示器焊接TPC支架开发与PAEK全表征；还将深度解析Synthesites与CETMA更多复合进展。2020将是复合材料精彩之年！