推动热塑性复合材料在航空航天领域快速增长

连续纤维增强热塑性复合材料（TPC）被视为可持续飞机的关键使能技术，提供轻量化、高韧性部件的高生产节拍，可无孔、无紧固件焊接成经济型组件。

CW2018年刊发系列文章探讨TPC预浸带、原位固结与焊接，2019年举办两场网络研讨会分别聚焦汽车TPC应用与航空航天TPC发展。我大多文章和演讲引用欧洲TPC部件制造商、设备供应商及Trelleborg旗下Automated Dynamics（美国）。我也曾考察美国Tri-Mack Plastics。但遗憾的是忽略了另一家在美国默默推动技术与生产边界15年的TPC部件制造商——ATC Manufacturing，位于爱达荷州波斯特福尔斯（靠近华盛顿州斯波坎），年产百万件连续纤维增强热塑性复合材料零件，全为航空航天应用。凭借3D零件快速成型独特专长，ATC还是波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）和美国国防高级研究计划局（DARPA，弗吉尼亚州阿灵顿）为美国国防部（DoD）合作的快速高性能模塑（RAPM）研究计划关键合作伙伴。

ATC Manufacturing年产百万热塑性复合材料航空航天零件，含加强筋、夹具、支架和加强肋。来源：ATC Manufacturing

ATC是何方神圣？

ATC Manufacturing由前波音工程师Dan Jorgenson于2004年创立，现任联合董事长。“我们始终保持强技术工程导向，”ATC业务发展总监David Leach说。公司与波音渊源深厚，连续五年获评波音白银级供应商，并两度入围2016、2017年波音年度供应商提名。“我们主要是来图加工，起步于夹具、支架和小型冲压件，”Leach说。“近年我们进军更复杂组件，以及更厚、更大零件——长达60英寸——和面向主承力结构的零件。”后者包括结构翼尖部件、各种截面的定制铺层长梁、机身和尾部结构。

公司拥有150名员工，其中20余名工程师。制造聚焦于单一67,000平方英尺专用工厂（2015年建成），按优化工作流设计并预留扩展空间（已预规划52,500平方英尺扩展区）。“一切在同一屋檐下，”Leach注记，“简化运营。”包括9台冲压成型机，能力30-150吨，工作台面达60×30英寸。“我们将增设一台200吨冲压机，2019年底全面投产，”他补充。ATC拥有10台CNC加工站，加工长达12英尺零件；水切割能力达30英尺。

ATC运营9台冲压成型机，含图示80吨机型，能力达150吨，工作台面最大60×30英寸。来源：ATC Manufacturing

无损检测（NDI）亦集成于工厂运营与工作流设计，含5套C扫描水箱系统，提供脉冲回波和透射测试，覆盖长达30英尺零件。其他内部专长包括所有表面处理和喷涂。“我们开发了热塑性复合材料高效表面处理，这类材料难喷涂粘接，”Leach说，指出ATC还研究TPC等离子处理。公司年喷涂20万件，边缘密封7万件。

“我们还大量投入研究，如DARPA的RAPM计划，并是热塑性复合材料研究中心（TPRC，荷兰恩斯赫德）成员，”他续述。ATC将参与TPRC十周年大会“热塑性复合材料的未来”，10月8日在荷兰特文特大学举行。“ATC副董事长Corbin Chamberlain将参与小组讨论，我们也将在配套展览展示制造的航空航天结构件，”Leach说。

喷涂热塑性复合材料槽道并安装配件。来源：ATC Manufacturing

从织物到UD预浸带，成型与快速循环

ATC制造TPC支架和夹具起步于织物增强，现已转向单向（UD）预浸带。“因已积累用UD预浸带成型3D零件的良好经验，我们随之进军更大结构件，”Leach解释。“这些零件厚度1-2毫米至6.5毫米，须与其他结构配合。我们必须满足严格尺寸公差，如配合面±0.010英寸（0.25毫米）轮廓公差、±0.5度角度公差。”

公司随即开发长TPC型材。“我们用连续压缩模塑（CCM）自制平板层压板库存，”Leach说。“我们有两台CCM机制平板层压板，一台将TPC预浸料成型为连续3D型材，最长生产75英尺槽道。”

热塑性复合材料型材经连续压缩模塑（CCM）成型。来源：ATC Manufacturing

谈及成型3D型材和形状的挑战，ATC研发工程总监Trevor McCrea解释：织物时，“织物结构控制大部分变形。UD则动态不同。例如垂直半径方向倾向变薄或增厚，但结构件不允许。形状越复杂问题越剧烈。成型工艺管控挑战也更大。”

何为管控工艺？“对我们这与热固性成型截然不同，因我们仅有2秒成型时间，”McCrea说。“高压釜循环能掩盖许多缺陷，”他补充。“但我们采用极快成型冲压工艺，无此容错。还须管控结晶度。”因高载荷飞机结构用半结晶热塑性基体聚合物——如PEEK、PEKK和低熔点聚芳醚酮（LM PAEK）——其卓越力学性能和耐化学性源于冷却时形成的结晶结构。“等温结晶对平板不难，但3D形状挑战巨大，”McCrea说。“材料必须充分加热成型（这些材料熔点300-400°C），再快速冷却以便热脱模，避免工具热循环，同时管控形状、公差、结晶度和表面光洁度。”

TPC零件近年增长原因之一是极快循环时间。“我们为军用飞机演示器制造加强筋循环仅5分钟，平均循环约10分钟，”Leach注记。“我们能实现飞机主机厂追求的高生产节拍。”极快平均循环导致零件组合不断变化。“我们愿单一零件生产数月，但产能超越飞机制造节拍，”McCrea说。“所以我们始终在各零件间切换。”ATC大多单班、周五天制生产。“我们有充足产能应对增产，”Leach注记。

热塑性复合材料结构带和喷涂型材。来源：ATC Manufacturing

未来愿景

ATC凭借十余年TPC生产经验提供显著价值。“我们常帮客户设计可制造零件，”Leach说。“我们常将零件从热固性复合材料转换，如保持原厚度的机身主承力结构配件。但若原本为TPC设计，零件可大幅减重。”为何？“因这些半结晶热塑性基体材料性能更高，”他解释。“无需像热固性基体那样为微裂纹和损伤容限设计，热湿敲减效应也小得多。事实上PEEK、PEKK和PAEK无湿敲减。除非接近Tg（典型约150°C），否则无热敲减。标准开孔压缩（OHC）损伤容限测试中，从室温过渡到120°C评估强度，几乎无敲减。”

“我们将能设计更薄零件，并消除当前复合材料首代设计（如波音787和空客A350宽体机）中大量铝和钛，”McCrea补充。“我们持续推进这些材料成型，将持续开拓新应用。”

Leach相信这将显著影响未来飞机应用。“我们正在研究一些根本无法用热固性材料生产的零件，因性能和生产节拍要求。”

更多信息：ATC Manufacturing将在CAMX 2019热塑性材料与应用分会场，9月25周三下午4:00，210C室发表技术论文《航空结构中具成本效益的热塑性复合材料》，作者Corbin Chamberlain、David Leach、Trevor McCrea。

还在SAMPE 2019（5月4-7日，北卡罗来纳夏洛特）闭门会议与波音联合发表论文：《结构热塑性复合材料零件快速高性能模塑》。详见博客：https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications