世界上最大的单一热塑性塑料件诞生!并开始应用于下一代复合材料飞机

作为欧盟“洁净天空2(Clean Sky 2) ”计划的一部分,航空业正在寻找可持续性的飞行路径。“洁净天空2”多功能机身演示机(MFFD)长8.5米,机身部分由复合材料制成,直径为4米,让我们一睹下一代飞机的可能面貌。现在,随着MFFD最大的组件——8.5米长的机身下部蒙皮的铺设,荷兰航空航天研究中心(Royal NLR) 的 STUNNING 项目有望成为 MFFD 最大的组成部分。

随着欧洲努力应对气候危机,欧盟已经开始推出几个计划,旨在挑战几乎所有领域的现状,所有这些计划的目标都是提高可持续性并减少我们的碳足迹。对于航空航天业,洁净天空2计划及其多功能机身演示器 (MFFD) 旨在直接从源头上挑战飞机的结构——寻找如何从传统铝材过渡到下一代碳纤维增强复合材料不仅可以改善结构,还可以大大减少排放的方法。

为了在 MFFD 框架中发挥主导作用并分享他们在复合材料方面的专业知识,Royal NLR 与合作者 GKN Fokker(主导)、TU Delft 和德国的 Diehl 共同开展了他们自己的名为 STUNNING 的项目。他们的目标是展示和验证使用复合材料(即热塑性塑料),可以帮助实现下一代飞机能够提供与钢和铝相同的强度和耐久性,同时大幅减少生产和维护的总时间。以及减轻飞机的总重量和随后的排放物。

NLR 高级研发复合材料工程师 Joachim de Kruijk 表示:“欧洲可能有一半的航空航天业参与了 MFFD 项目,因为我们真正深入研究了各种制造技术,所有这些技术都考虑到了可持续性。” “在研究各种制造选项和材料时,我们认为实现更可持续机身结构这一目标的最佳方法是利用新一代热塑性材料。我们看到这种材料可以改变制造方法和设计技术,从而使飞机更轻,这意味着更少的燃油消耗和二氧化碳以及氮氧化物的排放量——同时保持我们对传统铝制飞机的强度和安全性的期望。”

世界首创

许多现代飞机,如空客A350 XWB和波音787梦想客机,已经在部件、支架甚至机身外壳的构造中使用了复合材料(即热固性材料)。然而,在 STUNNING 项目中,GKN Fokker和NLR的专家们的任务是设计制造大型飞机和结构件的高生产率。

“使用热塑性塑料带来的真正改进之一是,在制造和组装过程中,与热固性材料不同,这种材料可以多次加热和再加热,以确保均匀性和粘合性,”De Kruijk 解释说。“在 STUNNING 中,我们的目标之一是展示如何将不同的过程结合起来构建结构性和非结构性组件以实现完全集成。为此,我们着手建造机身的整个下半部分,不仅要深入了解飞机蒙皮的可制造性,还要了解子结构(如蒙皮下的加强筋)和其他结构件(如地板梁)的可制造性,以及部分的机舱、系统甚至货舱门。”

世界上最大的已知单一热塑性塑料件

带着这些崇高的目标,合作者们开始测试他们的各种制造技术,以构建要集成到机身中的众多部件和结构。对于NLR来说,这意味着要测试他们的知识和生产能力,其中最大的部分是机身下腹部。在其内部最先进的自动纤维铺放机的帮助下,NLR 实现了目标,构建了机身蒙皮的下半部分——单件,长 8.5 米,直径 4 米——世界上最大的已知单一热塑性塑料件。

差异化因素

这当然是一个不小的壮举,因为以前从没有做到过。虽然热固性复合材料越来越多地用于飞机制造,但大型热塑性部件相对来说是该领域的新产品,这也意味着相对而言,它的成本可能更高一些。但De Kruijk表示,这只是表面价值,因为收益远远超过价格。

“例如,热塑性塑料比热固性塑料轻一点,因为它是一种更坚韧的基体材料,并且具有更好的抗冲击损伤能力,这很重要,”De Kruijk解释说。然而,除此之外,还有材料在制造中的利用方式。要连接热塑性塑料的不同部分或部件,你只需要加热材料焊接在一起。这意味着我们将取消传统飞机上的数十万个紧固件,这无疑将大大降低飞机的重量。”

NLR负责研究的另一个课题是如何检查、维护和修理由热塑性塑料制成的飞机。到目前为止,大型复合材料部件在飞机上的使用还比较有限,这意味着在检查、维护和维修方面的数据和实践要少得多。

“目前,我们正致力于开发一些无损检测(NDI)技术,用于检查飞机,如热成像和剪切成像,但该技术还未完全成熟。目前,我们使用超声波检查来检查缺陷和问题,但这可能是一个耗时的过程。“然而,目前对常规飞机的检查和维修也很缓慢。由于热塑性塑料的特性,能够重新加热和焊接在一起,我们可以看到,维修可以比传统飞机快得多。想象一下,不用亲自检查整个结构的每一个铆钉,可以节省多少时间。”

整合

由于最终表皮的大小,制作了两个部分。随着下机身蒙皮的第二个90度段的铺层完成,下一步是将下机身蒙皮的两个90度段合并成一个180度的机身蒙皮段。然而,要做到这一点,需要一个非常大的高压釜,它能够装配和加热超大尺寸的部件来将它们连接在一起。因为在荷兰没有这样的高压釜,所以这两半将被送往德国进行整合。然而,由于疫情该项目的这一步骤已被多次推迟。目前,这一过程定于6月底进行。

“假设我们可以在 6 月份推进这两个机身部分的连接,我们预计可以在夏天之前将加固的表皮带回 NLR,开始详细NDI过程彻底测试,验证其成功和建立完整的质量降低机身的下部蒙皮,”De Kruijk 说明。“之后,我们会将其运送给我们在 GKN Fokker 的合作伙伴,在那里可以完全组装和集成 STUNNING 项目中开发的各种部件。”

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