柯林斯航空航天公司应用环球团队数十年的体会，为下一代飞机显现大型弯曲AFP和焊接构造。
全热塑性复合资料扇形整流罩斥地者。柯林斯航空航天公司正正在拓荒一种扇形整流罩（白色，左侧最顶部构造）举动探道者部件，以促进其热塑性复合资料构造途径图，征求大型弯曲蒙皮的主动纤维安放（AFP）（右上）和冲压帽强化件部门的熔接（右下），这些强化件将被焊接成一个集成构造
柯林斯航空航天公司（美邦北卡罗来纳州夏洛特市） 是寰宇上最大的航空航天和邦防工业供应商之一。它建设于2018年，当时说合手艺公司(UTC)收购了罗克韦尔柯林斯，并将其与己方的航空航天和邦防营业说合手艺航空航天体系公司统一。正在 UTC和雷神公司凯旋合 并后，柯林斯公司自后成为RTX的一个实体。此刻，柯林斯航空航天公司是RTX的三个子公司之一（以及雷神公司和普惠公司），由六个计谋营业部分构成——先辈构造、航空电子、互联航空处置计划、内饰、做事体系和动力与把持。
Aerostructures是柯林斯高级构造部分的一个投资组合，正在环球15个所在具有6000众名员工，特意从事航空带头机短舱、热塑性复合资料和悬挂。柯林斯公司依然为大约 35个贸易和军事项目供给了40000众个短 舱。此中仅空中客车就有近20000个短舱，普惠GTF带头机短舱目前正正在2024年参加运用的空中客车 A321XLR 进步行遨游测试。
Fred Rohr为Charles Lindbergh的《圣道易斯精神》(Spirit of St.Louis)安排了油箱，并于1940年创立了Rohr飞机公司。他还发通晓第一个用于成型铝板的落锤，极大地加快了航空带头机短舱进气唇的成型流程。正在第二次寰宇大战光阴，Rohr Aircraft 是寰宇上最大的航空促进组件出产商，到1965年，其缔制的喷气带头机动力装配和推力反向器数目越过了寰宇上任何其他缔制商。1965年Fred Rohr 圆寂后，该公司告竣了众元化，出产卫星天线、火箭带头机部件、深潜/海战舰艇和地面运输，如BART汽车。1986年， Rohr正在Chula Vista工场筑筑了一个碳碳和高温复合资料试验室。到1990 年，Rohr再次将中心放正在先辈的构造、短舱和悬挂上，并正在全 球鸿沟内筑筑了出产基地。Rohr于1997年与Goodrich统一建设Goodrich Aerostructures，并于2012年被UTC收购。
短舱也呈现了柯林斯航空航天公司正在复合资料及其美邦加利福尼亚州里弗赛德工场的久远史籍，该工场于1952年由短舱、推力反向器和悬挂的永远指引者Rohr Aircraft（美邦加利福尼亚州Chula Vista）开设。现正在，河干工场(Riverside site)是一条新的热塑性复合资料(TPC)航空构造试点出产线的所正在地，也是两个配合出产窄体 飞机带头短舱全TPC、2 米直径电扇罩的工场之一，作 为一个斥地者项目。
柯林斯航空航天公司于2021年收购的第二家工场之前是荷兰热塑性组件公司（DTC，荷兰阿尔梅尔）。该公司由David Manten于1998年创筑，为12架差别的大 型客机和公事机缔制2000众个奇异的零件号，征求肋、 抗剪腹板、剪切复板、强化筋、夹子和夹板。柯林斯航空航天公司热塑性复合资料总司理Manten示意:“咱们举动小型构造热塑性合成资料零件的缔制商有20众年的史籍，依然出产了150万个冲压成型零件。 ” 。“但尽管正在收购之前，咱们就依然起先拓荒厚度可变、样式更纷乱的更大零件。 ”
柯林斯航空公司热塑性复合资料首席工程师Dan Ursenbach指出，这个短舱斥地者部门是环球柯林斯航 空公司TPC团队拓荒的。 “咱们运用AFP（主动纤维 安放）筑制了一个大蒙皮，冲压成型帽子强化件，然后 将这些部件焊接正在沿道。一共这些都获得了基于常识的 数字东西的赞成，宗旨是正在异日两年内抵达 TRLtechnology readiness level（手艺绸缪水准）6。 ”
这听起来很粗略，但柯林斯航空航天公司复合资料高级手艺咨议员Michel van Tooren阐明了本质的纷乱性。 他说： “咱们不得不咨议这一流程的很众方面，以及奈何使其合用于工业出产——奈何为具有集成雷击扞卫(LSP-lightning strike protection)和热压罐外(OOA-out-of-autoclave) 凝结的大型弯曲蒙皮供给AFP，以及奈何对冲压强化筋举办感想焊接。 ”
纵然挑拨很大，但接续增加的成效也是如许。Van Tooren说： “你能够看到很众大型TPC静态演示者， 特别是正在欧洲，但还没有任何东西正在遨游。这将是AFP缔制的最大的TPC部件。 ”结果上，这个短舱的认证将是这个斥地者的最终成效之一，但这只是柯林斯TPC手艺的起先。
Manten说： “热塑性塑料的要紧理由是有时机告竣 缔制主动化，并正在每个流程中得回明显的轮回时期。 ” 。 “与此同时，咱们能够通过排挤紧固件来告竣重量节流。 重量节流和速度普及是两个要紧驱动成分。咱们正正在为下一代飞机做好绸缪，咱们估计下一代的飞机将运用更 众的复合资料和大宗的复合资料缔制。咱们的复合资料手艺务必也许餍足这些速度，这便是热塑性复合资料所能告竣的。 ”
Ursenbach提到了波音公司的一项咨议，该咨议标明，运用主动切割和装置、手工叠层和热压罐固化将热 固性复合资料翼肋的轮回时期从400分钟缩短到运用冲 压成型的TPC零件的45分钟。通过排挤资料的冷冻贮存妥协冻（热固性预浸料所需）以及热压罐固化（这是能源和时期汇集型的），缔制业获得了进一步的改善。
Ursenbach说： “咱们进入连接纤维TPC出产部件的第一步是A320短舱的梁(longeron)。 “这是咱们依然正在运用手工叠层和热压罐固化缔制的一个零件。2018年， 咱们起先与征求DTC正在内的TPC公司讲论将其举动TPC零件的可行性。估计的好处是宏壮的，所以咱们起先与DTC配合，将梁(longeron)举动冲压成型的TPC零件出产。当咱们起先咨议短舱中的其他零件时，很昭着， 这便是对的。咱们的客户群也给了咱们良众激发，他们 盼望着下一代飞机和每月75 架以上单通道商用飞机的出产率。 ”
柯林斯航空航天公司高级构造工程和计谋部署副总监Christian Soria 示意： “柯林斯航空构造公司平素处于复合资料拓荒的前沿。 ” “当咱们断定起先拓荒TPC时，咱们念确保咱们涵盖了最终所有操纵于咱们的 产物所需的统共手艺和本领范畴。举动一个团队，咱们界说了使咱们也许出产和缔制大型纷乱组件（如短舱组件）的闭节因素，并由此拟定了分别化的途径图手艺。 ”
图 1. 热塑性复合资料（TPC）拓荒途径图。柯林斯航空航天公司于 2021 年收购了荷兰热塑性组件公司（DTC），并正在其位于美邦加利福尼亚州里弗赛德的机舱缔制厂装置了一条试验性TPC出产线。这些互补的工场正在各类途径图手艺方面举办了交叉培训，以应用专业常识，并举动一个简单的环球团队成长巨大。
Ursenbach填补道： “咱们拣选电扇罩举动咱们的斥地者，由于它能够正在一个产物中驱动众人半闭节的TPC流程。 ” “咱们需求拓荒冲压成形，将冲压成形的零件连结成更大的强化件，也需求将超越冲压成形的 大蒙皮连结成AFP，以及将这些更大的巩固件连接、更长地焊接到AFP蒙皮。电扇罩征求缔制众人半类型的商用航空构造所需的一共元件，但足够粗略，能够正在合 理的时期内告竣。 ” 。这也是咱们能够正在飞机进步行遨游测试并正在本质产物上推行的一部门，以得回正在役反应。 ”他填补道，认证是这项手艺成长的一个闭节因素， “但这好手业中还没有获得很好的界说，由于没有良众焊接TPC构造通过认证。 ”
柯林斯公司正在界说其 TPC 手艺途径）， 对该行业举办了侦察，以明白其他公司正在做什么。Soria说： “咱们认识到像DTC云云的玩家依然是专家了。 ” 。 “咱们能够测验有机地成长同样的本领，或者咱们能够收购像DTC云云的人，并将他们带到咱们的团队中， 好手业还没有那么先辈的范畴供给助助。咱们便是这么做的。咱们正正在极力告竣咱们的途径图，并使这些手艺 成熟。 ”他指出，河干（Riverside）的试验线夸大了DTC没有那么闭怀的手艺块， “但咱们也正在差别所在之间举办交叉培训，云云咱们就能够应用来回进修的时机，举动一个热塑性复合资料团队生长起来。 ”正在阿尔梅雷， 柯林斯还放大了先辈的冲压成型和焊接本领。
Ursenbach说： “咱们不念倾向于某个特定的流程。 ” ， “但相反，咱们也许以缔制所需的方法安排TPC零件。 要做到这一点，咱们需求将一共流程放正在一个屋檐下。 这使咱们也许优化每一步，并助助咱们的工程师通晓流程。咱们有40年的时期来迭代和优化热固性复合资料零件的拼装方法。咱们祈望通过TPC零件尽恐怕加快 这一流程。 ”
图2. 中试出产线。Riverside的TPC中试出产线征求风机整流罩探道器部门演示的全流程链，从用于帽加劲肋部门的ATL坯料到将熔接加劲肋感想焊接到蒙皮
Soria 指出，试验线已筑正在河干(Riverside)的工场中， 目前每天都正在那里出产贸易零件（图 2）。他说： “咱们念确保正在拓荒这些手艺的同时，咱们也正在证据它们能够工业化，而不但仅是正在试验室处境中 ” 。任务中试出产线中的兴办也许举办低速度的贸易出产。目前，该出产线征求一个Boikon(Leek，Netherlands)FALKO高速 （高达450平方米/小时）主动铺带(ATL)任务站，用于出产定制坯件和近净样式的冲压件，一个Pinette Emidecau Industries(PEI，Chalon Sur Saone，France)245 公吨冲压机，Wisconsin oven（美邦威斯康星州东特洛伊） 的一个用于OOA凝结的大型烤箱，用于主动资料和零件统治的双 KUKA（德邦奥格斯堡）呆板人，以及得益于Van Tooren众年的手艺体会而正在内部拓荒的感想焊接任务站。
如图6所示，1，柯林斯正正在同时成熟途径图手艺， 但有些手艺依然抵达了更高的 TRL。Manten 说： “更小、更粗略的零件的冲压成形依然十足成熟和工业化， 但具有厚度变更的纷乱和更大的零件仍正在优化中。对付用AFP制成的大蒙皮和焊接，咱们处于TRL 4到6之间。 ” 。对付已告竣的焊接组件，咱们正正在探求2026年的TRL 6。 ”
Soria说： “咱们的安排工程团队咨议了奈何应用TPC缔制工艺。 ” 。 “咱们仍正在资历一条进修弧线，由于这 些流程开拓了一个差别的安排空间，工程师们务必探求 一套差别的东西来安排TPC零件。咱们起先与缔制工程师举办迭代，从David和他正在 Almere的团队那里得回了睹地，然后Michel van Tooren出席了咱们的团队，并 就缔制和奈何从新安排供给了倡议提神念念安排。 ” 该团队起先最终确定电扇罩差别部件的工艺链。Soria说： “咱们依然懂得咱们需求以某种方法将零件焊接正在一 起，但不懂得哪种焊接办法适合电扇罩。 ” 。 “所以，咱们 起先搜求广博的范畴，征求感想、超声波、红外和传导焊接。目前，咱们挖掘它们正在咱们产物的差别范畴都有 用处——长连接焊缝、限度焊缝、盲焊。咱们还起先与DTC配合，咨议奈何冲压成型风机整流罩的大强化筋， 正在咱们咨议冲压大蒙皮的同时，咱们也起先了AFP，知 道此后更大面积的资料需求它。 ”
柯林斯航空公司收购荷兰热塑性塑料组件用于复合资料的 热塑性会集物柯林斯航空航天公司通过DTC（顶部）得回了要紧的冲压专业常识，并无间搜求和判断用于集成TPC构造的热塑性会集物。
Ursenbach填补道： “咱们告竣了为期一年的两个公司之间的常识蜕变”“DTC具有冲压专业常识， 但Riverside的Collins具有AFP和焊接专业常识。所以，咱们花时期将一共这些常识编成法典，并筑制零件，以便正在现场之间传达工艺常识。”
柯林斯公司及格的碳纤维/PEEK单向(UD)预浸带用于A320机舱梁(longeron)，但现正在正正在咨议用于开 拓者电扇整流罩的LM-PAEK和PPS资料。正如2022年的著作《热塑性复合资料焊接发扬…》中所阐明的那样， 与其他聚芳基酮会集物比拟，LM-PAEK的加工温度更低，所以已成为TPC焊接的首选资料。Van Tooren说： “LM-PAEK的急速铺放和较低的温度凝结使其也许更好地流经工艺链。 ” “咱们正在电扇整流罩上要紧运用UD预浸带，但也运用了少许织物来助助告竣高度轮廓化的部件。 ”
凝结炉中的热塑性复合资料电扇整流罩蒙皮原型位于美邦加利福尼亚州里弗赛德的柯林斯航空航天试验出产线的一部门，位于凝结炉中的TPC电扇整流罩蒙皮原型。
斥地者扇形整流罩的工艺链从弯曲蒙皮的AFP叠层起先。Van Tooren阐明道： “AFP呆板依然为行业做好了绸缪，但这个流程仍旧需求大宗的任务。 ” “例 如，短舱构造需求铜网 LSP，务必正在外层。其它，TPC预浸料不像热固性复合资料预浸料那样浓厚，于是将预浸带放入东西中并阻挡易。咱们刚起先时的规范做法是 放入聚酰亚胺薄膜并将其粘正在沿道。这合用于拓荒，但不对用于出产。正在过去的两年里，咱们依然成熟了奈何创筑带有限度强化的大曲面蒙皮，将LSP集成到这些叠层中，并确保咱们得回确切的外外质地，以及OOA凝结所需的质地。 ”
图3. 资料搬运，AFP 曲面蒙皮。中试出产线征求呆板人操作和焊接熔接帽强化件（白色半圆，上图）。该单位的右侧是一个用于参数拓荒和验证的小型感想焊接任务站，然后是AFP任务站，此中告竣了2米直径的电扇整流罩蒙皮叠层（底部）。
该团队拣选了急速铺放和OOA凝结，而不是不需求二次凝结方法的原位凝结（ISC-in-situ consolidation）。 “凭据咱们的体会， ”Van Tooren阐明道， “ISC 很慢， 与AFP凝结层压板比拟，层压板蒙皮的强度降低将越过30%。 ”Ursenbach 指出，这类似是因为缺乏足够的时期举办直接接触和压实(reptation)（会集物正在层压板之间的环绕）。正在烘箱中举办OOA凝结是团队计谋的一部门，以开脱热压罐的批量统治和因为对宣传热服从低而导致的长轮回时期。然而，挑拨依旧存正在。Ursenbach说： “TPC资料的加工温度较高，局部了能够运用的东西和工艺辅助资料。 ” 。 “比如，不行拣选可反复运用的硅胶袋。 ”
蒙皮正在圆周目标上由空心帽加劲肋加固。Van Tooren说： “这些部门直径约为8英尺，固然看起来很粗略，但它们的长度和宽度都是弯曲的。 ” 。 “咱们挖掘它们太大了，无法一次冲压。相反，咱们需冲要压分段并将它们连结正在沿道。奈何正在没有呆板紧固件的情形 下做到这一点，而是应用TPC的本领从新熔化和再固化，需求付出良众极力。这导致了咱们称之为熔接的专利工艺。咱们现正在也许缔制这些大型强化件，咱们正正在极力缔制更大的强化件以及更长的零件。 ”
图 4. 将强化筋感想焊接到蒙皮上。装置正在呆板人上的感想焊接头（顶部）正在焊接线上挪动感想 线圈—正在这种情形下，原型强化件和蒙皮由焊接东西（灰色）顶部的夹具（白色）固定，该夹具 也把持散热。正在底部，一个焊接的强化筋蒙皮原型坐正在热固性复合资料电扇罩的前面。
接下来，运用装置正在呆板人上的感想焊接头将加劲 肋感想焊接到蒙皮上（图 3 和图 4）。Van Tooren阐明道： “因为焊接是正在没有任何格外资料的情形下举办的， 这需求对零件和焊接工艺举办恰当的安排，以正在它们之间筑筑严紧的接触。 ” 。 “强化筋和蒙皮被装载到一个夹具中，该夹具将零件推到沿道，然后呆板人正在焊缝上 挪动感想线圈。焊接东西由差别的专有资料组合制成， 以答应以可控的速率散热。通盘流程中，温度和压力都 通过呆板人和装置正在东西上的传感器举办监测。咱们付出了良众极力拓荒东西，以便正在焊接时最好地把持样式和热量。 ”正在工艺的加热、重熔和冷却阶段，工装务必 依旧焊接零件上的压力。把持焊缝处的热量也很要紧， 以避免正在零件中爆发热应力。Van Tooren指出： “你还务必确保正在这个流程中不会捣乱氛围动力学外外质地。 ”
“为了验证焊接质地，咱们平素正在通过各类试片测试 （搭接剪切、拉拔测试等）赞成的试验安排来微调焊接参数， ”他无间说道。 “咱们依然证据，咱们能够将帽子 强化筋焊接到蒙皮上，但仍正在通过原型演示器改善一共办法和流程。咱们该当也许正在异日6-9个月内告竣全尺寸的最终演示器。其他成效，如电扇罩的长梁强化筋， 也将举办焊接，以酿成一个十足无紧固件的强化蒙皮组件。“
Soria指出，该斥地者的途径图坚守规范的航空航天行业修筑块办法，从试验件到子元素再到集成构造， 搜求测试数据。他阐明道： “咱们并不是正在筑制一个看起来像电扇罩的东西。 ” 。 “这款演示机是凭据咱们目前的 一条产物线安排的。一朝告竣，咱们将与客户配合寻找遨游试验台。最终，它将正在遨游中举办验证，但一共这 些都将获得大宗格外测试的赞成。 ” Ursenbach填补道：“假若咱们只是缔制了一个静态演示器，咱们本能够走得更速，但本质上咱们正正在筑制一个能够安闲遨游的部件，这需求更众切实定性、数据和子元件测试。 ”测试告竣后，宗旨是正在柯林斯目前的一种短舱产物上推出这项手艺，目标是尽早显现这项手艺的好处。他阐明道： “咱们祈望正在现有平台上引入这一成效，而不必然要比及下一个新的干净飞机安排。 ” 。 “咱们祈望起先从实际寰宇的处境中得回反应， 这将有助于咱们接续修筑和改善这些手艺块，以便正在发布下一个干净安排时做好绸缪。 ”
Ursenbach说： “内部的一大挑拨是，TPC看起来很像热固性复合资料，于是每个体都念云云对于它。 ” 。 “但这些都吵嘴常差别的资料，具有极度差别的加工恳求和要求。 ”他指出，过渡到TPC本质上更像是从金属过渡到复合资料。 “这是一个庞大调动。人们天赋以为一共相仿的礼貌都合用，但咱们不得不拟定一套全新的样板和答应值，以及一本新的安排手册。 ”后者是一项庞大极力，DTC的一共常识极度贵重。Ursenbach说： “咱们也许为咱们的安排工程师编辑这些常识，不但明白和记载TPC的分别，况且正在咱们的工程、质地和出产 社区以及囚系社区内将其社会化，这是一项连接的举动。 ”
Manten 指出，另一项庞大成便是正在运用集成LSP 焊接零件方面博得的发扬。正如 2018年著作《焊接热塑性复合资料》中所阐明的那样，当感想线圈沿着焊缝挪动时，它会正在导电碳纤维层压板中感想出涡流，爆发热量 并熔化热塑性塑料。然而，铜网 LSP 乃至更具导电性， 也需求选用步骤预防正在该层中爆发涡电流。Manten填补 道： “咱们依然博得了凯旋，但这需求正在工艺链的每个闭头举办任务，从冲压成型到AFP。 ” 。这使得该团队拓荒了一种坚硬急速的焊接处置计划。
Soria说： “另一个庞大成便是收购了DTC，两个团队依然统一，像一个环球团队相通配合得很好。有良众疏通和共享，这是一个宏壮的凯旋。 ”
纵然单通道商用飞机市集有良众市集时机，但柯林斯航空航天公司有更开朗的前景。柯林斯航空航天公司高级构造计谋总监Paul Johnson示意： “又有良众其他 操纵次序能够运用咱们拓荒的这些手艺。 ” “此中征求双通道、区域和商务航空市集以及邦防的短舱，也征求其他构造。 ”
Ursenbach指出，TPC资料正在抗冲锋性和耐化学性方面浮现得更好， “柯林斯公司内部的少许营业部分确实能够应用这一点。比如，咱们的螺旋桨部分Ratier Figeac也对 TPC极度感意思，但理由与咱们差别。咱们的航天体系集团也有少许成长，刻意下一代宇航零件。”
柯林斯航空航天公司正正在与众个行业同盟配合，以成熟热塑性复合资料接收手艺和供应链。
Ursenbach还指出，TPC构造普及了可连接性。“这也是咱们途径图的一部门，不但应用了轮回时期和重量，还凯旋地告竣了客户所恳求的可接收性。”
柯林斯航空航天公司是热塑性复合资料咨议中央（TPRC，荷兰恩斯赫德）的一级成员，该中央已证据将 热塑性塑料出产废物接收到航空航天零件的工艺链中。 正在“可连接氛围地平线”项目中，柯林斯航空航天公司正正在拓荒旨正在为飞机构造供给新的可连接处置方 案的接收和连结观点，而正在阿尔梅雷，它正正在与荷兰Spiral RTC公司配合，该公司旨正在告竣碳纤维TPC出产废物和报废零件的轮回。Collins Aerospace Almere 还参 与了荷兰邦度项目“转型中的航空”和“可连接航空 的热塑性塑料” ，这些项目正正在为小型（电动）和大型 商用飞机的轻型部件拓荒新资料、东西和出产手艺。
柯林斯还指引了复合资料保形液氢储罐(COCOLIH2T Composite Conformal Liquid H2 Tank)项目，为液氢储罐拓荒新的 TPC 手艺，为更可连接的异日飞机的零排放促进架构提 供动力。正在美邦，它是高速复合资料飞机缔制(HiCAM Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing)项目中先辈复合资料同盟 的成员，该项目是美邦邦度航空航天局可连接遨游邦度 伙伴干系(SFNP-Sustainable Flight National Partnership)的一部门， 旨正在使下一代商用运输机的能效普及 25-30%。 “咱们正 正在参预 HiCAM 的 TPC 任务包， ”Van Tooren 说，他也 是焊接团队的刻意人，该团队依然拟定了焊接 TPC 结 构认证的发端途径图（睹“焊接不是粘合”）。
Ursenbach 填补道，极力处置这些全行业的题目，如认证和验收，以及所需的资料量和轮回性，这些都有助于柯 林斯公司，也有助于通盘行业。索里亚说： “咱们祈望 成为笃志于 TPC 手艺的行业团队的一员，该手艺能够 减轻重量和燃料耗费，并刷新异日飞机的声学机能。 ” 。 “咱们祈望成为该社区的团队成员，胀吹这些手艺的边 界，使航空业更具可连接性，成为一个向前成长的行业。 ”
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