A350 长桁、框制造工艺

美国 ATK 公司给波音 787 和空客 A350 制造机身长桁、框。一架 A350-900 长桁和框有 698 个组件号，总共 900 个零件。ATK为 A350-900 制造所有长桁和 60%的框。商飞“C929长航程宽体”客机，机身长桁、框的数量与 A350 同一数量级。集中制造、专业化生产，无疑是最佳选择。

ATK 在美国犹他州克利尔菲尔德附近的一个大型工业园区内建造了这座建筑和其他几座类似的建筑。然而，这些建筑外表不起眼的普通外观与内部复杂的复合材料工程形成了鲜明对比。

表 1: ATK 的自动加劲肋成型（ASF）工艺使该公司能够满足多种桁条和框架属性，包括各种长度、偏航、俯仰和半径值。

表 2: ATK 于 1982 年开发了世界上第一台自动纤维铺设机。如今，该公司经营着 15 个AFP 部门，其中 7 个位于克利尔菲尔德。七座中有四座是内部建造的。两座由 Fives Cincinnati（美国俄亥俄州辛辛那提）建造，一座由 Electroimpact（美国华盛顿州 穆基尔特奥）建造。

表 3：ASF 制造的演示器翼梁长 3000 mm，从 底部的 571 mm 宽逐渐变细到尖端的 444 mm 宽。它有三个部分，每个部分都有不同的凸缘角度、凸缘/腹板半径、层压板厚度和纤维方向。

ATK 的备料机（MPM）使预浸料坯通过一个专有的切割系统，该系统在 90°、0°、 45°和-45°（见 MPM1 和 MPM2）下产生预浸料的标志（作业指定长度），然后重新缠绕重新定向的材料。ATK的自动加强筋成型机（见下图）然后将 MPM 的材 料向上浇注，并在一系列固定位置的压头下通过阳 模，使材料与模具表面一致。

ATK 公司内部开发的自动加劲肋成型机（见下一张照片）快速、高效、精确地为空客 A350-900 和A350-1000（如图）生产出高度差异化的机身长桁，并为空客 A350 和波音 787生产出机身框。一架A350-900 长桁和框有 698 个组件号，总共 900 个零件。ATK 为 A350-900 制造所有长桁和 60%的框。

ATK 公司内部开发的自动加劲肋成型机如图所示。

在由ASFM 放置桁条后，将叠层工具装袋，然后将其转移到滚球地板系统上的支架上， 放入高压釜中进行固化。地板使 ATK 人员 能够轻松移动和操作模具，避免了使用起重机所需的成本和时间。

ATK 的机身框架是在专有机器上成型的，但框架制造过程中使用的模具的预生产叠层涉及这种 16 丝束的 Electroimpact 纤维放置系统，该系统在切割台上构建预浸框架“彩虹”，将彩虹切割成形，然后将其放置在框架成型系统中的模具上。

然后，通过 ATK 设计和建造的相控阵系统（插图），通过无损检测（NDI）对成品框架和桁条进行评估。

该Fives VIPER 自动预浸带铺设（ATL）系统是 ATK 为F-35 闪电II 战斗机铺设 BMI 层压板蒙皮所使用的两个系统之一。每个 ATL 都由一个线轴组（见下一张照片）提供，线轴组与机器控制平台上 的放置头一起“骑行”（图像中的背景）。多功能心 轴在放置预浸带后旋转，以便可以对叠层进行间隙、 FOD 和尺寸的激光检查。

ATK 的每台ATL 机器都由一个线轴组供电，就像这个线轴组一样，它与机器控制平台上的放置头一起 “骑行”。

ATK 内部构建的 ATL 系统庞大而复杂。每个都有一个平台（照片中的左中心），当系统在模具上构建层压板时，ATL 头、材料架和机器操作员都坐在平台上（照片中右侧）。

ATL 之后，ATK 技术人员使用 Virtek 激光检查系统评估BMI 上篮（底部照片）的尺寸一致性、间隙和异物损伤等参数。

编者按：在这次 ATK 之旅发表后，ATK 被 Orbital 收购，成为 Orbital ATK。Orbital ATK 随后被诺斯罗普·格鲁曼公司收购，后者是犹他州克利尔菲尔德设施的现任所有者和运营商。

ATK 航空航天结构公司确实是伴随着复合材料行业成长起来的。20 世纪 50 年代，该公司成立的目的是为美国国防和太空计划提供风力火箭发动机外壳。如今，很难找到该公司没有或没有参与的航空复合材料项目：目前的商用飞机项目包括波音 787 和空客 A350 XWB，以及通用电气 GEnx 2B 和劳斯莱斯 Trent XWB喷气发动机。军用飞机包括空中客车 A400M 和波音公司的 C-17 环球霸王运输机、洛克希德·马丁公司的 F- 22 猛禽和 F-35 闪电 II 战斗机以及阿古斯塔韦斯特兰公司的 609 直升机。空间系统包括德尔塔四号和阿特拉斯五号运载火箭以及国际空间站。

ATK 航空航天结构公司分布在美国三个州，目前在俄亥俄州代顿拥有制造设施；Iuka，MS；克利尔菲尔德工厂位于盐湖城以北约一小时车程的一个工业园区。它占据了二战期间美国海军内陆设施的所在地，被认为是日本飞机无法到达的地方，这些飞机可能会从加利福尼亚海岸外的太平洋与美国会合。在那里，一组长长的、但并不起眼的建筑现在是 ATK 的所在地，从外面看，它们几乎没有透露出内部的实质性活动。克利尔菲尔德工厂有三个主要活动：飞机商业（57000 平方米，17%的洁净室）、军事结构（60000平方米，12%的洁净室，）和机箱制造（18000 平方米）。克利尔菲尔德共有 800 名员工，航空航天结构部门共有 1000 名员工。

当《复合材料世界》有机会参观该公司最大的工厂克利尔菲尔德的运营时，记录该公司如何在其细丝缠绕传统的基础上发展成为航空复合材料行业的领先创新者之一，以及世界上最具创新性、纪律性和经验的高性能复合材料制造商之一的大门敞开了。

《复合材料世界》在克利尔菲尔德工厂的导游是研发工程师、ATK 工作 9 年的员工 Barrett Milenski。尽管克利尔菲尔德仍然生产火箭发动机外壳，并制造了一长串其他结构—发动机外壳、短舱、机身部件、门弹簧、枢轴、机翼蒙皮、桁条，固定蒙皮和压力容器—参观的第一站将焦点放在了最近开发的两种产品上，这两种产品在数量上主导了生产，并表明了 ATK对突破技术极限的持久承诺。

 长桁和框

克利尔菲尔德为空客 A350-900 和 A350-1000 制造机身长桁和框，为波音 787-9 和 787-10 制造机身中部和后部框。Barrett Milenski 指出，这些复杂零件的制造是 ATK 面临的最具挑战性的企业之一。仅 A350-900的长桁和框就涉及 698 个不同的零件编号，每架飞机由 900 个零件组成。自 A350-900 开始生产以来，ATK已经为该飞机交付了 30000 多个长桁和框。尽管近年来自动化预浸带放置技术已经显著成熟，但将此类材料卷与现成技术相匹配是不可能的。相反，该公司采用了两种内部开发的技术，将独特的纤维制备与大批量工艺相结合，使 ATK 能够实现 A350 的生产目标，并在这一领域为 ATK 带来真正的竞争优势。第一个是名称恰当的备料机（MPM- Material Preparation Machine），这是一个连续的过程。该机器可接受由 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德市）提供的长达 600 米长、600 毫米宽的单向（UD）HexPly 碳纤维预浸带，将其展开，并使预浸带通过专有的切割系统。刀具在 90°、0°、 45°和-45°的偏置下产生预浸料坯的标记（工作指定长度的术语）。然后，系统将每个标志重新定向到预先编程的角度，使其与其他标志重新对齐，并重新缠绕重新定向的材料（见图）。然后将材料切开并重新缠绕到工厂使用的几种宽度之一。新的预浸料辊包括一系列 UD 标志，这些标志以各种角度定向，以满足特定长桁和框的特定载荷要求（见表 1.）。

离开 MPM 后，每卷都被送到克利尔菲尔德工厂的一个名为飞机商业卓越中心（ACCE- Aircraft Commercial Center of Excellence）的洁净室，在那里它被装载到五台自动加强件成型机（ASFM- Automated Stiffener Forming Machines）中的一台上——ASFM-L0401、ASFM-L10402、ASFM-L 0501、ASFM-R0201 和 ASFM-R0202。标有“-L”的机器用于制造线性零件，如长桁。标有“-R”的机器是制造框的径向机器。凭借这第二项内部技术，ATK 实现了长桁和框的全自动化制造。ASFM 操作原理相对简单，但机器速度快：用于截面 C、Z、I 型梁或帽形截面的凸模在一系列固定位置的压头下通过，压头将 MPM 材料推到工具表面，使其符合长桁模具呈现的各种形状、角度和尺寸。ASFM-L0401 和 ASFM-L10402各有四个压头，用于进行擦洗、侧面、半径和凸缘压实操作（见图）。

Milenski 说：“ASFM-L 称之为俯仰、滚转和偏航。”他指的是 ASFM 必须适应的无数工具类型。

“每种工具都有自己的俯冲、扭曲或弯曲，ASFM 必 须能够为每种工具放下材料。”ASFM 不仅可以精确 地放下预浸料坯，还可以制作 66 层厚的层压板，而且速度是手动工艺的 10 倍。此外，Milenski 说，ASFM 处理不需要中间的压实。平均而言，长度达 18m 的长桁可以在大约 2 小时内层压、成型、装袋并准备固化。

尽管长桁存在着令人生畏的变化，但 Milenski 表示，ASFM 工艺最复杂的方面是模具制造和管理。A350-900 上的 698 个长桁和框中的每一个都需要一个独特的殷钢（Invar）模具。Milenski 指出，每种工具都有一个碳纤维压板，大多数模具都是欧米茄形状的。每个模具都贴有射频识别（RFID-radio frequency identification）标签，用于识别工具在工作站中的位置。

未来，RFID 标签将集成到层压过程中，以识别零件，并向 ASFM 发出预浸料应在何处以及如何应用的信号。

Milenski 指出：“这些模具对我们和我们的客户来说都非常重要。”。数百个工具水平存放在 ASFM 制造室外的高货架上。将长桁定位在机架上，移动长桁，将其加载到 ASFM 中，然后返回到其机架，这本身就是克利尔菲尔德的全职工作。“妥善管理和维护它们是我们工作的重要组成部分。”

每次铺层后，都会自动从 ASFM 压实头下方推出一个模具。铺层床的末端是 Virtek Vision International股份有限公司（加拿大安大略省滑铁卢市）激光投影系统，用于验证铺层的正确放置和检查异物损坏（FOD-foreign  object  damage）。通过此测试的叠层被装袋并准备进行热压罐固化。装袋后，零件通过洁净室墙上的切口到达固化暂存区。

到目前为止，模具操作主要是通过叉车和机器人完成的，但将模具放入热压罐是一个手动过程，然而 ATK 通过一点创造性思维简化了操作。将袋装模具装载到工具转移车上，该工具转移车宽约 500mm，高约 900mm。这种推车上的金属模具通常可以通过起重机、拖船或叉车移动，但在 ATK，它是在一个大地板上进行的，从 ASFM 洁净室到热压罐，每隔一段时间就用小滚珠嵌入（见图）。根据需要，由一两名 ATK员工推动的转移车可以轻松地在滚球上移动，以便快速运送到热压罐中。

ATK 有三台热压罐，均由 ASC 工艺系统公司（美国加利福尼亚州巴伦西亚）提供。其中两个长 18.3米，第三个长 26 米。预计很快还会有三台热压罐，用于 A350-1000 的长桁和框制造。米伦斯基说，每个热压罐可以容纳 40-45 个长桁模具。

ATK 的框制造原理与驱动长桁制造的原理相似，但框的弯曲 z 形引入了一些新的复杂性。ATK 的 ASF框制作机也在自己开发，名为 ASFM-R，围绕着一个水平放置在车间地板上的圆环形钢转盘定向。桌子上方是一个蓝色的大龙门架，上面有可互换的预浸带铺设头和一个成型站。Kuka Robotics Corp.（美国密歇根州谢尔比镇）的机器人在 ATK 龙门架上交换铺放头。一个带有 RFID 标签的框架模具固定在工作台上，然后工作台旋转到预浸带铺设站，在那里由 ATK 龙门架放置赫氏（Hexcel）的碳纤维预浸胶带。机器人从装载到龙门架上的几个进给头中选择预浸带，根据工具类型应用不同宽度和方向的预浸带。铺设完成后，工作台转到成型站，在那里压实预浸带。

Milenski 说，对于一些框架，0°帘布层在切割台上单独预成型，然后在自动预浸带放置开始之前手动放置在工具中。环形预浸碳纤维铺层被 ATK 公司称为“彩虹”，是使用 Electroimpact 股份有限公司（美国华盛顿州穆基尔特奥）自动纤维放置（AFP）机器形成的，该机器配备了一个头部，可以同时放置多达 16根 6.4 毫米宽的丝束。Milenski 说，AFP“放置彩虹，然后用超声波刀在彩虹周围切割边界。”同样由 Electroimpact 制造的真空台采用分区真空系统，在铺放时将彩虹固定到位。每个彩虹预制件只有一层厚；每个框架需要 12 到 36 个 0°层预制件。

所有长桁和框的无损检测（NDI）是在 ATK 设计和建造的相控阵系统上进行的。该公司还使用专有的线性 NDI 系统。

 高性能AFP

随着参观的进行，很明显，MPM 和 ASFM 只是 ATK 成功背后一系列令人印象深刻的技术改造中的最新一款。ATK 在 Clearfield 最活跃的制造流程专注于自动化纤维铺设（AFP），仅次于长桁和框的制造工作。这也就不足为奇了：ATK 在 1982 年开发了第一个AFP 流程，此后一直在对其进行微调。

作为 AFP 的先驱，ATK 维护着几台内部开发的AFP 机器。在克利尔菲尔德，其七台 AFP 机器中有四台是 ATK 制造的，另外两台由 Fives Cincinnati（美国肯塔基州希伯伦）制造，另外一台由 Electroimpact 提供（见表 2）。后者，如前所述，用于制作机身框的拱形堆叠。在美国所有地区，ATK 运营着 15 台 AFP 机器，其中五台是内部制造的，一台来自 Electroimpact，另外九台来自 Fives Cincinnati。

克利尔菲尔德制造的最大 AFP 零件是 F-35 闪电 II的碳纤维/BMI 机翼蒙皮。自动铺丝机（FPM）2，也就是它的名字，用于这项工作，其特点是一个 27216公斤的多工位心轴和一个 32 牵引头，有七个运动轴。“多”名称说明了机翼蒙皮完全放置后会发生什么：芯轴自动在远离机头的水平轴上旋转，由 Virtek 激光投影系统进行扫描，该系统验证尺寸、纤维方向和帘布层边界的准确性，并检查间隙和 FOD。

Milenski 说，由氰特（Cytec Aerospace Materials 美国亚利桑那州坦佩市）提供的 BMI 由于其低粘性而对纤维位置特别具有挑战性：“在我看来，F-35 短舱是我所知道的纤维位置最难的部件之一。”尽管如此， ATK 在这方面已经做得很好了，指向正在接受激光检查的蒙皮。“我无法重申这有多难。”

Milenski 指出，造成这种困难的一个原因是原始设备制造商对蒙皮厚度的严格要求。Milenski 说，这需要频繁测量工具和层压板，以及车间里有“经过培训以验证质量”的操作员。理想情况下，在厚度公差范围内，从热压罐中取出一层表皮，但如果没有，ATK 必须堆积或机加工掉材料。

在《复合材料世界》的参观期间，ATK 正在完成一台名为 FPM 5 的新型 Fives VIPER AFP 机器的购买，该机器将与另一台 VIPER 协同生产 F-35 机翼蒙皮。新的 VIPER 具有一个操作员平台，该平台配备了一个碳纤维筒子架组，为放置头提供进给。整个平台和操作员一起，在模具上工作时与放置头一起“骑行”。Milenski 表示，该机器的铺放速度为 35.6 米/分钟，他将其描述为“对 BMI 来说是一件大事”。

Milenski 说，ATK 与 Fives 的关系是密切合作的关系。事实上，ATK 是第一个使用 Fives 的可停靠龙门系统（DGS-Dockable Gantry System）的公司，该系统将 ATL 和 AFP 结合在一台机器中。基于龙门架的单元的 ATL 头处理大型、非复杂的表面，然后在同一个模具上，机器的控制系统可以自动切换到 AFP 头，用于狭窄、更复杂和/或高度轮廓的表面。头到头的转换不到 2 分钟。因此，期望该系统优化材料铺放速率并增加制造灵活性。

 回到未来

尽管 ATK 已经将其纤维铺设、预浸带铺设和自动化专业知识提高到了速度和精度的新高，但 ATK 继续在研发方面进行大量投资，不会让过去决定未来。引人注目的是其自动翼梁成形（ASF-Automated Spar Forming）技术，该技术将与当今用于制造翼梁的ATL、AFP 和热隔膜成形技术竞争。ASF 将碳纤维预浸带从位于工具上方的四个直列辊中的一个分配到内翼梁工具中。铺设预浸带时，一系列滚筒经过工具表面，进行压实和除泥操作，处理水平和垂直工具表 面。该系统可以适应整个翼梁的厚度变化，并通过帘布层下降自动进行锥形折弯。ATK 表示，其优点是降低了操作风险、良好的纤维排列、一致且紧密的半 径、低空隙率、消除了中间减尘、增加了设计灵活性和降低了材料的购买比。ATK 制造的翼梁演示器显示了该系统满足各种法兰角度、半径、厚度和纤维角度的能力（见表 3）。

ATK 还通过其超声波预浸带层压（UTL-Ultrasonic Tape  Lamination）系统追求热压罐外（OOA）固化技术，该系统的特点是热固性或热塑性预浸胶带的 ATL 放置（前者在预浸带头处通过超声波原位固化）。ATK 已经用来自多家美国供应商的预浸料演示了该工艺，包括来自 Hexcel 的 Cytec 的 Cycom 977-2、HexPly 8552 和 HexPli M21E，以及来自一家未经确认的供应商的 PEEK。最近用 Cycom 977-2 环氧树脂制成的低温罐的树脂体积为 36.8%（相对于热压罐的 37.2%），纤维体积为 62.76%（相对于 62.8%），空隙体积为 0.425%（相对于 0.006%）。

ATK 也即将推出其下一代备料机 MPM2。ATK 与 MTorres（西班牙潘普洛纳）合作开发了这台新机器。MPM2 将提供两种新的选择：生产 1.5 米宽的材料；以及锥形标志宽度，以优化材料使用，特别是在翼梁制造应用中（参见 MPM1 和 MPM2 标志比较）。

ATK 已经丰富的技术历史和未来承诺，该公司将继续处于复合材料发展的前沿。在寻求自动化和简化制造工艺的新方法时，复合材料行业——尤其是其航空复合材料部门——将继续寻找像 ATK 一样寻求在工艺集成和生产率质量控制方面日益成熟的领导者，这是该行业所见过的。Milenski 总结道：“ATK 认为，继续开发新的、大批量的自动化复合材料制造工艺是扩大复合材料在航空航天结构中的使用，同时保持美国高科技工作岗位的关键。”

END

注：原文见《Plant tour: ATK Aerospace Structures, Clearfield, Utah, U.S.》2015.1.6

杨超凡 2023.11.1

本文经译者同意发布