热塑性复合材料（TPC）被应用于大型的飞机结构中，以提供快速制造，满足未来窄体和先进空中机动（AAM）平台预期的更高生产率。TPC结构还可以实现焊接组件，消除紧固件，从而进一步减少生产时间、成本和重量。最近，一级飞机结构供应商Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托）讲述到：“在较大的部件中使用热塑性塑料，如纵梁、框架、舱壁和机身蒙皮板，可能会非常有益。我们的目标是在可以实现自动化高速制造的应用中使用热塑性复合材料...在非常短的循环时间内反复熔化、成型和固化材料。”
但是，使用中的飞机会损坏，这种损坏需要维修。热固性复合材料的修复技术已经发展得很好，包括使用粘合复合材料修复补丁恢复甚至主要结构的常用方法。尽管TPC结构自1990年代以来一直在飞行，但类似的修复技术仍在开发中。
演示焊接热塑性复合材料（TPC）修复
HyPatchRepair项目（2019-2022）由德国政府资助，作为LuFo-V3航空航天研究计划的一部分，旨在展示连续纤维增强TPC部件的无铆钉修复技术。目标是一套自动化修复技术，在不增加机身蒙皮、机翼、小翼和尾翼部件（包括方向舵）等部件重量的情况下，恢复原始承载能力、几何形状和空气动力学表面。这些技术将准备修复区域，制造负载优化的修复补丁，然后使用经过验证且具有成本效益的技术将补丁集成到维修区域。
1 自动化修复流程链 德国HyPatchRepair联盟由不来梅Faserinstitut Bremen（FIBRE）和Laser Zentrum Hannover（LZH，汉诺威）引领。该项目包括空中客车运营公司、飞机维修服务提供商汉莎技术公司（汉堡）、小型飞机制造商Silence Aircraft（Schloß Holte Stukenbrock）和光学测量系统供应商Vereinigte Elektronikwerkstätten（VEW，不来梅）作为相关合作伙伴。由于其在大型TPC结构方面的专业知识，GKN Fokker（荷兰Hoogeveen）提供了缺陷/损坏案例，并帮助定义了演示者。
该联盟构想的流程链包括： 检测损坏：光学测量系统检查要修复的部件，并确定需要移除的材料的区域和深度，如果可能的话，将其最小化。VEW在其设施中使用光学测量系统演示了这一步骤。 铣削修复区域：使用DMG MORI（德国比勒费尔德）五轴超声波MOBILEBLOCK机器人去除损坏的材料，提供一致的质量、尺寸精度和可重复性。为了用精确的修复补丁替换拆下的层，将修复区域加工成步骤。FIBRE使用DMG MORI机器人演示了这一过程，而LZH则使用激光进行了探索。 测量修复区域：必须精确测量阶梯式修复区域，以制造精确匹配的修复补丁。LZH使用Wenglor（德国Tettnang）MLWL 232激光轮廓扫描仪演示了这一步骤。LabVIEW软件（美国德克萨斯州奥斯斯金仪器公司）用于将数据转换为所需的补丁尺寸。 制造修复贴片：修复贴片预制棒使用定制的纤维放置（TFP）和连续纤维3D打印制造，然后进行整合。FIBRE展示了使用加热压力机和专门设计的工具制造TPC预制件和固结。 修剪补丁：在固结后测量斑块，并与阶梯修复表面进行比较。所需的修整是使用激光完成的，由LZH演示。 焊片：使用激光束焊接将贴片熔合到修复区域。LZH演示了这种方法的工作原理，而FIBRE则展示了在加热压力机中压力焊接的概念。 请注意，HyPatchRepair的目标是证明该工艺链的可行性，并完成参数测试，以了解和选择最佳工艺选项。研究的材料包括碳纤维（CF）增强聚酰胺6（PA6）和聚苯硫醚（PPS）。后续项目ThermoRep3D（2022-2025）将进一步开发这些工艺步骤，包括制造和焊接/熔合弯曲补丁到弯曲修复区域，以及使用碳纤维增强低熔点聚芳醚酮（LM-PAEK）胶带材料。
2 适用于HyPatchRepair的机器人方法 10年前，在汉莎技术公司和空中客车公司领导的复合材料适应性检测和维修（CAIRE）项目（2012-1015）中，热固性复合材料探索了使用机器人进行粘合贴片修复。CAIRE开发的机器人和上面的DMG MORI机器人在CW的2016年文章“飞机复合材料维修走向成熟”中进行了讨论。美国GFM（美国弗吉尼亚州切萨皮克）已经开发出类似的机器人方法（参见“迈向便携式数字化复合材料零件维修”）。HyPatchRepair的任务是如何使这一过程适应TPC零件。 适配机器人用于在的垂直鳍片（顶部）上进行测试，经过修改后， 在FIBRE（底部）的临时胶合板单元内的平板上进行铣削和扫描。
DMG MORI机器人以前位于空中客车公司的复合材料技术中心（CTC，Stade，德国），FIBRE的HyPatchRepair项目经理Markus Geiger指出：“我们把它带到了FIBRE的ECOMAT中心，毗邻不来梅的空中客车运营，然后对其进行了修改，机器人被设计成连接到飞机的机身上。但是，由于HyPatchRepair的试验将在平板上进行，因此FIBRE创建了一种研发单元，机器人可以在其中执行扫描以及真空除尘铣削。这两种操作都可以使用配备铣刀和激光线扫描仪的单端执行器。”
3 铣削和修补演示 为了演示TPC贴片修复，HyPatchRepair选择了一个100×100平方mm的贴片，有三个20mm宽的步进。必须制造演示面板，然后铣削以匹配这些步骤。在实际维修中，目标是恢复层压板，以便更换所有去除的材料，与每层的纤维取向相匹配。因此，DMG MORI机器人被编程为在演示面板上铣削一个三级区域。旋转末端执行器，然后机器人扫描铣削区域以确保准确性。铣削和扫描时间总计为30分钟。 下一步是制造修复补丁。由于HyPatchRepair专注于TPC修复，该项目偏离了过去基于预浸料的工艺，转而尝试TFP和3D打印。这两种工艺都可以产生具有定制几何形状和纤维取向的修复贴片。TFP使用工业缝合机将混合的热塑性和增强纤维粘在基质兼容薄膜上。正如关于自动预成型的专题的第2017部分所述，FIBRE与TFP有着悠久的合作历史，包括生产负载优化的TPC预制件，然后将其快速压缩成型或热成型成零件。对于每次试验，演示面板和维修补丁都使用相同的材料和工艺制成。 机器人铣床步入演示面板。激光轮廓扫描仪也连接到 末端执行器，将扫描加工表面以确保精度 在维修区域加工的三个20mm宽的台阶已准备好进行扫描 使用CF/PPS光纤的定制光纤放置（TFP）可产生100mm、60mm 和20mm宽的步进，作为单个100×100mm修复补丁
TFP试验使用了双针头ZSK粘性机械（ZSK，克雷费尔德，德国）机器和与PA6或PPS混合的CF纱线。层堆叠顺序为0°/90°/0°/90°/0°/90°。为了固结，将每个贴片放入两件式钢制工具组中，并在加热压力机中热成型。CF/PPS贴片的典型压力循环包括升温至280°C（10分钟），在280°C下以12bar的压力停留30分钟，然后在保持该压力的同时冷却（10分钟）。固结后的层厚度为0.25至0.30mm。对于CF/PA6贴片，升温6或8分钟至240°C，然后在10°C下停留240分钟，冷却时间为8至15分钟。压力从斜坡期间的5bar步进到停留期间的10bar，以及冷却期间的20bar。 TPC贴片全要素生产率ZSK双头缝合机（左）使用12K碳纤维/PPS 混纺纱和更高熔体温度的PEEK缝纫线生产TFP贴片
3D打印的补丁是使用Markforged（美国马萨诸塞州沃特敦）生产的。CTC Stade的Mark Two机器和连续碳纤维长丝与尼龙（PA）长丝相结合。层堆叠顺序为每步0°/90°/90°/0°。3D打印后的层厚为0.10至0.125mm。Geiger说：“我们曾希望使用连续纤维长丝，但由于时间和其他因素，这是不可能的。打印的贴片仍然具有明显的孔隙率，在与阶梯式修复区域融合之前需要加固。然而，在项目的这一点上，FIBRE已经决定专注于贴片制造的TFP。”
首次试验结果 Geiger讨论了在贴片制造过程中研究的各种参数和经验教训。例如，TFP补丁使用了两种方法，他说，“一种是所有三个步骤都是一个补丁，另一种是我们对每个步骤使用单个补丁。在后者中，我们从较大的TFP样品中切割了100mm、60mm和20mm宽的台阶。这避免了在TFP过程中在贴片边缘产生的纤维转弯[参见顶部打开图像中贴片边缘的环]。这些转弯往往会产生富含基质的区域，但他指出，从较大的面板上切割台阶会产生浪费。 TFP修复补丁在加热压力机中巩固在两件式钢制工具中。
在整合CF/PA6修复补丁期间发现了另一个发现。Geiger说：“在这些补丁中，针迹纱线也是PA6，我们在印刷整合期间注意到缝合开始'游动'，这意味着它产生的区域基质多于纤维。因此，我们随后调整了CF/PPS样品的方法，并使用了具有较高熔点的聚醚醚酮[PEEK]针迹纱线。当我们巩固这些补丁时，没有'游泳'，我们获得了更好的质量。”
4 激光焊接 在HyPatchRepair期间尝试了两种焊接方法：基于激光的热传导焊接和冲压焊接，这将在下面讨论。LZH进行了激光焊接试验。LZH复合材料负责人Verena Wippo解释说：“使用的一般方法，将要修复的修复补丁和演示面板放入焊接夹具中，焊接夹具使用玻璃板将修复补丁压到阶梯式修复区域。激光束穿过玻璃板并产生热量，热量通过修复贴片传导。这种热量熔化了贴片和阶梯修复区域的配合表面的基质。保持压力，当激光通过并且材料冷却时，会产生可靠的焊缝。” 基于激光的热传导焊接
LZH使用东丽先进复合材料（荷兰奈弗达尔）Cetex CF/PPS有机片进行了初步试验，其中10层包括底部3mm厚的演示板，4层用于顶部的1.2mm厚维修试样。中间需要额外的未增强PPS薄膜，以提供足够的基体材料，以确保零件之间的良好连接。这些材料使用LaserlineGmbH（德国米尔海姆-卡利希）LDM300-40二极管激光系统加热，功率为300W，光斑几何形状为11×40mm，波长为940nm。 然后，试验转移到TFP补丁和演示面板。然而，有一些最初的挑战，Geiger指出：“例如，我们的补丁由三个步骤组成，每个步骤深度为0.6mm，总厚度为1.8mm。但激光只能焊接1.6mm的厚度。因此，LZH不得不将焊接过程分成三个加热步骤，分别焊接三个贴片层中的每一个。” 这是通过实施使用高温计测量表面温度的控制系统来解决的。Geiger说：“在几次测试中，LZH测量了表面温度以及使用的激光功率和照射时间，并将其与产生的焊缝分析进行了比较。利用这些结果，LZH能够根据高温计测量值调整焊接参数。最后，实现了每层工序的多级焊接和整个贴片的一次性焊接。” 后者用于最后的演示器，如下所述。LZH一次通过同时照射整个修复补丁区域，由自动控制系统管理。该系统使用高温计测量的表面温度信号，并使用PID（比例-积分-微分）控制器进行处理，然后管理激光功率以保持指定的焊接温度。 另一项发展是用演示器面板中铣削维修步骤产生的废料替换PPS薄膜。Geiger解释道“我们用这些废料制作了一个小箔，作为第一层装订层铺设到阶梯式修复区域，这层之后是补丁。这就是LZH所做的，因为他们需要更多的基质来使用激光工艺焊接贴片。这种再利用的废物实际上比纯基质箔表现更好，因为它含有一些碳纤维。” TFP修复贴片使用二极管激光系统和焊接夹具激光焊接到演示面板上。 完成的修复显示出整体良好的质量，没有大的空隙， 修复的每一步都连接到其匹配的基材 TFP修复补丁被压焊到演示板上：（a）冲压焊接工具中的阶梯面板;（b）与阶梯式面板相匹配的修复补丁;（c）工具关闭; （d）打开工具以显示焊接修复的面板
5 冲压焊接，最终演示器 FIBRE选择压焊作为测试材料，工艺参数和要求的方法，以实现修复补丁和阶梯修复区域之间的良好焊接。这种方法是在最终演示面板试验期间开发的，用于生产30多次压焊演示器维修。 演示机中的修复补丁尺寸和几何形状与最初的试验保持不变，而面板尺寸约为160×160毫米，为拉伸和三点弯曲测试提供维修后试样。TFP被选为首选工艺，因为工艺简单，开发过程中效果良好，内部设备的可用性。最后使用的材料是高士（英国布里斯托尔）。Synergex 12K CF/PPS混合纱线部分缝合在PPS薄膜Rayotec S 080 PPS薄膜（东丽先进复合材料）上，采用PEEK针迹纱线。 为了在冲压焊接过程中将热量和压力限制在修复补丁上，将额外的 分体式压力机与贴片整合的两件式工具结合使用（上图）。修复贴片 外边缘的横截面显微照片显示了焊接的贴片层（下图的左上角）。
根据修复补丁巩固过程中的经验教训，FIBRE开发了一种额外的钢制工具，用于冲压焊接。与用于固结的两件式刀具一样，这种“分体式冲压刀具”也由两件组成：底部包含绝缘环，顶部经过加工以适合。绝缘环仅将热量隔离到修复补丁，而不隔离周围区域。 分体式压力机工具位于两件式加固工具的顶部下方，直接位于修复补丁的顶部，作为一种增压器，与单独使用两件式工具相比，最大限度地减少了缺陷和气孔。它还在贴片中保持了足够的基体熔化，以与阶梯面板形成焊接连接。过程温度和压力遵循上面列出的固结温度和压力;处理时间总计为36分钟。
6 部件设计和保护 完成了六次压焊修复和四次激光焊接修复的三点弯曲测试，粘合强度分别为572至655Mpa和594至645Mpa——几乎是80Mpa未损坏参考试样的800%。 激光焊接演示器的拉伸测试显示，在贴片下方使用两层PPS比在一块钢片下使用两层PPS会增加失效载荷。随着拉伸载荷在最长的17秒焊接时间内达到最大≈450千牛顿，这种增加会缩小。用于激光焊接修复的Micro-CT（计算机断层扫描）分析显示没有空隙丰富的区域，并确认所有贴片步骤都连接到其匹配的基材上。 Geiger说，在后续项目中，已经定义了ThermoRep3D，弯曲修复演示器的几何形状和材料。“单曲面和双曲面将被修复。我们还将研究除TFP之外使用胶带材料，并演示使用感应加热垫进行贴片集成。最后一项技术的合作伙伴是msquare GmbH（德国斯图加特），该公司已经开发并申请了使用电磁感应的专利，该真空在可高达400°C的柔性加热毯中 Geiger说：“我们已经证明，这个工艺链可以产生焊接修复，并且在我们对相关技术的理解和使用方面取得了进展，我们仍有大量工作要做，但凭借研究所和合作伙伴的出色团队合作，我们肯定会帮助进一步推进这一过程，更接近商业用途。”
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编译：林尊煦 审核：温 棠 美编：吉晨睿
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原文始发于微信公众号（东华经纬新材料研究院）：热塑性复合材料在飞机结构修复中的应用
