迈凯伦公司于2018年开设了复合材料技术中心，其工作重点是为公司高性能车辆开发能以更高速率制造复合材料的技术。这里所指的“更高速率”意味着每年生产出几千个合格的大型零部件。
实际上在汽车领域，几千个零部件的年产量并不是严格意义上的“高速率”，但具体到复合材料零部件就是非常显著的“高速率”。迈凯伦公司内部一直认为，对于生产速率和利用复合材料构建复杂集成部件的方式而言，公司的业务模式更接近航空航天业而不是主流汽车工业。GKN航宇公司和迈凯伦公司开始探索，如何更好的利用双方都明确需要的复合材料制造技术。在汽车工业高速率生产制造能力和航空航天领域超高质量要求之间，应该存在一个平衡点，使得双方互利共赢。
基于上述讨论，ASCEND（航空航天与汽车供应链联合发展）计划于2021年初正式启动。这项斥资4000万英镑、为期4年的计划由GKN航宇公司位于英国布里斯托尔的全球技术中心（GTC）牵头，由英国Axillium研究公司组织和管理。英国政府通过“创新英国”（Innovate UK）和英国航空航天技术研究所（ATI）向该项目提供了部分财政支持。
除了GKN航宇公司、迈凯伦汽车公司和Axillium研究公司，ASCEND计划还包括其他13个跨供应链的英国项目合作伙伴：Assyst Bullmer软件公司、英国Cygnet Texkimp公司、Far-UK公司、赫氏复合材料公司（Hexcel）、Hive复合材料公司、LMAT公司、Loop科技公司、英国国家复合材料中心（NCC）、Rafinex公司、Sigmatex公司、索尔维复合材料公司（Solvay）、Airborne公司和Des复合材料公司。
ASCEND计划的领导者将其称为跨领域技术和供应链开发计划，旨在将航空航天工业和汽车工业紧密的结合起来。具体的，对于商用单通道飞机来说，ASCEND计划的目标是满足每月100架复合材料密集型飞机的生产速度；对于城市空中交通（UAM）市场来说，速率可能要高得多。
Axillium研究公司董事长Will Searle表示，该计划的主要内容不仅是开发演示验证件，而且是为航空航天与汽车行业创造跨领域和集成供应链的解决方案，使产品的制造速度更快。当前面临的最大挑战、也是实现技术突破的核心问题是，如何将现有生产率提高1倍，并通过这种方式实现新零部件的快速生产和跨行业共用。
01
计划包含五大主题：
从设计到检验
ASCEND计划包括五个主题：
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轻量化设计工具 -
未来材料体系 -
自动化高速率 -
电气化、多功能化 -
集成混合结构
这五个主题将通过17项任务解决，这些任务进一步细分为42个单独项目或重点研究内容。该计划从2021年开始到2024年结束，其目标是让尽可能多的工作达到技术成熟度6级（TRL），并在汽车和航空航天市场的原型级别产品中演示验证关键的生产速率目标。
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主题1：轻量化设计工具
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主题2：未来材料体系
通过该项目开发的所有技术，无论是利用热压罐还是使用非热压罐工艺，其最终目标都将是实现更快的循环和固化时间，因此需要创造出能够更快固化的树脂体系。ASCEND计划主要关注热固性树脂体系，而热塑性树脂主要在复合材料储氢罐任务中重点考虑。合作伙伴赫氏复合材料公司、索尔维复合材料公司和Sigmatex公司一直致力于开发快速固化的两部分树脂系统，重点使用干纤维带、预浸料和非卷曲织物（NCF）。
英国国家复合材料中心正在创造可持续复合材料的回收价值。随着零部件产量增加，生产效率提高，资源浪费不可避免的持续增加。在ASCEND计划中，增强复合材料的回收价值是NCC领导项目的一个中心目标，以支撑整个计划的可持续性。
关注可持续性。ASCEND计划流程的每一步都不断考虑减少废物和排放。图片来源：GKN航宇公司
随着该计划的继续执行，具有更强抗冲击性和多功能性的材料也将是主题2任务中需要完成的工作。
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主题3：自动化高速率
本项任务中贯穿整项的工作内容是预浸料热成型，RTM与新型干纤维沉积工艺。为了缩短制造周期，自动化和机器人技术正尽可能多的应用到制造过程中，先进的层片切割和嵌套技术也广泛应用以优化预成型工艺，同时进一步减少原材料浪费。
此外，项目中还进一步开发了创新和优化的工具系统，以实现更快速的制造周期循环。迄今为止已经发展了包括3D打印工具、自加热复合材料工具、形状记忆聚合物（SMP）工具等可重复使用的智能工具演示验证技术，以及超声波传感器和其他用于过程监控无损评估（NDE）的集成系统。
英国LMAT公司是该计划的重要合作伙伴，致力于开发具有更高热效率的自动化加热复合材料工具，以及自动/免工具零部件脱模功能，以增强制造过程的可操作性和耐用性。此外，英国Hive复合材料公司正在研究一种新型自加热模具技术，与传统的热固性复合材料固化方法相比，该技术可显著降低能耗。
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主题4：电气化、多功能化
在氢储罐任务中，其主要目标包括考察适用于低温的复合材料全球供应链，同时在英国开发测试能力以在试件级别验证低温性能，并了解纤维缠绕或编织储氢罐的制造能力。
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主题5：集成混合结构
由Hive复合材料公司与Far-UK公司牵头的主题5任务，主要致力于利用粘合或其他连接方式全面代替紧固件。当前目标是使用机器人粘合剂点胶实现键合过程自动化，使用嵌入式加热改进二次键合过程，同时评估表面处理方法。纳米导电粘合剂也正在与联合检测技术共同开发，例如可用于监测粘合层结构完整性的传感器。
02
航空航天演示验证件：
被证明适用于汽车工艺和生产速率
航空航天演示验证件将验证多种工艺：如纤维缠绕制造的氢储罐；RTM工艺制成的翼盒；热成型预浸料后缘、翼肋和翼梁；用纤维带铺放成型的曲面翼梢小翼蒙皮；由RTM非卷曲织物制成的帆片式翼梢小翼等。
工装设计。翼梢小翼演示验证件研发工作的一部分是开发新的RTM制造工具，以实现更快速的自动化制造。自加热和形状记忆聚合物(SMP)工具是其中使用的关键技术之一。图片来源：GKN航宇公司
ASCEND计划翼梢小翼被选为在航空航天零部件中验证该技术的首个部件。翼梢小翼也体现了部分汽车工业的设计理念。迈凯伦公司认为，如果将翼梢小翼确定为汽车结构中的一部分，需要明确如何将它设计出来，如何通过工程方式实现，如何将它制造出来，同时也要深刻理解，如何利用新工艺技术将零部件产距时间缩短至以分钟为单位计算。针对翼梢小翼项目，研究人员最终开发了自加热和形状记忆聚合物工具，进一步实现了降低成本、缩短加工时间。翼梢小翼研发工作的最后一部分任务，将在明年项目结束前完成。截至2023年初，该项目正在完成第一批相关零部件的制造，如热成型翼肋等。
03
汽车演示验证件：
验证航空航天材料应用品种与质量
汽车后地板设计。后地板组件（此处显示了包括连接到车辆底盘其他部分的渲染图）展示了迈凯伦公司创新的预成型和胶带沉积工艺。截至2022年底，第一批结构部件已完成制造并在车辆上进行相关测试。图片来源：迈凯伦汽车
新工艺带来的好处显而易见，包括高生产率，由于减少废料而节省的材料成本，略微提高的结构刚度以及相比铝合金部件显著的结构减重效益。纤维带材料和工艺由迈凯伦公司与ASCEND计划中的合作伙伴共同研发，如Sigmatex公司就在其中发挥了关键作用。
在完成汽车地板演示验证件后，ASCEND计划的下一步将是设计和制造汽车车门演示验证件。该步骤将进一步增加难度和复杂性，其中包括安全和质量要求、负载情况，此外，由于车门结构需要在外表面涂漆，RTM结构表面也将受到进一步考验。
在改用纤维带铺放工艺后会面临新挑战，与GKN航宇公司的紧密合作和其带入的专业技术能力对整个研发过程至关重要。使用纤维带沉积工艺实现预成型与传统方式存在细微差别——缝隙、重叠、延展等方面，纤维带的稳定性与非卷曲织物存在极大不同。使用纤维带预成型方面已经取得了很大发展，但这一切都基于现有的技术。新技术将有能力改变温度、压力、速度等，通过不断磨合最后调配出最适用于纤维带的最佳工艺参数。
航空航天工业是纤维带制造工艺验证方面的专家。只要航空领域使用RTM工艺，就会用到纤维带制造技术，所以航空航天领域对于纤维带在制造基础设施中的表现，以及通过何种流程进行验证，具有充分的经验。这项工作对于汽车工业来说是一个很好的学习机会，可以将汽车行业中使用的方法与其他不同行业进行比较，同时分享制造过程中的经验教训。航空航天工业也处于实时在线工艺检测领域的前沿，这项工作对于汽车行业来说也同样具有重要意义。
04
后续工作：
自动化RTM单元，制造更多原型件
截至2023年初，前两个主题（工具、材料和零部件级设计）的大部分工作已经完成，并且正在生产第一批零部件。迈凯伦公司汽车后地板演示验证件已经完成制造，此外还有包括用于翼梢小翼的翼肋和翼梁。
自动化工作单元。ASCEND计划合作伙伴Airborne公司开发了一种全自动预成型和RTM单元，将于2023年夏季部署在GKN航宇公司位于布里斯托尔的全球技术中心，用于生产该计划中的多个航空航天演示验证件。图片来源：Airborne
中国航空工业发展研究中心 陈济桁
执行主编：胡毅华
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原文始发于微信公众号（民机战略观察）：陈济桁丨ASCEND计划更新：联合设计下一代高速汽车与航空航天复合材料
