复合材料引领飞机制造业的新时代

　　飞机制造业经过25年的不懈发展，终于跨入了一个新纪元。军用飞机已经完成了从铝材到复合材料的转变，现在，商用飞机制造巨头们也踌躇满志，迎接制造技术的革新。波音公司决定其新款机型787机身采用复合材料，开创商用飞机制造之先河。这一技术变革势必对飞机制造技术、方式及战略带来根本性的转变！
　　铝质飞机在走过了80多年后，开始逐渐淡处人们的视线。自从二十世纪二十年代起，铝材开始代替云杉等材质用于飞机制造，截至到30年代中期，这种转变基本彻底完成（Spruce Goose除外）。飞机制造从技工手工模式向机械化模式转变，但是搭建工序依旧属于劳动密集型。60多年来，铝材成为军用飞机和商用飞机制造的首选材料。
　　现在，铝材的地位开始受到纤维（高强度碳纤维深入到环氧树脂分子粒）的挑战。八十年代末期九十年代初，这种含有碳纤维的复合材料开始显著的代替铝材被用于飞机制造。在军用方面，这种转变从铝结构上的某些复合材料零部件迅速转变到整个飞机，真正的复合材料军事飞机问世。目前，这种转变开始向商用飞机蔓延。
　　旧有的飞机装配形式是将成千上万的铝质部件用各种铆钉连接固定起来，现在则只需完成大型的、预制的复合机身、机翼、机尾等几大部件连接即可。这些结构可以通过自动化的数控复合材料铺带机生产，而不是通过大量的装配工将一件件的小零件手工拼接而成。因此，整个飞机制造过程中所需制造、预订、跟踪、处理、储备等所有的零件数呈几何级数下降。在性能方面，复合材料使得飞机更轻、操作效率更高、抗疲劳性更强。这种转变为那些迅速采纳复合材料及有能力提供复合材料加工的厂商均提供了极佳的机会。
　　随着Premier及Hawker使用铝质机翼，波音公司决定实现跨越式转变，波音787使用复合材料以降低飞机重量、提高燃油效率。这种可乘坐200~250人的飞机将成为“首个主体基本结构采用先进的复合材料制造的商用飞机，包括机翼、机身”。复合材料结构可以显著的减少零部件数量、降低20%的飞机重量——Walt Gillette（Boeing vice  president of  Engineering, Manufacturing and Partner Alignment）
　　其他最近的商用飞机复合材料用量基本未10-25%，而波音飞机的用量将达到50%。空客A380复材用量达23%，主要用于机尾及机身上其他不受力的部位。这种锥体结构——4770mm长，两端直径分别为2550mm、400mm——由Cincinnati VIPER ® 3000缠绕系统生产。
　　波音公司注意到了全复合材料机身的功能性优势——可以是机窗更大、机舱内的压力变小而提高舱内的湿度等。机身部分近6米宽，可以使乘客获得最高级的舒适度。这个机身将由波音公司的合作伙伴通过MAG VIPER®缠绕系统生产。

　　MAG VIPER®缠绕系统
　　Automated Lay-Up自动铺带机 

 
　　早期的复合材料飞机零部件均有手工铺设，使得飞机制造成为了缓慢的、多变的体力劳动，给航空业的发展蒙上了阴影。很显然，飞机制造业急需自动化系统来增大产量，加强制造过程的可控制性，减少浪费，降低成本。
　　机身部分及其他全曲面结构可以由缠绕系统完成。那些弯曲度较小的伙食平面结构，例如机翼板、副翼、垂尾及平尾蒙皮等，均可由自动铺带机完成。
　　该自动铺带机可以将众多的碳纤维精确的铺设到旋转的或静止的模型上，精度可达±1.27mm。这种机床可以实现32条碳纤维独立的被分配、压实、装夹、切割、再成型，形成无褶皱的曲线、曲面或混合曲平面。这种控制可以实现碳纤维在保证最佳角度的情况下交错铺设，层层铺设，以使得零件的强度、硬度最大化，在保证重量最小化的同时获得不同壁厚的零件。通过程序设计的开/关/切割工序可以生产各种开启装置（窗户、门、舱口等），还可生产网状结构的精边。这种方式可以优化结构集成度、降低35%的材料的浪费、减少后续加工需求及手工操作。
　　专门为复合材料加工设计的先进的控制及软件，使得多轴运动的编程及控制非常简易，很方便的生产出复杂的造型。被授权的软件可以将解析CAD工具及零部件信息到多轴指令中。这样就可以达到将复合材料应用到曲面所需的路径及刀具转向，同时保证一个符合平面的混合型滚筒。通过一个3D模拟块确保零件程序的整体性、实现自动防撞后处理监测及校对功能。
　　对于简单的曲面及平面零件，可以选用曲面铺带机（CTL）和平面铺带机（FTL）。MAG高/低导轨式自动铺带机，可以分层次在平面、曲面轮廓表面进行为3、6以及12英寸带料的铺覆加工。该设备由PC机控制，X轴方向每3.6米处X轴行程可增长12˝，以增加X轴方向运动的柔性，龙门宽度可调，标准机型为200英寸。10个轴，其中五个至于龙门上，五个至于头部，Z轴节拍可根据实际应用进行适当的调整，A轴位于带料头部，可实现曲面零件的铺覆，横梁导轨高度根据实际需要设定。

　　MAG 低轨式自动铺带机

　　MAG高/低导轨式自动铺带机主要包括两种类型：4轴平面铺带机（FTL）及5轴曲面铺带机（CTL）。平面铺带机可用于对平面、厚度可变的6˝及12˝带料铺覆加工，用户主要为欧美飞机制造商。曲面铺带机可实现全曲面或局部曲面零件的铺覆加工，该机型有两种形式，其中一种可实现尺寸分别为3˝及6˝带料的同时铺覆，另一种可实现尺寸为6˝及12˝带料的同时铺覆。用户遍布于美国、欧洲各国、日本、印尼等国家及地区。作为航空领域的排头兵波音公司，已经购置MAG自动铺带机逾20台，主要用于军事飞机、商用飞机的生产，其中1992年波音公司采用MAG自动铺带机生产波音777垂尾和平尾蒙皮。空客公司利用平面及曲面自动铺带机生产A330/A340尾翼蒙皮，蒙皮长9米，宽2米，重200Kg。Nashville航空结构公司利用自动铺带机生产空客A330/A340机翼外副翼，降低了70%人工时间。
　　上述多轴自动化装备正在通过飞机制造业的自动化改变着全球航空业的未来！

（Mark Logan, MAG Americas）

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