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用于飞机修补的复合材料
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复合材料补片对金属结构而言,已成为越来越具有吸引力的选择,在机身修补上达到新的水平。

增强塑料补片具有显著的优势。由于耐腐蚀,并且避免了由于铆接或其它机械连接,在胶接处使应力集中而出现破裂。增强塑料补片可应用于金属结构或复合材料结构——无论“三明治”式还是整片式。飞机MRO(维护、维修和大修)从业人员了解到,甚至复合材料用量达到50%的最新客机的高压机身,比如在役的波音787 梦幻客机,都可以用它成功地修补。

但是复合材料补片需要更高的技术含量,以加快该领域的修补进程。航空公司和其他运营商不希望飞机由于修补一直停留在地面上,而希望尽可能减小停航时间。显然,虽然二级结构,如整流罩,采用人工湿法铺层工艺可以接受,但在这一级采用复合材料却不可行,预固化复合材料补片已经开始应用。即使令人头疼的固化时间妨碍了这种技术的应用。直到快速固化,快速修补技术的出现,复合材料补片修补却仍可能落后于金属。广泛应用复合材料的飞机,如波音787 和空客A350 客机和垂直降落的F-35 轻型II 战斗机的问世,使得如何解决这一问题变得更加紧迫。

纳米技术方法

复合材料补片技术已成为许多全球研究的热点。在欧洲,得益于欧盟财政激励措施,企业或学术合作一马当先。在过去的十年中,许多协会已经解决了不同方面的问题:

◆补片式修补飞机复合材料结构和金属结构;
◆便携式激光处理复合材料修补表面;
◆修补补片的电阻加热和感应加热;
◆最优固化;
◆大型复合材料修补的高温固化;
◆无损检测(NDE)。

激光表面处理

对于补片和修补部位之间牢固的胶接而言,至关重要的是基板部分的有效处理。PLASER 研发项目的主题是采用便携式激光处理表面,是航空计划的一部分。研究人员展示了这种非接触型预处理方式如何通过部位有效清洗以提高胶接强度,同时避免传统修补需要的长时间高技能的手工研磨,大大加快了处理进程。

对坚硬的碳纤维复合材料进行研磨和铣削加工会导致昂贵刀具的快速磨损,同时磨屑可能会污染纤维,除非自动化操作,必然会有人为错误。激光加工避免了这些隐患,项目合作伙伴汉诺威激光中心(LZH)和GMI 航空公司,采用便携式系统连接到飞机结构。他们推断该系统易于自动化操作,而且随之缩减80% 的修补时间,减少60% 的成本。甚至对于更复杂的修补,证实该系统可以采用高度控制的方式移除复合材料,一次一层,生产出楔形的补片。德国CleanLASER 公司无疑充分认识到这些研究成果,它开发了激光预处理技术,可以胶接碳复合材料,不使用无化学物质或磨料,并且没有废物产生。

英国GKN 航空航天公司和德国SLCR Lasertechnik GmbH 在这方面走得更远,研发了机器人修补单元,作为自动化修补处理的一部分,采用激光逐层去除损坏。合作双方称该单元后来被安置在GKN 航空航天公司威特岛,以更快的速度和更少的成本,完成与现在的手动修补强度相同的持续修补。他们认为,自动化将不可避免地成为复合材料飞机未来养护的关键,使飞机这种昂贵的资产保持在空中收益,而不是地面上经历长时间的维修。

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德国汉诺威激光中心(LZH)正研究使用层层去除碳纤维增强塑料(CFRP)结构的激光处理。
(图片由LZH 提供)。

波音公司和空中客车公司解决方案

在航空计划中考虑研发项目,勿庸置疑,主流飞机制造商都一直在研制适合自己的补片修补方案。

尽管已经有铝材质或者钛材质,但现在越来越倾向于复合材料补片,因为采用胶接修补,而不是螺栓连接,因而更具修补优势。波音民用飞机集团和空中客车公司试图着手解决“停机坪事件”——由于服务车辆和设备碰撞飞机造成的一般损坏,特别是机身的损坏。一般说来,在常见的铝材质飞机,这些“板材的弯折”采用螺栓的金属补片固定。尽管已经有铝材质或者钛材质,但现在越来越倾向于复合材料补片,因为其采用胶接修补,而不是螺栓连接,因而更具修补优势。

对于新型复合材料机身的客机,建议使用可以在相似材料之间形成更有效的胶接的复合材料补片。波音公司研制了B787梦幻客机,第一架投入使用的复合材料机身客机,快速固化补片修补。波音公司指出这个专利系统包含预固化的碳纤维/ 环氧树脂补片,当用化学加热包给它加热时,能够“在一个小时内”完成一个一般修补。因为它在相对较低温度下利用胶粘剂进行固化,因此修补是暂时性的,能够保持充足的强度,使飞机能够无故障飞行,随后再进行永久性的修复。许多快速固化修补
已用于在役飞机。

空中客车公司试图采用更加自动化的过程进行补片修补,正在研制一款小型移动系统,能够为特定修补部位切割预固化复合材料补片的形状。它的自动化系统首先使用立体照相机采集损坏区域的3D 表面数据,然后通过超声测试该区域来确定损坏程度。接下来,使用机器人铣削去除损坏材料。修补的补片使用3D 扫描铣削修补区域来生产,然后使用薄膜胶粘剂用于机身。装入真空装后,在加热和压力下修补固化。

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航空计划概述

在欧盟和欧盟以外,许多国家如今的经济形势迫使客机和货机的运营远远超出原来的设计寿命,随之而来,许多航空公司更换旧飞机的成本与其长期投资不成比例。大多数飞机是由铝合金制造,占其结构很大的比例,尽管使用复合材料的使用比例在增加,但相对有限。虽然修补技术在制造商最初对飞机的寿命设计时已经确定,但是还是很好理解,为了恢复结构完整性或者强化易损区域,通过简单且低成本的修补工艺来减少操作成本,显著延长飞机的经济寿命,同时保证适航性和相应的飞行安全,不管对金属结构,还是对复合材料结构的创新修补方案的需求在日益增加。

在过去的十年里,欧盟资助基于复合材料飞机修补方案的研究项目,以更快和更经济的方式,通过创新要素的发展,进行更安全和更高效修复。这些创新已成为许多上游研究项目主要或次要目标,它们结合并应用于实际的航空飞机复合材料修理是必要的,同时为了能使由欧盟基金推进的结果发挥最大化的影响,对航空业主力进行有组织性和系统性的推广。

修补时,延伸层合板的深度,灌注预成形坯更像插头,而不是补片。无论补片还是插头都要成楔形,可以精确匹配修补部位的边缘轮廓。这样可以确保冲洗完成后,最终修复的斜接几乎看不到。这样的修补方式比叠加式补丁更完整,强度更高,而且视觉上更完美。

在欧洲外,正在研制其它自动化修复单元,其中有奥地利机床制造商GFM公司的分公司美国GFM 公司,其领导的协会,正在美国进行研发。该系统和其它系统的支持者们认为,尤其是当空中飞机数量大增时,自动化修补技术对于复合材料飞机盈利经营是必不可少的。自动化单元应减少劳务成本和人为错误,以及关键性的MRO度量,修补时间。

最大的补片

显然,迄今为止用于修补主要飞机结构的最大的复合材料补片,是波音公司为埃塞俄比亚航空公司的B787生产的,该飞机2013 年7 月在伦敦希思罗国际机场停放时发生火灾,机上没有乘客。这场火灾由应急定位发射机故障引起的,烧坏了整个碳纤维/环氧树脂机身顶端相当大的面积。报告描述了如何修补该飞机,波音公司在工厂获取的整个机尾整流罩,切割其顶端25 英尺长,与烧毁飞机受损部位相应的部分,作为修补补片。然后将这个大型补片,包括附加框架和共同模制纵梁部分,运往希思罗国际机场,在那里,将补片放入移去客机受损的复合材料后的孔内。周围的小缝隙用密封胶填充。

接下来,在机身内部,技术人员将拼接板粘贴到内表面,覆盖每侧的接合边缘几英寸。经真空袋修补后,技术人员在受损部位用加热毯加热、加压,认真监测,使用Heatcon 控制器控制固化过程。一些连接和优质的纵梁和框架也是必须的。机械紧固件作为补充胶接。

无论是在地面上使用超声波无损检测,还是飞行测试期间,在空中监测应变和使用其他传感器,经固化的修复须经过仔细地评估。通过测试结果,波音公司宣称修补的机身效果和原来一样好。时间会证实,在恶劣条件下修复的高空飞行客机,历经多年极端环境而一直运转,并且保持完整性是否合理。

与此同时,波音公司从用于这次规模宏大的修补的超大型预固化修补补片的开发和应用中获得了宝贵经验。工程师当然知道他们成功地开创了结构维修手册范围外的先河。

复合材料补片修补机身已具有了一些方法。飞机制造商和运营商,MRO 专家和研究机构将尽其所能,确保广泛的复合材料飞机进一步发展的经济上的成功。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/5/2015)
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