碳纤维在商用飞机制造方面有着悠久的历史,但它的首次大规模应用是在波音787上,其中一半的机身采用复合材料。空中客车公司跟随波音公司的领先优势,在A350的大部分机翼和机身上使用复合材料,任何未来的清洁板飞机以及现有车型的升级都将严重依赖碳纤维。

与金属相比,复合材料具有以下几个优点:它们更轻,不会腐蚀,并且具有更好的抗疲劳性。权衡是金属更容易修复,因此MRO提供商需要添加新的工具,技术诀窍和流程,以确保他们能够处理最新的飞机。

“在787和A350发布之前,我们主要为飞机整流罩和其他二级结构的湿式铺设维修提供复合维修服务,”飞机维护和改装执行副总裁Ang Chye Kiat表示。 ST 工程航空航天。“由于787和A350的机身和机翼现在也影响了复合材料,我们已经增强了支持这些平台的能力,不仅可以进行维修,还可以进行改装工作。”

复合材料的检查和修复技术正在迅速发展,但仍然没有像普通航空航天金属(如铝)那样成熟和易于理解。因此,在某些方面,航空公司新材料的性能节省被更高的支持成本所抵消,尽管复合材料的更大耐久性意味着更少的维护事件。

新的复合材料修复技术将大大降低维护成本-复合材料网

汉莎技术公司 Lufthansa Technik在其CAIRE项目下开发了一种移动机器人火焰清理系统。
AAR在过去20年中将其复合材料功能扩大了五倍,其维修和工程服务高级副总裁Brian Sartain预计,随着更多新一代飞机投入服务,市场将进一步增长。Sartain承认复合材料和金属修复需要不同的技能和工具,尽管他不同意碳纤维从MRO的角度来看本质上更难。

“我不相信它必然会变得更加复杂,因为它推动了技能组合的转变以及更换零件的频率更高,”他说。“老式飞机非常耗费人力,采用金属零件制造,部件更换成本非常高。”

除了为传统的金属加工能力增加新的工程能力之外,MRO供应商必须跟上新一代复合材料,特别是碳纤维增强塑料(CFRP)。这比20年前的复合材料更耐用,但也更难以使用,涉及修复工艺,例如双真空减压,其在固化周期之前降低层压板层的孔隙率,从而使CFRP硬化。

“新材料的固化周期更为关键,包括对周围结构的热测量,”Ang说。“这个过程是维修期间更好的热量管理所必需的。。。并且更加耗时。“

较新的复合材料也更昂贵,因为它们需要严格的环境控制并且具有有限的保质期。“材料成本要高得多,存储成本更高,环境控制是新材料必须的 - 早期的复合材料没有这么严格的要求,”Sartain说。

随着新的碳纤维设计被用于飞机的不同部分,库存成本也将逐渐上升,这要求MRO提供商实现存储和维修能力的多样化。“与早期材料相比,目前的复合材料在设计,纤维,树脂和生产工艺方面表现出更多变化 - 这对MRO活动产生了重大影响,”Fokker客户解决方案和技术调整主管Rob Bosgraaf说道,英国航空航天制造商GKN的子公司。

检查

在进行任何维修或更换之前,工程师必须评估复合材料部件的损坏(或缺少)。发动机短舱是探索碳纤维的热量和重量优势的首批飞机结构之一,采用多种技术进行检查,包括:轻敲测试,热成像,超声波测试,钻孔成像,射线照相和蚀刻以及渗透检测。

新的复合材料修复技术将大大降低维护成本-复合材料网

ST航空航天 ST Aerospace开发了复合材料修复和制造能力,并生产碳纤维地板面板。
这些方法中的一些在金属和碳纤维之间重叠,但是对于后者的完全能力,无损检测(NDT)和复合材料的检查需要比金属结构更多的投资。需要专门的设备来检查CFRP中的分层或纤维不规则性,而检查更简单的材料就像进行目视检查一样简单。

“这种设备的复合设备和培训耗资数十万美元,而不是成千上万的典型超声波设备,”Sartain说。

Ang同意并补充说:“由于技术仍然是新技术,与金属材料相比,修复工具和材料的价格要高得多。”

一系列新的无损检测设备有望加速检查,减少错误并增加流程的移动性。其中包括手持式C扫描辊,用于检查分层等问题,以及手持式热成像相机和3D激光扫描仪。其中一些在可以在飞机上使用之前需要适航性和OEM认证,但一旦发生这些,它们将为更快的维修周期和更自动化的过程打开大门。

“新技术包括可以通过与先前的配置文件进行比较来扫描和检测缺陷的自动化设备 - 今天大部分仍然是手工完成的,”Sartain指出。

空中客车公司开发了一种机械臂,使用超声波激光检测复合材料的表面下缺陷。与传统的超声设备不同,LUCIE(激光超声复合检测设备)可以扫描而不与材料接触。结合铰接式机器人手臂,这使得该技术非常适合检测具有复杂几何形状的大型复合材料零件 - 这些特征在新一代飞机上越来越常见。

常见的维修

由于787和A350分别仅在2011年和2015年投入使用,因此未来几年内首次大型综合维修浪潮将是几年。尽管如此,复合材料机身易受许多与金属机身相同形式的操作损坏,因此总是需要较小的维修工作。这种破坏包括地面设备碰撞,鸟击,冰雹和雷击。同时,水分进入和过热是某些复合结构特有的风险。

通常,损坏非常小,可以推迟到下一次维护活动,但MRO提供商和航空公司技术部门也提供现场维修。对于最轻微的损坏,例如材料侵蚀,将树脂刷入受影响的区域并在环境温度下固化。被称为湿式叠层,这是一种相对简单的解决方案。

复合材料通常通过切除损坏的材料并用螺栓固定或粘接在贴片上来固定,但是对于主要结构部件仍然禁止粘合修复,除非修复太小以至于如果贴片脱粘则结构不会受到影响。也就是说,大多数工程师都喜欢粘合修复,因为螺栓更重,需要钻孔才能进一步损坏复合材料。

复合材料MRO的一个关键增长领域是机翼外工作,如在不拆除部件的情况下进行维修。这已变得越来越重要,因为较大的结构 - 例如机翼和机身部分 - 无法拆除进行维修,这是过去较小复合材料部件的正常程序。

对于翼上工作,汉莎技术公司(LHT)开发了一种名为CAIRE的自动化火焰清理系统。在切掉一块损坏的碳纤维之后,通过将它们打磨成锥形,用火焰清理来准备孔的边缘以形成贴片。锥度的角度取决于被修复结构的载荷,汉莎航空的移动机器人可以在1平方米(10平方英尺)的CFRP上进行翼上,高精度的围巾。

LHT创新和产品开发部门的工程师Henrik Schmutzler说:“这样可以实现更快速的维修,具有高质量和可重复性,是开发和认证更大和结构更重要的维修的必要元素。” CAIRE正在汉堡的Lufthansa Technik工业化,并将于2019年第三季度投入运营。

新的复合材料修复技术将大大降低维护成本-复合材料网

波音 波音787采用一体式碳纤维机头。
CAIRE适用于推力反向器以及机身和机翼结构,其中包括高度自动化工艺的其他技术,旨在将传统维修时间缩短60%。它首先对损坏的复合材料部件进行条形光投影扫描,计算机可以从中检测机器人铣床。之后,创建复合层的预切割并借助于形成单个层的层板切割机将其应用于正在修复的部件。切割尺寸的面板与主结构粘合,然后根据需要使用先前扫描的数据和计算机计算通过快速原型制作生成的模具进行固化。

空中客车公司开发了一种类似的便携式机器人修理工具,使用水和磨料(而不是激光)混合,以去除高达500平方厘米(77平方英寸)的受损材料,以替换新的碳纤维。替换材料在现场固化,作为非高压灭菌器修复。空中客车公司还提供充气洁净室,将制造厂使用的环境带到飞机附近。

尽管如此,大多数复合材料的修复仍然是通过触摸劳动来完成的。然而,自动化流程将成为复合材料售后市场不可或缺的一部分,部分原因在于对检查和维修程序施加了更严格的标准,如果手工完成,则会增加维修时间。

“鉴于复杂零件的检查和维修由于更严格和受控制的过程而更精细,因此检查跨度时间往往会面临更多挑战,”Ang表示。

健康监测

广泛应用于飞机发动机的预测性维护技术现在正在扩展到其他飞机结构。

“展望未来,将开发更多自动化修复流程和扫描方法。将传感器嵌入结构中并扫描大面积将加快维护时间,因此许多研究所正在开发中,“Bosgraaf说。

尚未在商用飞机上使用包含传感器以检测结构异常的“智能”碳纤维。然而,它显示出巨大的希望,OEM的采用可能比一些人预期的更接近。

“微电子机械传感器(MEMS)的一些进步已经产生了将应变计嵌入复合材料中所需的技术类型,可以主动检测缺陷,”Sartain说。“我认为这些技术可以在未来五年内看到。”

声学和超声波扫描等检测方法可以发现复合材料中的缺陷,但它们几乎不能提供有关振动,温度和冲击等操作载荷的零件应力的信息。因此,通常无法预测可能发生裂缝和其他缺陷的位置。

十多年前,FAA研究人员研究了如何使用粘合剂薄膜传感器评估应力。在那些测试中,将共振传感器粘合到复合板上以评估在引入缺陷后的损伤进展。

然而,更好的方法是在材料中嵌入传感器。由莫斯科国立科技大学(NUST)MISIS复合材料中心的Sergey Kaloshkin领导的科学家们提出使用直径仅为10-60微米的软磁路来测量碳纤维中的应力,碳纤维将具有微导线铺在层之间的网格中。微导线附近的应力会影响物质对外部磁场的反应。

NUST MISIS科学家表示,他们可以在不影响材料结构特性的情况下嵌入电线,现在正在寻求开发现场原型。如果可行,下一步将是将传感器结果传递给飞机健康监测系统的系统。

“在你的结构中安装传感器可以让你更好地了解飞行过程中对结构造成风险的事件,”博斯格拉夫说。“如果将飞行期间收集的数据与原始数字设计进行比较,检查可以更集中的方式进行。”

在新的测试和维修设备将碳纤维的一些性能提升带入机库之前,航空公司可能不必等待很长时间。