EADS IW的原型单轴编织预制件生产线采用准无限工艺，用于碳纤维制造A350环形框预制件，随后注入树脂。目标是实现更高的自动化、更低的成本和负载重量优化，性能与预浸框架相当。
纤维补片预成型（FPP）自动将短纤维补片放置在任何位置和方向，以构建具有预浸料无法实现的三维几何形状的适形干纤维预成型件（另请参见下一张图片）。长桁的 FPP 正在开发中，目标是与预浸料相比节省 45%的成本。
这位艺术家的构思展示了FPP系统铺设了一个由FPP“补丁”组成的同心圆形图案。
图1:EADS IW 的单轴编织设备仅在第一路径使用加强线。相反的环绕路径使用辅助纱线。
图2:EADS IW 的单轴编织工艺显著降低了纤维波纹度，提高了碳复合材料的抗压强度，并增强了CFRP 框的整体机械特性。这张图片显示了以传统编织物为特征的样品层压板中的纤维波纹度。下一张图片显示了一个以BRaF 编织物为特征的类似样本。来源：EADS IW
图 2b：该样品显示了 BRaF 过程中固有的纤维波纹度降低。
图 3a：此处，BRaF 装置沿方形心轴的左侧和右侧在编织层之间铺设 0°UD 干纤维带。当方形预制件水平切成两半时，此胶带与两个产生的剖腹产的法兰对齐，类似于UD 梁盖。
图3B：此处，90°UD层沿圆周缠绕。该功能将是BRaF为A350-1000 制造高度优化框的能力的关键因素。
图4：从这台样机上学到的经验教训将用于设计最终的生产设备。编织框架预制件的批量生产将授予供应商，如EADS IW的合作伙伴 SGL Kuêmpers。（有关编号项目的说明，请参见下图。）来源：EADS IW
据报道，FPP 贴片形状能够在±0.1 毫米（±0.04 英寸）的公差范围内轻松精确地定位。来源：EADS IW
空客A350-1000是总部位于法国图卢兹的飞机OEM最新也是最大的A350XWB喷气式客机。它的机身直径与家族中的其他喷气式飞机相同，但将比即将投产的A350-900长7米/23英尺。更强大但更重的发动机将使1000型的续航里程超过900型的600公里/373英里，有效载荷增加40公吨（88185磅）。然而，这架飞机的空重将增加2.4公吨（5291磅），飞机的成本将比900多900万美元。
空中客车公司正在努力降低重量和成本。其中一个项目旨在自动化生产，优化1000型碳纤维增强聚合物（CFRP）机身框的重量和性能。机身框是环绕机身内径的环状肋，与纵向桁条一起构成飞机的骨架。
A350-1000的长机身（相对A350-900）将需要增加 11个框，5个在机翼后部，6个在前部。生产相同的框既简单又便宜， 但通常不采用每个框根据其在结构中的位置来设计以满足特定的机械要求。正因为如此，许多框被过度设计，因此增加了不必要的重量。为了避免这种情况，空中客车公司选择根据每个机身将承受的载荷定制机身的每个机身段（见右侧“编辑的选择”下的“A350 XWB更新……”），包括其框。挑战是找到一种在批量生产环境中生产单独定制的CFRP复合框的方法，并具有成本效益。
空中客车公司和母公司欧洲航空防务航天公司（EADS，荷兰阿姆斯特丹）已经为使用预浸料的A350-900框开发了这一工艺。但对于A350-1000来说，还有改进的机会。EADS创新工厂 （EADS IW，Ottobrun，德国）复合材料技术运营主管Matthew Beaumont 表示：“我们知道在某些领域我们可以进一步减轻重量。”“因此，我们没有等待5到10年后的下一个平台，而是看 到了 A350-1000 在两到三年内在重量节约和制造工艺稳健性方面取得快速胜利的机会。”他展示了A350-900作为第一代复合材料机身的图像，A350-1000作为1.5代机身的图像。
编织CFRP框架
为了摆脱预浸料的限制，博蒙特的 EADS IW团队与空中客车公司和SGL Kumpers GmbH&Co.KG（德国莱茵）合作了10年， 开发了一种准无限工艺，使用与飞机机身直径相适应的高度自动化圆形机器，用于碳纤维制造单轴编织预成型件。然后通过计算机控制的机械加工和EADS专利工艺对预成型件进行树脂注入、固化和精加工。
博蒙特声称：“这是一种低风险、高度自动化的流程。”但对于空客来说，这是一个全新的流程。“这是一个巨大的变化，从自动 放置机铺设的预浸料坯到注入树脂的干纤维编织预浸料。”这对EADS IW来说也是一个新的步骤，从研究到真正的组件开发。博蒙特承认，这是一项尚未完成的工作。“为了证明工艺和产品符合空客的要求，我们还有很多工作要做。”
一条编织框（BRaF）原型生产线自2008年开始使用，最初安装在德国斯塔德的空客复合材料技术中心（CTC）。此后，它被转移到同样位于斯塔德的更大的CFK Nord研究中心。
单轴编织减少波纹度
BRaF自动化编织生产线最初是基于SGL Kümpers现有的工作站。尽管它能够提高产量和降低生产成本，但由于传统编织中固有的纤维波纹度，它生产的产品表现出较差的机械特性。此外，该团队观察到，在传统编织过程中，纤维经常被施加在纤维上的剪切力损坏或削弱，或者由于交叉点的摩擦。EADS IW知道，使用带有两个编织环的机器可以减少这种摩擦，但纤维波纹度问题仍然存在。有鉴于此，EADS IW公司开始研究其获得专利的单轴编织工艺。
根据美国专利2007/0193439A1，该新工艺通过两个发展解决了纤维起皱问题。首先，EADS IW不是传统的所有线轴都装有增强纤维的设置，而是只在第一条路径上使用带有增强线的线轴，而在相反的圆形路径上使用带辅助线的线轴（在专利中称为“支撑线”）（见图 1，右侧）。第二，辅助纱线/支撑线中的至少一些 （如果不是全部的话）是热塑性纤维，其被加热以熔化，然后被冷却以再固化，从而产生良好的滑动特性，从而减少交叉编织线之间的摩擦，以及纤维损伤。热塑性丝线还将增强纤维放置在编织芯（心轴）上后保持在适当位置。该专利解释道：“弹性热塑性塑料线紧密地放置在增强线之间，使增强线几乎平行放置，两者之间没有任何空间，因此几乎没有任何波浪”（见图 2，右侧）。因此， 碳纤维的抗压强度显著提高，成品型材或框架的整体机械财产也显著提高。
为了证明BRaF，该团队使用HTS40 F13 12K 800tex（Toho Tenax Europe GmbH，Wuppertal Germany）作为增强纤维，使用EMS-GRILTECH（Domat/EMS，Switzerland）制造的可熔聚酰胺K85 Grilon 纤维作为辅助纱线。所有层的面积重量均为260克/平方米（7.7盎司/码2）。演示器的堆叠顺序包括12层，这些层围绕 着一个方形横截面的铝芯轴堆积。这些层以+30°或-30°的角度施加，然后通过缠绕90°层或交织单向（UD）干纤维带作为0°法兰层来施加相同的增强纤维。博蒙特解释道：“普通编织机的真实纤维角度范围为±10°至 ±75°。”“因此，BRaF包括0°和90°功能是关键。”0°单向干纤维带沿着方形心轴的左侧和右侧铺设在编织层之间。当方形预成型件被水平切成两半时，该胶带与两个C形截面的凸缘对齐，类似于沿着翼梁帽铺设UD胶带。90°UD层沿圆周缠绕（见图3，右侧）。博蒙特指出，有效地添加0°和90°层是 SGL Kümpers提出的一项发展。
图4（右侧）显示了演示设备的布局。运输系统被描述为能够 以自适应的位置和跨度夹紧。编织机和卷绕机都能够横向移动，卷绕机还具有角度校正功能。这种设备布置能够实现可变的框半径和腹板高度。它还可以制造复杂的框，包括编织层和0°UD层的帘布 层脱落，并集成局部加强件（如FPP生产的那些，稍后描述）。
编织和缠绕完成后，方形截面预制纤维环被切成两半，两个C形型材从心轴上取下。C形与规定的飞机机身直径相匹配，可以通 过使用模具和可膨胀硅树脂插件将其中一个C形法兰倒置以形成Z形来进一步成形。SGL Kümpers报告称，BRaF“能够实现最大的设计灵活性和无与伦比的可重复性，以满足未来飞机制造的大批量需求。”
据博蒙特介绍，编织框生产线的原型现在能够制造出功能齐全的框，与目前正在批量生产的框相当。“从这台原型机上学到的经 验教训，”他说，“将用于设计最终的生产设备。”
光纤贴片预成型
EADS IW及其合作伙伴Oxeon（瑞典 Borås）和 Manz AG（德国 Tübingen）开发了另一种工艺，不仅针对 CFRP框，还针对 长桁（纵梁）和大型复合材料机身面板的局部加固（如窗户切口和门围）。这一过程被称为光纤贴片预成型（FPP- Fiber Patch Preforming ）。
FPP被认为是一种自动生产复合材料结构的方法，由于拓扑优化和其他先进的CAD技术，复合材料结构最终会产生非常复杂的几何形状。这些复合材料的设计优于传统金属结构，具有复杂的三维纤维路径，使用现有技术（如预浸胶带）不容易生产。
在FPP工艺中，短的（20毫米乘60毫米或0.79英寸乘2.36英寸）展丝束单向纤维片被切割，然后由专门的机器人沿任何方向放置，以构建具有精确定制的纤维结构的干纤维预制件。它保持了复杂形状和几何形状所需的一致性，没有褶皱或桥接。机器人在不牺牲精度或产生废料的情况下降低了生产成本。所得预成型件易于用于标准树脂注射和灌注工艺，包括树脂转移模塑（RTM）和EADS的专利真空辅助工艺（VAP），它们也可以与其他类型的预成型件组合使用。（VAP于2002年获得专利，是一种双真空袋树脂灌注 工艺，其中内袋是一种多孔气体膜，可以提取挥发物，同时用作树脂屏障。）
FPP干纤维预成型件可以用作预浸料坯结构的局部增强件，在 热压罐固化期间使用来自预浸料料坯的树脂或额外的树脂膜来浸渍非常薄的预成型件（几个100g/m²层）。Beaumont还引用了FPP的完全三维数字工艺链来帮助提高制造的稳健性：“从零件的CAD模型开始，通过应力分析和贴片定位，到对预成型件铺放机器人进行编程，然后进行机器人放置，零件的信息永远不会从数字CAD世界中删除。”
FPP细节
EADS IW的合作伙伴提供单向增强和机器人设备。EADS IW 内部开发了FPP机器人，并已授权Manz Automation Tübingen复制该机器人。Oxeon提供TeXero UD Spread Tow Tapes（所有Oxeon产品现在都以TeXtreme的商品名出售），其一侧具有热激活粘合剂，可在放置后固定。Beaumont解释说，FPP并不局限于铺展丝束材料。“我们也可以使用无褶皱的面料，”他说。“然而，我们 的目标是拥有一种预成型工艺，该工艺可以制造出尽可能灵活的几何形状。因此，我们使用12K丝束，每个贴片使用少量纤维，重 量约为1g，并在不失去稳定性的情况下尽可能将其展平，约为20毫米[0.79 英寸]。”
据报道，Beefier无卷曲织物由于其更大的面积重量和厚度而限制了可能的几何形状和形状。较薄的加固物往往更具悬垂性和灵活性；它们也有助于引导一个补丁到另一个补丁——换句话说，每个补丁的方向和位置。博蒙特说：“这是我们预制棒的基石。”“这是一个低体积、高复杂性零件的工艺。我们说的是克/小时的搁置率，而不是千克/小时。”
尽管对于大型零件来说速度太慢，但该工艺可以实现具有复杂 几何形状的小型零件所需的定制纤维设计。“由于贴片太小，我们降低了沉积率，但我们获得了灵活性和剪裁，这是我们最初的目标。”博蒙特说，纤维重量小于500克的组件是FPP有吸引力的 目标。
最初，制造这种复杂预成型件的方法是基于先进的纤维喷涂技 术，目的是在线调整纤维长度和控制纤维铺层角度。然而，实验表明，这种工艺并没有达到所需的高水平的材料质量。因此，采用了 目前的技术。由于需要短纤维贴片，因此开发了一种能够指定切割长度的专用机械切割设备。激光被探索作为机械切割的替代品，但它们在工艺或速度上没有改善。关于尺寸，Beaumont评论道：“到目前为止，我们已经使用了 20毫米乘60毫米的贴片，但我们不限于这个尺寸和形状。例如，我们可以使用三角形贴片。”
机器人叠层机拾取光纤贴片，并按照数字控制文件的定义放 置。叠层头由弹性材料制成，可与复杂曲面进行最佳接触，并在贴 片沉积时施加均匀的压力。
切割和铺放期间的质量保证（QA）从一开始就是EADS IW关注的问题。博蒙特表示，“质量控制步骤是在其整个开发过程中建立的，而不是在原型设计和生产之间的事后考虑。”第一步确保纤维不会分裂，并且在切割后贴片形状正确。在下一个QA步骤中， 机器人叠层机从传送带上拾取纤维贴片，并将其移动到一个工作站，在那里激光设备基本上会拍摄贴片的照片。实时评估机器人印模上贴片的位置和方向，并将其与CAD上篮数据进行比较。如果需要进行校正，则将其传达给机器人，机器人随后补偿印模上贴片 位置的任何变化，将旋转调整所需的度数，以在印模放置在预成型件上时校正印模位置。因此，每个补片的几何形状和位置都作为过 程的固有部分进行检查。
FPP使用基本的转向系统。基本上，机器人使用点1（贴片的起点）和点2（贴片的终点）的 x、y 和z坐标来定位贴片，因此只需要六个数字和一个起点参考即可精确定位。转向系统和QA检查相结合，可实现±0.1mm（±0.04 英寸）的贴片定位公差。
当发现补片的重叠模式显著影响复合材料预成型件的强度时， 开发了一种具有圆形前后边缘的鳞片状补片，以允许补片的内联嵌套。补片还有助于在具有复杂曲率和几何形状的零件中保持高强度和刚度。
研究小组发现，所得复合材料可以抵抗层间分层和裂纹扩展。与连续纤维增强复合材料相比，FPP层压板在强度上表现出较 小的下降（14%），但实际上具有相同的刚度。另外的实验表明，失效主要是由于纤维断裂造成的。Beaumont解释道：“由于这些贴片中有短而不连续的纤维，你可能会在贴片 之间出现故障，但试样并没有显示出这一点。故障测试显示的结果 与连续纤维层压板的结果相同。”“冲击测试还表明，与连续纤维层压板相比，它能够吸收相对较高的冲击能量，具有较小的损伤面积和较高的残余压缩强度。
BRaF和FPP向前移动
在其早期阶段，BRaF 获得了2010年JEC自动化创新奖和 Niederachsen创新奖，该奖项在年度CFK Valley Stade 大会上颁发， 以表彰在轻质CFRP结构方面具有特别高创新程度的开发。值得注意的是，JEC创新奖评委预测，该工艺将使复合材料能够与金属竞争，用于结构机身部件。但这项工作仍以BRaF II的形式继续进行，目标是优化整个过程，包括辅助纱线的在线固定（熔化和冷却）、自动切割以及装载和卸载站的精细化。还将研究新的心轴材 料，以及在线QA措施，如缠绕机和编织机内的纤维监测，以及编织层的光学角度检测。未来BRaF材料的开发目标是减少表面重 量、提高轴承应力和增强边缘抗冲击保护。
未来两年，空客将为技术开发提供资金，从而对框零件和工艺 进行资格鉴定和认证。这将把框认证推迟到2013年，但它应该很容易适应 A350-1000部件生产的开始，在飞机计划于 2017 年投入 使用之前进行组装和测试。编织框预制件的批量生产将授予供应 商，如EADS IW的合作伙伴SGL Kümpers。
与此同时，FPP获得了EADS IW在自动化类别中的另一项 JEC认可，这一次是作为2011年创新奖的入围者。FPP的第一个应用程序，正在由欧盟委员会第七框架计划资助的IMac Pro 项目中开发。EADS IW领导该项目，目标是与铝型材相比至少节省20%的重量，与预浸型材相比至少减少5%的重量，成本下降45%。
目前正在探索多种工艺来巩固和固化长桁预制件，包括具有可适应元件的RTM，以补偿预制件沉降（厚度减少）、连续树脂注 射和高速微波加热。计划进行三次演示：（1）预浸料表皮上有四 个预固化长桁的加强板；（2） 具有四个长桁预成型件和同时固化 的织物表层的加强板；以及（3）货物底板单元，该货物底板单元 由弯曲的框型材、直横梁和z形支柱组成。
博蒙特也看到了FPP与BRaF相吻合的潜力。博蒙特说：“FPP非常适合生产局部增强，例如，在地板梁连接到（机身）环形框的地方，只需要更多的纤维和特定的定制叠层。”他还认为它能够改善加固结构，如门周围。博蒙特表示：“我们确实看到在制造A350-1000的编织CFRP框时使用了局部增强材料，但我们不知道这一过程看起来是像迄今为止开发的FPP还是更原始的。”
FPP用于机身面板的局部加固，应更多地利用工艺的扩展能力。
注：原文《 Airbus A350 Update: BRaF & FPP 》2012.1.2 《空客 A350 更新：BRaF 和 FPP》
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