托里斯之翼-顛覆傳統飛機制造技術的革命性理念（原文作者Sara Black，Composites World雜志高級編輯）

如何能讓復合材料更好地為汽車行業所接受？大家會說：”把生產周期降到1分鐘以內吧！”這不僅僅是汽車制造業對復合材料的期待，也是飛機制造業一直努力的方向：尋找更先進的材料，開發更高效的工藝，以盡可能地壓縮產品的生產周期。當下，飛機的生產效率不斷提高，如何控制航空復合材料的使用成本成為人們關心的問題。飛機設計、材料選擇、工藝優化等各方面都在悄然發生變化。

于是，一套全新的飛機結構生產理念——“托里斯之翼”應運而生。它拋棄了傳統的模具和緊固件，在大型單體結構的制造過程中采用了顛覆性的機身/機翼制造技術。“托里斯之翼”（TorresWing）由西班牙機械制造商MTorres（Torres de Elorz, Navarra, Spain）研發，這項革命性的創新技術在2017年完成了世界首秀，并獲得2018年JEC World展會航空工藝創新大獎。

為了更深入地了解這種新技術，Composite World雜志記者對MTorres公司資深技術經理Luis Enrique de la lglesia y Gotarredona和研發商務經理I?igo Idareta進行了專訪。

未來工廠

過去數十年間，復合材料在民用客機上的應用迅速增長。同時，自動化生產技術也在得到廣泛普及。例證有很多，包括波音787機身筒體、空客A350的機翼、波音777X的機翼/翼梁所使用的自動鋪絲技術（AFP），以及最近問世的空客客機垂直尾翼的自動化組裝技術。即便如此，在飛機的制造過程中，仍避免不了大量的人工參與。

“托里斯之翼”的本質是一種極其簡易的自動化生產理念?！盙otarredona表示說。在這種理念下，幾乎可以免除所有的人工參與。

“首先我們生產出一些基本的‘元件’?！彼忉屨f，“這些‘元件’的另一重使命是作為模具服務后續的生產環節?！币詸C身為例，參與組成的‘元件’包括若干碳纖維復合材料環形結構（簡稱為碳環）以及若干塊地板。碳環在生產完畢之后，經過拼裝、膠接，成為機身筒體，然后在內部鋪設地板。這樣，碳環和地板拼接形成了完整的機身“骨架”，隨后再利用自動鋪絲技術在“骨骼”之上纏繞外蒙皮。這種全新的生產理念不僅大大簡化了工藝流程，而且使得機身部件之間、蒙皮與“骨架”之間不再需要金屬緊固件加以固定。除了機身之外，機翼和機尾也可以用類似的方式來生產。不過由于機翼的生產工藝尚處在研發階段，MTorres方面并未透露過多的信息?！爱斍暗暮娇展I使用干絲和樹脂浸潤的方式來生產復合材料飛機部件，這完全是照搬了風電行業的經驗和做法，”Idareta表示說，他同時指出“根據客戶的不同需求，這種工藝也可以使用預浸料或是熱塑性材料進行生產?！?/p>

整個生產過程實現了高度自動化運作，由機器人負責將部件從一個作業平臺運至下一個作業平臺，從而形成一條連貫的U形流水線。“新的工藝提升了生產的自動化程度，減少了所需的環節。MTorres為此提供了全套的生產設備?！盙otarredona表示說。

元件的組裝

整個工藝的第一階段從生產“元件”開始?！疤辑h”和“地板”兩條生產線平行設置（步驟１），“碳環”生產線中，作業機器人將環狀金屬芯軸（按客戶尺寸/形狀要求定制）交付給配備可旋轉頭部的搬運機器人（positioning robot）。搬運機器人將芯軸送入下一個作業平臺。兩臺作業機器人分別侍立于平臺兩側，機械手臂上裝配有MTorres自動鋪絲頭，將干碳帶快速鋪放于帶凹槽的芯軸外表面。干碳帶的鋪放可以按0°, 90° 和 ±45°角度進行，也可以針對不同的應用需求進行優化和調整。其中所使用的干碳帶是MTorres為這種新工藝專門研發的。碳纖維原材料來自一家業內領先的知名企業，MTorres向其中添加了一種熱塑性粘合劑，既是為了在鋪絲過程中賦予碳帶一些粘性，也是為了幫助后續樹脂灌注的順利進行。

步驟1：MTorres用機器人制造飛機的自動化工廠理念。

步驟2：以在金屬芯軸上自動鋪絲的方式生產元件“碳環”。芯軸固定在一臺搬運機器人上，另兩臺作業機器人協同鋪絲，以減少鋪放時間。碳環上留有的凹槽，是為了在最后組裝環節時，扮演飛機縱梁的角色。

特別需要注意的是，在每個碳環的兩側圓形截面底部，還分別鋪放出一塊豎立的面板（步驟3），作為另一種“元件”——地板的支撐結構。然后，技術人員將碳環包入真空袋，安裝樹脂導流管，再由機器人送入下一個作業平臺，在技術人員監督下進行樹脂灌注的真空作業。

步驟3：碳環鋪放完成后，由搬運機器人送入下一個工作平臺，包入真空袋，做灌注樹脂、加熱固化前的準備工作。碳環兩側圓形截面底部的垂直面板，是元件“地板”的支撐結構。

同時，地板的生產工作在另一條生產線上由三臺機器人協同完成。第一臺機器人將片層按0°/90°角度置于模具之上，通過傳送裝置送入第二個作業平臺，第二臺機器人負責將中間芯材放置于片層之上。然后，在第三個作業平臺，第三臺機器人將第二塊片層按0°/90°角度放在芯材之上，從而形成三明治結構。其厚度和各層碼放的角度均可按照客戶要求設置。為機身配套的地板最大，形狀也最規整；為機頭和機尾配套的地板則相對較小、呈漸小的錐形形狀。

步驟4：在與碳環生產線平行的另一條地板生產線上，由三臺固定機器人先后在模具中碼放三明治結構的下表面、中間芯材和上表面。

接著，三明治結構被包入真空袋并灌入樹脂。然后，搬運機器人將完成樹脂灌注的碳環和地板送入烘箱固化。

步驟5：與碳環一樣，地板也會被包入真空袋中，等待灌注樹脂和加熱固化。

固化完成后，搬運機器人將部件送入下一個作業平臺，除去真空袋，由切割機器人進行打孔。需要打孔的地方包括每個碳環兩側圓形截面底部的面板（既減輕機身重量，也方便后續布線留出通道）。每塊地板的邊緣也進行了打磨。完成打孔后，作業機器人將芯軸從固化完成的碳環中取出，并送回生產線的起點。接著，所有部件都需經過機器人的無損檢測（NDI），然后送入本環節最后一個作業平臺，由人工檢測員對每個部件的質量進行審查，合格方可進入下一個環節。

步驟6：固化完成之后，部件被送入打孔區，由機器人對地板的支撐結構、以及地板本身進行打孔和剪修。圖片顯示的是一臺機器人正將芯軸從完成固化的碳環中取出。隨后，各元件將接受無損檢測。

可靈活組裝的芯模

在整個工藝的第二階段，首先需要將所有的“元件”進行組裝。作業機器人將碳環送入特制模具中，碼放整齊，再由兩臺檢測機器人分別從碳環兩側進行掃描，記錄其準確尺寸，確定每個碳環的最佳位置和碳環之間的間距。確認之后，由涂膠機器人在碳環間隙處施膠，然后將碳環在水平方向上壓實成為一個圓筒，保證膠黏劑與部件之間充分有效的接觸（步驟7）。

步驟7：生產的第二個階段，碳環被嵌入模具進行校準，檢測機器人負責檢查碳環是否碼放整齊，確定碳環的位置和間隙距離。

隨后，完成膠接的筒體由搬運機器人送入下一個作業平臺，由兩臺檢測機器人對筒體內鋪設的地板及其支撐結構進行掃描、校準。然后，一臺機器人負責固定地板的位置，另一臺在地板和支撐結構之間施膠。所有機身部件膠接完成之后，工人們開始在筒體內部以及地板下面布線、安裝管道和其他必要的功能系統。

步驟8：上圖顯示的是生產樣機的實景圖。技術人員正在校準碳環的位置并手動上膠。

參照上面的流程，在每一個組成機身的筒體結構（包括機頭和機尾）拼裝、膠接完畢之后，生產進入到第三個階段。此時，我們已經得到了一個完整的碳纖維復合材料機身結構，接下來要做的，是繼續用纖維鋪放的方式賦予它一層外蒙皮。“我們無需再去尋找大尺寸的金屬模具，完成拼裝、膠接的機身結構本身就是個大模具?！盙otarredona表示說。而且，因為“托里斯之翼”的基本設計理念是“元件”的拼裝，所以在實際生產中可以根據定制飛機尺寸的大小自由決定拼裝元件的個數，非常自由和靈活。

步驟9：上圖顯示的是，各筒體結構（包括機頭和機尾）被嵌入一臺更大的工裝，接受位置校準和上膠作業，并壓實形成完整的機身結構件。

用“環”替代“梁”

在工藝的第三個階段，搬運機器人將機身結構運至下一個作業平臺，并將其首尾固定住。然后，MTorres鋪絲機開始在結構表面鋪設碳絲，并最終形成飛機的外蒙皮。第一層碳絲按碳環表面凹槽的形狀鋪設完畢之后，在凹槽內加入一種填料。這種填料可能是泡沫芯材，作為絕緣材料加以利用；也可以是一種可溶解的材料，能夠在外蒙皮完成固化后取出。

步驟10：機身整體完成膠接之后被送入下一個作業平臺，并將其首尾固定，由自動鋪絲機在其外表面鋪放外蒙皮。上圖顯示的是，機器人正將填料填充在碳環的凹槽處。當外蒙皮覆蓋住這些凹槽時，形成的外部縱梁可以用來加固整個機身結構。上述填料可以留在凹槽里面，也可以在外蒙幣固化完成之后取出。

“碳環外表面的這些凹槽，實際上扮演了傳統飛機上”梁“的角色。在傳統的生產方式中，飛機的縱梁和環形結構需要分別生產，再由人工安裝在蒙皮之內；而現在，我們用帶有凹槽的碳環加以替代，這是對傳統生產方式的一次突破。”Gotarredona補充說，根據MTorres估測，在現有的復合材料飛機上，縱梁的生產所需的材料僅占材料總用量的30%，但卻承擔了70%的成本。

步驟11：上圖是生產樣機時，鋪設外蒙皮的實景圖。實際生產過程中還會加入黃銅用于避雷。經過覆膜、送入真空袋、灌注樹脂、加熱固化之后，機器人對在機身表面切割出門窗。

當外蒙皮纏繞完成之后，機身表面被覆蓋上一層厚度約4mm的5層膜結構，而后被包入真空袋、灌入樹脂然后送入烘箱固化。固化完成之后，機器人在機身表面切割出門窗，送入最后一個工作平臺，人工安裝必要的電子航空設備和座椅（步驟12）。

步驟12：對機身進行最后的無損檢測，然后安裝內飾、電子航空系統和座椅。

未來在哪里？

“托里斯之翼”的出現，在事實上消除了所有金屬緊固件和鉚釘存在的必要，極大地降低了飛機的自重。被用于連接碳環的膠黏劑，在重量上與傳統制造方法中所使用的墊片材料大體相當。更重要的是，由于自動化程度較高，導致生產周期大大縮短，人工用量顯著降低，工藝得到簡化、成本大幅下降。其他的優勢還包括：用烘箱固化取代了熱壓罐，通過干絲的使用降低了材料成本。

盡管作為一個實驗性項目，到目前為止MTorres公司僅生產出一個樣件，并在2018年的JEC World展覽會上進行了展示。對于如何滿足即將到來的客戶需求，MTorres公司顯得信心滿滿。“現如今，人們對新的飛機設計有著諸多設想。這將是一個巨大的市場，MTorres公司所提出的自動化工廠理念必將大有所為。”Idareta表示說。誠然，取得膠結結構的認證資格將會是未來的一個挑戰。因為目前的政策環境下，想要獲得結構認證必須在設計中包含充分的緊固件?！拔覀円恢笨紤]的是如何用未來工廠的理念來生產未來的飛機。我們提出的是一種自動化的生產理念，并不僅僅為了生產飛機。”他同時透露，目前已有多家來自各行各業的復合材料制造商對這種自動化生產理念表示出了興趣。“我們并不是飛機設計師，我們只是工廠自動化專家?！?/p>

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