《 Inflexion technology: complex composites without fasteners 》 2016.2.1

<弯曲技术：无紧固件的复杂复合材料>

Spirit Aero Systems开发了使用刚性-柔性工具的生产方法，用于更经济实惠的组合式复合材料航空结构。

Spirit Aero Systems的Inflexion技术能够在一个连续的部件中制造出更轻、更实惠、更高效的大型复杂复合航空结构。

2013年，Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托市）宣布，它正在与Spintech（美国俄亥俄州Xenia市）合作，开发用于制造复杂复合材料飞机结构的新工具技术。该技术被标记为Inflexion，基于可重新成形、可重复使用的心轴，并被吹捧为能够实现集成复合材料结构，其功能是使用传统工具无法实现的。

传统的复合材料结构制造使用必须从零件内部移除的刚性工具。但这限制了结构的大小和复杂性。弯曲模具可以在刚性和柔性状态之间转换，以便于拆卸，无论零件尺寸和复杂几何形状如何。正如Spintech工程总监Tom Margraf在2013年的一次采访中所解释的那样：

“使用Inflexion制造的复合材料是将框架、桁条、翼梁和长杆等工程加劲肋与在单一固化过程中共同固化的蒙皮板集成在一起的结构。这种弯曲过程消除了对工程加劲肋的二次粘合和/或紧固的需要，从而实现了更低的成本、更轻的重量和更耐损伤的结构。”

酝酿中的岁月

Spirit AeroSystems于2005年开始研究Inflexion，与基石研究集团（CRG，Dayton，OH，US）合作，基石研究集团使用其专利形状记忆聚合物（SMP）材料开发了工具。CRG于2010年剥离了Spintech Ventures LLC，以改进该技术并扩大其规模，用于工业航空结构生产。Spintech以Smart Tooling的商品名提供这项技术（点击链接查看该技术如何工作的视频）。据报道，Spirit的版本包括其为生产具有单面加强件（如加强件）的大型集成结构而开发的增强件。

Spirit的Inflexion技术于智能工具，该工具使用形状记忆聚合物（SMP- shape memory polymer）材料，使刚性叠层工具成为可能其在固化后变为弹性体以便于提取。

CRG与NAVAIR共同完成了第二阶段小企业创新研究（SBIR）项目，展示了Smart Tooling的优势。在2011年海军机遇论坛上，Spintech将这些总结为：吞吐量增加，减少了总处理时间；由于采用了刚性的网状叠层工具，增加了零件间的可重复性；并且制造成本降低高达80%。

Spintech前总裁Craig Jennings表示：“Smart Tooling的专利技术使复合材料制造商能够显著降低劳动力、材料和资本成本，同时显著提高具有陷阱特征和/或复杂形状的复合材料零件的生产能力。”。

根据2013年的一份新闻稿，Spirit Aerosystems代理技术总监Bill Smith解释说，Inflexion允许“提取工具，尽管存在会阻碍当前工具方法的陷阱特征。例如，这可以实现蒙皮、桁条、框架或肋的一步完全集成。”

未来合同投资

在2013年《威奇托鹰报》的文章《Spirit's ShadowWorks，一项技术投资》中，作者Molly McMillin断言，Spirit AeroSystems对Inflexion等创新技术的投资旨在帮助公司赢得新项目并留住客户。Madison引用Spirit研发工程师Allison Wright的话写道，Spirit“希望为客户提供他们产品所需的能力——更低的重量、更高的效率或更好的制造工艺。”她指出，成本也是关键，因为Spirit与其他大公司竞争航空航天原始设备制造商的合同。

这篇文章还引用了Spirit的技术/研发总监比尔·史密斯的话：“这不是为了技术而投入‘gee-which’技术。这是为了飞机所需的要求和能力……这是关于‘你能提供比竞争对手更具成本效益的解决方案吗？’ ” 他指出，错过新项目是有后果的。“如果你输了一架，你不会等到下周才有新的飞机项目出台。赢家通吃。”

随后，文章将弯曲描述为Sprit AeroSystems在创新方面投资的一个例子：由（形状记忆）聚合物制成的工具在缠绕和固化材料时保持刚性，但额外的热量使其变得灵活，可以在那里拉伸、重塑和拉开。文章引用了Spirit研究和设计工程师Carl Fiegenbaum的话，“在固化过程中，它从一个硬工具变成了一个软工具。”他解释说，这种能力可以将复合材料桁条、框架或其他部件集成到一个单一的结构中。Smith补充道：“我越能集成复合功能，成本就越低。我的想法是一次完成所有工作。”

文章接着说，Spirit正在一个40英寸的机筒体上测试这一过程，Inflexion智能工具可以重复使用，并在多个循环中形成该形状或其他形状。Spintech在2014年的一篇文章中表示，它已经证明智能工具的寿命为40个周期，而基线工具系统的寿命为6-10个周期。据Jeff Sloan和Bob Griffiths报道，Spirit在2012年范堡罗国际航展上展示了一个圆柱形复合材料结构：

Spirit AeroSystems（堪萨斯州威奇托市）有两个技术上有趣的部件…第二部分是带有内部加强筋的圆柱形结构。从历史上看，具有捕获几何形状的零件需要多部件工具，这些工具可以拆卸以允许在捕获后移除。这些都需要花费巨大的费用，并且需要经常维护。Spirit声称开发了一种名为Inflexion的“可重新配置”工具流程，降低了工具成本。

McMillin在文章的Inflexion部分结尾引用Smith的话说，Spirit将在“相当短期的项目中以较小的方式”推出Inflexion技术，然后构建更大的应用程序。Figgenbaum补充道，“我们认为有各种架构、设计理念和配置非常适合”该过程。“它并不是所有东西都完美的。但有些地方它真的很适合。”

《Spintech opens new composites manufacturing division, Hawthorn Composites》 2021.1.18

新部门专门使用新型干纤维预成型和树脂注入技术制造复杂几何形状的复合材料零件，扩展了Spintech复合材料的能力。

Spintech Holdings位于俄亥俄州代顿的工厂。

图片来源：Spintech Holdings，股份有限公司。

Spintech Holdings，股份有限公司（美国俄亥俄州代顿）于1月18日宣布成立一个名为Hawthorn composites的新复合材料制造业务部门。这一新部门将Spintech Holdings的复合材料能力扩展到现有的智能工具部门之外，该部门为复杂几何形状的复合材料提供可成形和可重复使用的复合材料工具解决方案。

霍索恩复合材料公司专门使用新型干纤维预成型和树脂注入技术制造复杂几何形状的复合材料零件。在适当的情况下，可以通过使用智能工具解决方案来实现附加价值。Spintech表示，与传统的预浸料坯和热压罐固化部件相比，这种技术组合显著降低了劳动力和材料成本，同时保持了结构完整性和重量中性。

Spintech Holdings首席执行官Craig Jennings表示：“霍索恩公司成功的关键是当前航空航天和国防复合材料市场的转变。”，股份有限公司“正如Jeff Sloan在《复合材料世界》社论中所说，过去十年是复合材料行业创新的十年，下一个十年将专注于通过改变复合材料零件的制造方式来实现更高的效率和更低的成本。霍索恩复合材料公司将在下一个10年成为复合材料零件市场的领导者。”

利用与A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提市）的合作伙伴关系，优化碳纤维编织解决方案，包括预成型件、织物和套管，以及代顿大学研究所（UDRI，美国俄亥俄州代顿市）在使用技术刺绣和定制纤维放置制造碳纤维预成型件方面的经验，扩展了霍索恩复合材料公司设计和提供复杂几何形状复合材料解决方案的能力。

Spintech Holdings总裁Tom Margraf表示：“我们很高兴能与技术合作伙伴A&P technology和UDRI建立合作关系。”，股份有限公司“通过使用他们的自动化干纤维预成型技术，再加上霍索恩复合材料的树脂注入专业知识，我们可以为航空航天、汽车和娱乐行业的复杂结构复合材料提供有吸引力的价格。”

Y-Shaped Vent Tube | Complex Geometry Composite

《 Y形通气管|复杂几何复合材料》

2020年8月7日

上一个过程

基线工艺是将这种航空级Y形通气管分两半放入固化模具的阴模腔中，阴模腔连接起来进行固化。这经常导致层压板被夹住和不均匀。它还迫使搭接接头在同一区域上交错，导致复合材料零件更厚，强度不一致。

智能工装流程

智能工具在室温下是刚性的，在添加阻隔膜或其他释放层后，预浸料可以铺在刚性智能工具上，对接接头在零件周围交错，从而形成具有一致厚度和强度的360度固化复合材料零件。

这种Y形通气管还需要在复合通气管的内部共同固化的不渗透衬垫。该衬垫没有粘附在阻挡膜上，因此Smart Tooling制造了具有固化释放涂层的囊状物，衬垫可以粘附在该囊状物上，并且它仍然允许Smart Tool容易地从固化的复合材料零件上释放。

这种新的制造方法使Y-vent复合材料的厚度和强度一致，重量更轻，并显著节省了成本。

智能工装为航空航天和国防工业制造具有复杂几何形状的复合材料零件提供可成形、可重复使用的工装解决方案。智能工具可以提高质量，减少工时，减少耗材，提高产量——本质上，智能工具可以更好、更便宜、更快地制造复合材料零件。

Smart Tooling的形状记忆聚合物设计为室温下的航空航天级刚性环氧树脂，加热时具有高度柔性的弹性体，无需昂贵、费力、乏味、肮脏和具有挑战性的解决方案，如熔化泡沫、金属击穿工具、橡胶袋或冲洗工具。

我们为您的复合材料零件的制造提供全面的解决方案，包括定制工装工程和设计、模具制造、智能工装制造、初始复合材料零件制造、定制标准操作程序、现场启动支持和培训，以及任何必要的未来培训。

浏览我们的其他案例研究和应用程序库。有关智能工具如何工作及其应用程序的更多信息，请单击此处

《 SMPs: Reshaping old realities》 2010．11．1

《SMPs：重塑旧现实》

形状记忆聚合物复合材料从科幻小说迅速转向科学事实，在航空航天应用中显示出巨大的潜力。

这张照片和随后的两张照片展示了基石研究集团（俄亥俄州代顿）开发的变形机翼原型。机翼结合了专有的纤维增强弹性蒙皮和专有的支撑结构，使机翼能够弯曲、扭曲和拉伸。

在过去的二十年里，形状记忆聚合物（SMPs）在几乎每个行业领域都激发了人们的兴奋和研究，因为研究人员正在努力利用其在独特解决方案中的潜力。顾名思义，SMPs是一类“智能”材料，在外部刺激下，其聚合物结构会发生变化，从而实现从一种几何形状到另一种几何形状的可预测变化。

在这些“变形器”中最常见的——也是复合材料制造商最感兴趣的——是热激活开关电源。这些对外部来源施加的热量作出反应。材料温度的变化改变了结构中的分子键，从而改变了它们的机械性能。

最有新闻价值的是SMPs，其设计用于扩展或展开大型轨道空间结构，这些结构以前被折叠并紧密封装在太空运载火箭顶部的小型有效载荷整流罩中。基石研究集团（CRG，Dayton，Ohio）总裁Patrick Hood解释道：“部署是大多数人考虑形状记忆聚合物的地方。”。他解释道：“形状记忆聚合物储存能量，这些能量可以被释放来部署结构。”。

目前，CRG和竞争对手复合材料技术开发股份有限公司（CTD，Lafayette，Colo.）都有SMP复合材料铰链正在国际空间站上进行测试。CRG的铰链采用了Veriflex SMPs家族的材料。CTD多年来一直使用航天器可展开结构作为其TEMBO热固性SMP基复合材料的试验场。目前，后者也在使用SMP复合材料开发其他用于轨道飞行器的被动部署系统，包括轻型太阳能电池阵列，以及使用其TEMBO材料的大孔径高频天线反射器。

变形的翅膀：还在等待

在离地球较近的地方，人们对变形机翼技术进行了大量研究，该技术可以增加机翼面积，以优化低速时的升力，但也可以减少机翼面积，改变机翼形状，以促进高速飞行。理想情况下，变形机翼设计集成了机械结构、无缝蒙皮和执行器。尽管变形系统不需要SMPs，但这些材料对于创建适应性强的无缝机翼表面来说是一个有吸引力的选择。不幸的是，最值得注意的是，由国防高级研究计划局（DARPA）和空军研究实验室的飞行器管理局（俄亥俄州Wright Patterson空军基地）赞助的变形飞机结构项目已经结束，但CRG的胡德认为SMP变形翼皮是“一项相对于飞机其他部分而言领先于时代的技术”。

在该项目中，CRG制造了一个小尺寸的碳纤维增强Veriflex SMP复合材料机翼原型，Hood坚持认为，SMP蒙皮已经得到证明：当加热时，它可以通过内部机翼结构重塑，并在冷却时保持这种形状。当重新加热时，皮肤会恢复原状。然而，他承认，仍然存在许多实际挑战，其中最重要的是优化SMP的热量输送，同时通过空中气流显著冷却SMP。

此外，还有空气动力学载荷的问题。胡德解释说：“今天的飞机大部分载荷都是靠皮肤承受的。”。他说：“对于变形飞机，你本质上是在皮肤上‘添加橡胶’，在变形时不会承受很大的载荷。”。此外，“变形飞机的整个下部结构必须重新设计，使其看起来更像鸟的骨架，而不是传统飞机的框架。”

由美国空军资助的研究旨在解决无人机上的此类问题，这是实现机翼变形技术的自然第一步。该项目的重点是开发解决方案，在重量从10磅到5000磅（4.5公斤到2268公斤）的无人机所经历的典型飞行条件下，该解决方案将触发SMP机翼蒙皮的形态。该技术将优化飞行器在目标上空徘徊的能力，但它将能够更快地飞向目标。

主要目标是更快、更高效的供暖。根据美国空军项目描述（AF093-127）：“目前用于触发SMP的电阻加热方法无法克服飞行中的对流加热损失，从而有效地触发从刚性皮肤到不稳定皮肤的过渡（SMP皮肤模量的两到三个数量级变化）。”

在该项目的三个阶段中的第一个阶段，ADA Technologies股份有限公司（科罗拉多州丹佛市ADA）获得了100000美元，用于其概念的早期研究，该概念结合了纳米技术、SMP、热建模和体积或体积加热概念。

ADA高级研究科学家兼项目经理Steven Arzberger表示：“我们的方法基于能够同时加热整个材料。”。他认为，在适当的条件下，SMPs能够实现显著的机翼形状变化，同时仍然提供足够的刚度来承载空气动力学载荷。

Arzberger说：“使用电阻加热器，你可以非常迅速地加热周围的局部区域。”。“然而，在嵌入这些加热器的地方，材料将经历最高水平的热量产生，同时依靠热能的传递来加热周围区域。”他补充道，这种方法违反直觉，因为聚合物天生就是隔热材料。他解释道：“我们建议在机翼蒙皮中使用无线能量耦合器，这样可以更快地达到触发温度。”。

ADA开发了一种SMP家族，该家族使用纳米技术来提高纳米颗粒和SMP树脂之间界面的热导率，从而提高传热效率。根据ADA，SMPs在加热过程中的低刚度和强度可以用增强材料来平衡，例如短切碳、玻璃或芳纶纤维。而且，据报道，使用碳纳米管、纳米纤维和纳米纸（以及其他材料）可以提高SMP复合材料的热导率和电导率。

可充气、可拆卸心轴

SMPs还在生产具有复杂几何形状的中空复合材料部件时提高心轴性能。Hood解释道：“当你创建一个被截留的零件时，比如飞机上的一段管道系统，一旦铺设完成，在铺设过程中管道系统内部所需的工具就无法轻易移除。”。

为了解决这种情况，CRG开发了一种SMP，该SMP首先作为近净形状的刚性叠层芯轴运行，然后，当复合材料叠层和芯轴插入模具并受到加热和压力时，SMP软化，变得足够灵活，可以像囊状物一样膨胀。当膨胀时，SMP将材料压在模具内部。它在固化过程中保持柔性和充气，但之后，模具被冷却，当它被减压时，心轴返回到其未充气状态，以便于拆卸和重复使用。

与现有系统相比，可充气SMP心轴具有几个优点。胡德解释道：“目前使用的技术是一种带有硅胶泡沫或可冲洗心轴的硅胶膀胱。”。“然而，这些技术可能会导致零件昂贵、产量低或尺寸限制。”Hood说，SMP工具可以将成型成本降低80%，主要是节省劳动力。他补充道：“我们已经在小型机身的生产中展示了SMP工具，该机身已经试飞，我们现在正在全面生产。”。

超越热激活

胡德将热激活开关电源视为整个智能材料运动的起点。胡德说：“我们现在开始了解这些材料如何对刺激做出反应，传递信息，然后改变它们的特性。”。通过改变SMP的化学性质（通常使用具有特定特性的填料），SMP的开发者可以利用一系列外部刺激来利用稳定的智能材料。例如，CRG有一种光活化材料，当暴露在某种颜色的光下时，该材料变成弹性体，然后暴露在另一种颜色下，返回到其刚性状态。据报道，SMPs还可以被调节以对电场、磁场、红外激光、湿度和其他刺激做出反应。

然而，要做到这一点，需要更多的知识。胡德说：“如今，制造形状记忆聚合物非常简单。”。他补充道：“但制造一个具有工程特性的系统要困难得多。”。

胡德说：“将形状记忆聚合物作为一种工具，可以让我们以不同的方式思考解决问题。”。例如，在推进、弹药或食品储存等领域，测量暴露在热和湿度下的总暴露量对于确定产品的准备状态或新鲜度至关重要。他解释道：“通过控制形状记忆材料根据温度和湿度的变化而松弛的方式，然后提取累积暴露的历史，我们能够制造出一种零功耗、长寿命、廉价的传感器，既直观又易于阅读。”这项技术绝非幻想。胡德指出，它现在正处于原型阶段，并正在迅速走向全面实施。

尽管仍然存在许多挑战——例如，方便地触发形状记忆——SMP研究进展迅速。胡德认为，“作为一个社区，我们是时候开始构建一个必要的工具包，以充分利用这些非线性材料了。”

9/1/2021

《Composite-metal joining, braided preforms enable next-generation aircraft design》 （ 只翻译了一部分 ）

整体自动化工艺：编织预制件和RTM

该公司的连接技术最接近商业化，但柯林斯航空航天公司的班伯里工厂也在多样化，投资编织技术和自动化，开发复杂形状的管道、压力容器、电池外壳和其他终端产品。

Meddes解释道：“我们正在寻求制造能力的多样化。”。“我们有大量的自动化纤维缠绕机，可以生产出性能优异的优秀产品。但我们的主要目标是尝试生产与金属结构价格匹配的复合材料组件，因此我们已经开始研究其他制造方法，这些方法可以以更低的成本生产，更快地生产产品。”

Bernard指出，最初，预浸料是这种多样化的首选材料类型，这主要归功于它们坚固的材料性能，以及许多预浸料已经在商业航空航天行业中获得了广泛的资格；然而，预浸料的生产成本很高。这促使柯林斯考虑其他选择。Bernard说：“在我看来，这个行业正在朝着（更便宜的）树脂注入工艺发展，尤其是随着速固化树脂系统的出现，成型时间减少到只有几分钟，为RTM（树脂转移成型）和使用干纤维打开了大门。”

Meddes说，这一战略导致了对Herzog（德国奥尔登堡）多轴编织机的投资，以及一个新的研发设施的投资，该设施目前正在建设中，致力于自动化编织和RTM技术。

柯林斯航空航天复合材料厂的赫尔佐格编织机。

随着赫尔佐格编织机的新加入，柯林斯航空航天公司的目标是使用编织预成型来生产形状更复杂的飞机部件。

“这不仅仅是编织技术，”Bernard解释道，“而是一个整体过程，从编织（预成型件）到树脂转移成型。”Herzog机器直接在专门设计的心轴上编织；然后将编织的预成型件装载到RTM工具上用于灌注。他说：“新的是我们如何制造心轴，我们已经围绕这一点建立了编织和RTM工艺。”。整个流程目前处于TRL4，距离准备向客户提供服务还有几年的时间。

有了这一新工艺和技术，柯林斯航空航天公司打算从其标志性的直管和传动轴扩展到更复杂的形状和弯曲的管状结构。推动这一进程的是该公司为空中客车公司生产玻璃纤维复合燃料管的工作。多年来，该公司一直在为A350生产这些部件，这些部件是在基体中添加导电颗粒设计的。颗粒使管道部分导电，从而能够消散由流经管道的燃料引起的静电荷积聚。然而，这些管道的导电性不高，会将雷击引入燃料系统。在赢得A350燃油管合同时，技术限制使柯林斯航空航天公司只能建造直管，这限制了飞机燃油系统的设计。

Bernard解释道：“对于下一代飞机，我们需要一个部分导电的管道和一个形状复杂的管道，以使原始设备制造商在开发复合材料机翼时具有更大的灵活性，而不受直管燃料管的限制。”。

除了复杂形状的管道外，该工厂还扩大了其编织预制棒技术，包括用于储存氧气的编织压力容器，以及用于航空航天和汽车市场的气态和液态氢气。柯林斯航空航天公司希望为其编织、内衬的IV型和无内衬的V型复合材料储罐提供广泛的尺寸选择。Meddes说：“我们认为编织预制件和RTM解决方案将使我们的生产时间（与目前市场上的其他压力容器相比）更快，因此成本也很有吸引力。”。