GKN Aerospace、McLaren Automotive 和总部位于英国的合作伙伴共享目标和进展，旨在实现高速、支持工业 4.0 的可持续材料和工艺。
跨部门协作。ASCEND 的目标是在英国为航空航天和汽车行业建立复合材料供应链。项目合作伙伴包括专门从事数字工具、材料、工具设计等的原始设备制造商、制造商、研究人员和供应商。图片来源：Axillium
与标题相符的图片来源：McLaren Automotive
在英国和全球范围内，航空复合材料供应链正在努力为飞机原始设备制造商提供潜在的解决方案，以生产更高速率、更多复合材料密集型飞机部件——包括材料开发、新工艺技术、新型连接技术等在内的新创新。
大约三年前， GKN 航空航天公司（英国索利哈尔）综合复合材料结构技术总监兼英国工业委员会复合材料领导论坛 (CLF) 主席 Craig Carr 开始意识到CLF 合作伙伴迈凯轮汽车公司(CLF) 的高度自动化技术（英国沃金 (Woking)位于谢菲尔德的迈凯伦复合材料技术中心 (MCTC)致力于生产高质量的复合材料汽车部件。两家公司很快意识到，跨部门合作可以带来很多好处。
MCTC 工程主管 Joseph Elford 解释说，迈凯伦于 2018 年开设了 MCTC，为公司的高性能车辆开发更高速率的复合材料技术——在这种情况下，“高速率”意味着每年几千个零件。
“[这] 在汽车领域并不是严格意义上的高比率，但在复合材料领域是高比率，而且我们一直说我们可能更接近航空航天业而不是主流汽车，在就速率和我们使用复合材料构建复杂的集成部件的方式而言，”Elford 指出。
GKN Aerospace 和 McLaren“开始问，我们如何利用我们之间的这些技术？” 卡尔说。“在汽车价格的能力和航空航天质量的要求之间，应该有一个我们都可以从中学习的中间答案。”
基于这些初步对话，ASCEND（航空航天和汽车供应链支持开发）联盟于 2021 年初 成立。这项耗资 4000 万英镑、为期四年的计划由 GKN Aerospace 位于英国布里斯托尔的全球技术中心 (GTC) 牵头，由Axillium Research（英国达文垂）组织和管理。 该项目部分由英国政府通过 Innovate UK 和航空航天技术研究所 (ATI) 提供财政支持。
“该计划的主要内容不仅是开发演示部件，而且 是为 [航空航天和汽车] 行业开发跨部门和集成的供应链解决方案，从而使产品能够以更高的速度制造。”
除了 GKN Aerospace、McLaren Automotive 和 Axillium，ASCEND 还包括其他 13 个跨越供应链的英国项目合作伙伴：Assyst Bullmer、Cygnet Texkimp、Far-UK Ltd.、Hexcel Composites、Hive Composites、LMAT Ltd.、Loop Technology 、国家复合材料中心(NCC)、Rafinex、Sigmatex、Solvay Composite Materials、Airborne和 Des Composites。
ASCEND 的领导者将其称为跨部门技术和供应链开发计划，旨在加入航空航天和汽车行业。Carr 解释说，对于商用单通道飞机，ASCEND 的目标是以每月 100 架的速度生产复合材料密集型飞机；对于城市空中交通 (UAM) 市场，该比率可能要高得多。
Axillium 董事长 Will Searle 补充说：“该计划的主要内容不仅是开发演示部件，而且是为 [航空航天和汽车] 行业开发跨部门和集成供应链解决方案 ，使产品的制造速度更快. 我们面临的挑战是将生产率提高一倍，从而使我们能够在任何行业生产这些新组件。这才是核心。”
五个主题：从设计到检验
ASCEND 的高级目标分为五个主题：
- 轻量化设计工具
- 未来材料系统
- 速率自动化
- 电动化、多功能化
- 综合混合结构
这五个主题在 17 个工作包中得到展示，这些工作包进一步细分为 42 个单独的项目或“接触点”，正如 Searle 所描述的那样。该计划从 2021 年开始到 2024 年结束，其目标是让尽可能多的工作达到技术就绪水平 (TRL) 6，并在汽车和航空航天市场的原型级别展示关键速率目标。
除了技术本身，Searle 还强调，构建供应链能力的另一个重要部分是在劳动力中创造新的角色和技能 。在 ASCEND 计划的过程中，将在英国创造大约 2,000 个技术工作岗位。
以下是迄今为止每个计划主题的一些进展摘要。
ASCEND 工作项目分解
主题 1：轻量级设计工具。在设计层面，仿真和优化算法开发商 Rafinex（英国伦敦）和工程公司 Far-UK Ltd.（西布里奇福德）等合作伙伴正在开发软件工具来优化复杂的复合材料设计，包括管理现实生活中的服务可 变性和由此产生的可靠性风险。正在对用于验证的数字和物理演示器进行研究。
下一级设计工具。数字线程和优化仿真技术是整个项目的首要工作包。图片来源：GKN Aerospace
重要的是，数字线程技术正在贯穿所有工作包，从零件建模开始，到树脂传递模塑 (RTM) 或长丝缠绕工艺步骤，自动化解决方案专家 Airborne 通过数据监控和收集架构实现自动化和数字化.
主题 2：未来材料系统。通过该项目开发的所有工艺技术——进出高压釜——旨在实现更快的循环和固化时间，需要更快固化的树脂系统。ASCEND 主要关注热固性树脂系统，Carr 解释说，尽管正在考虑将热塑性塑料用于氢气罐工作包（更多内容见下文）。合作伙伴 Hexcel Composites（英国剑桥）、Solvay Composite Materials（英国雷克瑟姆和希诺）和 Sigmatex（英国柴郡）一直致力于开发快速固化的两部分树脂系统，以使用干胶带、预浸料和无卷曲织物 (NCF)。
此外，GKN Aerospace 的首席研究工程师 Kevin Barlow 解释说，“可持续性”是一个超越每个主题的目标，尤其是在材料系统工作中。国家复合材料中心 (NCC) 正在与材料供应商合作伙伴合作，研究和记录在材料开发以及后续工艺步骤中产生的排放物。
“将来需要这个框架来实现净零排放目标，”巴洛解释道。“我们正在过去所做的工作的基础上，通过切换到 OOA [非高压灭菌器] 流程（如 RTM）和自动 NCF 放置以及为明日之翼 [WOT] 计划成型，实现了 80% 的 节能。在这里，我们正在努力使用更少的能源并产生更少的废物。”
Searle 补充说，NCC 正在开发可持续复合材料的回收价值流。“随着我们提高生产率并生产更多零件，这意味着我们也增加了浪费。在 ASCEND 中，这是 NCC 领导的一个中心目标，以支持整个计划中的可持续流程。”
关注可持续性。ASCEND 项目流程的每一步都在考虑减少废物和排放。图片来源：GKN Aerospace
随着该计划的继续，具有更高抗冲击性和多功能性的材料也是特定主题 2 工作包的目标。
主题 3：支持速率的自动化。工作包中使用的主要工艺是预浸料热成型、RTM 和用于创建 2D 毛坯的新型干纤维沉积工艺（更多内容见下文）。为了加快周期时间，自动化和机器人技术正在尽可能多的工艺阶段实施，以及先进的层片切割和嵌套以优化预成型工艺，同时减少原材料浪费。
此外，还开发了新颖和优化的工具系统，以实现更快的循环时间。迄今为止的发展包括 3D 打印工具、自加热复合工具、形状记忆聚合物 (SMP) 工具等可重复使用智能工具的演示，以及超声波传感器和其他用于过程监控的无损评估 (NDE) 系统的集成。
LMAT Ltd.（英国布里斯托尔）是一个重要的合作伙伴，致力于开发具有更高热效率的自加热复合工具，以及自动/免工具零件弹出功能，以增强操作性和耐用性。此外，Hive Composites（英国莱斯特郡）正在研究一种新型自加热模具技术，与传统的热固性固化方法相比，该技术可显着节省能源。
主题 4：电气化和多功能主义。这些工作包将引入集成的多功能机身结构——包括由合作伙伴 Hive Composites 开发的基于纳米材料的除冰系统、复合面板中的集成电线以及用于未来零排放的 V 型低温氢罐的材料概念，净-零飞机。
在储罐工作包中，目标包括探索适用于低温的复合材料的全球供应链，同时在英国开发测试能力以在试件级别验证低温性能，并了解纤维缠绕或编织储罐的制造能力.
主题 5：综合混合结构。由 Hive Composites 和 Far-UK 牵头的主题 5 工作包侧重于通过粘合和其他连接方法消除紧固件。目前的目标是使用机器人粘合剂点胶实现键合过程自动化，使用嵌入式加热改进二次键合过程并评估表面制备方法。纳米导电粘合剂也正在与联合检测技术一起开发，例如可用于监测粘合层结构完整性的传感器。
在展示个别技术的同时，上述所有套件还致力于几个针对航空航天和汽车应用的演示项目。此外，其中一些演示器直接在这两个行业之间工作——最初是带叶片的飞机翼尖和汽车后地板。
航空航天演示器：验证汽车工艺、速率
航空航天演示器将展示多种工艺：纤维缠绕储氢罐；一个 RTM 翼盒；热成型预浸料后缘、翼肋和翼梁；用胶带铺成的弯曲翼尖蒙皮；以及由 RTM'd NCF 制成的带刃翼尖。
据 Carr 称，带叶片的翼尖演示器 标志着 GKN Aerospace 和 McLaren Automotive 合作开发的第一部分。GKN Aerospace 根据类似客户的单通道飞机机翼设计并使用 Theme 1 工作包中的下一代随机拓扑优化软件，设计了翼尖，包括蒙皮、翼梁和翼肋。该数字模型已提供给迈凯轮团队，该团队正致力于使用汽车原理优化设计和流程以实现更高的速率。Carr 说，主要目标之一是使用一种可以将节拍时间从 1 小时缩短到 30 分钟的工艺来生产零件。
这到底是什么意思？机翼蒙皮和翼梁的预成型件 将通过 RTM 使用 NCF 和专门的预成型工艺制造——材料和工艺最初由迈凯轮汽车公司在 MCTC 为其生产汽车零件开发。
飞机翼尖的集成工作流程。 带叶片的翼尖和其他 ASCEND 演示器用于展示所有程序工作包技术如何结合以生产高质量、高速率的复合材料组件。图片来源：GKN Aerospace
具体来说，迈凯轮的 Elford 解释说，其新推出的Artura 插电式混合动力电动汽车的全复合底盘是 ASCEND 计划合作的灵感之一，也是 MCTC 自成立以来交付的第一款产品。
被称为迈凯伦碳纤维轻量化架构 (MCLA) 的底盘“完全集成——完整的结构、地板、电池腔、碰撞结构、安装硬件——一切都集成到一个单一的 RTM 模制组件中，”Elford 说。“ RTM 过程是我们在过去 15 年中一直在开发的东西，在过去的五年里，我们一直在内部进行，并对我们自己的 RTM 系统进行了大量改进，其中一些将在航空航天领域真正具有重要意义。”
系统如何缩短周期时间并提高吞吐量？Elford 解释说，“高速率 RTM 确实是我们的关键技术，我们已经在整个材料供应链中开发了这项技术——工艺、树脂化学，一直到层切机的新刀片几何形状，以便能够每小时切割数千片碳纤维。”
该工艺的一项重大改进是开发了不需要在零件之间进行清洁或维护的精密专有工具。零件成型后，机器人将零件抬起，然后可以立即重新装载工具。“这在很多注塑成型实践中都是常规做法，但在复合材料行业几乎无法实现，”Elford 指出。用于过程监控的集成传感器还可以实现对过程操作的高度可见性。
第一个翼尖组件。 从现在到 2024 年项目结束，完整的翼尖演示器将完成。截至 2023 年初，像这样的热成型肋条是第一批生产的物理部件，使用 Hexcel 和 Solvay 为 ASCEND 开发的快速固化预浸料制造。图片来源：GKN Aerospace
为了进一步缩短周期时间，迈凯轮还开发了专有的预成型工艺，使用专门设计的成型机，每次可在两分半到三分钟内交付预成型件，并使用转盘系统更换工具以提供不同的形状。然后将这些半固结的预制件装入 RTM 机器中，在自加热工具上进行灌注和成型。所有这些技术都是为迈凯伦的高性能公路车开发的——“但我们可以看到，这与航空航天业有很多明显的相似之处，”Elford 指出。
工装设计。翼尖演示项目的一部分一直在开发新的 RTM 工具，以实现更快的自动化制造。自加热和形状记忆聚合物 (SMP) 工具是所使用的技术之一。图片来源：GKN Aerospace
ASCEND 翼尖被选为在航空航天部件中展示该技术的第一个部件。翼尖“也体现了我们的一些[汽车]设计理念，”Elford 指出。“我们看待翼尖的方式是，如果它是汽车上的产品，我们将如何设计它？我们将如何设计它？知道我们可以在节拍时间方面进入每个零件分钟的领域，我们将如何制造它？”
对于翼尖项目，开发了自加热形状记忆聚合物工具，以进一步降低成本并缩短加工时间。
最后一部分将在明年项目结束前完成；截至 2023 年初，正在制造第一批物理组件，如热成型肋骨（见上图）。
汽车演示：证明航空航天材料的质量
ASCEND 的两个主要汽车演示器是后地板和车门。“后地板在某些方面与许多航空航天应用相似；它有一个受压的表皮，后车架的一部分为汽车后部提供刚度，以在转弯负载和制动力期间支持稳定性，而且它是一个非常关键的空气动力学表面，”Elford 解释道。
他说，虽然翼尖是展示迈凯伦现有航空航天汽车技术的机会，但后地板是开发下一代汽车技术的机会。
“下一个重大挑战是消除制造过程中的浪费，”Elford 说。“为此，我们已经开始开发我们自己的胶带沉积技术。”
他解释说，这种专有工艺是自动纤维铺放 (AFP) 的替代方案——“AFP 是您用来获得具有近净形坯料且零浪费的带格式的方法，但它对于我们的速度来说太慢了需要。” 因此，MCTC 正在开发一种用于铺层二维坯料的高速胶带沉积工艺，然后可以对其进行预成型和 RTM'd。
McLaren Automotive 现已为 ASCEND 项目制造了其演示车后地板原型（见下图），并于 2022 年底在Artura GT4 车辆上测试了地板。
汽车后地板设计。后地板组件（此处显示为连接到车辆底盘其余部分的渲染图）展示了迈凯轮新颖的预成型和胶带沉积工艺。截至 2022 年底，第一批物理部件已完成并在车辆上进行测试。图片来源：迈凯轮汽车
好处包括高生产率、由于减少废料而节省的材料成本、略微提高的刚度以及比铝部件显着减轻的重量。
胶带材料和工艺由 McLaren 为 ASCEND 开发，合作伙伴 Sigmatex 发挥了关键作用。
在验证地板演示器后，ASCEND 的下一步将是设计和制造车门演示器。“这是复杂性的下一步，”Elford 解释说，包括安全和质量要求、负载情况以及它是涂漆的 RTM 表面这一事实。
Elford 说，在改用磁带时会出现新的挑战，GKN Aerospace 的合作伙伴关系和知识对于开发过程至关重要。他指出，“用胶带预成型有细微差别——缝隙、重叠、展开，胶带的稳定性与缝合织物 [NCF] 根本不同。用胶带预成型有很多发展，但这一切都发生在我们现有的技术上。我们有能力改变温度、压力、速度等，基本上磨练出适用于胶带的最佳参数。”
航空航天业“尤其是磁带制造过程验证方面的专家。只要我们使用 RTM，他们就一直在使用磁带，所以这真的很有价值——他们对磁带在生产基础设施中的表现以及如何通过流程进行验证具有洞察力和知识；这对我们来说是一个很好的机会，可以了解我们的方法如何在不同行业进行比较，并一起分享我们的经验教训。航空航天也处于在线过程检测的前沿，所以这是另一个机会。”
后续步骤：自动化 RTM 单元、物理原型
截至 2023 年初，前两个主题（工具、材料和零件级设计）的大部分工作已经完成，并且正在生产第一批物理零件。迈凯轮的后地板演示器是第一个制造的，还有几个用于翼尖项目的肋骨和翼梁。
自动化工作单元。ASCEND 合作伙伴 Airborne 开发了一种全自动预成型和 RTM 单元，将于 2023 年夏季安装在 GKN 位于布里斯托尔的全球技术中心，用于生产该联盟的多个航空航天演示组件。图片来源：机载
在 GKN 的 GTC，由 ASCEND 合作伙伴 Airborne 设计的自动化预成型单元将于 2023 年 8 月安装，并将生产最终的翼尖和翼盒 演示器。这些团队还致力于提高已经开发的 SMP 工具和热成型肋骨演示器的 TRL。
“我们之所以同时做这么多事情，是因为我们主要关注产品，以及其中的所有要求。因此，我们正在进行设计、材料、自动化、检查——这一切都绝对需要以我们需要的速度进行，”Carr 指出。
Barlow 补充道：“其他合作伙伴也进行了大量协作，为我们的工作包提供支持，我们也为他们的工作包提供支持。它确实变得相当复杂。”
这一切会归结为什么呢？是的，高 TRL 演示部件，还有可以转移到其他下一代航空航天和汽车部件中的材料和工艺知识。“我们不仅仅专注于在工厂制造零件，这对 ASCEND 的成功至关重要，”Searle 说。“我们还建立了以最佳速度运营工厂的能力，拥有最好的材料 和 高技能的劳动力，以加速英国复合材料社区的发展。”
