陈济桁丨ASCEND计划更新：联合设计下一代高速汽车与航空航天复合材料

2023年2月22日，复合材料世界网站报道了ACCEND计划的最新进展，英国GKN航宇公司、迈凯伦汽车公司和其他总部位于英国的合作伙伴展开了更为紧密的合作，旨在实现高生产速率、能够支持工业4.0发展的可持续材料与工艺。在先进复合材料领域开启航空航天与高端汽车制造业供应链的合作，是一次非常有意义和尝试，目前看取得了部分比较可观的研究成果。本号对最新进展进行了编译整理，供读者参考。

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，以更高速率生产更多复合材料密集型飞机的部件——包括研发新材料、新工艺、新结构连接在内的诸多创新技术。在这一浪潮中，英国也不例外。

跨领域合作。ASCEND计划的目标是在英国境内为航空航天和汽车行业建立可共用的复合材料供应链。项目合作伙伴包括专门从事数字工具、材料、工装制造设计等的原始设备制造商、材料制造商、研究机构和供应商。图片来源：Axillium

大约三年前，英国GKN航宇公司集成复合材料结构技术总监、英国工业委员会复合材料领导论坛（CLF）主席格雷格·卡尔，开始重点关注到CLF成员及合作伙伴迈凯伦汽车公司的高度自动化技术，该公司在其位于英国谢菲尔德的迈凯伦复合材料技术中心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，也许跨领域合作可以为双方都带来很多好处。

迈凯伦公司于2018年开设了复合材料技术中心，其工作重点是为公司高性能车辆开发能以更高速率制造复合材料的技术。这里所指的“更高速率”意味着每年生产出几千个合格的大型零部件。

实际上在汽车领域，几千个零部件的年产量并不是严格意义上的“高速率”，但具体到复合材料零部件就是非常显著的“高速率”。迈凯伦公司内部一直认为，对于生产速率和利用复合材料构建复杂集成部件的方式而言，公司的业务模式更接近航空航天业而不是主流汽车工业。GKN航宇公司和迈凯伦公司开始探索，如何更好的利用双方都明确需要的复合材料制造技术。在汽车工业高速率生产制造能力和航空航天领域超高质量要求之间，应该存在一个平衡点，使得双方互利共赢。

基于上述讨论，ASCEND（航空航天与汽车供应链联合发展）计划于2021年初正式启动。这项斥资4000万英镑、为期4年的计划由GKN航宇公司位于英国布里斯托尔的全球技术中心（GTC）牵头，由英国Axillium研究公司组织和管理。英国政府通过“创新英国”（Innovate UK）和英国航空航天技术研究所（ATI）向该项目提供了部分财政支持。

除了GKN航宇公司、迈凯伦汽车公司和Axillium研究公司，ASCEND计划还包括其他13个跨供应链的英国项目合作伙伴：Assyst Bullmer软件公司、英国Cygnet Texkimp公司、Far-UK公司、赫氏复合材料公司（Hexcel）、Hive复合材料公司、LMAT公司、Loop科技公司、英国国家复合材料中心（NCC）、Rafinex公司、Sigmatex公司、索尔维复合材料公司（Solvay）、Airborne公司和Des复合材料公司。

ASCEND计划的领导者将其称为跨领域技术和供应链开发计划，旨在将航空航天工业和汽车工业紧密的结合起来。具体的，对于商用单通道飞机来说，ASCEND计划的目标是满足每月100架复合材料密集型飞机的生产速度；对于城市空中交通（UAM）市场来说，速率可能要高得多。

Axillium研究公司董事长Will Searle表示，该计划的主要内容不仅是开发演示验证件，而且是为航空航天与汽车行业创造跨领域和集成供应链的解决方案，使产品的制造速度更快。当前面临的最大挑战、也是实现技术突破的核心问题是，如何将现有生产率提高1倍，并通过这种方式实现新零部件的快速生产和跨行业共用。

01

计划包含五大主题：

从设计到检验

ASCEND计划包括五个主题：

• 轻量化设计工具
• 未来材料体系
• 自动化高速率
• 电气化、多功能化
• 集成混合结构

这五个主题将通过17项任务解决，这些任务进一步细分为42个单独项目或重点研究内容。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成熟度6级（TRL），并在汽车和航空航天市场的原型级别产品中演示验证关键的生产速率目标。

除了技术本身，构建供应链能力的另一个重要部分是在劳动力中实现创新，创造新的工种和新的职业技能。ASCEND计划实施过程中将为英国创造大约2000个技术工作岗位。以下是迄今为止每个主题的部分进展情况摘要。

• 主题1：轻量化设计工具

在设计层面，仿真和优化算法开发商英国Rafinex公司与Far-UK工程公司等合作伙伴正在共同开发软件工具，优化复杂复合材料结构设计，包括模拟应对现实工况环境多样性以及由此产生的可靠性风险。目前正在针对数字与物理演示验证模型开展相关研究。

新一代设计工具。数字线索和优化仿真技术是整个项目中的首要任务。图片来源：GKN航宇公司

数字线索技术正在贯穿全部工作，从零件建模开始，通过树脂传递模塑（RTM）或缠绕成型工艺步骤，自动化解决方案专家Airborne公司通过监测数据、集合架构实现自动化和数字化。

• 主题2：未来材料体系

通过该项目开发的所有技术，无论是利用热压罐还是使用非热压罐工艺，其最终目标都将是实现更快的循环和固化时间，因此需要创造出能够更快固化的树脂体系。ASCEND计划主要关注热固性树脂体系，而热塑性树脂主要在复合材料储氢罐任务中重点考虑。合作伙伴赫氏复合材料公司、索尔维复合材料公司和Sigmatex公司一直致力于开发快速固化的两部分树脂系统，重点使用干纤维带、预浸料和非卷曲织物（NCF）。

此外，GKN航宇公司的首席研究工程师Kevin Barlow表示，“可持续性”是隐藏在每个主题背后的首要目标，尤其是在未来材料体系任务中。英国国家复合材料中心（NCC）正在与材料供应商伙伴合作，研究和记录在材料研发与后续工艺步骤中产生的排放物。未来需要利用这套用材框架实现净零排放目标。目前材料领域正在过去所做工作基础上，通过逐步转向使用非热压罐（OOA）工艺（如RTM）和自动非卷曲织物铺放技术，并在空客“明日之翼”项目中完成部件成型，最终节省了80%的能耗。而在这项工作中，科研人员正在努力使用更少的能源并产生更少的废物。

英国国家复合材料中心正在创造可持续复合材料的回收价值。随着零部件产量增加，生产效率提高，资源浪费不可避免的持续增加。在ASCEND计划中，增强复合材料的回收价值是NCC领导项目的一个中心目标，以支撑整个计划的可持续性。

关注可持续性。ASCEND计划流程的每一步都不断考虑减少废物和排放。图片来源：GKN航宇公司

随着该计划的继续执行，具有更强抗冲击性和多功能性的材料也将是主题2任务中需要完成的工作。

• 主题3：自动化高速率

本项任务中贯穿整项的工作内容是预浸料热成型，RTM与新型干纤维沉积工艺。为了缩短制造周期，自动化和机器人技术正尽可能多的应用到制造过程中，先进的层片切割和嵌套技术也广泛应用以优化预成型工艺，同时进一步减少原材料浪费。

此外，项目中还进一步开发了创新和优化的工具系统，以实现更快速的制造周期循环。迄今为止已经发展了包括3D打印工具、自加热复合材料工具、形状记忆聚合物（SMP）工具等可重复使用的智能工具演示验证技术，以及超声波传感器和其他用于过程监控无损评估（NDE）的集成系统。

英国LMAT公司是该计划的重要合作伙伴，致力于开发具有更高热效率的自动化加热复合材料工具，以及自动/免工具零部件脱模功能，以增强制造过程的可操作性和耐用性。此外，英国Hive复合材料公司正在研究一种新型自加热模具技术，与传统的热固性复合材料固化方法相比，该技术可显著降低能耗。

• 主题4：电气化、多功能化

主要任务包括引入集成化的多功能机身结构——包括由合作伙伴Hive复合材料公司开发的基于纳米材料的除冰系统、复合材料面板中的集成天线，以及用于未来零排放、净零飞机的V型低温氢储罐材料概念。

在氢储罐任务中，其主要目标包括考察适用于低温的复合材料全球供应链，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氢罐的制造能力。

• 主题5：集成混合结构

由Hive复合材料公司与Far-UK公司牵头的主题5任务，主要致力于利用粘合或其他连接方式全面代替紧固件。当前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，同时评估表面处理方法。纳米导电粘合剂也正在与联合检测技术共同开发，例如可用于监测粘合层结构完整性的传感器。

在验证个别技术的同时，上述所有任务还支撑了几项针对航空航天和汽车工业的演示验证项目。此外，其中一些演示验证件可直接跨两个行业共同发挥作用——如帆片式翼梢小翼和汽车后座地板。

02

航空航天演示验证件：

被证明适用于汽车工艺和生产速率

航空航天演示验证件将验证多种工艺：如纤维缠绕制造的氢储罐；RTM工艺制成的翼盒；热成型预浸料后缘、翼肋和翼梁；用纤维带铺放成型的曲面翼梢小翼蒙皮；由RTM非卷曲织物制成的帆片式翼梢小翼等。

帆片式翼梢小翼（bladed wingtip）演示验证件，是GKN航宇公司与迈凯伦汽车公司合作首个零部件。GKN航宇公司根据类似客户的单通道飞机机翼设计，结合主题1任务中形成的新一代随机拓扑优化软件，设计了翼梢小翼，包括蒙皮、翼梁和翼肋。该部件数字模型已提供至迈凯伦公司相关研究团队。目前该团队正致力于利用汽车生产准则优化设计和流程，以实现更高的生产速率。这项工作的主要目标之一是使用一种可以将产距时间从1小时缩短至30分钟的工艺生产零部件。

这意味着，机翼蒙皮和翼梁预成型件需使用非卷曲织物并通过RTM工艺和专门的预成型工艺制造——这种材料和工艺最初由迈凯伦公司在其复合材料技术中心（MCTC）为汽车零部件生产研发。

飞机翼梢小翼的集成工作流程。帆片式翼梢小翼和其他ASCEND计划中产生的演示验证件，均用于展示所有任务中的技术成果如何与生产相结合，以形成高质量、高速率的复合材料零部件。图片来源：GKN航宇公司

迈凯伦公司表示，其最新推出的Artura插电式混合动力电动汽车的全复合材料底盘，是促使迈凯伦参与ASCEND计划合作的动因之一，也是迈凯伦复合材料技术中心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）的全新底盘，实现了完全集成——完整的结构、地板、电池腔、碰撞结构、安装硬件等都集成到一个单一的RTM成型组件中。迈凯伦表示，RTM工艺是过去15年中公司一直努力研发的东西。在过去5年中，公司一直在内部推进项目，并对自身的RTM系统进行了大量改进，其中一些改进将在航空航天领域发挥真正重要的作用。

新的制造体系如何能够实现时间缩短并提高产量？迈凯伦表示，高速率RTM确实是长期以来一直追求的关键技术，公司已经在整个材料供应链中研发了这项技术——包括工艺、树脂配方，甚至延伸到了层切机新刀片的几何形状，以便能够实现每小时切割数千块碳纤维。

该工艺的一项重大改进是开发了不需要在零部件之间进行清洁或维护的专用精密工具。零部件成型后，只需要机器人将零部件取出，制造工具既可以迅速投入下一个零部件的生产中。这种方式在以往注塑成型实践中是比较常规的做法，但在复合材料行业几乎没有实现。在整个制造过程中，用于工艺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。

第一个翼梢小翼部件。从现在开始一直到2024年项目结束，完整的翼梢小翼演示验证件将最终完成。截至2023年初，如图，这种热成型翼肋是第一批生产出来的结构零部件，它使用美国赫氏和比利时索尔维公司为ASCEND计划开发的快速固化预浸料制造。图片来源：GKN航宇公司

为了进一步缩短制造周期，迈凯伦公司还开发了专有预成型工艺，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制造工具以适应不同的结构外形。然后将这些半固结的预制件置入RTM制造体系中，在自加热工具上进行结构灌注与成型。上述技术均是为迈凯伦高性能公路汽车研发，虽然具体参数存在差异，但技术本身与航空航天制造领域存在很多明显相似点。

工装设计。翼梢小翼演示验证件研发工作的一部分是开发新的RTM制造工具，以实现更快速的自动化制造。自加热和形状记忆聚合物(SMP)工具是其中使用的关键技术之一。图片来源：GKN航宇公司

ASCEND计划翼梢小翼被选为在航空航天零部件中验证该技术的首个部件。翼梢小翼也体现了部分汽车工业的设计理念。迈凯伦公司认为，如果将翼梢小翼确定为汽车结构中的一部分，需要明确如何将它设计出来，如何通过工程方式实现，如何将它制造出来，同时也要深刻理解，如何利用新工艺技术将零部件产距时间缩短至以分钟为单位计算。针对翼梢小翼项目，研究人员最终开发了自加热和形状记忆聚合物工具，进一步实现了降低成本、缩短加工时间。翼梢小翼研发工作的最后一部分任务，将在明年项目结束前完成。截至2023年初，该项目正在完成第一批相关零部件的制造，如热成型翼肋等。

03

汽车演示验证件：

验证航空航天材料应用品种与质量

ASCEND计划中的两个主要汽车演示验证件是后地板和车门。后地板在某些方面与许多航空航天装备应用部位类似，均需要抗压的表面蒙皮，后车架的一部分为汽车后部提供刚度，以在承受转弯载荷、车体获得制动力期间保持结构稳定性。此外对于汽车来说，它还是非常重要的、满足空气动力学要求的结构表面。

翼梢小翼演示验证件不仅是迈凯伦公司现有汽车制造技术向航空航天领域转移应用的绝佳机会，同时也是研究开发下一代汽车制造技术的绝佳机遇。

这项工作中面临的下一个重大挑战是消除制造过程中产生的材料和能源浪费。为此，迈凯伦公司已经开始研发自有的纤维带沉积技术。这种专有工艺是自动纤维铺放（AFP）技术的替代方案。自动纤维铺放技术是用来获得具有近净形材料且零浪费纤维带形式的主要方法，但这种工艺方法对于汽车制造业来说过于缓慢。为此，迈凯伦复合材料技术中心正在开发一种用于铺放平面结构的高速纤维带沉积工艺，然后可以对其进行预成型和RTM制造。

迈凯伦汽车公司现已为ASCEND计划制造了其车后地板演示验证原型件（见下图），并于2022年底在Artura GT4车辆上进行了实车测试。

汽车后地板设计。后地板组件（此处显示了包括连接到车辆底盘其他部分的渲染图）展示了迈凯伦公司创新的预成型和胶带沉积工艺。截至2022年底，第一批结构部件已完成制造并在车辆上进行相关测试。图片来源：迈凯伦汽车

新工艺带来的好处显而易见，包括高生产率，由于减少废料而节省的材料成本，略微提高的结构刚度以及相比铝合金部件显著的结构减重效益。纤维带材料和工艺由迈凯伦公司与ASCEND计划中的合作伙伴共同研发，如Sigmatex公司就在其中发挥了关键作用。

在完成汽车地板演示验证件后，ASCEND计划的下一步将是设计和制造汽车车门演示验证件。该步骤将进一步增加难度和复杂性，其中包括安全和质量要求、负载情况，此外，由于车门结构需要在外表面涂漆，RTM结构表面也将受到进一步考验。

在改用纤维带铺放工艺后会面临新挑战，与GKN航宇公司的紧密合作和其带入的专业技术能力对整个研发过程至关重要。使用纤维带沉积工艺实现预成型与传统方式存在细微差别——缝隙、重叠、延展等方面，纤维带的稳定性与非卷曲织物存在极大不同。使用纤维带预成型方面已经取得了很大发展，但这一切都基于现有的技术。新技术将有能力改变温度、压力、速度等，通过不断磨合最后调配出最适用于纤维带的最佳工艺参数。

航空航天工业是纤维带制造工艺验证方面的专家。只要航空领域使用RTM工艺，就会用到纤维带制造技术，所以航空航天领域对于纤维带在制造基础设施中的表现，以及通过何种流程进行验证，具有充分的经验。这项工作对于汽车工业来说是一个很好的学习机会，可以将汽车行业中使用的方法与其他不同行业进行比较，同时分享制造过程中的经验教训。航空航天工业也处于实时在线工艺检测领域的前沿，这项工作对于汽车行业来说也同样具有重要意义。

04

后续工作：

自动化RTM单元，制造更多原型件

截至2023年初，前两个主题（工具、材料和零部件级设计）的大部分工作已经完成，并且正在生产第一批零部件。迈凯伦公司汽车后地板演示验证件已经完成制造，此外还有包括用于翼梢小翼的翼肋和翼梁。

自动化工作单元。ASCEND计划合作伙伴Airborne公司开发了一种全自动预成型和RTM单元，将于2023年夏季部署在GKN航宇公司位于布里斯托尔的全球技术中心，用于生产该计划中的多个航空航天演示验证件。图片来源：Airborne

在GKN航宇公司的全球技术中心中，由ASCEND计划合作伙伴Airborne设计的自动化预成型单元将于2023年8月完成部署，并将生产最终的翼梢小翼和翼盒演示验证件。研究团队还致力于提高已经开发的形状记忆聚合物工具和热成型翼肋演示验证件的技术成熟度（TRL）。

GKN航宇公司表示，之所以同时推进这么多项目，是因为公司主要关注产品，以及其中的所有需求。因此，公司在设计、材料、自动化、检测等领域正在全方位推进工作，这些任务都要以满足公司需求的高速度标注持续推进。

这一切的努力最终不仅将带来具有高技术成熟度的演示验证零部件，还可以深入了解材料和工艺技术，并将其推广至新一代航空航天装备和汽车工业领域中应用。研究人员将不仅仅专注于在工厂制造零部件，还将共同构建起以最佳速度运营工厂的能力，同时拥有最好的材料和专业化高技能劳动力，以加速英国复合材料工业文化的发展。这对于ASCEND计划的成功至关重要。

中国航空工业发展研究中心 陈济桁

 

主编：王元元

执行主编：胡毅华

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原文始发于微信公众号（民机战略观察）：陈济桁丨ASCEND计划更新：联合设计下一代高速汽车与航空航天复合材料