Joby Aviation通过新型TX-45编织材料优化eVTOL飞机生产流程并降低成本

Joby Aviation （美国加利福尼亚州圣克鲁斯）自成立以来就已成为先进空中交通 （AAM） 市场的领跑者之一，并且没有丝毫放缓的迹象。2025 年 1 月，Joby 宣布已成功完成电动垂直起降 （eVTOL） 飞机尾部结构的静载测试，并根据型式检验授权 （TIA） 进行了首次联邦航空管理局 （FAA） 测试，TIA 是飞机开始商业客运运营的认证流程。Joby 声称它是第一家完成 TIA 五个阶段中三个阶段的 eVTOL 制造商。2025 年 3 月，Joby 还宣布与英国航空公司维珍航空合作，在英国推出空中出租车服务

Joby 在其 eVTOL 飞机中广泛使用复合材料。在为商业运营做准备的同时，Joby 一直在探索如何扩大其生产规模。Joby 最近与材料供应商东丽先进复合材料公司（美国加利福尼亚州摩根山）、A&P 技术公司（美国俄亥俄州辛辛那提）和美国国家航空研究所（NIAR，美国堪萨斯州威奇托）合作，进行了一项时间研究，旨在优化飞机零件设计以实现高生产率，同时满足成本和可持续性目标。该项目涉及部分翼梁的生产，并研究两种材料解决方案之间的制造时间和成本差异：A&P 的 TX-45 连续 +/-45° 编织增强材料和东丽的 TC380/T800HB 6K 传统 0°/90° 编织织物预浸料。

初始材料迭代和测试

Joby 目前的铺层方法是将东丽 TC380 0°/90° 2×2 斜纹编织预浸料斜切，以获得 45° 取向的铺层。Joby 和东丽正在合作使该材料符合 NCAMP 材料规范 NMS 380 的要求。与此同时，Joby 发现了一个潜在的材料节省机会，即用 A&P Technology 的编织增强材料替代编织增强材料。据东丽热固性材料产品经理 Chantel Camardese 介绍，这种替代方法使用相同的纤维和编织图案，但采用 45° 斜切工艺，这有助于提高悬垂性并最大限度地减少拼接需求。

Joby 很早就对 A&P Technology 的编织材料产生了兴趣。据 Joby 复合材料快速开发主管 Rory Giffen 介绍，他的团队最初在公司原型飞机上使用 +/- 45° 编织 2×2 斜纹布。该团队正在寻找连续的 +/- 45° 层，以简化层切割并减少总层数。他们最初尝试了 A&P 的 Bimax 材料，其中包含称为轴向纱的稳定纱线。然而，轴向纱限制了材料的悬垂性，最终由于飞机形状复杂，导致 Joby 放弃了 Bimax 材料。

A&P Technology 采纳了这些反馈，经过不断迭代，开发出了 TX-45，一种不含轴向材料的纯 45° 织物，并于 2023 年与 Giffen 团队接洽，进行初步试验。虽然 Bimax 和 TX-45 都能提高加工效率，但 TX-45 在长宽比较大的部件上更易于悬垂。TX-45 材料使用 Joby 原型机的机身蒙皮层压模具进行测试——这与 Giffen 最初对悬垂性感到担忧的情况相同。试验成功后，双方安排了后续会议，以评估 TX-45 在 Joby 量产飞机上的应用。

“我们一开始就对TX-45非常感兴趣，”Joby Aviation复合材料和机身制造工程主管Aurelien Stamper说道。“可惜的是，当时我们没有足够的资源在内部进行试验。“ 这促使Joby和A&P与NIAR接洽，希望在其位于堪萨斯州威奇托的工厂进行试验。从那时起，铺层研究就应运而生了。

该项目的范围是比较采用传统编织0°/90° 2×2斜纹增强的预浸料与采用A&P Technology的TX-45编织+/-45° 2×2斜纹增强的预浸料。该研究可以证明两种方法之间的单批次等效性，并使Joby能够将TC380/T800HB 6K 2×2斜纹TX-45纳入其合格产品清单（QPL），该清单涵盖已通过测试并证明符合特定质量和性能标准的产品。

为什么要编辫子？

编织增强材料相比传统的编织预浸料铺层，其优势在于能够提供长而连续的偏轴取向。+/-45° 斜交结构非常适合各种扭转主导部件，尤其是那些高纵横比的部件，例如机翼、翼梁和桁条等航空航天部件。此外，+/-45° 铺层占编织材料准各向同性铺层（0°、+45°、-45°、90°）的 50%。基于此，A&P Technology 着手证明 TX-45 可以为 +/-45° 铺层提供更高效、性能更佳的材料，因为这样就不会出现铺层旋转和多个短件拼装带来的接头或浪费。

“如果尝试在同一次嵌套切割作中同时制作 0°/90° 和 45° 的板材，会产生大量废料，”Stamper 说道。“为了减少废料，我们考虑将 0°/90° 和 45° 的板材分别嵌套，即使这样效率会更低。但使用 TX-45 材料，我们发现在节省废料的同时，还能将板材嵌套在一起。”

Stamper 表示，Joby 希望选择一个在层板切割和铺层过程中都能带来最大效益的部件。此外，Joby 还需要一个足够大且足够复杂的部件，以便准确体现出其在时间和材料方面的节省潜力。

“我们希望确保我们选择的部件足够长，以便能够看到超出当前控制宽度的好处，并能够在桌子上纵向切割它，”斯坦普说。

Joby 决定采用 40 英尺长的翼梁分段，大约是全长翼梁的三分之一。Joby 还设计并制造了工装，并将其与 A&P 提供的 TX-45 材料一起运送至 NIAR。“我们考察了许多不同的部件，”Stamper 说。“翼梁分段有一个锥形 U 型槽，这有点复杂。”

手上篮对比

TX-45 时间研究的目标之一是比较铺层切割和配套的效率，以及产生的材料废料。工程师们获得了 Joby 机翼部分的二维切割文件，并被要求从 TX-45 编织材料和东丽 TC380 2×2 斜纹编织 0°/90° 预浸料中提取预浸料铺层，用于铺层练习。

Joby 的 AFP 高级制造工程师 Robin Johnston 负责开发本次试验所需的切割文件和说明，并亲自前往 NIAR 支持此次试验。他们从 TX-45 材料中提取了八层，每层长 12 英尺（约 3.7 米）。然后，他们制作了相同顺序的八层 TC380 编织材料堆叠，每层包含四到五个接头。记录了材料切割、配套和手工铺层的时间，以比较两种材料在演示部件制造过程中的效率。

为了保持一致性，两种方法均有四名经过培训的工作人员参与，并监控整个过程，以记录每层的铺层时间、工艺的稳健性以及最终部件的质量。部件的轮廓几何形状决定了每层铺层必须从模具中心开始，向下覆盖至内径和外径。

技术人员报告称，由于模具表面粘性较低，两次试验中直接接触模具的初始层铺设都很困难。加热有助于固定第一层。

研究中，与机织材料相比，编织材料在拉伸时表现出更高的柔韧性（悬垂性和贴合性），并且产生的褶皱明显更少，从而避免了可能导致部件缺陷的情况。此外，研究还表明，使用机织斜纹材料抚平褶皱更具挑战性，需要花费更多时间仔细铺设每个部分，以确保有效重叠。TX-45编织机翼部分的最终部件质量和平整度更高。

编织材料的拼接要求也带来了挑战。使用传统预浸料铺设12英尺（约3.6米）长的管段时，必须仔细引导每个拼接部分，以满足拼接要求，并保持中心线均匀分布，使两侧的悬垂长度均匀。

使用TX-45材料，无需拼接。因此，层板切割任务更加简单，操作格柏（美国康涅狄格州托兰）切割机所需的专业知识也得到了降低。更简单的层板提取和配套显著降低了切割过程中出错的可能性，这也意味着减少了制造过程中的浪费。

事实上，减少浪费是Joby进行时间研究的一大动机。研究显示，机织斜纹材料切割产生的废料量明显高于TX-45材料，这主要是因为机织材料需要拼接。尽管为了减少浪费，接头采用嵌套方式，但仍然有一些数量不均且形状各异的接头部分呈角度，这导致了废料的产生。

与此同时，A&P 的 TX-45 材料的废料收集量显著降低。NIAR 工程师能够在切割过程中仔细地嵌套铺层，从而最大限度地利用卷材，最终在提取铺层时产生的废料约为 25%。相比之下，切割和组装传统的 0°/90° 机织织物预浸料时，废料率高达 40%。

总体而言，团队注意到，与使用传统预浸料铺放的部件相比，使用 TX-45 编织材料铺放的部件所需的劳动力显著减少。此外，Joby 报告称，使用 TX-45 完成制造任务所需的技能较低，这意味着生产铺放工作得以简化。

追求简单和效率

最终，合作伙伴进行的时间研究表明，使用 TX-45 可减少约 40% 的浪费和人工。编织 TX-45 的手工铺层工艺得到简化，减少了技术人员的工作量和时间，并生产出了更优质的部件。最终铺层由八层不间断的 TX-45 层组成，而传统的 0°/90° 预浸料需要 32 次拼接才能达到相同的长度和厚度。

东丽同时进行的机械测试表明，用 TX-45 编织织物生产的预浸料与使用更传统的 0°/90° 斜纹编织织物生产的预浸料具有很高的等效性。

“TX-45 编织织物的质量给我们留下了深刻的印象，”东丽复合材料材料科学工程师 Russell Kirkman 说道。“预浸料非常容易，而且我们预浸料的质量非常好。我们进行了初步的机械测试，以筛选出与传统编织斜纹材料性能相当的材料，结果非常接近。因此，我们对结果非常满意。最终目标是让它成为一种在外形、贴合度和功能上都能替代标准斜纹布的材料，而我们在预筛选中所做的一切都表明这是有可能实现的。”

Joby 高级研发工程师 John Gerigius 表示，进一步探索 TX-45 编织材料的使用将带来诸多优势，包括缩短生产周期、减轻零件重量以及减少所需的接头数量，从而减少检测点数量，最终提高生产效率。“这确实应该成为行业标准，”他说道。

“这带来了诸多好处，”斯坦普补充道，“纵观全球城市交通行业，只有降低飞机的总成本，才能实现这一目标。由于减少了材料浪费，并使用了像TX-45这样易于使用的材料，我们能够将零件成本降低X倍——这些都是巨大的收益，而且并不需要太多努力就能实现。”