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首次成功演示采用16毫米厚的碳纖維/聚酰胺12(CF/PA12)材料，后續(xù)將擴展至碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)帶材及用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)的嵌入式傳感器。
碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的加工
飛機制造材料必須具有極高的韌性，同時還要盡可能輕。碳纖維增強塑料（CFRP）兼具這兩項特性，因此在航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，這些部件的生產(chǎn)耗時且成本高昂，因為它們需要在高壓釜中固化數(shù)小時。來自德國亞琛弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所(IPT)的一個研究團隊正在尋求進一步實現(xiàn) CFRP 風(fēng)扇葉片生產(chǎn)的自動化。
許多碳纖維增強塑料（CFRP）部件的生產(chǎn)已部分實現(xiàn)自動化。通常由纖維增強環(huán)氧樹脂制成的預(yù)浸料半成品——預(yù)浸料，被分層鋪設(shè)并定向，以形成定制的鋪層。然后在耗能、耗時且成本高昂的高壓釜工藝中，在壓力和高溫下進行固化。弗勞恩霍夫 IPT 研究所一直在研究進一步自動化制造 CFRP 刀片的可能性，以使其更具成本效益。
然而，這些研究人員并非依賴于環(huán)氧樹脂基材料，而是采用碳纖維增強熱塑性塑料。這類材料幾十年來已在飛行器結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，具有良好的輕量化結(jié)構(gòu)特性，同時具備出色的抗沖擊性能，還能通過自動化方式快速靈活地進行加工。由于是熱塑性塑料，它們無需化學(xué)交聯(lián)來固化，只需加熱熔化，在受控冷卻過程中施加壓力即可成型。而且它們還可以重新加熱并重新塑形。
弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所纖維復(fù)合材料與激光系統(tǒng)技術(shù)部門負責人亨寧·詹森博士(Dr.-Ing. Henning Janssen)解釋說，因此熱塑性復(fù)合材料更適合高效的制造工藝。在他的團隊進行的幾個測試系列中，他們首次成功地將兩種這樣的工藝結(jié)合用于風(fēng)扇葉片的生產(chǎn)：全自動帶鋪放和成型。
靈活的工藝鏈：自動鋪帶和熱成型
憑借弗勞恩霍夫 IPT 完全自主開發(fā)并授權(quán)商業(yè)化的全自動鋪帶系統(tǒng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所需的受力方向，將單向(UD)增強熱塑性帶材層層堆疊。這樣就制造出了多層、高彈性和柔韌性的面板，即所謂的有機板材。研究人員使用各種傳感器對全自動工藝的每一步進行監(jiān)控和記錄。這樣，他們就能在生產(chǎn)過程中洞察“黑箱-black box”，為每塊有機板材創(chuàng)建所謂的“數(shù)字影子-digital shadow”。這種真實有機板材的虛擬圖像使得能夠在早期階段識別質(zhì)量偏差，并采取適當?shù)膽?yīng)對措施。
在接下來的生產(chǎn)步驟中，將對完成的有機板材進行加熱，并通過熱成型工藝將其塑造成接近凈形。在之前的測試系列中，該工藝最初是在由 PA12(尼龍12)和碳纖維制成的 16 毫米厚的織物增強有機板材上進行測試的，很快將轉(zhuǎn)移到由 PEEK(聚醚醚酮)和碳纖維帶制成的有機板材上。
用于銑削 FRP 組件的測試系列
在熱成型之后，對成型的有機板材邊緣進行修整，并銑削成最終形狀。由于 FRP 材料結(jié)構(gòu)的不均勻性，銑削 FRP 極具挑戰(zhàn)性。此外，碳纖維對銑刀的切削刃具有很強的磨損性，從而導(dǎo)致刀具嚴重磨損和加工質(zhì)量波動。
延長刀具使用壽命的一種可能性是使用涂有聚晶金剛石(PCD- polycrystalline diamond)的銑刀。在嘗試小規(guī)模加工碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)葉片的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，涂有 PCD 的銑刀的使用壽命明顯長于未涂層的銑刀。此外，針對加工質(zhì)量，單獨定制的銑削策略設(shè)計也產(chǎn)生了積極影響。
在各種工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中的實施情況
熱塑性碳纖維增強塑料材料的首批成果令人鼓舞：“我們已經(jīng)能夠證明，連接的制造工藝——葉片的制造和精加工——是可行的，”弗勞恩霍夫 IPT 渦輪機械業(yè)務(wù)部門負責人丹尼爾·海因恩(Daniel Heinen)表示。“我們在葉片的徑向方向以及葉片前緣和后緣之間都實現(xiàn)了非常出色的表面質(zhì)量。現(xiàn)在，我們必須更仔細地研究和優(yōu)化各個工藝。”
未來幾個月內(nèi)，將開展研究項目，進一步優(yōu)化新工藝，并在各種工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中進行測試。亞琛的科學(xué)家們尤其關(guān)注高性能熱塑性塑料PEEK作為基體的應(yīng)用，以及在有機片內(nèi)層壓傳感器技術(shù)。后者不僅能夠監(jiān)測制造過程，還能在發(fā)動機后期使用中監(jiān)控部件狀態(tài)。該工藝鏈在其他部件上的應(yīng)用也在探索之中，例如定子、短艙部件以及航空業(yè)以外的部件。弗勞恩霍夫 IPT 歡迎有興趣參與項目的公司。
原文,《Fraunhofer IPT automates production of thermoplastic CFRP engine fan blades》 2020.12.17
補充概念知識
熱塑性復(fù)合材料風(fēng)扇葉片因其輕質(zhì)、高強度和效率而用于現(xiàn)代渦扇發(fā)動機，這得益于碳纖維等材料。這些葉片比傳統(tǒng)鈦葉片具有顯著的優(yōu)勢，包括提高的燃油效率、更好的抗振性和優(yōu)異的鳥撞耐受性。自動纖維鋪放(AFP)等先進制造技術(shù)用于高精度生產(chǎn)復(fù)雜形狀，對這些葉片的性能和耐用性至關(guān)重要。
熱塑性復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的優(yōu)點
輕質(zhì)：熱塑性復(fù)合材料，特別是使用碳纖維的復(fù)合材料，比鈦輕得多，從而降低了發(fā)動機和飛機的重量，提高了燃油效率。這種重量減輕也降低了軸承和支架等輔助發(fā)動機部件的應(yīng)力。
高強度和剛度：復(fù)合材料具有高比強度和高剛度，可以設(shè)計為滿足高速氣流和異物沖擊的嚴格要求。
耐用性：它們更耐振動，可以設(shè)計成承受鳥撞的沖擊，這是適航的關(guān)鍵要求。
效率：在保持低重量的同時制造更大、更高效的風(fēng)扇葉片的能力是采用它們的關(guān)鍵驅(qū)動力，特別是在高旁通比發(fā)動機中。
低噪音：與傳統(tǒng)金屬葉片相比，復(fù)合材料具有較低的噪音特性。
制造和設(shè)計考慮因素
自動鋪絲(AFP)：這一過程對于自動化復(fù)合材料層的復(fù)雜、高精度鋪放以形成風(fēng)扇葉片至關(guān)重要。
設(shè)計復(fù)雜性：設(shè)計必須考慮翼型、過渡柄和燕尾基座，每個部分在結(jié)構(gòu)完整性中都起著至關(guān)重要的作用。
材料特性：設(shè)計和制造過程必須考慮如何最好地利用材料特性，包括優(yōu)化層板的數(shù)量和方向，以承受空氣動力學(xué)和沖擊載荷。
過程中變形：熱塑性復(fù)合材料在制造過程中會因熱各向異性而發(fā)生變形，必須通過先進的建模和控制方法進行預(yù)測和管理。
鳥撞容限：為了提高損傷容限，減少對較厚、空氣動力學(xué)效率較低的葉片的需求，正在研究加入熱塑性夾層或形狀記憶合金等材料，以提高抗沖擊性，并實現(xiàn)可變弧度等功能。
示例應(yīng)用程序
通用電氣和CFM等主要發(fā)動機制造商已成功將復(fù)合風(fēng)扇葉片應(yīng)用于商用渦扇發(fā)動機，如GE90-115B和GEnx。
楊超凡2025.11.4