DOMMINIO項目將自動纖維鋪放(AFP)與3D打印的螺旋體芯材、嵌入式結構健康監測(SHM)傳感器和智能材料相結合，用于產品生命周期結束時的感應驅動拆卸。

DOMMINIO項目

歐盟資助的DOMMINIO項目(下一代多功能機身部件數字化制造改進方法)于2021年1月啟動，將于2024年9月完成。其目標是展示能夠實現多功能智能機身部件、同時兼顧壽命終止(EOL- end of life)階段維修與回收效益的技術。

項目合作伙伴提供的兩個演示部件—來自Aciturri(西班牙米蘭達德埃布羅)的飛機擾流板和來自BAE系統公司（英國倫敦）的主起落架艙門檢修面板——推動了熱塑性復合材料(TPC- thermoplastic composites)的應用，以及結合了用于高質量層壓板的自動鋪絲(AFP- automated fiber placement)與用于加強結構的3D增材制造技術。此外，還使用了磁性材料，以便在服役期間進行結構健康監測(SHM- structural health monitoring)，并令人感興趣的是，可在產品生命周期結束(EOL)時進行拆解，以實現回收利用和/或維修再用。

DOMMINIO項目演示器（上）和合作伙伴（下）

DOMMINO的另一個關鍵重點是開發一種數據驅動的方法，涵蓋零件的設計、制造和預認證，以及維護/維修/大修(MRO-
maintenance/repair/overhaul)和產品生命周期結束(EOL)流程。該數字框架將包括先進的模擬工具、在線工藝和質量監控以及結構健康監測(SHM)，旨在實現更具成本效益、高效且可持續的高質量組件。

“我們的目標是開發能夠加速更先進、更可持續的設計、制造和產品生命周期末端(EOL)策略的技術，并將這些技術推進到技術成熟度(TRL- technology readiness level)2至4級，”研究與技術組織AIMEN(西班牙奧波里尼奧0復合材料增材制造團隊負責人帕布羅·羅梅羅·羅德里格斯博士解釋道，該組織曾擔任DOMMINIO項目的協調方?！耙虼?，我們目前仍處于開發初期，但我認為我們已經取得了顯著成果?！?/p>

熱塑性復合材料，功能材料

羅梅羅(Romero)表示，熱塑性復合材料(TPC)是DOMMINIO項目的研究重點，因為它們不僅是結構材料，更是能夠實現結構健康監測(SHM)和結構拆卸的功能材料。“熱塑性材料可回收加工——它們可以被加熱、熔化、拆卸并重塑。我們正利用這一特性來拆卸部件，并通過修復和重塑來延長其使用壽命?！?/p>

對于自動鋪絲(AFP)層壓板，DOMMINIO項目使用了荷蘭尼弗達爾(Nijverdal)的Toray(東麗)公司生產的TC 1225單向(UD)膠帶，該膠帶由碳纖維和英國克利夫利(Cleveleys)的Victrex公司生產的LMPAEK聚合物組成。對于3D打印，項目使用了三種不同類型的聚醚酮酮(PEKK)復合材料長絲：

?結構件：用于機器人激光輔助增材制造局部增強的市售PEKK長碳纖維(cCF- continuous carbon fiber)增強絲材，長碳纖維含量>40%。

?結構健康監測(SHM)：用于結構健康監測的PEKK長碳納米管(cCNT- continuous carbon nanotube)纖維增強絲材，由AIMEN與IMDEA Materials(西班牙馬德里)聯合開發，采用Tortech Nano Fibers位于以色列北部的試點工廠生產。

?拆卸:PEKK磁性納米顆粒(MNP- magnetic nanoparticles)填充絲材，如FeO、CoFe2O和NiFe2O，重量百分比為2.5-10%，與雅典國立技術大學（NTUA，希臘雅典）聯合開發。

羅梅羅表示：“我們還在開發另一種壓阻材料，用于結構健康監測（SHM）?！边@項工作與馬德里材料研究所（IMDEA Materials Institute，西班牙馬德里）合作開展，并在2022年的一篇CW新聞報道中進行了介紹：

“馬德里材料研究所指出，通過DOMMINIO項目開發的技術不僅能夠實現實時監測，還將采用先進的3D打印技術，并在碳納米管(CNT- carbon nanotube)纖維生產方面取得進展，從而在制造過程中將傳感器嵌入部件內部，而非在生產后進行安裝。這減少了為傳感器供電所需的電氣布線，進而有望使飛機更加節能，從而更加環保且飛行成本更低……

通過這些嵌入式傳感器，物理部件能夠直接與地面工程師進行通信。由胡安·何塞·維拉特拉博士(Dr. Juan Jose Vilatela)領導的IMDEA材料研究所多功能納米復合材料小組正在開發CNT傳感器，并對其嵌入復合材料部件后的壓阻特性進行表征。

這種嵌入是在部件制造過程中實現的，重點在于結合自動鋪絲(AFP)和熔融長絲(FFF- fused filament fabrication)制造技術，后者是一種使用預制長絲的3D打印方法，長絲可以是未增強的，也可以是短纖維或連續纖維增強的復合材料。

結合AFP和FFF技術

復合AFP與FFF工藝的CFRP加筋板加工步驟。

“DOMMINIO旨在結合兩種增材制造技術：用于層壓板的AFP和用于加強筋的FFF，” 羅梅羅解釋道。

DOMMINIO項目演示部分，使用AFP ISC制造CF/LMPAEK層壓板，隨后采用FFF工藝沉積采用未增強PEKK絲材的雙曲面晶格芯材

這一點可以從右側的演示加固面板中看出。“我們使用激光輔助自動鋪絲（AFP）原位固結TC 1225膠帶作為底部黑色蒙皮，并采用FFF工藝，利用阿科瑪（Colombes, 法國）的未增強型Kepstan PEKK材料，在頂部制成了黃色的螺旋體結構。此外，我們還使用了AIMEN專有的FFF噴嘴，生產了頂部的單向連續碳纖維增強PEKK加固層，這在孔隙率方面取得了更好的效果?！?/p>

為何選擇PEKK？羅梅羅解釋道：“在考察用于結構復合材料的高溫先進熱塑性聚合物時，我們發現它具有更好的可打印性?！薄拔覀冃枰环N非晶態材料，或者結晶速度足夠慢的材料，以確保材料不會因過度翹曲而受損。熱塑性材料在冷卻時通常會發生收縮，這會在我們在其頂部生產FFF加強筋時，導致底部蒙皮彎曲或被拉扯。因此，材料的非晶態程度越高，零件的收縮率就越低，尺寸穩定性也就越好?！?/p>

通常，在生產TPC結構時，實現足夠的結晶度（例如35%）以產生高機械性能至關重要。然而，對于FFF加強筋而言，PEKK雙曲面結構作為提供厚度和剛度的核心—因此，結晶度對于強度并非關鍵，而相容性才是。“PEKK與LMPAEK具有良好的相容性，” 羅梅羅說道?！癆FP層壓板與加強筋之間的粘結力足夠強，因此我們在打印過程中冷卻導致的熱收縮不會在部件之間造成分層。我們預料到會出現一些翹曲，因此必須優化制造策略。那里會產生很大的應力，但PEKK與底層LMPAEK層壓板之間的接合足夠牢固，能夠承受這些應力?！?/p>

FFF工藝開發

“我們正在層壓板上直接制造加強筋，”他說。“在加強筋的第一層，我們需要極佳的壓實效果。因此，我們使用了激光輔助FFF技術，它就像一個微型AFP系統。它在沉積PEKK絲材時，利用激光重熔LMPAEK基材，隨后通過一個小壓輥進行壓實。在第一層之后，我們繼續構建雙曲面結構，然后在頂部使用FFF工藝，用單向連續碳纖維增強PEKK進行封閉?！?/p>

“壓輥非常小，因為我們壓實的是2.85毫米厚的絲材，”他繼續說道。當然，當我們將其沉積到基材上時，寬度會略微增大，而這種尺寸上的變化必須加以控制。我們發現，尤其是對于連續纖維絲線而言，在噴嘴之后使用壓緊滾輪可以顯著提升層壓材料的致密度和強度，其效果是未采用激光工藝的 3 倍。

AIMEN的雙擠出FFF系統，結合了純PEKK和連續纖維增強PEKK長絲

針對這一FFF工藝，Innovation Plasturgie Composites（IPC，法國貝利尼亞）開發了兩款噴嘴?！暗谝豢钸m用于1.75毫米直徑的線材，”羅梅羅說道?！斑@是一種小型且靈活的解決方案，可用于非平面打印，例如使用PEKK或PEI（聚醚酰亞胺）等高溫商用線材?！彼a充道：“這款噴嘴內置了符合性氣道，用于冷卻，使我們能夠在打印過程中精準調控噴嘴內的線材溫度?！薄按送?，噴嘴內部還可安裝多個熱電偶和壓力傳感器，以實現對工藝參數的精確控制?！?/p>

第二款噴嘴是為連續碳纖維增強PEKK長絲開發的，采用了類似的冷卻和工藝控制措施。它可以處理直徑小于1毫米的長絲。

“我們用于加強筋核心的螺旋體結構，是我們之前在概念驗證部件中見過的，這些部件展示了增材制造生產復雜形狀的靈活性，”羅梅羅說?！斑@個想法是，你可以為加強部件生產非常定制化的結構。因此，我們證明了可以將自動鋪絲(AFP)和熔融長絲制造(FFF)相結合，生產出高度定制化的不同面板，然后我們對這些部件進行了三點彎曲測試?！?/p>

AFP工藝的激光掃描

AIMEN為原位固化AFP開發的激光掃描系統

對于自動鋪絲(AFP)工藝，DOMMINIO項目開發了一套掃描激光系統?！按蠖鄶涤糜贏FP的激光熱源都是靜態的，產生的加熱光斑大小固定不變，” 羅梅羅解釋道?！拔覀冮_發的是一種掃描系統，通過以50Hz的頻率移動光學反射鏡來調整激光區域，該系統連接到閉環控制系統，并由熱像儀(thermal camera)進行監控?！?/p>

該系統類似于德國弗勞恩霍夫材料與束流技術研究所(Fraunhofer IWS，德國德累斯頓)開發的CONTIjoin技術，用于連接多功能機身演示器(MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator)的上下半殼(左側縱向焊縫。焊縫寬度從60-360mm)。在該系統中，用于加熱并施加CF/LMPAEK層壓板以連接半殼的激光，與一種高速掃描系統相結合，該系統可使能量束在焊縫寬度范圍內進行振蕩。

羅梅羅表示：“我們的方法類似，因為我們在鋪設膠帶時，膠帶的外部區域比中心區域溫度更低。因此，移動激光器有助于實現整個膠帶的更好固化。我們開發了一種閉環控制系統，其中的掃描元件能夠測量并調整激光功率和施加的熱量。這種自適應控制能夠調整加熱曲線，不僅適用于膠帶寬度方向，也適用于隨著層壓板厚度增加的情況。例如，當使用加熱工具時，鋪設的層數越多、厚度越大，鋪設的膠帶距離加熱工具就越遠?！?/p>

他指出，AIMEN已對這種適用于激光輔助AFP的自適應控制系統進行了測試?！八\行良好，是DOMMINIO項目中的另一個支柱，旨在實現零缺陷制造工藝的自主化。”

非接觸式在線檢測

“我們還與DASEL SL（西班牙馬德里）合作，開發了一種用于AFP過程中在線工藝監控和缺陷檢測的非接觸式傳感器，”Romero說道?！斑@非常重要，因為我們采用的是原位固結（ISC- in-situ consolidation），所以在AFP過程中沒有后續步驟來消除缺陷。ISC非常高效，因為它消除了在烘箱或熱壓罐中進行的第二步固結工序。但制造裝備仍需大量研發，以提高其在不同類型的膠帶和零件上的固化可靠性。”

DOMMINIO項目期間開發的非接觸式在線檢測系統，用于在AFP ISC過程中檢測層壓板缺陷

“我們開發的非接觸式在線技術利用蘭姆波(Lamb waves)，在壓實步驟后立即測量缺陷，”他解釋道?！霸撓到y使用連接到AFP機頭的硬件來發送和接收蘭姆波。它包含兩個組件—發射器和接收器。發射器發出聲波進入材料并反射回接收器。這種聲波信號測量了關于壓實的信息，例如材料密度。然后我們分析這些信息來識別缺陷，如空隙?！?/p>

羅梅羅指出，這種方法類似于相控陣超聲(phased array ultrasound)檢測，但后者需要水或凝膠耦合劑?！斑@項開發極具挑戰性，因為我們的自動鋪絲(AFP)系統由于放置在加熱平臺上，溫度超過了200°C。這種溫度變化會導致蘭姆波在穿過密度變化的空氣時產生湍流問題。但我們已經能夠初步了解這種方案的可行性。”

熱塑性結構拆解

DOMMINIO在生產出制造演示件后，隨即著手展示如何利用功能性材料對其進行拆解?！拔覀冊贏FP層壓板與回轉體芯材結構的界面處，使用FFF技術沉積了磁性納米顆粒增強型絲材，” 羅梅羅解釋道。“在回轉體結構之前，我們使用這種材料生產了一層嵌入了磁性納米顆粒的材料。這些納米顆粒會對磁場產生反應，而磁場是由我們來自NTUA的合作伙伴開發的磁線圈產生的。當我們移動這個磁線圈時，我們利用感應加熱界面，使熱塑性聚合物熔化，從而能夠將蒙皮從加強筋上分離出來?！?/p>

通過局部感應加熱從CF/LMPAEK層壓板中拆卸的雙曲面結構加強件

“因此，我們可以戰略性地加熱并僅重熔界面，從而將表皮從雙曲面結構中拆卸下來，”他繼續說道?！氨砥訅喊逯械奶祭w維不會像磁性納米顆粒那樣對磁場產生反應。我們開發了一種納米顆粒與感應線圈之間的調諧方式。我們基本上是將感應焊接的概念應用于重熔界面，但目的是為了拆卸。我們可以將這些基于功能材料的結構稱為可逆結構或循環結構?！?/p>

數字/認知發展

為復合材料飛機部件開發數據驅動方法論也是DOMMINIO項目的關鍵部分?！癉OMMINIO中的數字/認知系統理念，”羅梅羅說，“在于隨著產品生命周期的推進——從產品設計到制造，再到維修和壽命終結拆解——你會生成數據。我們希望收集這些數據，并嘗試找出參數之間的交叉相關性或關系。”

在DOMMINIO項目中開發的數據驅動方法

“我們不僅想設計和模擬零件的機械性能和結構性能，還想模擬制造工藝，包括自動鋪絲(AFP)和熔融長絲制造(FFF)，”他繼續說道。DOMMINIO合作伙伴ESI集團(法國巴涅)和ENSAM(法國巴黎)基于溫度和壓力模擬了這些工藝過程中的固結。羅梅羅的團隊與他們合作，模擬了打印的螺旋二十四面體在冷卻過程中的熱收縮。

“然后，在開始制造時，你會收集關于溫度、壓力和其他工藝參數的數據，以及缺陷和質量因素的數據，”羅梅羅說道?！癉OMMINIO項目的目標是利用這些數據進一步預測零件性能，并將其與最初的模擬結果進行比較，看看實際獲得的結果是否與預測相符。這是一種驗證，也是衡量你與實際生產結果之間差距的指標，你可以利用這一點來改進你的模擬工具。它還有助于了解在航空航天產品和缺陷水平方面可以接受的范圍。這些缺陷會被識別并量化，這些數據可以被納入產品容許值的計算中?！?/p>

制造完成后，DOMMINIO 的方法是在服務期間通過嵌入式 SHM 系統收集數據。羅梅羅表示：“我們在層壓板中嵌入了 SHM 傳感器，目的是讓它們在服務期間持續生成數據。”“例如，這些數據可以讓你看到產品是否沒有達到預期的性能，同時，它也可以發出警報，提示部件剛剛遭受了撞擊或過載事件，以及何時進行了維修或維護操作?！?/p>

DOMMINIO項目對ATL和FFF工藝的熱監測以及由DOMMINIO數字線程實現的數字孿生表示。

所有這些數據都通過數字線程進行整合。它涵蓋了零件整個生命周期中的所有數據，可用于優化零件的設計和制造。它還支持多學科設計優化(MDO- multidisciplinary design optimization)。“在設計過程中，你會遇到多種因素，例如成本、結構性能和空氣動力學，”羅梅羅解釋道?！癕DO允許你綜合考慮所有這些因素以找到最優解。例如，增材制造（AM）賦予了你極大的設計自由度，可以制造出非常定制化的超復雜零件，比如用于加強筋的螺旋體結構。但同時也存在約束條件。因此，在設計過程中納入可制造性是一個關鍵因素，以便從生命周期的早期階段就整合靈活性和約束條件，特別是對于增材制造工藝而言?！?/p>

對未來復合材料的影響

羅梅羅表示：“我認為DOMMINIO項目所展示的制造理念，為復合材料結構的設計空間拓展帶來了可能，通過將熱塑性復合材料與多功能材料結合創新的增材制造技術，打造出高度定制化的設計方案。此外，這些技術還具備實現新的產品生命周期末端解決方案的能力，例如拆卸與再利用。”

OVERLEAF（V型液氫儲罐）

他指出，AIMEN目前正在將這種方法應用于其他歐盟資助的研究項目中，例如正在開發用于儲存液態氫的復合材料儲罐的OVERLEAF項目。“我們再次將FFF和AFP技術與熱塑性復合材料相結合，制造演示樣機，并研究儲罐壁的滲透性和低溫性能，” 羅梅羅說道。

與此同時，他認為DOMMINIO將通過整合三項關鍵發展，對未來的復合材料航空結構產生影響：

1.用于多功能結構的新型先進材料。

2.結合三種增材制造工藝生產近凈形熱塑性產品。

3.復合零件設計優化與高效生命周期末端策略的數字化。

“這種整體化方法將實現新的制造解決方案，”羅梅羅說道，“這對于實現航空業所需求的下一代復合材料至關重要。”

原文《Combining multifunctional thermoplastic composites, additive manufacturing for next-gen airframe structures》

楊超凡