格林特威德(Greene Tweed)用其DLF材料替換了金屬靜子葉片，該材料與金屬前緣共模成型，不僅滿足了性能、成本和高產量生產目標，還使每臺發動機減重4公斤。

由DLR(德國航空航天中心)制造的發動機導向葉片(前風扇葉片后方的白色結構)此前需要金屬涂層才能通過沖擊測試。在探索與連續纖維材料的混合方案后，Greene Tweed成功開發出無需涂層的DLF葉片，通過共模塑金屬前緣和用于增強互鎖的增材制造(AM)特征實現這一目標。

提高航空發動機效率持續推動新型復合材料、工藝和應用的發展—包括熱塑性復合材料(TPC)。2025年10月，格林特威德(Greene Tweed，美國賓夕法尼亞州庫普斯維爾)宣布與全球最大的商用發動機制造商之一簽署為期10年的協議，將供應50多種由其Xycomp DLF TPC材料制成的定制部件。該材料被稱為短切長纖維(DLF- discontinuous long fiber)，由短切航空航天級預浸帶組成，包含碳纖維增強PEEK、PEKK或PEI，采用專有工藝進行模壓成型。

這些組件—包括復雜的發動機支架和空氣動力學整流罩—旨在達到金屬的強度和耐用性，同時減重高達60%。“這種減重直接有助于提高燃油效率、減少排放并提升發動機性能，”格林特威德(Greene Tweed)結構組件產品經理特拉維斯·米斯(Travis Mease)表示。

該公司目前已開發出一種TPC發動機導向葉片，目標是每臺發動機減重4公斤。瑞士伊弗東格林特威德(Greene Tweed)公司結構與工程組件先進技術研發部高級科學家塞巴斯蒂安·科勒(Sebastien Kohler)解釋道，這項始于2015年的研發工作主要針對靜止且非結構型葉片，這類葉片通常用于小型公務機發動機，其機械要求比大型結構型葉片更為寬松?！拔覀冋J為，對靜子葉片的這項研發工作是邁向未來開發大型葉片和/或旋轉葉片能力的第一步，這些葉片有望為未來的發動機提供更高的效率。”

每臺發動機配備60片這種定子葉片，格林特威德不得不改進其專利成型工藝以縮短周期時間?？评毡硎?，“但該工藝具備更高的生產效率?！比~片的一次成型工藝可獲得近乎凈成形的形狀，既能控制翼型輪廓，又包含零件的固定和定位特征?！叭欢?，需要進行改進以提升其抗沖擊性能，”科勒補充道。為克服開裂和分層問題，格林特威德開發了一種定制的金屬前緣(MLE- metallic leading edge)，其幾何形狀專為該成型工藝設計，包括印刷特征以方便互鎖。

在ITHEC 2024上公布初步成果時，科勒團隊已通過使用直徑1.5英寸、速度為165米/秒(m/s)的冰雹進行的沖擊測試，目前正準備訂購多套測試發動機配對。

Xycomp DLF 材料由切碎的單向帶經壓縮模塑制成近凈形零件(上圖)，例如格林特威德(Greene Tweed)為GE Unison 生產的碳纖維/PEEK EBU支架(下圖)。

葉片時間線

格林特威德(Greene Tweed)擁有超過60年的高性能航空航天部件制造經驗，于2005年啟動了其Xycomp DLF技術。當時，該公司與GE航空航天(美國俄亥俄州辛辛那提)旗下的Unison公司合作，生產由碳纖維/PEEK制成的發動機組裝(EBU- engine build-up)支架，用于支撐發動機核心和/或風扇機匣上的機械和電氣部件。到2011年，該公司已開始生產經認證可用于航空發動機和短艙的Xycomp DLF部件。

米斯表示，發動機導向葉片減重的任務并非新鮮事?！拔覀冊卸鄠€客戶嘗試在這一應用中用復合材料替代金屬，包括采用注塑成型的復合材料葉片，但它們無法通過冰雹沖擊測試。金屬涂層雖能提升其性能，但那些注塑成型的葉片依然未能通過測試。”

格林特威德(Greene Tweed)在2015年收到了首個評估DLF葉片的請求，用于客戶的公務機應用?！拔覀儽仨毷褂媒饘偻繉觼頋M足沖擊要求，” 米斯說道?！斑@是一種非對稱涂層—前緣較厚，以滿足冰雹沖擊侵蝕的要求，但后緣不需要這么厚，因此我們將厚度從約0.009英寸逐漸減薄至0.006英寸，以優化重量。我們從薄涂層開始，逐步加厚，直到能夠通過沖擊測試，但此時葉片的重量過重。盡管非對稱涂層也提高了前緣的抗侵蝕能力，但它最終增加了過重的重量和成本，使我們超出了應用目標?！?/p>

2017年，該公司將其工作重心轉向為同一客戶生產另一種發動機部件。到了2018年，公司意識到其傳統工藝無法滿足成本和生產效率目標。因此，格林特威德(Greene Tweed)開始著手開發必要的模塑工藝，并最終研究如何整合MLE。不過，首先他們希望確認沒有其他方法能滿足沖擊要求。于是，科勒(Kohler)位于伊弗東(Yverdon)的團隊開始開發一種在內部進行冰雹沖擊測試的方法，以及高速攝像記錄。

混合式葉片

采用連續纖維編織層模塑在DLF芯材上的混合式導向葉片試驗未能通過沖擊測試，在165米/秒的速度下受到直徑1.5英寸的冰雹撞擊后，前緣出現剝落。

“我們想看看能否通過將連續纖維與DLF結合，制造出無需MLE即可通過沖擊和侵蝕測試的葉片，”米斯說道。

“我們基本上用連續纖維復合材料層替換了金屬涂層，”科勒補充道?！拔覀冞€測試了由彎曲的實心交叉鋪層和準各向同性層壓板模制的導葉，這些導葉經過機加工以呈現導葉形狀，但它們的性能很差，出現了嚴重的分層和開裂。模制的混合導葉性能更好，因為連續纖維包裹在前緣，減少了分層。但沖擊測試仍顯示前緣有剝落。我們就是沒能達到預期目標。因此，盡管不情愿，我們還是開始著手研究一種MLE解決方案?！?/p>

優化工藝流程

格林特威德必須解決多個問題，才能成功制造出集成MLE的DLF導葉，但模壓工藝是其中的核心開發環節?！拔覀冊谥Ъ芎推渌考献鲞^很多金屬嵌件，但像這樣的MLE還是第一次，”科勒指出?！拔覀兪褂玫墓に嚤环Q為HyFusion，是格林特威德多年前獲得專利的。”

“這是一種經過改良的壓縮成型工藝，帶有一點流動特性—可以說是壓縮成型與注塑成型的一種混合體，” 米斯補充道?！八浅＿m合導向葉片的應用，能讓我們獲得沿葉片長度方向的最佳纖維取向和排列?！?/p>

“但該工藝并未針對這種零件的產量進行優化—例如，每臺發動機需要60片葉片，而每架飛機又需要多臺發動機，”科勒指出?！耙虼耍覀儽仨毧紤]對工藝進行改進，以縮短循環時間?！边@種新工藝能夠實現20分鐘或更短的循環時間，被稱為ColdFusion?！斑@是因為我們設定的目標時間對于這些發動機葉片來說是前所未有的—這屬于那種物理規律會阻礙你實現目標的努力。ColdFusion意味著這是一項獨特的工藝成就，并且與我們傳統的復合材料工藝命名法(HyFusion)相匹配?！?/p>

“但我們確實優化了在過程中添加和移除熱量的方式，” 米斯說道?！耙虼?，這其中包含熱處理環節，我們還優化了裝備，包括高度的自動化和過程控制?！?/p>

這種控制至關重要，因為導流葉片用于引導氣流，科勒解釋道。“你需要控制翼型輪廓并確保表面光滑。要實現這一點，你可以增加機加工和拋光步驟，但這會耗費金錢和時間?；蛘?，你可以確保零件從模具中取出時狀態完美。要做到這一點，你必須對TPC材料在模具中的固化過程有深入的了解。你還必須優化模具，以確保零件及其輪廓定義沒有變形?！?/p>

他補充道，這種變形和扭曲的預測相當復雜?！拔覀兓讼喈旈L的時間才將所有建模要素到位，從而能夠以這種方式制造這種零件?！?/p>

“我們當時也很難獲得一種良好的、一致的表面光潔度，使其能夠滿足機翼的要求，”米斯說?！斑@需要大量的工藝和模具開發，但現在葉片脫模后只需進行簡單的去毛刺處理，就可以直接使用了?！?/p>

冷融合工藝步驟：預成型金屬前緣(MLE，黃色)和DLF材料(綠色)被放入模具(藍色)中（1）。然后關閉模具(2)，DLF材料被壓縮并流入模具型腔(3)。成型完成后，打開模具，取出帶有共成型MLE的完全成型葉片(4)。

上圖展示了MLE是如何放入模具的?！拔覀儗⒉牧戏湃肽＞?，加熱并施加壓力，使DLF材料流動，” 科勒說道?！叭缓髮⑺胁牧侠鋮s成一個整體部件。打開模具后，我們得到的是一片近凈成形的TPC導向葉片，只需去除飛邊即可。”

3D打印的MLE

解謎的最后一塊拼圖是如何開發一種能與ColdFusion工藝和PEEK DLF材料良好配合的MLE。“MLE需要在模具中具有正確的幾何形狀和位置，” 科勒說?！叭绻銖慕饘侔宀拈_始，用于實現這種方法的生產工裝成本極其高昂，而且并不適合本質上屬于研發的項目。使用3D打印使我們能夠以極低的工裝成本獲得具有正確幾何形狀的零件。”

嘗試了多種3D打印的MLE設計，包括有助于與DLF層壓板實現互鎖的菱形結構。

他繼續說道：“我們嘗試了多種幾何形狀，例如研究從前緣開始沿弦向的MLE需要多長?！薄拔覀円惭芯窟^一些更寬的幾何形狀，但效果并不理想。后來，我們利用3D打印技術制造出菱形結構，實現了機械互鎖。這還有助于減少MLE與TPC材料之間的熱膨脹系數(CTE- coefficient of thermal expansion)不匹配問題，因為發生沖突的材料長度變短了?！?/p>

“我們嘗試了各種方案，直到找到最佳解決方案，既能滿足165米/秒的冰雹沖擊要求，又能最大限度地減輕重量，”科勒說道?！帮@然，金屬用得越多，葉片就越重。然后，我們必須獲得最佳的共模塑效果，以確保在ColdFusion過程中，這個MLE嵌件能始終固定在所需位置。因此，我們在這些方面也進行了開發，現在已達到這樣的水平：如果發生失效，整個前緣會斷裂，或者葉片會斷成兩半—但前緣不會脫落，也不會在復合材料內部發生任何位移。基本上，它會留在原位并一同斷裂?！?/p>

將OGV商業化，未來的旋轉葉片

這一發展由來已久，但米斯表示這是一個真正的成功故事。“我們不僅吸引了另一位客戶，并正在開發零部件以支持2026年下一代發動機的測試，還將這種技術開發方法應用到了新的客戶應用中?！?/p>

在小型靜止和出口導葉(OGV- outlet guide vane)應用方面取得這一成就后，下一步是開發更大的結構葉片嗎？“我認為那里存在機會，我們也一直在探索旋轉葉片，但目前的首要任務是成功推出第一款產品，并在至少幾種不同的應用中得到采用，”米斯補充道?！叭缓笙乱徊娇隙▽⑹歉?、要求更高、更具結構性的應用，可能會利用我們的一些混合開發成果來滿足大型商用發動機的要求?！?/p>

然而，科勒警告稱，對于更大功率的發動機，即使是對靜止導向葉片(OGV)和其他靜止葉片，也存在更高的結構要求?！盎旧峡梢钥隙?，我們需要采用連續纖維的混合復合材料方法才能通過這些要求，這些要求本質上是與強度相關的載荷工況，而不僅僅是我們在小型葉片上必須克服的冰雹沖擊要求?！毕喾?，對于旋轉葉片，如果你比較DLP與鋁的比強度，可以論證這種方法應該能直接適用，但也會帶來不同的要求，因為葉片是旋轉的。

他補充道，這些旋轉葉片或許并不需要復合材料，“但與目前正在商業化的靜子葉片相比，要對它們進行認證并投入飛行將復雜得多。不過，這絕對是未來我們開放的兩條研發路徑。目前，我們將專注于讓這些靜子OGV投入飛行，然后我們會看看我們的DLF材料和TPC部件能力將為航空發動機及其他有助于航空業脫碳的應用帶來哪些新機遇?！?/p>

原文，《Cutting engine weight via thermoplastic composite guide vanes》2026.1.21

楊超凡