航空材料需要同時兼具高模量和輕量化，據英國羅羅公司報道，碳纖維復合材料（CFRP）由于同時具備這兩個優異性能，已經在航空發動機風扇葉片上獲得越來越廣泛的應用。現階段，許多CFRP航空部件的生產已部分實現了自動化。通常采用纖維增強環氧樹脂復合材料制成半成品預浸料，按照設計要求、沿一定取向鋪成薄薄的片材，隨后在一定的溫度和壓力下，經高能耗、高成本的熱壓罐工藝長時間固化成型，生產過程耗時又耗資。
近日，德國弗勞恩霍夫生產技術研究所（Fraunhofer IPT）的一個研究團隊為航空發動機CFRP葉片開發出了更具成本效益的自動化生產技術。
該團隊沒有選用熱固性的環氧樹脂基復合材料，轉而采用碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）。CFRTP已經在航空結構件上使用了幾十年，擁有良好的輕量化結構性能以及出色的抗沖擊性能，自動化成型工藝速度快且靈活。因為是熱塑性材料，無需化學交聯反應來強化，只需要加熱融化并控制降溫過程中的固化壓力，還可以加熱重塑。
“熱塑性復合材料更適合高效的制造工藝，”Fraunhofer IPT纖維復合材料和激光系統技術部負責人Henning Janssen博士介紹說。經過大量實驗后，研究團隊首次成功將全自動鋪帶和熱成型工藝合二為一，用于航空發動機葉片的生產。
靈活的工藝鏈：自動鋪帶和熱成型
通過一套已獲得商用許可證的全自動鋪帶系統，熱塑性單向帶（UD）沿結構件所需的受力方向層層疊加，從而獲得了高彈性的多層有機板。研究者通過各種傳感器監測并記錄每個自動化的工藝環節。
有機板將在接下來的工藝環節中被加熱，并通過熱成型工藝近凈成型為所需的形狀。前期進行的系列測試，首先在16mm厚的碳纖維織物增強PA12復合材料上進行，并很快轉移在碳纖維單向帶增強PEEK復合材料上進行。
銑削加工FRP部件的系列測試
熱成型之后，有機板的邊角料被剪裁下來，部件被銑削加工成最終的形狀。由于材料結構的不均勻性，對FRP進行銑削加工極具挑戰性。同時，碳纖維復合材料會在銑刀邊緣出現很嚴重的粘刀現象，從而導致刀具磨損嚴重及加工質量波動。
延長刀具壽命的可行方法是采用帶多晶金剛石（PCD）涂層的銑刀。在探索小型CFRP葉片機械加工法的過程中，研究人員發現PCD涂層能夠顯著延長刀具的服役壽命。同時，定制設計的銑削工藝對加工質量也會產生積極影響。
在各種工業領域的應用
Fraunhofer IPT發動機力學業務部主管Daniel Heinen表示：“CFRTP的首個應用成果表明相互關聯的葉片制造和精加工工藝非常有效，葉片的徑向和前后緣間都獲得了很好的表面質量。現在我們要對各工藝環節進行審視和優化。”
未來幾個月中，若干個研究計劃將著手對新工藝在不用工業領域中的應用進行研究。研究者對高性能熱塑性PEEK基復合材料和有機板內嵌傳感器技術很感興趣。在有機板內部置入傳感器不僅能夠對成型工藝進行監測，還可以對發動機服役過程中的葉片狀態進行監控。該項目還同時對新工藝在航空發動機定子和機艙部件，以及其他工業領域的應用進行了研究。
魯ICP備2021047099號