基于多功能熱塑性復(fù)合材料及增材制造的下一代機(jī)翼結(jié)構(gòu)
時(shí)間：2024-07-09 09:19 來(lái)源：composites world 作者：admin 閱讀：次
隨著航空工業(yè)對(duì)飛機(jī)性能、成本和可持續(xù)性的要求不斷提高，開發(fā)新型輕質(zhì)、高強(qiáng)度、多功能機(jī)翼結(jié)構(gòu)成為當(dāng)務(wù)之急。熱塑性復(fù)合材料
(thermoplastic composites，TPC) 具有可回收、可修復(fù)和可重新加工的特性，使其成為理想的選擇。然而，傳統(tǒng)的 TPC
制造工藝，如熱壓成型和模壓成型，難以制造具有復(fù)雜形狀和多功能性的結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，增材制造 (Additive Manufacturing，AM)
技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，為制造具有復(fù)雜形狀和多功能性的 TPC 結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。然而，現(xiàn)有的 AM
技術(shù)在制造尺寸、精度和材料選擇方面仍存在局限性，難以滿足航空工業(yè)的需求。
DOMMINIO （Digital method for improved Manufacturing of next-generation MultIfuNctIOnal airframe parts）項(xiàng)目結(jié)合自動(dòng)纖維鋪放（Automated Fiber Placement，AFP） 和 3D 打印技術(shù)制造了多功能 TPC 結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了其在生命周期末端的回收和再利用。
1.熱塑性復(fù)合材料功能材料
DOMMINIO 項(xiàng)目專注于使用TPC和功能性材料，這些材料不僅具有結(jié)構(gòu)承載能力，還能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（structural health monitoring ，簡(jiǎn)稱SHM）和結(jié)構(gòu)拆卸。項(xiàng)目中使用了 Toray Advanced Composites 的碳纖維和 Victrex 的 LM PAEK 聚合物制成的單向帶進(jìn)行自動(dòng)纖維鋪放以制造高質(zhì)量的層壓板。此外，還使用了三種不同類型的 PEKK 復(fù)合絲材進(jìn)行 3D 打印：
（1）結(jié)構(gòu)絲材：商用的 PEKK 絲材，添加了超過 40% 的連續(xù)碳纖維，用于通過機(jī)器人激光輔助增材制造進(jìn)行局部加強(qiáng)。
（2）SHM 絲材：AIMEN 和 IMDEA Materials 合作開發(fā)的添加了連續(xù)碳納米管纖維的 PEKK 絲材，用于 SHM。
（3）拆卸絲材：添加了磁性納米顆粒的 PEKK 絲材，如 Fe3O4、CoFe2O4 和 NiFe2O4，重量百分比范圍為 2.5%-10%，由 NTUA 合作開發(fā)。
此外，還開發(fā)了另一種用于 SHM 的壓阻式材料。通過將傳感器嵌入部件中，而非生產(chǎn)后附加，可以減少連接傳感器的電纜數(shù)量，從而使飛機(jī)更節(jié)能、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)。
2. AFP 和 FFF
AFP技術(shù)用于創(chuàng)建高質(zhì)量的層壓板，而熔絲制造（Fused Filament Fabrication,FFF）技術(shù)則用于3D打印加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如gyroid設(shè)計(jì)。項(xiàng)目中使用了Toray Advanced Composites的TC 1225帶材和Victrex的LM PAEK聚合物進(jìn)行AFP，以及三種不同的PEKK復(fù)合絲材進(jìn)行FFF。PEKK具有優(yōu)異的打印性能，特別是它作為非晶材料或慢結(jié)晶特性，有助于減少打印過程中的翹曲和變形。通過這種技術(shù)結(jié)合，DOMMINIO項(xiàng)目能夠生產(chǎn)出具有復(fù)雜幾何形狀和優(yōu)異機(jī)械性能的定制化飛機(jī)部件，同時(shí)優(yōu)化部件的制造過程和質(zhì)量。
3.FFF 工藝開發(fā)
DOMMINIO 項(xiàng)目開發(fā)了用于 FFF 的激光輔助技術(shù)，該技術(shù)類似于 AFP 系統(tǒng)。它使用激光重新熔化PAEK 基材，同時(shí)沉積 PEKK 絲材，然后用小輥筒進(jìn)行壓實(shí)。該系統(tǒng)使用兩個(gè)由 Innovation Plasturgie Composites 開發(fā)的噴嘴，分別用于 1.75 毫米直徑的商用絲材和直徑小于 1 毫米的連續(xù)碳纖維增強(qiáng) PEKK 絲材。該項(xiàng)目還開發(fā)了一種使用 Lamb 波（一種在固體材料中傳播的聲波）的接觸式傳感器，用于 AFP 過程中的在線監(jiān)測(cè)和缺陷檢測(cè)。
4.AFP 激光掃描
與傳統(tǒng)的靜態(tài)激光熱源不同，該系統(tǒng)能夠通過移動(dòng)光學(xué)反射器以50Hz的頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整激光加熱區(qū)域，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合，由熱像儀監(jiān)控。這種掃描技術(shù)使得激光可以更均勻地加熱整個(gè)膠帶，特別是在膠帶的邊緣和中心之間，從而實(shí)現(xiàn)更好的固結(jié)效果。閉環(huán)控制系統(tǒng)的引入，允許根據(jù)實(shí)時(shí)反饋調(diào)整激光功率和熱量應(yīng)用，以適應(yīng)不同寬度的膠帶和增加的層壓板厚度。這種自適應(yīng)控制技術(shù)是DOMMINIO項(xiàng)目的關(guān)鍵組成部分，旨在推動(dòng)制造過程向自動(dòng)化和零缺陷制造設(shè)置發(fā)展。
5.非接觸式在線檢查
該技術(shù)利用Lamb波進(jìn)行檢測(cè)，通過與AFP頭相連的硬件發(fā)送和接收Lamb波。換能器發(fā)射聲波進(jìn)入材料，然后聲波反射回接收器，通過分析這些聲波信號(hào)可以獲取材料密度等信息，進(jìn)而識(shí)別如空隙等缺陷。這種非接觸式檢測(cè)方法類似于相控陣超聲波檢測(cè)，但無(wú)需水或凝膠作為耦合劑。盡管在200°C以上的高溫AFP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)導(dǎo)致空氣密度變化，從而影響Lamb波在空氣中的傳播，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了有關(guān)這種方法可行性的初步積極見解。
6.熱塑性結(jié)構(gòu)拆卸
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在AFP層壓板和gyroid核心結(jié)構(gòu)之間的界面上，使用FFF技術(shù)沉積了填充有磁性納米粒子的PEKK絲材。這些磁性納米粒子對(duì)由NTUA合作伙伴開發(fā)的磁場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)，通過移動(dòng)磁線圈并利用感應(yīng)加熱，使得界面處的熱塑性聚合物熔化，從而實(shí)現(xiàn)蒙皮與加強(qiáng)件的分離。這種拆卸方法允許有選擇性地加熱和重新熔化僅界面區(qū)域，而不會(huì)損害蒙皮層壓板中的碳纖維。通過調(diào)整納米粒子和感應(yīng)線圈之間的相互作用，項(xiàng)目展示了一種類似于感應(yīng)焊接但用于拆卸的創(chuàng)新概念，這為創(chuàng)建可逆或循環(huán)結(jié)構(gòu)提供了新的可能性，基于這些功能性材料，為未來(lái)飛機(jī)部件的拆卸和回收利用開辟了新途徑。
7.數(shù)字/認(rèn)知發(fā)展
該方法旨在通過收集和分析在各個(gè)階段生成的數(shù)據(jù)，尋找參數(shù)間的交叉相關(guān)性或關(guān)系。項(xiàng)目合作伙伴ESI集團(tuán)和ENSAM進(jìn)行了AFP和FFF過程的模擬，包括溫度和壓力條件下的固結(jié)過程，以及打印gyroids冷卻時(shí)的熱收縮。制造過程中收集的數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力和其他過程參數(shù)，以及缺陷和質(zhì)量因素，用于進(jìn)一步預(yù)測(cè)部件屬性，并與初始模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證生產(chǎn)與預(yù)期的一致性。此外，通過嵌入式SHM系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測(cè)產(chǎn)品性能，及時(shí)響應(yīng)沖擊或過載事件，并指導(dǎo)維修或維護(hù)操作。所有這些數(shù)據(jù)通過數(shù)字整合，為優(yōu)化部件設(shè)計(jì)和制造提供支持。
DOMMINIO （Digital method for improved Manufacturing of next-generation MultIfuNctIOnal airframe parts）項(xiàng)目結(jié)合自動(dòng)纖維鋪放（Automated Fiber Placement，AFP） 和 3D 打印技術(shù)制造了多功能 TPC 結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了其在生命周期末端的回收和再利用。
1.熱塑性復(fù)合材料功能材料
DOMMINIO 項(xiàng)目專注于使用TPC和功能性材料，這些材料不僅具有結(jié)構(gòu)承載能力，還能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（structural health monitoring ，簡(jiǎn)稱SHM）和結(jié)構(gòu)拆卸。項(xiàng)目中使用了 Toray Advanced Composites 的碳纖維和 Victrex 的 LM PAEK 聚合物制成的單向帶進(jìn)行自動(dòng)纖維鋪放以制造高質(zhì)量的層壓板。此外，還使用了三種不同類型的 PEKK 復(fù)合絲材進(jìn)行 3D 打印：
（1）結(jié)構(gòu)絲材：商用的 PEKK 絲材，添加了超過 40% 的連續(xù)碳纖維，用于通過機(jī)器人激光輔助增材制造進(jìn)行局部加強(qiáng)。
（2）SHM 絲材：AIMEN 和 IMDEA Materials 合作開發(fā)的添加了連續(xù)碳納米管纖維的 PEKK 絲材，用于 SHM。
（3）拆卸絲材：添加了磁性納米顆粒的 PEKK 絲材，如 Fe3O4、CoFe2O4 和 NiFe2O4，重量百分比范圍為 2.5%-10%，由 NTUA 合作開發(fā)。
此外，還開發(fā)了另一種用于 SHM 的壓阻式材料。通過將傳感器嵌入部件中，而非生產(chǎn)后附加，可以減少連接傳感器的電纜數(shù)量，從而使飛機(jī)更節(jié)能、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)。
2. AFP 和 FFF
AFP技術(shù)用于創(chuàng)建高質(zhì)量的層壓板，而熔絲制造（Fused Filament Fabrication,FFF）技術(shù)則用于3D打印加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如gyroid設(shè)計(jì)。項(xiàng)目中使用了Toray Advanced Composites的TC 1225帶材和Victrex的LM PAEK聚合物進(jìn)行AFP，以及三種不同的PEKK復(fù)合絲材進(jìn)行FFF。PEKK具有優(yōu)異的打印性能，特別是它作為非晶材料或慢結(jié)晶特性，有助于減少打印過程中的翹曲和變形。通過這種技術(shù)結(jié)合，DOMMINIO項(xiàng)目能夠生產(chǎn)出具有復(fù)雜幾何形狀和優(yōu)異機(jī)械性能的定制化飛機(jī)部件，同時(shí)優(yōu)化部件的制造過程和質(zhì)量。
圖1.組合 AFP 和 FFF 加固 CFRP 板的工藝步驟。
3.FFF 工藝開發(fā)
DOMMINIO 項(xiàng)目開發(fā)了用于 FFF 的激光輔助技術(shù)，該技術(shù)類似于 AFP 系統(tǒng)。它使用激光重新熔化PAEK 基材，同時(shí)沉積 PEKK 絲材，然后用小輥筒進(jìn)行壓實(shí)。該系統(tǒng)使用兩個(gè)由 Innovation Plasturgie Composites 開發(fā)的噴嘴，分別用于 1.75 毫米直徑的商用絲材和直徑小于 1 毫米的連續(xù)碳纖維增強(qiáng) PEKK 絲材。該項(xiàng)目還開發(fā)了一種使用 Lamb 波（一種在固體材料中傳播的聲波）的接觸式傳感器，用于 AFP 過程中的在線監(jiān)測(cè)和缺陷檢測(cè)。
圖2.AIMEN 的雙擠出機(jī) FFF 系統(tǒng)，結(jié)合了純 PEKK 和連續(xù)纖維增強(qiáng) PEKK 長(zhǎng)絲。來(lái)源 | AIMEN，DOMMINIO 項(xiàng)目
4.AFP 激光掃描
與傳統(tǒng)的靜態(tài)激光熱源不同，該系統(tǒng)能夠通過移動(dòng)光學(xué)反射器以50Hz的頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整激光加熱區(qū)域，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相結(jié)合，由熱像儀監(jiān)控。這種掃描技術(shù)使得激光可以更均勻地加熱整個(gè)膠帶，特別是在膠帶的邊緣和中心之間，從而實(shí)現(xiàn)更好的固結(jié)效果。閉環(huán)控制系統(tǒng)的引入，允許根據(jù)實(shí)時(shí)反饋調(diào)整激光功率和熱量應(yīng)用，以適應(yīng)不同寬度的膠帶和增加的層壓板厚度。這種自適應(yīng)控制技術(shù)是DOMMINIO項(xiàng)目的關(guān)鍵組成部分，旨在推動(dòng)制造過程向自動(dòng)化和零缺陷制造設(shè)置發(fā)展。
5.非接觸式在線檢查
該技術(shù)利用Lamb波進(jìn)行檢測(cè)，通過與AFP頭相連的硬件發(fā)送和接收Lamb波。換能器發(fā)射聲波進(jìn)入材料，然后聲波反射回接收器，通過分析這些聲波信號(hào)可以獲取材料密度等信息，進(jìn)而識(shí)別如空隙等缺陷。這種非接觸式檢測(cè)方法類似于相控陣超聲波檢測(cè)，但無(wú)需水或凝膠作為耦合劑。盡管在200°C以上的高溫AFP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)導(dǎo)致空氣密度變化，從而影響Lamb波在空氣中的傳播，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得了有關(guān)這種方法可行性的初步積極見解。
圖3.DOMMINIO 期間開發(fā)的非接觸式在線檢測(cè)系統(tǒng)，用于在 AFP ISC 期間檢測(cè)層壓板中的缺陷。來(lái)源 | AIMEN，DOMMINIO 項(xiàng)目
6.熱塑性結(jié)構(gòu)拆卸
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在AFP層壓板和gyroid核心結(jié)構(gòu)之間的界面上，使用FFF技術(shù)沉積了填充有磁性納米粒子的PEKK絲材。這些磁性納米粒子對(duì)由NTUA合作伙伴開發(fā)的磁場(chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)，通過移動(dòng)磁線圈并利用感應(yīng)加熱，使得界面處的熱塑性聚合物熔化，從而實(shí)現(xiàn)蒙皮與加強(qiáng)件的分離。這種拆卸方法允許有選擇性地加熱和重新熔化僅界面區(qū)域，而不會(huì)損害蒙皮層壓板中的碳纖維。通過調(diào)整納米粒子和感應(yīng)線圈之間的相互作用，項(xiàng)目展示了一種類似于感應(yīng)焊接但用于拆卸的創(chuàng)新概念，這為創(chuàng)建可逆或循環(huán)結(jié)構(gòu)提供了新的可能性，基于這些功能性材料，為未來(lái)飛機(jī)部件的拆卸和回收利用開辟了新途徑。
7.數(shù)字/認(rèn)知發(fā)展
該方法旨在通過收集和分析在各個(gè)階段生成的數(shù)據(jù)，尋找參數(shù)間的交叉相關(guān)性或關(guān)系。項(xiàng)目合作伙伴ESI集團(tuán)和ENSAM進(jìn)行了AFP和FFF過程的模擬，包括溫度和壓力條件下的固結(jié)過程，以及打印gyroids冷卻時(shí)的熱收縮。制造過程中收集的數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力和其他過程參數(shù)，以及缺陷和質(zhì)量因素，用于進(jìn)一步預(yù)測(cè)部件屬性，并與初始模擬結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證生產(chǎn)與預(yù)期的一致性。此外，通過嵌入式SHM系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測(cè)產(chǎn)品性能，及時(shí)響應(yīng)沖擊或過載事件，并指導(dǎo)維修或維護(hù)操作。所有這些數(shù)據(jù)通過數(shù)字整合，為優(yōu)化部件設(shè)計(jì)和制造提供支持。
圖4.DOMMINIO 中開發(fā)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。來(lái)源 | AIMEN，DOMMINIO 項(xiàng)目
圖5.DOMMINIO 項(xiàng)目對(duì) ATL 和 FFF 流程的熱監(jiān)控以及由 DOMMINIO 數(shù)字線程實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生表示。來(lái)源 | AIMEN，DOMMINIO 項(xiàng)目
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