基于多功能热塑性复合材料及增材制造的下一代机翼结构

来源：composites world

随着航空工业对飞机性能、成本和可持续性的要求不断提高，开发新型轻质、高强度、多功能机翼结构成为当务之急。热塑性复合材料 (thermoplastic composites，TPC) 具有可回收、可修复和可重新加工的特性，使其成为理想的选择。然而，传统的 TPC 制造工艺，如热压成型和模压成型，难以制造具有复杂形状和多功能性的结构。近年来，增材制造 (Additive Manufacturing，AM) 技术在航空航天领域的应用日益广泛，为制造具有复杂形状和多功能性的 TPC 结构提供了新的可能性。然而，现有的 AM 技术在制造尺寸、精度和材料选择方面仍存在局限性，难以满足航空工业的需求。

DOMMINIO （Digital method for improved Manufacturing of next-generation MultIfuNctIOnal airframe parts）项目结合自动纤维铺放（Automated Fiber Placement，AFP） 和 3D 打印技术制造了多功能 TPC 结构，并实现了其在生命周期末端的回收和再利用。

1.热塑性复合材料功能材料
DOMMINIO 项目专注于使用TPC和功能性材料，这些材料不仅具有结构承载能力，还能实现结构健康监测（structural health monitoring ，简称SHM）和结构拆卸。项目中使用了 Toray Advanced Composites 的碳纤维和 Victrex 的 LM PAEK 聚合物制成的单向带进行自动纤维铺放以制造高质量的层压板。此外，还使用了三种不同类型的 PEKK 复合丝材进行 3D 打印：

（1）结构丝材：商用的 PEKK 丝材，添加了超过 40% 的连续碳纤维，用于通过机器人激光辅助增材制造进行局部加强。

（2）SHM 丝材：AIMEN 和 IMDEA Materials 合作开发的添加了连续碳纳米管纤维的 PEKK 丝材，用于 SHM。

（3）拆卸丝材：添加了磁性纳米颗粒的 PEKK 丝材，如 Fe3O4、CoFe2O4 和 NiFe2O4，重量百分比范围为 2.5%-10%，由 NTUA 合作开发。

此外，还开发了另一种用于 SHM 的压阻式材料。通过将传感器嵌入部件中，而非生产后附加，可以减少连接传感器的电缆数量，从而使飞机更节能、更环保、更经济。

2. AFP 和 FFF
AFP技术用于创建高质量的层压板，而熔丝制造（Fused Filament Fabrication,FFF）技术则用于3D打印加强结构，如gyroid设计。项目中使用了Toray Advanced Composites的TC 1225带材和Victrex的LM PAEK聚合物进行AFP，以及三种不同的PEKK复合丝材进行FFF。PEKK具有优异的打印性能，特别是它作为非晶材料或慢结晶特性，有助于减少打印过程中的翘曲和变形。通过这种技术结合，DOMMINIO项目能够生产出具有复杂几何形状和优异机械性能的定制化飞机部件，同时优化部件的制造过程和质量。

图1.组合 AFP 和 FFF 加固 CFRP 板的工艺步骤。

3.FFF 工艺开发

DOMMINIO 项目开发了用于 FFF 的激光辅助技术，该技术类似于 AFP 系统。它使用激光重新熔化PAEK 基材，同时沉积 PEKK 丝材，然后用小辊筒进行压实。该系统使用两个由 Innovation Plasturgie Composites 开发的喷嘴，分别用于 1.75 毫米直径的商用丝材和直径小于 1 毫米的连续碳纤维增强 PEKK 丝材。该项目还开发了一种使用 Lamb 波（一种在固体材料中传播的声波）的接触式传感器，用于 AFP 过程中的在线监测和缺陷检测。

图2.AIMEN 的双挤出机 FFF 系统，结合了纯 PEKK 和连续纤维增强 PEKK 长丝。来源 | AIMEN，DOMMINIO 项目

4.AFP 激光扫描
与传统的静态激光热源不同，该系统能够通过移动光学反射器以50Hz的频率动态调整激光加热区域，与闭环控制系统相结合，由热像仪监控。这种扫描技术使得激光可以更均匀地加热整个胶带，特别是在胶带的边缘和中心之间，从而实现更好的固结效果。闭环控制系统的引入，允许根据实时反馈调整激光功率和热量应用，以适应不同宽度的胶带和增加的层压板厚度。这种自适应控制技术是DOMMINIO项目的关键组成部分，旨在推动制造过程向自动化和零缺陷制造设置发展。

5.非接触式在线检查
该技术利用Lamb波进行检测，通过与AFP头相连的硬件发送和接收Lamb波。换能器发射声波进入材料，然后声波反射回接收器，通过分析这些声波信号可以获取材料密度等信息，进而识别如空隙等缺陷。这种非接触式检测方法类似于相控阵超声波检测，但无需水或凝胶作为耦合剂。尽管在200°C以上的高温AFP系统中实现这一技术面临诸多挑战，因为温度变化会导致空气密度变化，从而影响Lamb波在空气中的传播，但项目团队已经获得了有关这种方法可行性的初步积极见解。

图3.DOMMINIO 期间开发的非接触式在线检测系统，用于在 AFP ISC 期间检测层压板中的缺陷。来源 | AIMEN，DOMMINIO 项目

6.热塑性结构拆卸
项目团队在AFP层压板和gyroid核心结构之间的界面上，使用FFF技术沉积了填充有磁性纳米粒子的PEKK丝材。这些磁性纳米粒子对由NTUA合作伙伴开发的磁场产生反应，通过移动磁线圈并利用感应加热，使得界面处的热塑性聚合物熔化，从而实现蒙皮与加强件的分离。这种拆卸方法允许有选择性地加热和重新熔化仅界面区域，而不会损害蒙皮层压板中的碳纤维。通过调整纳米粒子和感应线圈之间的相互作用，项目展示了一种类似于感应焊接但用于拆卸的创新概念，这为创建可逆或循环结构提供了新的可能性，基于这些功能性材料，为未来飞机部件的拆卸和回收利用开辟了新途径。

7.数字/认知发展
该方法旨在通过收集和分析在各个阶段生成的数据，寻找参数间的交叉相关性或关系。项目合作伙伴ESI集团和ENSAM进行了AFP和FFF过程的模拟，包括温度和压力条件下的固结过程，以及打印gyroids冷却时的热收缩。制造过程中收集的数据，包括温度、压力和其他过程参数，以及缺陷和质量因素，用于进一步预测部件属性，并与初始模拟结果进行比较，以验证生产与预期的一致性。此外，通过嵌入式SHM系统收集的数据，可以监测产品性能，及时响应冲击或过载事件，并指导维修或维护操作。所有这些数据通过数字整合，为优化部件设计和制造提供支持。

图4.DOMMINIO 中开发的数据驱动方法。来源 | AIMEN，DOMMINIO 项目

图5.DOMMINIO 项目对 ATL 和 FFF 流程的热监控以及由 DOMMINIO 数字线程实现的数字孪生表示。来源 | AIMEN，DOMMINIO 项目