工厂参观：Veelo Technologies，美国俄亥俄州伍德劳恩

当贵公司试图商业化的碳纳米管 (CNT) 纤维没有提供您的潜在客户（包括美国空军和波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥））所需的性能？您转向，回到绘图板，并使用您的先进材料和复合材料加工专业知识来开发其他解决方案。 “我们经常使用纳米材料，但我们绝不是一家纳米材料公司，”Veelo Technologies 首席执行官 Joe Sprengard 说。 “我们是一家专注于导电材料和非金属加热解决方案的先进材料公司。我们最初专注于开发连续 CNT 纤维和片材与我们目前的产品组合——雷击保护 (LSP) 和电磁屏蔽、用于高效复合材料加工的加热毯和非金属电热除冰系统之间的共同点是我们的能力开发新材料，不仅提供新的性能水平，而且满足重量和成本要求。”

该公司的员工人数从 4 人增至 24 人，并搬进了位于辛辛那提郊区伍德劳恩的一个占地 20,000 平方英尺的新制造工厂，距离 GE Aviation 位于 Evendale 的总部一英里，距离空军研究实验室 (AFRL) 以南一小时车程在俄亥俄州代顿的赖特-帕特森空军基地。 Sprengard 领导CW 参观 Veelo Technologies 的新生产基地，了解公司从纳米材料供应商到先进的广泛产品专家，再到未来复合材料的创新合作伙伴的演变过程。

从纳米到多功能复合材料和加工
Veelo Technologies 开始开发连续碳纳米管纤维片（左上） 但现在已经发展到在其产品中使用一系列材料，用于防雷击和用于复合材料加工的非金属加热毯和用于飞机结构的除冰系统（底部和右侧） .

碳纳米管纤维和片材

Veelo Technologies 最初是从辛辛那提大学 (UC) 剥离出来的 General Nano。这所大学在 2007 年生产了世界上最长的 CNT 阵列——18 毫米长。“AFRL 的材料和制造理事会对此产生了兴趣，并开始了一项为期多年的评估，”2009 年加入该公司的 Sprengard 解释说。“对于前三个多年来，我们一直试图弄清楚如何将这些长碳纳米管转化为高强度的宏观纤维，这正是 AFRL 感兴趣的。但这些特性从未实现。”

因此，该公司转向，开发了一种将 CNT 转化为连续片材的方法。波音公司对此产生了兴趣，将这项技术视为解决其复合飞机结构所需的 LSP 和电磁干扰 (EMI) 屏蔽的潜在解决方案。 “平均而言，商用飞机每 1,000 小时就会被闪电击中一次，”Sprengard 说。尽管碳纤维具有导电性，但复合材料中的基体树脂却不是。因此，波音公司为其 777 和 787 商用飞机以创纪录的数量生产的碳纤维增强聚合物 (CFRP) 飞机结构依靠膨胀金属箔和其他金属解决方案将电流快速传导到接地连接，以防止热损坏. “但金属网很重，会产生大量的寄生重量，并且在复合材料部件中加工可能具有挑战性，”Veelo Technologies 产品开发工程师 Larry Christy 说。

到 2015 年，波音公司在整个企业范围内推动开发下一代 LSP 解决方案，General Nano 是关键合作伙伴。 连续波 不久之后，在 2016 年，访问了 General Nano，在其位于辛辛那提的商业孵化器设施的原始位置，该设施容纳了多家初创企业。 Christy 带领参观了公司的实验室，并讨论了当时正在进行的技术发展。 “金属 LSP 和屏蔽的有效性随着频率的增加而降低，”他解释说。 “您需要提高导电性并降低阻抗，但厚度要小于 25 微米。然而，CNT-to-CNT 结增加了薄片内的电阻。从 2014 年到 2016 年，我们将电导率提高了 12 倍，并证明了一种插入式解决方案，可在 200 [兆赫兹] MHz 的频率下进行屏蔽，与金属相比重量减轻 25%。但我们仍然需要减少厚度。”

此时，该公司已开发出在 5 英尺宽、数百英尺长的基板上生产对齐 CNT 的能力。它还利用造纸设备产能过剩的收费制造合作伙伴网络，生产每平方米 20 克、2 毫米厚的 CNT 纸和无纺材料（一种 CNT 连续无纺布）。 “这种方法为我们提供了灵活性，”Christy 解释说，“并使我们能够专注于与客户合作，以​​增加功能并定制我们产品的属性和格式。”该公司还被要求制作连续磁带，它再次使用其收费网络制作。

转向高性能的广泛产品

这种根据客户要求修改其产品的可定制性和意愿是关键，因为公司成立大约十年后，公司明白其未来可能与过去大不相同。 Christy 解释说，有多种需求，不仅需要 LSP，还需要 EMI 屏蔽。 “您必须为每个产品定制电气性能。金属网的特性与频率有关，并且会随着频率的增加而下降，因为板中的孔会泄漏。我们的性能随频率而上升，因为我们的产品是连续的，无孔无泄漏。碳纳米管在高频下的性能优于金属，因此它们非常适合高强度射频 (HIRF) 和高功率卫星通信应用。碳纳米管也没有趋肤效应 ，这是金属的问题。”趋肤效应是交流电避免穿过导体中心的趋势，而是限制在其表面或皮肤上，这有效地减少了可用于承载电流的横截面积并增加了电阻。 Christy 继续说道，“但是 CNT 无法在低频下竞争。它们的电导率不够高，信号损失太多。因此，我们正在研究混合动力车。”

“这导致了其他不是基于纳米材料的片材，”Sprengard 说。 “我们开发了 VeeloVEIL，这是一种用于 LSP 的金属化碳纤维解决方案，比膨胀铜箔 (ECF) 轻 70%，并满足 1A 区雷击保护要求。” 1A 区包括飞机尾翼的天线罩/机头、翼尖、机舱和末端，并且必须能够承受 200,000 安培的电流，如美国联邦航空管理局 (FAA) 的要求（参见“复合材料飞机的 LSP 策略”和“用于复合材料飞机的 LSP 策略”）。复合结构”）。 “与其他金属化无纺布相比，VeeloVEIL 的导电性是其四倍，但重量却是其一半，”他继续说道。 “由于我们开发的化学和材料加工技术，这是可能的。”

用于航空结构的下一代 LSP
商用飞机平均每 1,000 小时就会被闪电击中一次。 VeeloVEIL 金属化碳纤维非织造布符合复合飞机的 1A 区雷击保护 (LSP) 要求，重量比膨胀铜箔轻 70%。 VeeloVEIL 设计为由自动纤维铺放/铺带 (AFP/ATL) 机器处理，在 80 微米厚的单层中提供破坏性的导电性，并将总 LSP 材料和处理时间减少 75% 以上。

Sprengard 说，航空航天业目前没有将碳纤维面纱用于 LSP，“因为没有导电性足以满足 1A 区要求的产品。” VeeloVEIL 经设计可在每平方米 40-50 克的面积重量下提供 5-10 毫欧的电阻率（较低的电阻率意味着更导电的材料），并使用 80 微米厚的单层满足飞机 LSP 要求。 “这使得材料非常具有悬垂性，从而产生光滑的表面光洁度，而无需 ECF 产品通常需要的孔隙填充后处理，”他指出。 “这反过来又允许制造商使用更少的表面树脂，从而节省材料和制造成本。前三大航空结构原始设备制造商告诉我们，VeeloVEIL 使他们能够将总 LSP 材料和处理时间从二十多个小时减少到不到三个小时。”

VeeloVEIL 以与 ECF 相同的产品形式提供，允许制造商在不改变其现有制造工艺的情况下使用它。 “我们用于航空航天复合材料的所有导电材料都经过设计，可通过 [自动纤维铺放] AFP 机器进行加工，”Sprengard 说。 Veelo Technologies 还在将 VeeloVEIL 集成到标准表面层产品中，并与 Tier 1 航空预浸料合作。

定制加热电导率

在 VeeloVEIL 的开发过程中，Sprengard 的团队意识到，定制其广泛产品导电性的能力也可用于电热加热应用。这为其另一个产品系列 VeeloHEAT 打开了大门。

“VeeloHEAT 是一种碳基非金属材料，可集成到飞机结构中以进行除冰，”Sprengard 说。注意这是不是 碳纤维。 “如今，飞机除冰系统通常使用金属线，这在耐用性方面存在问题，尤其是在旋翼机等高疲劳环境中。如果其中一根电线断裂，系统将不再运行。这些传统的金属除冰系统通常会出现故障，必须进行维修，这既费时又费钱。我们已经证明我们的产品更加耐用，这大大减少了飞机的停机时间。”他指出，这些产品确实被用于直升机的旋翼桨叶上，并且对于目前正在为城市空中交通和下一代交通工具开发的 EVTOL（电动汽车起降）飞机具有巨大的潜力。

近期，Sprengard 表示，VeeloHEAT 产品计划于 2020 年第一季度在固定翼商用飞机上飞行，以获得早期资格。 “这项技术的吸引力已经不是什么秘密了，”他说，并指出柯林斯航空航天公司（前身为 UTC，现在将成为雷神公司的一部分）于 2017 年 1 月宣布了一项基于 CNT 的除冰系统的独家许可。“他们知道市场良好，并为未来做好准备。他们的投资很好地表明了这项技术的发展方向，”Sprengard 补充道。

Veelo Technologies 测试每个 VeeloHEAT Blanket 的温度输出和均匀性。

从除冰到复合材料加工修复

几十年来，传统热毯一直用于在粘合围巾修复过程中固化相对较小区域（通常小于 1 平方米）的复合结构。这些热毯使用嵌入硅橡胶或其他材料（取决于所需的固化温度）的传统金属线。 “与基于金属的除冰系统类似，如果一根电线断裂，加热毯就会短路并且不再起作用，”Sprengard 说。 “我们将我们的碳基除冰产品用于非金属加热毯，该毯具有无与伦比的耐用性、悬垂性和性能。”后者的行业标准是 3% 的方差系数 (COV)，这是衡量加热产品、覆盖面和边缘到边缘均匀性的指标。 VeeloHEAT Blanket 以每平方英寸 5 瓦特的典型能量输出超过了这一标准。

Veelo 的加热毯可产生高达 550°F (288°C) 的温度，并且可以制成净形以适合零件和工具。 “这种能力之所以成为可能，是因为我们有能力配制化学物质并制造具有定制电阻率的独特先进材料，”Sprengard 指出。 Veelo Technologies 在 15 个月内将该技术商业化，目前已全面投产。 “我们看到这条产品线的增长非常好，”他补充道，“现在正在生产大量 VeeloHeat 毯子，用于粘合高压釜中的大型复合结构和 烤箱，利用我们客户要求的多个温区和其他处理功能。”

搬迁和扩大生产
Veelo Technologies 新的 20,000 平方英尺的生产车间提供了充足的空间来扩大 VeeloHEAT Blanket 的生产规模，该生产车间在制造过渡的第一阶段搬迁并全速生产。第二阶段将于2019年第三季度完成。

为满足客户需求而制造

2018 年 10 月，Veelo Technologies 收到确认，它已赢得一项需要立即启动的重大国防项目。 “值得庆幸的是，我们找到了一个近乎完美的、可随时入住的设施，该设施已经配备了我们开始运行所需的基础设施，”Sprengard 回忆道。 Woodlawn 工厂拥有最先进的环境控制、照明和全墙环氧地板——从他的客户运营之旅中，将 Sprengard 注释作为航空航天的标准。 “我们没有走捷径——我们对最优质材料和饰面的投资反映了我们对未来的长期战略和愿景，”他解释道。这项投资也体现在设施的访问控制和安全人员配备上，这对于其国防合同是必不可少的。

该设施所需的扩建已于 2019 年第二季度完成，此后 Veelo 开始搬迁其生产线。 “我们所有的设备几乎都以满负荷运行，这使得将所有生产线转移到新设施的计划停机成为一项挑战，”他承认道。该公司于 2019 年 7 月完成了制造转型的第一阶段，搬迁了 VeeloHEAT Blanket 生产线并使其恢复全面生产。

新工厂的大型开放式生产大厅可从前厅进入。右侧是 VeeloHEAT Blanket 制造区。四个 4 英尺 x 10 英尺的叠层台用于将 VeeloHEAT 薄膜和其他材料层叠到成型金属成型工具上。然后将这些叠层在 JPW Industrial Furnaces（美国宾夕法尼亚州 Trout Run）提供的 10 x 10 英尺烤箱中固化。完成的毯子被脱模并连接到电源线，这使得能够与计算机控制单元（热粘合机）一起使用来固化复合层压板和维修。每个 VeeloHEAT Blanket 均经过温度输出和均匀性测试。

更耐用、更舒适的非金属热毯
尽管在 VeeloHEAT 毛毯（上图）的生产过程中使用金属丝加热金属工具，并在复合材料固化和修复过程中将电流从计算机控制单元（热焊机）传送到毛毯，但内部并未使用金属线。这使得这些非金属热毯能够以 3D 形状生产，而不会出现断线、短路和温度均匀性问题（热点和冷点）。内部的碳基 VeeloHEAT 薄膜可在 5 W/in2 下产生高达 550°F (288°C) 的温度和 3% 的 COV。

就在热毯生产区之外是湿化学生产室。在这里，来自 Silverson Machine（美国马萨诸塞州东朗梅多）和 Netzsch（美国马萨诸塞州伯灵顿）的工业设备用于混合 Veelo 产品中使用的先进化学配方。接下来是薄膜制造室，里面有一个专有系统，用于制造 Veelo 的碳基 VeeloHEAT 薄膜，这是 VeeloHEAT Blanket 内部的关键技术。再次向左移动是 VeeloVEIL 生产区。尽管在这次参观时空无一人，但用于 VeeloVEIL 生产的 15 英寸和 36 英寸宽的卷对卷生产线已于 8 月搬入新工厂。该公司还在设计一条 60 英寸宽的生产线以满足未来的需求。到 10 月，Veelo Technologies 的所有产品线都将在一个屋檐下运行，并逐步提高产量。

下一代解决方案

Veelo Technologies 目前的成功之路很长，而且并不总是一帆风顺。 “是的，我们从纳米材料开始，我们仍然在这个领域保持着重要的专业知识，但是我们的客户没有人关心我们是否使用纳米材料，”Sprengard 说。 “他们只关心我们是否提供了能够满足他们的绩效和 ROI 目标的引人注目的解决方案。例如，使下一代除冰系统能够在飞机上使用更少电力的产品，这为飞行器设计和运营效率开辟了新的机遇。”

Sprengard 表示，所有三个 Veelo 产品系列都在向前发展，要么最终确定为 OEM 和供应商合格产品清单 (QPL)，“要么作为零件编号添加到我们客户的供应基础中。”尽管该公司现在所做的大部分工作是针对热固性复合材料，但他指出，它也开始关注热塑性复合材料和增材制造。

Veelo Technologies 未来的重点在哪里？ “我们的首要任务是继续交付我们现有的订单和战略机遇，”Sprengard 说。 “市场正在推动我们满足新的需求水平，这是巨大且具有挑战性的。保持专注是我们的首要任务。”

Veelo如今为自己设定的目标，与其历经12年发展达到这一目标的坚韧和宽容一样令人印象深刻。 “如果你看看最好的航空航天复合材料供应商，例如 Airtech 和 A&P Technologies，”Sprengard 说，“他们在客户开发周期的早期就拥有一席之地。成为这样的创新合作伙伴需要时间。”他补充说，“和承诺。”

Veelo Technologies 的员工人数从 4 人扩大到 24 人，从一家纳米材料供应商发展为先进的广泛产品专家，再到未来复合材料的创新合作伙伴，被波音公司评为 2015 年年度供应商。