Fraunhofer IPT 自动化生产热塑性 CFRP 发动机风扇叶片

飞机材料必须具有高弹性，同时尽可能轻。同时，碳纤维增强塑料 (CFRP) 越来越多地用于航空发动机风扇叶片。 （参见“劳斯莱斯开始制造世界上最大的风扇叶片”）。然而，这些组件的生产非常耗时且昂贵，因为它们必须在高压釜中固化几个小时。弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT，亚琛，德国）的一个研究团队正在寻求进一步实现 CFRP 风扇叶片生产的自动化。

许多 CFRP 组件的生产已经部分自动化。预浸渍半成品预浸料（通常由纤维增强环氧树脂制成）以薄层形式施加和定向，以形成量身定制的叠层。然后在能量、成本和时间密集的高压釜过程中在压力和热量下固化。 Fraunhofer IPT 一直在研究进一步自动化 CFRP 叶片制造以使其更具成本效益的可能性。

然而，这些研究人员并不依赖环氧树脂基材料，而是依赖碳纤维增强热塑性塑料 .这些材料已经在飞行结构中使用了几十年，具有良好的轻质结构和出色的冲击性能，并且可以以自动化方式快速灵活地加工。作为热塑性塑料，它们不需要化学交联来硬化，而只需在受控冷却过程中加热熔化和加压固化。它们也可能被重新加热和重塑。

因此，热塑性复合材料更适合高效的制造工艺，Dr.-Ing 解释说。弗劳恩霍夫 IPT 纤维复合材料和激光系统技术部门负责人 Henning Janssen。在几个测试系列中，他的团队现在首次成功地将两种这样的风扇叶片生产工艺结合起来：全自动铺带和成型。

灵活的工艺链：自动铺带和热成型

使用全自动胶带铺设系统，Fraunhofer IPT 的专有开发已获得商业化许可，单向 (UD) 增强热塑性胶带根据结构所需的载荷方向。通过这种方式，创建了一个多层、高弹性和柔韧的面板，即所谓的有机板。研究人员使用各种传感器监控和记录全自动过程的每一步。通过这种方式，他们可以在过程中查看生产的“黑匣子”，并为每个有机板材创建所谓的“数字阴影”。这种真实有机板材的虚拟图像可以在早期识别质量偏差并采取适当的对策。

成品有机片材在下一个生产步骤中加热，并在热成型工艺中成型为近净形状。在之前的一系列测试中，该工艺最初是在由 PA12 和碳纤维制成的 16 毫米厚织物增强有机片材上进行测试，很快就会转移到由 PEEK 和碳纤维带制成的有机片材上。

铣削 FRP 组件的测试系列

热成型后，成型的有机片材的边缘被修整并研磨成最终形状。由于材料结构的异质性，铣削 FRP 非常具有挑战性。此外，碳纤维对铣刀的切削刃有很强的磨蚀作用，从而导致刀具严重磨损和加工质量波动。

延长刀具寿命的一种可能性是使用涂有聚晶金刚石 (PCD) 的铣刀。在尝试以更小规模加工 CFRP 刀片时，研究人员发现 PCD 涂层铣刀的使用寿命明显长于未涂层刀具。此外，单独定制的铣削策略设计对加工质量有积极影响。

在各种工业应用环境中的实施

热塑性 CFRP 材料的第一个结果很有希望：“我们能够证明相关的制造过程 - 叶片的制造和精加工 - 有效，”负责人 Daniel Heinen 说。 Fraunhofer IPT 涡轮机械业务部。 “我们能够在径向叶片方向以及叶片前缘和后缘之间获得非常好的表面质量。现在，我们必须更仔细地检查和优化各个流程。”

研究项目计划在未来几个月内进行，其中新工艺将在各种工业应用环境中进一步优化和检验。亚琛的科学家们对使用高性能热塑性 PEEK 作为基质以及在有机片材内层压传感器技术特别感兴趣。后者不仅可以监控制造过程，还可以监控发动机后期使用期间的部件状态。还寻求将工艺链应用于其他组件，例如应用于定子和机舱组件以及航空工业以外的组件。 Fraunhofer IPT 欢迎有兴趣参与项目的公司。