探秘Veelo Technologies伍德劳恩工厂：创新碳纳米管纤维工厂内幕

当公司试图商业化的碳纳米管（CNT）纤维无法满足潜在客户（含美国空军和波音（美国伊利诺伊芝加哥））性能需求时，该怎么做？转型，回到绘图板，利用先进材料与复合加工专长开发其他方案。"我们常用纳米材料，但绝非纳米材料公司，"Veelo Technologies CEO Joe Sprengard说。"我们是专注导电材料和非金属加热解决方案的先进材料公司。从最初开发连续CNT纤维/片材到当前产品组合——防雷击防护（LSP）与电磁屏蔽、复合加工高效加热毯、非金属电热除冰系统——共同主线是开发新材料，不只交付新性能水平，更满足重量与成本要求。"

公司从4人扩至24人，迁入位于伍德劳恩的新2万平方英尺制造设施，此地为辛辛那提郊区，距GE航空埃文代尔总部1英里，距代顿赖特-帕特森空军基地空军研究实验室（AFRL）南下1小时车程。Sprengard带领CW参观Veelo Technologies新生产基地，走过公司从纳米材料供应商到先进宽幅制品专家、未来复合创新合作伙伴的演进历程。

从纳米到多功能复合与加工
Veelo Technologies始于开发连续CNT纤维片材(左上)，现演进为在防雷击、复合加工非金属加热毯、航空结构除冰系统产品中使用多种材料(下、右)。

CNT纤维与片材

Veelo Technologies源自辛辛那提大学（UC）分拆的General Nano。大学2007年制得世界最长CNT阵列——18毫米。"AFRL材料制造局启动多年评估，"Sprengard解释，2009年入职。"前三年我们尝试将长CNT转化为AFRL感兴趣的高强宏观纤维。但性能未达标。"

公司转型，开发将CNT转化为连续片材方法。波音产生兴趣，视其为复合飞机结构防雷击（LSP）和电磁干扰（EMI）屏蔽潜在方案。"商用飞机平均每1000飞行小时遭雷击一次，"Sprengard说。虽碳纤维导电，复合基体树脂不导电。故波音为其创纪录量产的777和787商用飞机CFRP航空结构，依赖展开金属箔等金属方案快速导电流至接地连接防热损伤。"但金属网重、产生大量寄生重量、复合部件加工挑战大，"Veelo产品开发工程师Larry Christy说。

2015年波音全公司推动开发下一代LSP方案，General Nano成关键合作伙伴。CW2016年紧随其后访问General Nano，原址为辛辛那提孵化器设施容纳多家初创。Christy带领参观实验室讨论技术演进。"金属LSP屏蔽随频率升高效果下降，"他解释。"需提升导电性降阻抗但厚度<25微米。然而CNT-CNT结点增大片材内阻。2014-2016年我们提升导电性12倍，证明200 MHz频率屏蔽直接替代方案，较金属减重25%。但仍需降薄。"

此时公司已具备在5英尺宽基板上生产对齐CNT、长达数百英尺能力。也用造纸设备闲置产能的代工网络制造20 g/m²、2毫米厚CNT纸和非织造材料——一种CNT连续非织造。"此法给我们灵活性，"Christy解释，"让我们专注与客户合作增添功能、定制产品性能形式。"公司也被要求做连续带材，亦用代工网络生产。

转向高性能宽幅制品

这种可定制性和按客户需求修改产品意愿至关重要，因存在十年左右公司意识到未来可能截然不同于过去。Christy解释需求不只LSP还有EMI屏蔽。"必须为各自定制电性能。金属网性能频率相关，因片材孔洞泄漏随频率升高下降。我们性能随频率升高因产品连续无孔无漏。CNT高频超越金属，适配高强射频（HIRF）和高功率卫星通讯。CNT无趋肤效应，金属有此问题。"趋肤效应指交流电避开导体中心、局限表面/趋肤，实际减小载流横截面积增阻。Christy续称："但CNT低频不具竞争力。导电性不够高、信号损耗大。故看混合方案。"

"这引向非纳米基其他片材，"Sprengard说。"开发了VeeloVEIL，为LSP的金属化碳纤维方案，比展开铜箔（ECF）轻70%且满足1A区防雷击防护要求。"1A区含雷达罩/机头、翼尖、发动机短舱、尾翼末端，按美国联邦航空管理局（FAA）要求须承受20万安培电流（见"复合飞机LSP策略"和"复合结构LSP"）。"VeeloVEIL导电性超其他金属化非织造4倍却重量减半，"他续称。"得益于我们开发的化学与材料加工。"

航空结构下一代LSP
商用飞机平均每1000飞行小时遭雷击。VeeloVEIL金属化碳纤维非织造以70%减重满足复合飞机1A区防雷击防护要求。经工程设计适配自动铺丝/铺带（AFP/ATL）机器处理，VeeloVEIL单层80微米厚度实现颠覆性导电性，LSP材料与加工时间减少75%以上。

航空航天业目前不碳纤维面纱做LSP，Sprengard说，"因无产品导电性足满足1A区要求。"VeeloVEIL设计实现40-50 g/m²面密度下5-10毫欧电阻率（电阻率越低导电越强），单层80微米厚度满足飞机LSP要求。"此材料极好成型，成饰面光滑无需ECF常需的孔隙填充后处理，"他注。"进而让制造商少用面层树脂，省材料制造成本。顶级三大航空结构OEM反馈VeeloVEIL使LSP总材料加工时间从20+小时降至3小时内。"

VeeloVEIL供应产品形式同ECF，让制造商无需改现有工艺用之。"所有航空航天复合用导电材料均设计适配[自动铺丝] AFP机器加工，"Sprengard说。Veelo Technologies也在将VeeloVEIL集成标准表层产品，与一级航空预浸料商合作。

定制导电性用于加热

开发VeeloVEIL期间，Sprengard团队意识到定制宽幅制品导电性能力也可用于电热应用。这打开另一产品家族VeeloHEAT大门。

"VeeloHEAT为集成进航空结构除冰的碳基非金属材料，"Sprengard说。注意这非碳纤维。"当前飞机除冰系统常用金属线，耐久性存疑，尤其旋翼机等高疲劳环境。一根线断系统失效。常规金属除冰系统常故障，维修耗时耗资。我们证明产品耐久性远强，大幅减少飞机停机时间。"注产品确实用于直升机旋翼叶片，对当前开发的城市空中交通新一代交通工具EVTOL（电动垂直起降）飞机有重大潜力。

更近期，Sprengard称VeeloHEAT产品计划2020年Q1搭载固定翼商用飞机早期定型。"技术吸引力非秘密，"他说，注Collins Aerospace（原UTC，现将并入雷神）2017年1月宣布独家许可CNT基除冰系统。"彼熟谙市场并为未来布局。其投资指明技术走向，"Sprengard补充。

Veelo Technologies测试每条VeeloHEAT毯温度输出与均匀性。

从除冰到复合加工与修复

传统加热毯用数十年固化复合结构粘接疤形修复小面积——典型<1平方米。用传统金属线嵌硅橡胶或其他材料（视固化温度需求）。"同金属除冰系统，一线断热毯短路失效，"Sprengard说。"利用碳基除冰产品开发非金属加热毯，具无可匹敌耐久性、成型性与性能。"行业标准为3%变异系数（COV），量度加热产品面面边边均匀性。VeeloHEAT毯在典型5 W/in²能量输出下超越此标准。

Veelo热毯可产生550°F（288°C）温度，可净成型贴合部件工装。"此能力得益于我们配制化学、制造定制电阻率独特先进材料能力，"Sprengard注。Veelo Technologies 15个月商业化此技术现全产。"此产品线增长很好，"他加，"现大批量生产VeeloHEAT毯用于非热压罐和非烘箱大型复合结构粘接，利用客户需求的多温区等加工特性。"

搬迁与产能爬坡
Veelo Technologies新2万平方英尺生产大厅提供充足空间扩产VeeloHEAT毯，制造转型第一阶段完成搬迁爬坡至全速。第二阶段将2019年3季度完成。

制造以满足客户需求

2018年10月，Veelo Technologies确认赢得重大国防项目要求立即爬坡。"庆幸找到近乎完美可即入驻设施，已具备我们落地即跑所需基建，"Sprengard回忆。伍德劳恩设施具最先进环控、照明、壁至壁环氧地坪——Sprengard从客户运营参观中注为航空航天标配。"未走捷径——对最高质量材料饰面投资反映长期战略愿景，"他解释。此投资也体现于设施门禁安保人员配置，因国防合同所需。

设施建设2019年2季度完成，Veelo开始搬迁生产线。"所有设备近满产运行，使停机搬迁所有线进新厂成挑战，"他承认。公司2019年7月完成制造转型第一阶段，搬迁VeeloHEAT毯线并爬坡回全产。

新设施大型开放生产大厅从前厅进入。右侧为VeeloHEAT毯制造区。四张4×10英尺铺层台用于将VeeloHEAT膜与其他材料铺设成型金属模具。铺层后在JPW Industrial Furnaces（宾州鳟鱼溪）供应10×10英尺烘箱固化。成品毯脱模接电源线，配合计算机控制单元（热粘接器）固化复合层压板修复。每条VeeloHEAT毯测试温度输出均匀性。

更耐用成型、非金属热毯
虽制造VeeloHEAT毯时用金属线加热金属工装、用计算机控制单元（热粘接器）向毯供电，但毯内部无金属线。这使非金属热毯可3D成型无断线、短路、温度均匀性问题（冷热点）。内部碳基VeeloHEAT膜在5 W/in²下产生550°F（288°C）温度，COV 3%。

热毯产区旁为湿法化学生产间。此用Silverson Machine（马萨诸塞州东朗梅多）和Netzsch（马萨诸塞州伯灵顿）工业设备混合Veelo产品用先进化学配方。次为膜制造间，置Veelo碳基VeeloHEAT膜专有制造系统——VeeloHEAT毯核心关键技术。再左为VeeloVEIL产区。参观时虽空，但15英寸和36英寸宽卷对卷VeeloVEIL生产线已8月迁入。公司也在设计60英寸宽产线应未来需求。10月前Veelo Technologies全线产品将在同一屋檐下运行并向增产爬坡。

下一代解决方案

Veelo Technologies通往当前成功之路漫长非平坦。"是，我们起于纳米材料，仍保持该领域深厚专长，但客户全不在乎我们用不纳米材料，"Sprengard说。"他们只在乎我们供引人方案满足性能ROI目标。例让下一代除冰系统用更少飞机电力，开拓航空器设计新机遇与运营效率。"

Sprengard称三大Veelo产品家族均在推进，或最终入选OEM供应商合格产品清单（QPL）"或成客户供应链料号一员。"虽绝大部分业务为热固性复合，但注开始关注热塑性复合与增材制造。

Veelo Technologies未来聚焦何处？"首要任务持续交付现有订单与战略机遇，"Sprengard说。"市场推我们满足新需求水平，好也具挑战。保持聚焦为首要任务。"

Veelo现设定目标正如其12年研发达此点的韧毅般令人振奋。"看最佳航空复合供应商如Airtech和A&P Technologies，"Sprengard说，"他们早期切入客户开发周期席位。成为此创新伙伴需时间。"补："且需承诺。"

Veelo Technologies从4人扩至24人，演进从纳米材料供应商到先进宽幅制品专家至未来复合创新合作伙伴，2015年获波音评为年度供应商。