DigiProp 为 Dowty Propellers 及其客户定位可持续的下一代平台

Dowty Propellers（英国格洛斯特）是复合材料螺旋桨系统的全球领导者，也是 GE Aviation（美国俄亥俄州辛辛那提）的一部分，它宣布成功完成其最大的螺旋桨研发计划：DigiProp。 Dowty 领导了一项为期四年、耗资 2000 万英镑的“数字推进”计划，旨在对其螺旋桨系统的设计、制造和测试的各个方面进行创新。

不断发展的测试方法以更好地代表操作环境一直是 DigiProp 计划的重点领域。图片来源：Dowty Propellers

DigiProp 由英国政府资助，与英国的三个高价值制造弹射器中心合作：谢菲尔德大学的先进制造研究中心（AMRC，谢菲尔德）、制造技术中心（MTC，考文垂）和国家复合材料公司中心（NCC，布里斯托尔）。取得的进展包括扩大复杂几何结构的三轴编织，开发自动泡沫热成型工艺作为铸造或机械加工的替代方案，以及成功使用机器人超声波修整碳纤维预制件。其他发展包括：

• 三轴编织已发展到工业规模 ，利用先进复合材料的定向特性来提供性能和强度，同时最大限度地发挥轻质特性的优势，从而减轻叶片的整体重量。
• 热塑性复合材料 开发，实现回收利用、减少废物和工具再利用，从而支持实现碳中和。
• 数字孪生的介绍 在 Dowty Propellers 新工厂的开发过程中，不仅优化了工厂的占地面积，而且还确定了工艺瓶颈，以减少制造时间和能源消耗，提高首次成品率，并加快客户的上市时间。
• 通过复杂的数据模型，空气动力学和声学 性能改进 现在可供 Dowty Propellers 的客户使用，数字线程的创建为大数据的使用奠定了基础。

关于泡沫热成型、编织和超声波修边的 AMRC

“通过 DigiProp 计划，AMRC 复合材料中心已经能够突破复合材料制造能力的界限，”AMRC 复合材料模拟技术负责人 Matt Smith 博士说。 “对于泡沫热成型，这种复杂程度不是我们以前在 AMRC 中做过的事情。 Dowty Propellers 对结果非常感兴趣并印象深刻，并希望在 DigiProp 结束后继续这项工作。”

AMRC 的 KSL 机器人单元，带有超声波刀附件。 KukaSim 用于为刀具确定最佳切割路径的理想位置。图片来源：Dowty Propellers，AMRC

“我们还成功地开发了我们的三轴编织能力，”史密斯说，“克服了扩大制造的挑战。我们开始在曼彻斯特大学用简单的管状结构进行小规模试验，然后发展到现实生活中的机翼几何形状，编织能够符合 Dowty Propellers 指定的复杂形状。”

AMRC 复合材料中心团队还证明了在成型之前缝合堆叠材料的可行性。然后使用安装在机器人手臂上的超声波刀修剪到尺寸。 “超声波修整非常成功，”史密斯说。 “这项技术的好处是可以有效地稳定材料堆叠，并且超声波切割工艺可以满足多轴切割要求。”

“我们开发的参数化螺旋桨系统模型使我们能够使用比人类大脑无法计算的多得多的变量，使我们能够在几周内完成数千年的手动计算，”工程负责人乔纳森·切斯特尼 (Jonathan Chestney) 解释说。 Dowty 螺旋桨。 “这为我们的客户提供了比以往更快的设计响应和更高水平的设计优化。”

AMRC 现在正在寻找泡沫热成型和超声波修边方面的未来项目。

关于混合碳/TP 和气囊成型的 NCC

作为 DigiProp 的一部分，NCC 团队审查了叶片制造工作流程，探索了不同的技术和流程，以便能够输入叶片要求和一组几何约束，从而在新叶片结构的设计中创造尽可能多的灵活性。

随后，NCC 设计并制造了涡轮螺旋桨飞机螺旋桨叶片的全尺寸原型，以及将气囊成型与混合热塑性和碳纤维增强材料的三轴编织相结合的新型制造工艺。对于气囊系统，使用涂有硅胶的蜡模作为芯轴进行编织。

必须测试各种材料成分，因为刀片需要耐用和 无表面缺陷。干纤维预制件还需要保持其形状，并且在围绕心轴分层时不会下垂、扭曲或移动。这是为了确保光纤的正确定位和对齐，以满足叶片设计意图和性能要求。

热塑性叶片的制造过程需要开发用于编织的刚性芯轴，该芯轴可以很容易地从模具中取出，但在预成型后仍保留一个可充气的硅胶气囊。后者将能够在固化过程中施加内部压力以进行固结。硅胶涂层蜡模提供了一种解决方案，但必须优化硅胶的厚度，以防止气囊失效和复合叶片的不完全固结。

通过使用热塑性塑料，NCC 将固化周期缩短到大约 5 分钟，而典型的热固性环氧树脂需要 4 小时。在一次迭代中，NCC 从叶片结构中去除了泡沫芯，观察到重量减轻并提高了疲劳寿命和抗冲击性。总共开发了六个原型螺旋桨叶片，每次都建立和改进设计和制造技术。

NCC 报告说，参与 DigiProp 计划是一个独特的机会，可以为叶片设计开发数字制造技术，并为其他空心 3D 结构提供更广泛的应用。例子包括用于小型电动飞行器的经济可回收的复合材料部件。这项工作促成了另一个项目，即新型复合材料电动自行车，其中 NCC 与总部位于布里斯托尔的山地自行车制造商 Starling Cycles 和 Composite Braiding（热塑性复合材料编织技术的领导者）合作。

现在部署的未来技术

“这是我们在 Dowty 进行过的最大的研究项目，时间安排得再好不过了，”Dowty Propellers 总裁 Henry Johnston 说。 “我们现在拥有一套先进的新技术，使我们能够为 Covid 后发生的可持续平台加速做好准备。”

“该项目通过设计和生产力实现了推进性能和成本方面的创新，这有助于改变螺旋桨的研发，”航空航天技术研究所先进系统与推进技术主管 Mark Scully 说。 “在高价值制造 Catapult 合作伙伴的协助下，制造创新已被部署到格洛斯特新的最先进的 Dowty 工厂中。”

该财团在制造能力上的逐步变化为英国航空螺旋桨制造基地的发展开辟了新的机遇，通过利用复合技术和工业数字化来降低生产成本并提高欧洲价值 2000 亿欧元的航空业未来推进系统的性能。

Dowty Propellers 现在开始使用 DigiProp 中实现的技术来发展飞机应用并瞄准下一代平台。潜在客户正受益于该公司支持贸易研究的能力，而且绩效分析的周转时间很短。

Dowty 明确表示，如果没有 ATI 计划的支持和资助，DigiProp 就不可能实现，ATI 计划是英国政府和行业联合投资，旨在维持和发展该国在民用航空设计和制造方面的竞争地位。 ATI 计划由航空航天技术研究所 (ATI)、商业、能源和工业战略部 (BEIS) 和 Innovate UK 合作实施，旨在解决技术、能力和供应链方面的挑战。