DigiProp 计划助力 Dowty Propellers 实现可持续创新

全球复合材料螺旋桨系统领军企业、GE Aviation（美国俄亥俄州辛辛那提）旗下的 Dowty Propellers（英国格洛斯特）宣布，其规模最大的螺旋桨研发计划——DigiProp（“数字推进”）圆满完成。这项为期四年、耗资 2000 万英镑的计划由 Dowty 牵头，旨在创新螺旋桨系统设计、制造与测试的各个环节。

优化测试方法以更真实反映运行环境是 DigiProp 的重点领域之一。图片来源：Dowty Propellers

DigiProp 由英国政府资助，联合英国三大高价值制造 Catapult 中心合作：谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMRC，谢菲尔德）、制造技术中心（MTC，考文垂）和国家复合材料中心（NCC，布里斯托尔）。主要进展包括：

• 三轴编织技术实现工业化规模化，利用先进复合材料的方向性性能提升性能与强度，同时最大化轻量化优势，实现桨叶整体重量减轻。
• 热塑性复合材料得到开发，支持回收、减少废料与模具复用，助力碳中和目标。
• 引入数字孪生优化新工厂布局，识别工艺瓶颈，缩短制造周期与能耗，提升首次合格率，加速客户交付。
• 通过复杂数据模型实现气动与声学性能提升，并构建数字主线，为大数据应用奠基。

AMRC 在泡沫热成型、编织与超声波修边方面的成果

“通过 DigiProp，AMRC 复合材料中心突破了复合材料制造的边界，”AMRC 复合材料仿真技术负责人 Dr. Matt Smith 表示。“泡沫热成型的这种复杂程度是我们此前未曾尝试的。Dowty Propellers 对结果非常感兴趣且印象深刻，希望在 DigiProp 结束后继续合作。”

AMRC 的 KSL 机器人单元配备超声波刀具。利用 KukaSim 确定刀具最佳位置以实现最优切割路径。图片来源：Dowty Propellers, AMRC

“我们也成功开发了三轴编织能力，”Smith 说，“克服了规模化制造的挑战。我们从曼彻斯特大学的小规模管状结构试验起步，逐步推进到 Dowty 指定的复杂翼型几何形状，编织结构能顺应复杂形状。”

AMRC 复合材料中心团队还验证了成型前缝合材料层的可行性，随后利用机械臂安装的超声波刀具修边至尺寸。“超声波修边非常成功，”Smith 说。“该技术能高效稳定材料层，并能处理多轴切割需求。”

“我们开发的参数化螺旋桨系统模型能引入远超人脑计算极限的变量，在数周内完成数千年人工计算量，”Dowty Propellers 工程负责人 Jonathan Chestney 解释。“这让我们能为客户提供更快的设计响应和更高水平的设计优化。”

AMRC 现正寻求泡沫热成型与超声波修边领域的未来项目合作。

NCC 在共混碳纤维/热塑性材料与气囊成型方面的工作

作为 DigiProp 一环，NCC 团队梳理桨叶制造流程，探索不同技术工艺，以便输入桨叶需求与几何约束，最大化新桨叶结构设计的灵活性。

NCC 设计并制造了涡轮螺旋桨飞机桨叶的全尺寸原型，以及一种结合气囊成型与共混热塑性/碳纤维增强材料三轴编织的新制造工艺。气囊系统中，涂硅蜡模作为芯模用于编织包覆。

为兼顾耐用性与无表面缺陷，需测试多种材料组合。干纤维预制件在绕芯模铺层时必须保持形状，不下垂、变形或位移，以确保纤维定位与排布符合设计意图与性能要求。

热塑性桨叶制造需开发可轻松脱模的刚性编织芯模，同时保留可充气硅胶气囊以便固化时施加内部压力巩固。涂硅蜡模提供了解决方案，但硅胶厚度需优化以防气囊失效与复合桨叶固化不全。

采用热塑性材料将固化周期从典型热固性环氧树脂的 4 小时缩短至约 5 分钟。某次迭代中，NCC 移除桨叶结构中的泡沫芯，观察到重量减轻，疲劳寿命与冲击抗性均提升。项目共开发 6 片原型桨叶，每次在设计与制造技术上迭代优化。

NCC 表示，DigiProp 是开发面向更宽泛中空 3D 结构的数字化制造技术的独特机遇，应用范围包括小型电动飞行器的经济可回收复合材料部件。这项工作已催生后续项目“Novel Composite E-Bike”，NCC 与布里斯托尔山地车制造商 Starling Cycles 及热塑性复合编织技术领军企业 Composite Braiding 合作。

未来技术当下落地

“这是 Dowty 有史以来最大的研究项目，时机再好不过，”Dowty Propellers 总裁 Henry Johnston 说。“我们现在拥有一套先进的新技术组合，为后疫情时代的可持续平台加速做好准备。”

“该项目通过设计与生产力创新，在推进性能与成本上实现突破，助力螺旋桨研发转型，”航空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 合作伙伴协助下，制造创新已部署至格洛斯特的 Dowty 新一代先进工厂。”

联盟实现的制造能力跃升，通过将复合材料技术与工业数字化结合，降低生产成本、提升未来推进系统性能，为欧洲 2000 亿欧元航空航天领域的英国螺旋桨制造基础增长创造新机遇。

Dowty Propellers 现已开始将 DigiProp 成果应用于不断演进的飞机应用，并瞄准下一代平台。潜在客户受益于公司在性能分析上的快速周转支持贸易研究的能力。

Dowty 明确指出，没有 ATI 计划的支持与资助，DigiProp 无法实现。ATI 计划是英国政府与产业联合投资，旨在保持并提升英国在民用航空设计制造中的竞争地位。由航空技术研究所（ATI）、商业能源与工业战略部（BEIS）和 Innovate UK 合作推进，解决技术、能力与供应链挑战。