启动 ENLIGHTEN 计划以加速热塑性复合材料的工业化

车辆越轻，消耗的燃料就越少，排放的二氧化碳就越少。强度足以确保乘客安全的轻质材料也受到汽车和飞机制造商的欢迎。热塑性复合材料——加热时会软化的纤维增强塑料——重量轻、强度高、易于使用且易于回收。飞机机身和机翼中的某些部件已经由这种相对较新的材料制成。但是，它们还没有得到更广泛的使用。

ENLIGHTEN 的目标 — 实现大容量集成轻量级结构 — 是找到一种方法，以可预测、可重复和具有成本效益的方式使用这种材料生产可靠的整个结构。这个耗资 600 万欧元、为期五年的项目由特温特大学（UT，特温特，荷兰）和 UT 和 ThermoPlastic 复合材料研究中心（TPRC，荷兰特温特）的科学家 Remko Akkerman 博士发起。来自荷兰的Perspective 该计划挑战科学家建立可以产生真正经济和社会影响的创新研究方向。由荷兰研究委员会 (NWO) 和经济事务和气候部建立，六个视角 荷兰正在成立财团，138 家公司和组织自有资金投入 1000 万欧元，以匹配荷兰政府提供的 2200 万欧元。

开发多尺度细节

连续波 与 Akkerman 交谈以更好地了解 ENLIGHTEN 的真正含义。 “复合材料世界 读者非常熟悉 TPRC 所做的工作，在那里我们专注于快速热塑性加工，包括焊接、包覆成型和回收利用，”Akkerman 说。 “我们已经发表了许多研究材料、工艺和性能的结果。但该过程如何影响复合材料中的纤维基质分布和孔隙率？这又如何影响零件的机械性能？这些过程如何影响使用中的裂纹萌生和扩展？为了使热塑性复合材料成熟以用于更广泛的工业用途，需要了解这些方面。”

这就是为什么 ENLIGHTEN 是一个如此庞大的项目，涉及聚合物、复合微机械、多尺度数字建模以及数字数据科学方面的专家。 “我们的目标是开发知识，然后我们可以使用这些知识来优化这些热塑性复合材料工艺以优化性能，”Akkerman 说。 “我们还将整合过程监控——因为材料质量取决于您控制过程的能力——以及机器学习来加速这种优化。”

ENLIGHTEN 包括荷兰的所有三所技术大学（特温特大学、代尔夫特理工大学和埃因霍温理工大学）以及整个汽车和航空航天供应链中的公司，包括原始设备制造商、一级供应商和中小企业。荷兰以外的组织也参与其中，包括作为英国 CATAPULT 计划一部分的华威大学 WMG 高价值制造中心和全球汽车制造商塔塔汽车（印度孟买）的子公司捷豹路虎。

该显微照片显示了连续纤维增强坯料和短纤维增强注塑包覆成型之间熔接线上方的一些纤维迁移。这如何影响零件的强度和性能是 ENLIGHTEN 需要回答的众多问题之一。

“我们将研究的过程包括感应焊接和超声波焊接以及包覆成型，它们也有一个焊接界面，每个过程都涉及相同的物理现象，但速度不同，”Akkerman 指出。 “因此，所有关于纤维运动、应力和裂纹萌生的相同现象也适用于此。”但是焊接热塑性复合材料结构不是已经在商用飞机上飞行了 30 多年了吗？ “是的，但这些结构都没有使用单向带的感应或超声波焊接，”他指出，“这更难以理解和控制，但如果我们能够完全预测过程，那么生产也会更经济。”

多尺度建模和物理测试将在 ENLIGHTEN 项目中发挥关键作用。 “如果不查看用于制造复合材料的制造过程，就不可能理解复合材料，”Akkerman 说。 “通过数字建模，我们可以制定假设，然后并排进行实验以验证我们的结果并完善我们的理解。例如，这包括在微观层面观察晶体结构的形成，在细观层面的焊接过程中纤维如何移动，以及这些现象如何相互作用以影响宏观上应力、微裂纹和结构的极限载荷的发展。等级。我在我们的行业中还没有见过这种非常深入但综合的调查水平。”

但是机器学习在哪里发挥作用呢？ “工作包 1 和 2 中的每个分析元素都需要花费数小时才能运行，”Akkerman 说，“并且必须针对每种特定材料、零件和过程重复进行。如果要在所有这些尺度和模型上实现优化，将需要数千小时。然而，当我们这样做时，我们将积累关于所有这些现象如何相互关联的数据。然后我们可以训练神经网络来识别这些数据中的联系，完全符合基础物理学。”

看看下面显示的工作范围，他解释说，“会有从左到右、从上到下的联系。基于所有这些分析，我们的目标是开发可以以更通用、更灵活的方式使用的算法，而不必每次都从头开始。换句话说，这些算法可以应用于您的给定零件，帮助您优化工艺参数和材料选择。将机器学习视为一种具有许多变量的曲线拟合。”他承认这不是一个完美的类比，但结果实际上是相似的，因为曲线——在这种情况下更像是一个多维超曲面——将显示指向前进方向的相关性和因果关系。

材料、传播和最终目标

完成要研究的材料是 ENLIGHTEN 项目的首要任务之一。 “最有可能的聚酰胺 6（PA6、尼龙）将被研究用于汽车和低熔点聚芳醚酮 (LM PAEK) 用于航空航天，”Akkerman 说。 “我们将评估其他材料并查看所有可用数据。”例如，这可能包括其他程序生成的内容，例如 Clean Sky 2 中的 MECATESTERS，该程序已使用碳纤维增强 LM PAEK UD 胶带进行了大量测试。同时，Clean Sky 2 STUNNING 程序将在组装多功能机身演示器 (MFFD) 的下半部分时生成大量有关超声波焊接的数据。 Akkerman 指出了在 TPRC 开展的 COMPeTE 项目，该项目研究了多种不同材料组合的二次成型。

关于项目结果的传播，ENLIGHTEN 联盟将每年召开一次全体会议，每个工作包中的小组将根据需要举行会议，以实现其既定的里程碑。项目期间将在国内和国际会议上进行个人演讲，并在项目的最后一年组织一次专门的会议或完整的国际会议，以分享整体成果。

Akkerman 说，最终目标是在热塑性复合材料方面实现金属行业在航空发动机中使用单晶金属的材料设计方法。 “他们的目标是获得飞机未来所需的性能。对于更大范围的移动性，我们看到了同样的任务。我们正在尝试设计焊接和包覆成型工艺，以优化用于航空航天和汽车结构的轻质热塑性复合材料的性能，但我们仍然存在如此多的可变性。结果是安全系数过高，效率低于技术实际提供的效率。是的，我们有热塑性复合材料部件在飞，但花了 30 年才走到这一步。欧洲设定了到 2050 年实现碳中和的目标——不到 30 年。如果我们继续走同样的道路，这仍然涉及大量的反复试验，我们将无法实现应对气候变化所需的目标。我们通过 ENLIGHTEN 看到了一条不同的、更有效的途径，现在是采取行动的时候了。”