ENLIGHTEN计划加速热塑性复合材料工业化应用

车辆越轻，油耗与CO₂排放越低。既能保障乘客安全又足够坚固的轻量化材料，深受汽车与飞机制造商青睐。热塑性复合材料——受热软化的纤维增强塑料——兼具轻、强、易加工、易回收优势。飞机机身与机翼部分部件已采用此新材料，但尚未大规模普及。

ENLIGHTEN——Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes（高产量集成轻量化结构赋能）——旨在寻找以可预测、可复现、成本效益方式生产可靠整体结构的路径。该600万欧元、五年期项目由荷兰特文特大学（UT）与UT科学家、热塑性复合材料研究中心（TPRC）Dr. Remko Akkerman发起，属荷兰Perspective计划一部分，挑战科学家建立具真实经济社会影响力的创新研究线。由荷兰研究理事会（NWO）与经济事务与气候部设立，荷兰设立六个Perspective联盟，138家企业与机构自筹1000万欧元配套政府2200万欧元。

开发多尺度细节

CW采访Akkerman深入了解ENLIGHTEN内涵。“CompositesWorld读者熟悉TPRC工作，聚焦快速热塑性加工：焊接、包覆成型、回收，”Akkerman说，“我们发表大量材料、工艺、性能研究结果。但工艺如何影响复材中纤维-基体分布与孔隙？进而如何影响零件力学性能？这些过程如何影响使用中裂纹萌生与扩展？必须理解这些方面，才能成熟热塑性复材以实现更广工业应用。”

故ENLIGHTEN规模宏大，汇聚聚合物、复材微观力学、多尺度数字建模、数字数据科学专家。“目标是开发知识，优化热塑性复材工艺以达最优性能，”Akkerman说，“并集成过程监控——因材料质量赖于工艺控制能力——及机器学习加速优化。”

ENLIGHTEN囊括荷兰三所理工大学（特文特、代尔夫特理工、埃因霍温理工）及汽车航天供应链企业（OEM、Tier供应商、中小企业）。荷兰外机构也参与：英国华威大学WMG高价值制造中心（CATAPULT计划）、塔塔汽车（印度孟买）子公司捷豹路虎。

显微图显示连续纤维增强坯料与短纤维增强注射包覆料焊缝线上方有纤维迁移。这如何影响零件强度性能，是ENLIGHTEN待解众多问题之一。

“研究工艺含感应焊接、超声焊接、包覆成型（也有焊缝界面），涉及相同物理现象但速率不同，”Akkerman注，“纤维移动、应力、裂纹萌生等现象均适用。”但热塑性复材焊接结构商用飞机飞行超30年了？“有，但那些结构未用感应/超声焊接单向带，”他指出，“后者更难理解控制，但若能全程预测工艺，生产更经济。”

多尺度建模与物理测试是ENLIGHTEN关键。“不看制造工艺无法理解复材，”Akkerman说，“数字建模可建立假设，并行实验验证、修正理解。如微观晶体形成、中观焊接中纤维移动、宏观应力/微裂纹/极限载荷发展的相互作用。这种极深度又结合的多层次研究，业界未见过。”

机器学习切入点？ “工作包1、2各分析元素耗时数小时，且须对每种特定材料、零件、工艺重复。跨所有尺度模型优化需数千小时。过程中我们积累现象关联数据，可训练神经网络识别数据连接，完全符合底层物理。”

观察工作范围图，“将有左右、上下连接。基于所有分析，目标开发算法，通用灵活应用于给定零件，优化工艺参数与材料选择。机器学习可视为多变量曲线拟合。结果有效相似：曲线——实为多维超曲面——显示指引前路的相关性与因果性。”

材料、传播与终极目标

确定研究材料是ENLIGHTEN首要任务。“汽车领域大概率研究聚酰胺6（PA6，尼龙），航天领域研究低熔点聚芳醚酮（LM PAEK），”Akkerman说，“将评估其他材料及所有可用数据。”如Clean Sky 2 MECATESTERS项目对碳纤维增强LM PAEK单向带大量测试；STUNNING项目组装多功能机身演示器（MFFD）下半身产出大量超声焊接数据；TPRC COMPeTE项目研究多种材料组合包覆成型。

成果传播：联盟年会、工作包子组按里程碑开会；项目期间在国内外会议个人汇报；最终年举办专题会或全程国际会议分享总成果。

终极目标，Akkerman说，是为热塑性复材实现金属工业在航空发动机单晶金属材料设计法上的成就。“他们的目标是达成未来飞机所需性能。我们面对更广泛的出行领域有同等使命。我们设计焊接/包覆工艺优化轻量热塑性复材在航天汽车结构性能，但变异性仍大，导致过度安全系数、效率低于技术潜力。热塑性复材零件虽已飞行，却耗时30年。欧洲2050碳中和目标不足30年。沿旧路试错无法达成气候目标。ENLIGHTEN开辟更高效路径，行动刻不容缓。”