Fraunhofer IPT 实现热塑性 CFRP 发动机风扇叶片自动化生产，大幅提升效率

飞机材料必须兼具高韧性和轻量化。碳纤维增强塑料（CFRP）因同时具备这两项特性，已越来越多地应用于航空发动机风扇叶片（参见《劳斯莱斯开始制造世界最大风扇叶片》）。然而，此类部件生产耗时且昂贵，因为它们需在高压釜中固化数小时。德国亚琛Fraunhofer生产技术研究所（IPT）的研究团队正致力于进一步实现CFRP风扇叶片生产的自动化。

目前许多CFRP部件的生产已部分实现自动化。预浸料（通常由环氧树脂增强纤维制成）按薄层铺设并定向，形成定制铺层，随后在高压釜中经高温高压固化——这一过程能耗大、成本高且耗时长。Fraunhofer IPT一直在研究如何进一步自动化CFRP叶片制造，以降低成本。

但研究人员并未采用环氧树脂基材料，而是转向碳纤维增强热塑性塑料。这些材料已在飞行结构中应用数十年，兼具良好的轻量化性能与优异的抗冲击表现，且能快速、灵活地实现自动化加工。作为热塑性材料，它们无需化学交联即可硬化，仅需加热熔融并在受控冷却下施压固结，还可再次加热重塑。

因此，热塑性复合材料更适合高效制造工艺，Fraunhofer IPT纤维复合与激光系统技术部主任Henning Janssen博士解释道。在多轮测试中，他的团队首次成功将两大工艺结合用于风扇叶片生产：全自动铺带与成型。

柔性工艺链：自动化铺带与热成型

利用全自动铺带系统（Fraunhofer IPT自主开发并授权商业化），单向（UD）增强热塑性带材按结构受力方向逐层铺设，形成多层、高韧性且柔性的面板，即所谓的“有机板”。研究人员通过多种传感器全程监测并记录每一步自动化工艺，从而深入生产“黑箱”，为每块有机板创建“数字孪生”。这种虚拟映射可及早发现质量偏差并采取对策。

完成的有机板在下一工序中加热，经热成型工艺成型为近净形。前期测试先在16毫米厚、织物增强的PA12/碳纤维有机板上进行，近期将转向PEEK/碳纤维带材制成的有机板。

FRP部件铣削测试系列

热成型后，成型有机板边缘修整并铣削至最终形状。因材料结构非均质，FRP铣削极具挑战；碳纤维对铣刀刃口磨损极大，导致刀具寿命短、加工质量波动。延长刀具寿命的一种方法是使用聚晶金刚石（PCD）涂层铣刀。研究人员在小规模CFRP叶片加工实验中发现，PCD涂层铣刀寿命显著长于无涂层刀具；此外，量身定制的铣削策略也能显著提升加工质量。

在多种工业应用场景中落地

热塑性CFRP材料的初步成果令人鼓舞：“我们证明了关联制造工艺——叶片的制造与精加工——是可行的，”Fraunhofer IPT涡轮机械业务单元主管Daniel Heinen表示，“我们在叶片径向及前后缘之间均实现了极佳的表面质量。现在需进一步细致考察并优化各单一工艺。”

未来几个月将开展研究项目，在各类工业应用场景中进一步优化并验证新工艺。亚琛科学家特别关注高性能热塑性PEEK作为基体的应用，以及在有机板内部集成传感器技术。后者不仅能监控制造过程，还能监测部件在发动机后续使用中的状态。此外，还将探索将该工艺链应用于其他部件，如导向叶片、发动机整流罩部件以及航空航天外的组件。Fraunhofer IPT欢迎有意参与项目的企业合作。

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