莱昂纳多与 CETMA 革新复合材料技术 降本减环境影响

本文基于对 Stefano Corvaglia（莱昂纳多航空结构部材料工程师、研发与知识产权负责人，意大利南部格罗塔利耶、蓬皮利亚诺、福贾、诺拉生产基地）和 Silvio Pappadà 博士（CETMA 莱昂纳多项目研究工程师、项目负责人，意大利布林迪西）的采访撰写。

莱昂纳多概况

莱昂纳多（意大利罗马）是全球航空航天、国防与安全主要参与者，营收 138 亿欧元、全球 4 万+ 员工。提供空、陆、海、天、网络安全与无人系统全球综合解决方案。2019 年投入约 15 亿欧元 (占营收 11%) 用于研发，在航空航天防务领域欧洲第 2、全球第 4。

通过航空结构部，莱昂纳多为全球主要民用飞机项目提供大型结构件制造装配，含复合材料与传统材料的机身段与尾翼。

复合材料制造方面，莱昂纳多航空结构部在格罗塔利耶工厂生产波音 787 中央机身 44/46 段“整体机身段”，福贾工厂生产水平安定面——合计约占 787 机身 14%。其他复合结构生产含：福贾工厂制造装配 ATR 与空客 A220 商用机尾翼；福贾还生产波音 767 与军用项目复合部件，含 F-35 联合攻击战机、台风战机、C-27J 军用运输机、Falco Xplorer（莱昂纳多生产的 Falco 系列最新无人机）。

与 CETMA 合作

“我们与 CETMA 有许多持续活动，如热塑性复合材料 (TPC) 和树脂传递模塑 (RTM),” Corvaglia 说。“目标是尽快让研发活动达到生产就绪。我們部門(研发与知识产权管理)也关注颠覆性技术，技术成熟度 (TRL) 較低——即更早期、离量产更远——但旨在更具竞争力、助力全球客户。”

“合作伊始,” Pappadà 补充，“我们始终致力于降低成本与环境影响。我们发现热塑性复合材料 (TPC) 相较热固性两者兼降。”

Corvaglia 指出：“与 Silvio 团队合作，我们开发了这些技术并建立自动化单元原型以评估量产可行性。”

连续压缩模塑 (CCM)

“CCM 是我们合作的典范,” Pappadà 说。“莱昂纳多识别出一些热固性复材部件，我们共同探索用 TPC 替代，着眼飞机上大量存在的简单几何件，如拼接结构和支柱。”

“我们需要低成本高产率的新生产技术,” 他继续道。过去单个 TPC 部件制造废料大。“所以我们基于非等温压缩模塑并创新(专利申请中)减少废料，实现净形生产。我们设计全自动单元，由意大利公司制造。”

该单元可生产莱昂纳多设计部件，Pappadà 称，“速度达 5 分钟/件，24 小时运行。”但团队随即面临预制件生产瓶颈。“初期需要平板层压工艺，这是当时瓶颈,” 他解释。“流程从坯料(平板层压板)开始，红外 (IR) 炉加热后入模成型。平板层压常用大型压机，需 4-5 小时周期。我们决定研究更快生产平板层压新方法。于是在 CETMA 联合莱昂纳多工程师开发高产能 CCM 产线。1 米 × 1 米件周期缩至 15 分钟。关键是连续过程，可无限长度生产。”

这与 Xperion(现 XELIS，德国马克多夫)十多年前用的 CCM 有何不同？“我们开发解析与数值模型预测气孔等缺陷,” Pappadà 说。“联合莱昂纳多和莱切大学 (意大利) 理解参数对质量影响。用这些模型开发新 CCM，实现超大厚度与高质量并存。通过模型优化温度压力及其施加方式。有许多技术层面可开发以实现温压均匀分布；但我们需要理解这些对力学性能和复合结构缺陷演化的影响。”

Pappadà 继续：“我们技术更灵活。CCM 发展 20 年，但鲜有公开信息，因少数用户未共享知识。所以我们从零起步，仅凭复材与加工知识。”

“我们正通过内部项目与客户寻找适配这些新技术的部件,” Corvaglia 说。“这些部件可能重新设计并重新认证以启动量产。”为何？“目标是飞机尽可能轻量化同时价格竞争力。所以必须优化厚度。但可能发现部件可更轻，或识别出形状相似的多个部件，从而实现显著成本节约。”

直到现在，这技术掌握在少数人手中。“但我们开发替代技术让工艺更自动化，增加先进压力成型。放入平板层压板，出件即用。我们处于重新设计部件、开发平板与成型件 CCM 阶段。”

“CETMA 现有 CCM 产线非常灵活,” Pappadà 说，“可施加不同压力实现复杂形状。与莱昂纳多联合开发的产线将更聚焦其特定部件需求。我们认为可针对平板/L 形加强筋与复杂形状分别开发 CCM 产线，设备成本远低于生产复杂几何 TPC 部件的大型压机。”

感应焊接用于原位固实

“感应焊接对复合材料很有吸引力，因能精准调控温度、快速加热、精确控制,” Pappadà 指出。“与莱昂纳多合作开发感应焊接连接 TPC 部件。现在考虑用感应焊接实现 TPC 带材原位固实 (ISC)。为此开发专用碳纤维带材，经专用设备感应焊接快速加热。带材用商用带材同基体材料，但架构不同以改善电磁加热。我们在优化力学性能的同时考虑工艺，如如何经济高效自动化加工。”

他指出 ISC 很难在良好产率下用 TPC 带材实现。“要工业化，必须更快加热冷却、极受控施压。所以我们决定用感应加热仅加热正在固实的小区域，其余层压板保持冷态。”用于装配的感应焊接 TRL 更高。

用感应加热实现原位固实似极具颠覆性——目前无其他 OEM 或一级供应商公开做此事。“是的，这可能是颠覆性技术,” Corvaglia 说。“我们为设备和材料申请了专利。目标是媲美热固性复材。许多人试过 AFP 热塑性带材但需二次固实步骤。这是几何、成本、周期、件尺寸的巨大限制。我们可能真正改变航空部件制造方式。”

SQRTM

除热塑性外，莱昂纳多持续关注 RTM 技术。“这是另一合作领域，基于较老技术 SQRTM 申请新专利。同型合格树脂传递模塑 (SQRTM) 最初由 Radius Engineering (美国犹他州盐湖城) 开发。“拥有非高压釜 (OOA) 方法使用已合格材料很重要,” Corvaglia 说。“也能用性能质量明确的预浸料。我们用此技术设计、演示并申请专利了飞机窗框。”

“这也是老技术，网上找不到信息,” Pappadà 指出。“关键是我们再次用解析模型预测优化工艺参数。此技术可实现良好树脂分布——无干区或树脂聚集——近零气孔。可控纤维含量实现高结构性能，可生产复杂形状。使用同自动釜固化合格材料，但用 OOA 法；也可选快速固化树脂将周期压缩至分钟级。”

“即使用现有预浸料，我们也缩短了固化时间,” Corvaglia 指出。“例如窗框类零件，常规自动釜 8-10 小时，SQRTM 可达 3-4 小时。热压直接作用于零件，加热质量更小。加热液态树脂比加热自动釜空气更快，零件质量卓越，尤其复杂形状优势明显。无返工、近零气孔、优异表面质量，因工装控制而非真空袋。”

远见驱动的技术未来

莱昂纳多在大规模多元技术集创新。因技术飞速演进，视投资高风险研发 (低 TRL) 为关键，以开发未来产品所需新技术，超越现有产品的增量(短期)开发。长短期策略融合于莱昂纳多 2030 研发总规划，构建可持续竞争力统一愿景。

按此计划，启动莱昂纳多实验室，建设国际企业研发实验室网络，致力于前沿研究与技术创新。2020 年将在米兰、都灵、热那亚、罗马、那不勒斯、塔兰托开设首批六大莱昂纳多实验室，招募 68 名研究员 (莱昂纳多研究员)，技能涵盖：36 个 AI 与自主智能系统、15 个大数据分析、6 个高性能计算、4 个航空平台电动化、5 个材料与结构、2 个量子技术。莱昂纳多实验室将扮演创新前哨与未来技术孵化器角色。

值得注意的是，莱昂纳多在飞机商业化的技术，或也适用其陆地与海洋板块。敬请关注莱昂纳多及其对复合材料潜在影响的更多更新。