CETMA：意大利首屈一指的复合材料研发与创新枢纽

1994年成立的欧洲技术设计材料研究中心（CETMA，意大利布林迪西）是意大利最大独立研究技术组织之一，拥有4,000平方米设施和75名员工。20多年来，CETMA大力投资复合材料，形成广泛专长：

• 部件设计与原型制作
• 新复合材料工艺
• 复合材料与塑料回收工艺
• 成本、可持续性、节拍等工艺优化
• 实时工艺监控
• 无损检测（NDT）
• 生产服役期结构健康监测（SHM）实时远程监测
• REACH咨询
• 热塑性冲压、连续压缩成型（CCM）和预浸料压缩成型（PCM）
• 液体注射、树脂传递模塑（RTM）和同等合格RTM（SQRTM）
• 非高压釜（OOA）预浸料
• 感应焊接

CETMA主旨支持企业与创新。由四大实验室支撑，CETMA复合材料活动组织在其先进材料与工艺（AMP）部门，下辖四领域：

• 材料与表征
• 技术与工艺
• 建模与仿真
• 诊断与结构健康监测

AMP雇佣30名员工，含材料、航空、土木、化学工程师、化学家、材料科学家、建筑师及多名技术员——践行多学科团队信念。

热塑性复合材料优势

“我们提供复合材料全谱服务，”CETMA AMP部门负责人Alessandra Passaro表示，“但热塑性材料活动是当前优先领域之一。所有种类热塑性基体聚合物均在实验室加工过。2004年起研究TWINTEX混纺纤维，压缩成型用简单压机约15年前开始。现已开发专利连续压缩成型（CCM）和感应焊接技术。分析了所有可用于这些工艺的热塑性复合材料。”

CCM生产线可用PPS、PEEK、PEKK或PAEK制造恒定截面零件。但CETMA工艺与XELIS（德国马尔多夫）和ATC Manufacturing（美国爱达荷州波斯特福尔斯）等公司有何不同？（见CW文章：“航空航天级压缩成型”和“加速热塑性复合材料在航空航天应用”。）Passaro解释：“我们使用模具设计有特定细节。我方技术在可用几何形状和基体材料方面更灵活。仍在开发中。虽已获专利，某些方面仍专有。CETMA追求CCM的原因不言而喻。‘我们看到连续热塑性复合材料工艺需求增加，’Passaro说。‘XELIS是产品公司非设备供应商。我们是独立研发组织，从不同视角投资开发技术。’”

一个例子是对模具温度分布的广泛工艺仿真。“仿真结果让我们掌握材料温度随时间演变完整图景，”她解释，“这从单侧极难在线监测，却对最小化复合材料缺陷至关重要。”

用于装配的感应焊接

CETMA热塑性复合材料专长另一关键部分是专利感应焊接技术，含控制系统和冷却以维持焊线热量。CETMA在清洁天空2 KEELBEMAN项目中与合作伙伴EURECAT（西班牙巴塞罗那）用该技术将CCM型材和板材装配成空客A320型飞机热塑性复合材料龙骨梁。我2020年1月博客“推进清洁天空2热塑性复合材料与RTM……”详述此项目及CETMA焊接细节。

“我们开发两类感应焊接系统，”Passaro指出。“一类用于平面的固定设备，一类用于复杂3D几何的机器人系统。两者均能在工业规模实现无需焊线额外材料的连续焊接，却提供极高装配粘接性能。”

CETMA在碳纤维织物和单向（UD）带复合层压板上演示感应焊接，基体材料涵盖：PPS、PEEK、PEI、PEKK、PP、PA6、PA12及热固性环氧/PVB（聚乙烯醇缩丁醛）热塑性混合体系。

还将计算机建模仿真专长应用于感应焊接工艺。“这让我们预测焊接区温度演变，为优化工艺参数提供根本帮助，”Passaro说。

清洁天空2与复合材料研发项目

除KEELBEMAN，CETMA AMP部门目前参与其他四个清洁天空2项目。

TRINITI - 飞机用多材料热塑性高压氮气罐（JTI-CS2-CFP09-2018-02）。2019年起两年项目，旨在制造用于灭火长期储存氮气的原型飞机罐。Diehl Aviation（德国吉尔兴和德累斯顿）为主题管理方。合作伙伴含航空航天研发实验室Novotech s.r.l.（意大利那不勒斯）、复合材料测试实验室（爱尔兰戈尔韦郡因弗林）。项目将通过共挤出形成多层多功能内衬/层压板、随后激光辅助自动铺丝（AFP）原位固结（ISC）制造多材料热塑性复合材料罐。（ISC AFP详见“原位固结热塑性复合材料航空结构，第一、二部分”。）TRINITI目标之一是减少甚至消除低温环境微裂纹。目前CETMA致力于识别所有满足航空航天压力容器要求的热塑性材料。

SPARE - 区域飞机机身筒体地面演示器用全尺寸创新复合材料客货舱地板格栅（JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14）。2018年10月启动18个月项目，旨在用碳纤维增强热塑性（TP）复合材料制造全尺寸客货舱地板格栅。高度自动化生产含渐进辊压成型和感应焊接装配。目标是对比传统金属和热固性复合材料方案减重降本。复合地板格栅将装配进清洁天空2区域飞机机身演示器进行地面测试，按FAR 25.583法规评估技术经济影响及阻燃性能。主题负责人Leonardo，CETMA与机床制造商OMI S.r.l.（意大利福利亚诺雷迪普利亚）合作协调项目。

CETMA为SPARE主要贡献之一是开发红外热成像（IRT）用于渐进辊压成型在线监测。此工艺对TP复合材料卷材施加压实加热至材料工艺温度、复杂形状和设计厚度。“但必须确保最内层基体完全熔融固结，”Passaro解释。“且存在窄温度窗口确保熔融不降解聚合物。IRT非接触法高精度测量零件表面辐射热能。”

CETMA用氧化锌硒（ZnSe）窗口观察封闭设备内部。透IR波，耐500°C。SPARE项目渐进辊压成型线构建两此窗口，IRT摄像头悬吊上方近垂直视角观察加工材料。可编辑控制软件可监测记录报警超出目标范围值。

材料温度截面均匀性在两极限点评估——线1靠近加热步，线2在成型更远处。各分三连续步骤（图19）：初始相（步骤1）、成型启动（步骤2）、降速成型（步骤3）。IRT显示层压板外边缘温度低于中央区，导致不均匀加热和力学性能。IRT记录表面温度3D可视化（图20）提供直观辅助理解温度分布。

TOD - 门用热塑性复合材料（JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12）。TOD旨在开发验证区域飞机全尺寸热塑性复合材料门（含机身次结构）快速生产装配。TOD属清洁天空2区域飞机IADP（创新飞机演示平台），将清洁天空一期绿色区域飞机ITD（创新技术演示器）技术集成推向更高复杂度成熟度，通过两飞行试验台和三大型综合地面演示器。Leonardo牵头，CETMA与项目合作伙伴焊接研究所（TWI，英国剑桥）及航空航天一级供应商及工程/工业化公司DEMA（Design Manufacturing SpA，意大利索马韦苏维亚纳）合作。

建议方案含优化验证部件制造热成型、感应焊接（IW）和电阻植入焊接（RIW）等连接工艺，通过消除机械紧固件减重。TOD还将推进工业4.0自动化和在线监测支持高节拍高质量零件（零缺陷）生产及稳健工艺控制。预期效益含：

• 最低15%减重
• 传感器在线监测减少10%废料废品
• 较标准高压釜工艺节能高达75%
• 自适应智能制造降低经常性成本（增加灵活性、降低全线工具成本）
• 制造和轻量化飞机运营改善CO2排放

CETMA参与众多其他开发项目。例NHYTE（新混合热塑性复合材料航空结构由非高压釜连续自动化技术制造）旨在演示多功能能力混合热塑性基体材料创新集成航空结构。

地平线2020资助，NOVOTECH（意大利那不勒斯）牵头，NHYTE 2018年9月启动，原定2020年1月结束。高性能混合材料基于商用碳纤维/PEEK预浸料添加非晶PEI薄膜，实现自动铺丝原位固结（ISC AFP）后经CETMA专利感应焊接装配。CETMA完成混合复合材料和感应焊接工艺设置的广泛表征运动，含物理力学和虚拟测试。

碳纤维回收

CETMA另一关键领域是回收。CIRCE项目旨在利用复合材料零件制造产生的预浸料废料，回收制成压缩成型料，再用于模塑安全鞋鞋头嵌件。CETMA将表征此二次原料并开发数值模型预测鞋头嵌件结构性能。该模型帮助分析验证冲击行为满足安全法规，结果用于完善定型鞋头嵌件设计。意大利项目组含Base Protection（巴莱塔）、复合材料赛车/汽车部件制造商HP Composites（阿斯科利皮切诺）、机器生产线专家Elks Group（阿斯科利皮切诺）和Petroceramics（斯泰扎诺）。

或许CETMA迄今最大回收投资是REVALUE项目，旨在REcycled carbon fibers for high VALUE composites。由欧洲创新技术研究院（EIT，匈牙利布达佩斯）资助，REVALUE目标是将领先生产商ELG Carbon Fibre（英国科斯利）热解法提供的再生碳纤维（RCF）与原生和再生热塑性聚合物结合，替代Centro Ricerche Fiat（CRF，意大利都灵）选定汽车部件生产用现用材料。

但如JEC Composites magazine2020年1-2月文章“再生碳纤维新施胶配方”Alessandra Passaro等著所述，热解RCF无施胶，导致脆性纤维搬运中频繁断裂、纱束分离成单丝，形成缠结“蓬松”低堆积密度形式。REVALUE中CETMA开发适配原生或再生聚丙烯（PP）和PA6的RCF专用施胶配方。评估施胶改善RCF工艺性和增加与选定热塑性基体界面结合力。

为此，CETMA开发RCF施胶中试装置，能公斤量级施胶并同时评估沉积工艺主要参数影响。装置含三主站：施胶处理和纤维洗涤；处理前后干纤维搬运；烘箱干燥纤维。连续循环日处理4公斤RCF。

CETMA施胶RCF后由法国研究中心CEA和法国复合材料商SUEZ用原生和再生热塑性聚合物制成成型料。完成理化表征，验证CETMA施胶改善最终复合材料力学性能能力。

创新RCF成型料随后用于注塑汽车半结构部件，现用玻纤增强PP或PA6制造。除回收再利用材料显著优势，还演示了车辆减重、燃耗和CO2排放降低。

REVALUE外，CETMA还在压缩成型、真空注射、RTM等多种复合材料工艺进一步开发评估RCF施胶，显示所有情况性能改善。

结构健康监测（SHM）

CETMA复合材料活动最后一个关键领域也是行业增长重点。“我们在建筑建设应用应用SHM有多年经验，”Passaro指出。“也在复合材料SHM做大量工作。知这对未来应用重要，有兴趣继续与复合材料制造商和行业合作推进此技术。”