Agile Ultrasonics和NASA試驗機器人兼容的碳纖維增強熱塑性塑料超聲焊接技術用于空間結構。

 

圖1 開發了一種與機器人手臂集成的先進超聲波焊接系統。這一創新提高了焊接應用的精度和效率

在太空制造(ISM-In-space manufacturing)中，在地球大氣層之外生產材料和部件的概念出現在20世紀70年代，此后從理論研究發展到實際實驗。ISM的主要目標包括通過直接在軌道上制造零件來降低發射成本，實現長時間任務的按需生產，以及利用微重力和真空條件等空間環境的優勢來生產材料。

熱塑性復合材料(TPC-Thermoplastic composites)在過去十年中在航空航天和太空應用方面取得了長足的進步，顯示?ISM的潛力。與傳統的熱固性系統相比，它們具有幾個關鍵優勢，包括易于通過熔化和熔融粘合/焊接進行連接和加工，增強了可回收性，提高了斷裂韌性。然而，他們也面臨著一個關鍵的挑戰：在太空環境中普遍存在的極端條件下實現結構部件的可靠、可重復和自動化連接。

為了應對這一挑戰，美國國家航空航天局（華盛頓特區，美國）改變游戲規則的發展(GCD)計劃自2011年以來一直在空間技術任務局的領導下運作，該計劃啟動了多個項目，探索先進材料和太空組裝的聯合方法。該計劃強調多功能性，而不是特定的飛行硬件應用，旨在增強未來在不同場景下的任務能力。

2021年10月開始的一項值得注意的倡議是探索應用的熱塑性塑料開發(TDEA-Thermoplastic Development for Exploration Applications)，重點研究碳纖維增強熱塑性材料(CFRTP-carbon fiber-reinforced thermoplastics)的結構完整性、加工特性和原位連接技術。美國國家航空航天局追求TPC焊接，與推進太空探索材料和制造方法的戰略目標保持一致。

 

圖2 Agile Ultrasonics工程師經理克里斯·斯科奇克(Chris Skocik)展示了該公司位于俄亥俄州哥倫布市的工廠焊接的月球塔原型L形支架

美國國家航空航天局格倫研究中心（美國俄亥俄州克利夫蘭）的化學工程師桑迪·米勒（Sandi Miller）博士強調：“TPC焊接的能力可以顯著簡化太空裝配操作。”。“該過程簡化了熔化熱塑性塑料和施加壓力的過程，而不是管理螺栓和預鉆孔等單個組件。這種方法不僅提高了組裝的便利性，而且允許更容易地建造更大的結構。”

TDEA項目背景

在TDEA框架下，來自美國國家航空航天局格倫研究中心、蘭利研究中心（美國弗吉尼亞州漢普頓）、戈達德太空飛行中心（美國馬里蘭州格林貝爾特）和馬歇爾太空飛行中心的團隊（美國阿拉伯州亨茨維爾）對TPC在月球和軌道條件下的性能進行了深入調查。該研究涵蓋了層壓板加工、力學特性和連接技術的評估。對各種焊接方法進行了詳細檢查，包括電阻焊、超聲波焊和感應焊。盡管電阻焊和感應焊表現出很高的機械強度，但它們也對功耗和空間應用的可行性提出了重大挑戰。相比之下，超聲波焊接展示了強大的連接能力，與機器人操作和太空任務中固有的環境限制很好地結合在一起。

 

圖3 美國國家航空航天局TDEA計劃中評估的焊接技術和熱塑性復合材料（TPC）材料概述

Agile Ultrasonics（美國俄亥俄州哥倫布市）于2022年在TDEA框架下與美國國家航空航天局發起了一項合作，旨在探索該公司超聲波焊接技術在CFRTP中的潛力。該合作伙伴關系的主要目標不是提供結論性的解決方案，而是積累基礎數據，完善過程控制方法，并評估該技術在空間環境中結構連接應用的可行性。

Agile的工作始于一系列小規模實驗，包括單圈剪切試樣測試、平板焊接評估和初始單圈剪切測試。受到證實焊接厚TPC層壓板可行性的結果的鼓舞，美國國家航空航天局隨后擴大了與Agile Ultrasonics的合作，將結構規模試驗和環境驗證研究納入其中。

焊接方法

超聲波焊接是一種經過驗證的連接TPC材料的技術，尤其在汽車和消費品領域非常普遍。在這里，傳統應用通常針對由低纖維含量基材制成的薄組件，使用高頻振動在界面處產生局部加熱。即使在航空航天應用中使用，傳統工藝通常也會部署幾何特征，如能量導向器或富含樹脂的薄膜插入物，以促進粘合線處的熔化和材料流動，特別是對于連續超聲波焊接應用。

Agile Ultrasonics認為，傳統OEM系統制造商在很大程度上尚未開發超聲波的潛力。作為一家創新型企業，敏捷的戰略是根據手頭復合材料的特性，將技術應用于探索不足的應用領域。該公司已經證明，通過定制超聲波堆疊和開發新方法，它可以產生以前認為無法實現的結果，例如沒有能量導向器或聚合物薄膜的連續超聲波焊接。

 

圖4 對通過超聲波焊接連接的碳纖維增強熱塑性試樣進行的拉伸試驗。初步試驗證明了使用這種測試技術在厚層壓板結構上實現穩健和一致粘合的能力

Agile Ultrasonics總裁兼首席執行官吉姆·斯特朗(Jim Stratton)指出：“我們的方法是優先考慮了解材料特性，并從那里逆向工作。”。在高性能TPC的背景下，特別是那些纖維含量高的TPC，核心挑戰在于以受控的方式向材料提供精確的加熱，同時以最佳的速度和壓力/力前進以滿足焊接要求。

Agile的系統旨在通過采用專門的超聲波末端執行器，結合量身定制的工藝參數和方法來實現全厚度加熱。該技術適用于各種機器人平臺，并通過模塊化超聲焊極設計提供可編程的超聲能量，該設計在遵循焊接路徑的同時保持與復合材料表面的接觸。

與依賴現成組件的傳統超聲波焊機相比，Agile Ultrasonics的系統經過定制設計，可與航空航天級復合材料的熱和機械性能相匹配。這些先進的材料，包括使用來自Victrex（Cleveleys，英國）的低熔體聚芳基醚酮(LMPAEK)聚合物的預浸料，可以包含高達60%體積的碳纖維，并且與標準TPC相比表現出低熔體流動特性。Agile根據被連接部件的特定樹脂行為、纖維結構和層壓板厚度調整其超聲波堆疊和焊接參數。

這種多功能性使該技術適用于連接預固結板、預成型件、編織套筒和單向帶疊層，為各種復合材料格式提供了靈活性。該技術能夠精確控制頻率、振幅、力和焊接速度，在環境空氣和真空環境中都具有操作能力。通常，該系統以20千赫茲的頻率運行，施加45-150磅（200-670牛頓）的力。

材料選擇和表征

TDEA項目評估了五種TPC材料系統，以確定最可行的應用方案。在對600多個試樣進行嚴格測試后，研究小組確定了美國東麗先進復合材料公司? （美國加利福尼亞州摩根希爾）T700碳纖維增強LMPAEK預浸料作為主要候選材料。

米勒指出：“我們選擇推進LMPAEK是因為其最佳的加工性能和在向下選擇階段積累的大量材料表征數據。”。“盡管與所評估的其他材料成功焊接，但LMPAEK在比PEEK和PEKK更低的溫度下加工的能力尤為突出，因為它最大限度地減少了最終組件中的殘余應力。”

 

圖5 TPC L型支架正在生產中，在超聲波焊接之前，使用自動膠帶鋪設技術在模制基板上鋪設，以促進結構完整性評估

材料測試方案還包括對放氣性能的評估，這是空間應用的一個關鍵因素。根據ASTM E595，所有測試的TPC材料都表現出可忽略的放氣水平，該標準測量了樣品的質量變化和收集到的冷凝揮發物的質量。

從2022年到2024年初，Agile Ultrasonics與美國國家航空航天局的合作從最初的小規?？尚行匝芯堪l展到復雜的結構評估。在此期間，執行了多項實驗設計，以建立不同材料和層壓板配置的焊接接頭的基線性能指標。最初的重點包括單圈剪切（SLS-single-lap shear）試樣，具體尺寸為1×1英寸（25.4×25.4毫米）的粘合區域，由碳纖維增強的LMPAEK復合材料組成。這些試樣使用Agile的技術進行了焊接，隨后按照標準化的機械協議進行了測試。

聯合試驗和結果

 

 

圖6 焊接L型支架接頭的仿真模型詳細說明了焊接區域和結構配置，有助于預測機械性能，并為超聲波焊接工藝的優化提供信息

試驗使用了一系列超聲波焊接技術，包括插焊（夾具中夾緊部件的靜態或點焊）和連續超聲波焊接方法。與美國國家航空航天局研究小組合作，對工藝周期進行了迭代修改，通過研究各種接口配置來提高聯合質量。

美國國家航空航天局蘭利研究中心的分析負責人安德魯·伯根(Andrew Bergan)評論道：“雖然早期的超聲波焊接過程模型解決了所涉及的某些物理問題，但它們未能涵蓋所有關鍵機制。”。“我們的建模工作揭示了傳統加熱機制方法的一些不足，特別是當它們與熔體溫度范圍相關時。這一見解強調了改進工藝模型的必要性，以更準確地預測和控制這些先進熱塑性復合材料超聲焊接過程中的熱量產生。”

在性能方面，使用LMPAEK薄膜夾層的初步測試顯示剪切強度在3-8MPa之間，粘合界面處的粘合失效模式占主導地位。值得注意的是，通過在被粘物中加入LMPAEK膜層以增強聚合物鏈纏結，研究小組使用四層LMPAEK薄膜獲得了高達2.9 ksi（20 MPa）的搭接剪切強度。然而，這種改進是以引入一種不可預測的、潛在的災難性故障模式為代價的，這種模式可能會危及被粘物。

到2024年年中，該倡議從試樣測試進展到結構部件的焊接。下一階段涉及原型L形支架的焊接，其結構旨在模擬理論空間框架內的接頭。這些組件的特點是60層、8.59毫米厚的CFRTP層壓板焊接到52層、7.58毫米厚的CFRTP層壓板上，與用于月球南極組裝的月球塔的組件非常相似。

 

圖7 美國國家航空航天局的結構測試設備評估超聲波焊接L型支架接頭的完整性。測試樣品顯示出發生在母層壓板材料中的失效模式，而不是在焊接界面處

美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的設計負責人肯·西格爾(Ken Segal)解釋說：“選擇L形截面是因為其結構開放，便于在焊接過程中進行雙面壓力施加。”。“這種配置在結構效率和焊接操作的可及性之間取得了平衡。”

在此階段，美國國家航空航天局在考慮零件厚度和擴大努力的基礎上，選擇了插入式焊接方法進行進一步研究。插焊支架的拉伸試驗表明其強度最高，超過指定極限載荷的2.7倍，失效發生在母層壓板上，而不是焊接界面上。這些發現表明，焊接接頭的完整性是足夠的，而不是整體結構性能的主要限制因素。

環境測試和空間相關性

在2025年1月完成TDEA項目后，美國國家航空航天局將其與Agile Ultrasonics的合作轉變為一項名為“太空中的結構材料連接”的新倡議，該倡議獲得了俄亥俄州聯邦研究網絡（OFRN）的部分資助。這一舉措繼續側重于在受控的熱真空條件下生成基線焊接數據，未來計劃整合微重力情景，可能通過拋物線飛行測試或在軌道上進行的實驗。

作為這一新項目的一部分，Agile Ultrasonics設計了一個定制的真空室，旨在模擬-190°C至+120°C的空間溫度范圍，反映月球表面遇到的熱條件。該腔室能夠在環境和真空條件下運行，并具有集成傳感器陣列，用于實時監測和控制焊內溫度。

伯根說：“月球表面的熱動力學帶來了重大挑戰，特別是由于溫度快速波動的可能性。”。“我們的分析表明，如果可以在一年中的3周內戰略性地安排焊接作業，作業溫度可能會徘徊在-80°C左右，而不是其他時候的極端寒冷。這一見解可以為建筑活動制定更有利的焊接策略。”

未來的研究與開發

盡管取得了可喜的成果，但該領域仍存在一些關鍵挑戰。一個主要的技術障礙是焊接過程中粘合線溫度的精確測量。格倫研究中心的米勒強調，溫度測量技術的進步可能代表著超聲波焊接和焊接技術的巨大飛躍。目前，現有的方法通常依賴于間接測量來評估溫度何時超過最佳加工閾值。

此外，通過無損檢測評估粘合質量仍然存在問題。雖然X射線計算機斷層掃描和超聲波掃描等技術在識別孔隙和分層方面是有效的，但它們往往無法準確預測粘結強度。研究人員遇到了一些情況，在成像中表現良好的界面顯示出出乎意料的低機械強度，通常被稱為“接吻鍵-kissing bonds.”。這突顯了開發更可靠的缺陷檢測方法的必要性。

Agile Ultrasonics旨在將其技術準備水平（TRL-technology readiness level）從目前的TRL 4提高到TRL 6或更高。這將通過持續的內部開發、與美國國家航空航天局和OFRN的合作、嚴格的驗證測試和系統集成計劃來實現。這一發展的關鍵焦點包括實施新型溫度測量、閉環控制、自動化過程監測和熱補償算法，這些算法對于在飛行關鍵或自動化制造環境中部署至關重要。

美國國家航空航天局和Agile Ultrasonics之間的合作表明，超聲波焊接在太空應用中具有巨大的潛力，特別是在便攜性和最少的輔助設備提供顯著優勢的情況下。盡管挑戰依然存在，但這項工作不僅增強了太空探索的能力，而且豐富了對TPC連接技術的更廣泛理解，對太空和地球先進結構中的其他應用具有廣闊的前景。

參考文獻

原文《Ultrasonic welding for in-space manufacturing of CFRTP》

楊超凡