MORPHO項目展示了RTM固化周期快20%的葉片，使用基于人工智能的監測來改進維護/生命周期管理，并證明了激光沖擊拆卸可回收。

MORPHO（制造、大修、維修預后健康覆蓋）是地平線2020資助的一個研究項目（2021年9月至2025年1月），旨在優化碳纖維增強聚合物（CFRP）航空發動機風扇葉片的制造和生命周期管理。因此，它將通過為下一代多功能復合材料飛機零件推進成本效益高、靈活和生態的制造、維護和回收工藝，擴大歐洲的工業領先地位。

聯盟和目標

MORPHO財團由來自六個國家的10個合作伙伴組成。在法國巴黎國立高等藝術與工藝學院(ENSAM)的領導下，它包括航空發動機制造商賽峰科技公司(法國巴黎)、弗勞恩霍夫國際航空發動機聯合會(德國不來梅)、代爾夫特理工大學(荷蘭代爾夫特大學)和帕特雷大學(希臘帕特雷)，以及傳感器供應商Synthesites(希臘比雷埃夫斯)、Comet Group(比利時沙特爾)和FiSens(德國布倫瑞克)，以及負責通信和傳播的西班牙合作伙伴FEUGA和仿真軟件供應商ESI。

ENSAM 180人的PIMM機械與材料工藝與工(PIMM)實驗室主任納齊姆·梅赫巴爾(Nazih Mechbal)解釋說：“我們的目標是定義一種生產多功能（或“智能”）復合風扇葉片的工業工藝，該葉片也是多材料的，因為其前沿是鈦。”。“我們想通過嵌入傳感器，并通過數據驅動的混合雙胞胎和機器學習算法實現生命周期管理，從而賦予它從制造到生命周期結束的認知功能。我們還想開發一種可工業化的拆卸工藝，用于分離和回收鈦前緣和復合材料結構。”

圖1MORPHO演示器是一塊異物損壞（FOD- ）面板，代表LEAP發動機風扇葉片的一部分

為了證明這一點，MORPHO財團開發了一個異物損傷（FOD- foreign object damage）面板，“代表LEAP發動機的風扇葉片，” 梅赫巴爾說，“并被賽峰集團用來測試所有這些能力。”該項目取得了多項成就，包括：

 

• 優化RTM工藝，使用先進的介電傳感器和實時數據分析監測粘度、Tg和固化，固化周期縮短20%。

 

• RTM工藝的混合孿生模型在1毫秒內預測樹脂流動和固化，誤差<1%；將高保真的基于物理的模擬與實時過程數據相結合，可以識別織造預成型件中的局部滲透性，從而顯著提高生產過程中的質量控制。

 

• 基于人工智能的航空發動機風扇葉片結構預測和健康監測(SHPM- structural prognostics and health monitoring)系統，該系統集成了低頻疲勞測試、先進的傳感技術和深度學習架構，可根據應變和其他測量結果預測剛度退化和剩余使用壽命(RUL- remaining useful life)。

 

• 演示了CFRP葉片從鈦前緣的激光沖擊拆卸，并使用模擬調整了工藝參數，以確保復合材料不受損壞，以便回收/再利用。

RTM混合雙胞胎

圖2MORPHO項目的混合雙胞胎（上圖）始于多物理場、數字模型/虛擬雙胞胎（下圖）

梅赫巴爾說：“數字孿生是指使用數字模型通過模擬創建系統的副本。”。“在混合雙胞胎中，我們啟用了數字數據和從傳感器獲得的物理數據之間的對話。為此，我們首先構建了基于物理的RTM過程模擬和有限元（FE）模擬，然后添加了數據驅動的在線學習來創建混合雙胞胎。”

 

虛擬雙胞胎。RTM工藝的虛擬雙胞胎是一個數字雙胞胎，它被開發為一個多物理場模型，包括多個步驟：

• 樹脂注射（牛頓流體流入3D織物，達西定律，形成賽道或干點的可能性）
• 固化（聚合動力學，Kamal Souror模型）
• 加熱/冷卻（傳導+對流，熱依賴性機械性能）。
• 梅赫巴爾說：“從這個需要時間和計算能力的完整物理模型中，我們使用適當的一般分解（PGD-proper general decomposition）或任何其他基于物理的簡化方法提取一個簡化模型。”。“盡管這些簡化模型很快，可以在RTM過程中動態運行，但物理數據仍會存在差異。這就是我們使用人工智能的地方，我們只使用它來估計這些差異。因此，我們保留了盡可能多的物理知識，只對模型簡化和未建?，F象（如噪聲、環境條件等）可能產生的差異使用‘盲-blind’方法。”

圖3MORPHO項目FOD面板演示器中Synthesites介電傳感器和數據采集單元的物理布局

物理測量。對于混合雙胞胎的第二部分，MORPHO在RTM過程中使用了兩種傳感器。Synthesites的介電分析（DEA-Dielectric analysis）傳感器用于過程監測和測量樹脂流動前沿。左圖描述了設備設置。

正如我在2020年關于Synthesites的博客中解釋的那樣，DEA已經使用了幾十年。對于MORPHO，Synthesites在入口和出口閘門處提供耐用的模內傳感器和在線傳感器，將數據輸入Optiflow和Optimold數據采集單元。Optiflow裝置監測樹脂到達和溫度，并可以識別樹脂滲透過程中的生產偏差。Optimold裝置使用溫度和樹脂電阻測量來進行計算和監測樹脂的狀態，包括混合比、化學老化、粘度、Tg和固化度。然后對數據進行分析，并使用Synthesites的ORS軟件在筆記本電腦上顯示結果。

圖4MORPHO項目中用于預測固化的固化模擬器

此外，該設置還使用了另一臺設備，即固化模擬器。正如我在2022年關于SuCoHS項目的博客中所解釋的那樣，僅使用一個熱電偶，固化模擬器就可以復制RTM模具（或熱壓罐）內發生的固化過程，并確定復合材料的固化水平，以確定其固化點。正如荷蘭皇家航空航天中心（NLR，Marknesse）的高級研發工程師兼SuCoHS項目經理Wilco Gerrits所解釋的那樣，“這使得當熱壓罐滿足您的固化要求時，可以結束熱壓罐過程，而不是為了安全起見而將其在溫度下額外保持半小時。”

梅赫巴爾說：“但我們也研究了將帶有FiSens FBG-fiber Bragg grating（光纖布拉格光柵）傳感器的光纖放入3D編織復合材料預制棒中的過程。”。“我們使用手動方法作為概念驗證，并使用了更自動化的編織過程。因為這是一個3D預成型件，我們只是在那里編織另一根光纖。我們在3D編織預成型件上進行了大量測試，集成FBG傳感器沒有顯著影響。”

圖5光纖布拉格光柵（FBG）傳感器被集成到FOD面板中

RTM試驗

使用賽峰集團設計的鋼制匹配模具組，MORPHO完成了多次RTM試驗，開發了一種可重復且堅固的傳感器和混合雙方法。“例如，我們使用虛擬雙胞胎來實時預測預成型件的樹脂滲透性等物理參數，” 梅赫巴爾解釋道。“我們還從DEA和FBG傳感器獲得了輸入，這些傳感器為我們提供了實際的樹脂流量，我們可以實時將其與模擬結果進行比較。由于傳感器的布局，這包括顯示滲透率如何隨區域變化。”

圖6在RTM試驗期間，MORPHO項目展示了監測樹脂注射、預成型件填充和固化的能力

MATLAB中開發了一個特定的數據采集接口，用于收集所有傳感器（光纖/FGB、樹脂到達、流量、壓力和溫度）的數據。梅赫巴爾說，這個接口也連接到混合雙胞胎，可以實時預測流動前沿位置和局部材料特性。它還實現了RTM試驗和混合雙胞胎之間的實時對話，由于并行處理，可以同時處理簡化模型和實驗測量數據。它還可以在RTM期間離線加載簡化模型和傳感器/過程數據測量值以進行進一步分析，并且能夠讀取HDF5文件以及所有原始源文件。

他補充道，愿景是繼續推進這項技術，以便RTM工藝可以根據需要在現場進行調整。

使用印刷PZT傳感器的SHM

MORPHO項目的最初愿景始終是使用傳感器，不僅可以實現更高效的制造過程，還可以在零件使用過程中賦予認知功能，包括結構健康監測（SHM- structural health monitoring）和維護預測能力。梅赫巴爾說：“我們用于優化RTM工藝的傳感器也將用于SHM檢測撞擊等。”。“但為此，我們添加了其他類型的傳感器，包括壓電（PZT-piezoelectric）傳感器，這些傳感器打印在FOD面板的表面上。”

盡管用于結構健康監測的光纖光柵在航空航天工業中已達到TRL 8-9，但梅赫巴爾的專業知識是PZT技術。因此，他在ENSAM的團隊與MORPHO合作伙伴Fraunhofer IFAM合作，為SHM開發了PZT傳感器。“雖然我們知道FBG傳感器會提供大量關于應變的信息，并可用于預測結構的剩余壽命，”他解釋道，“但我們看到PZT傳感器有能力對此進行補充。”

圖7將壓電傳感器打印到FOD面板上

打印PZT。在FOD面板上使用銀導電漿料和壓電漆進行絲網印刷，以創建三層傳感器，包括頂部電極、135微米厚的壓電層和底部電極。梅赫巴爾說：“打印后，零件會進入烤箱以實現偏振。”。這引發了壓電效應，使傳感器能夠將機械應力轉化為電信號，反之亦然。對于MORPHO，打印的傳感器在100°C下處理30分鐘。他補充道：“這是一個很容易實現復合材料風扇葉片工業化的過程。”。“我們也可以在零件上打印電線，但對于MORPHO，我們不想有太多的變量，所以我們只使用了常規的電線和連接器，以降低復雜性。”

PZT傳感器測試

• 對表面印有PZT傳感器的FOD面板進行了多項測試，包括：
• 機電阻抗，用于檢測沖擊事件并確定其位置和沖擊能量。
• 聲發射作為一種被動監測損傷過程的方法。
• 蘭姆波詢問，用于主動監測損傷的發生和演變。

圖8檢測撞擊事件損壞、位置和能量水平的測試。請注意，傳感器估計的撞擊位置確實是實際位置

梅赫巴爾解釋說：“使用帶有鈦和鋁前緣的FOD面板，我們證明了我們可以檢測到錘子撞擊造成的損壞，包括能量的位置和水平。這可以自動完成，因為PZT傳感器是一種被動方法。在這種情況下，我們沒有發送波，只是根據與飛行時間等參數的相關性進行了監聽和應用算法。然后，這些算法給出了FOD面板所受沖擊能量的位置與水平。”

圖9代爾夫特理工大學的測試使用了PZT和FBG傳感器進行沖擊和疲勞（上圖），以及蘭姆波研究（下圖）

測試面板也接受了代爾夫特理工大學進行的疲勞測試。梅赫巴爾指出：“這些面板配備了PZT和FBG傳感器。”。“我們使用液壓機進行校準沖擊，然后用相機記錄并收集傳感器數據。我們還測試了是否可以使用這些傳感器發送和接收蘭姆波。”這些已被證明對復合材料層壓板損傷的檢測和量化是有效的。

上圖顯示了測量結果，證明印刷PZT傳感器可以正確發射和感測蘭姆波。

“然后我們測試了一些用于損傷檢測的概率方法，” 梅赫巴爾說。“我們從一塊原始面板開始，造成了沖擊損傷，然后查看它們之間的測量值是否存在差異。我們正在檢查結構是否正常。綠色鉆石是我們估計損傷位置的地方，周圍有黃色的概率場。黑色的十字是我們用傳感器檢測到的實際損傷。對于這種系統來說，這些結果很好，因為它在傳感器放置方面沒有得到優化。”

圖10圖中綠色為未損壞面板的測試數據，紅色為損壞面板，右側為綠色鉆石處的估計損壞位置，黑色十字處有實際影響

他指出：“我們已經開發了一個很好的數據庫，記錄了這些傳感器在各種損傷檢測方法下的表現，我們現在正試圖與社區分享。”。“這種使用打印PZT傳感器進行結構健康監測的技術是結構健康監測領域的一種新范式，它實現了一種更自動化的方法，因為我們可以根據需要快速打印傳感器和電線。這種單一的傳感器類型不僅可以處理多種功能，而且可以快速且經濟地放置我們想要的多個傳感器，這樣即使我們有一些傳感器損壞和丟失的零件，我們也有足夠的冗余來始終檢測和定位損壞。”

 

“……我們可以根據需要快速打印傳感器和電線……放置盡可能多的傳感器既快速又經濟，這樣即使……一些傳感器損壞或丟失，我們也有足夠的冗余來始終檢測和定位損壞。”

梅赫巴爾說：“打印還可以很容易地將傳感器放置在我們可以很容易插入的地方，以便在飛機在地面上時詢問零件。”。“例如，飛機?？吭跈C場，我們只需插上電源，通過發送波浪和進行測量來進行測試。然后，我們可以查看風扇葉片某些區域是否有損壞，或者剛度是否發生變化，以及損壞的程度。然后，我們可以嘗試使用算法量化損壞的嚴重程度。”

拆卸和回收

MORPHO項目的最后一部分涉及拆卸零件以進行回收或再利用。梅赫巴爾說：“我們為FOD面板提出的第一條路線是從復合材料上拆卸鈦前緣，并使用嵌入的傳感器來監測這一過程。”。

 

他繼續說道：“在ENSAM，我們使用激光沖擊拆卸技術進行了拆卸，在那里，高功率激光束產生了一種波，我們將其發送到試樣復合材料側的犧牲層（sacrificial layer）”。在這種情況下，犧牲層是一層薄薄的鋁帶，粘合在代表FOD面板的八層厚CFRP試樣上。“這種設置只是為了證明拆卸是可能的。”

圖11激光沖擊拆卸工藝，用于將金屬前緣與CFRP層壓板分離。請注意，容納樣品的系統有一個入口，允許水流過該區域，以限制等離子體引起的膨脹

梅赫巴爾指出：“我們將樣品暴露在激光束下，激光束會產生由溫度膨脹（熱膨脹）引起的小等離子體波。”。該裝置包括使用激光透明材料，如水，來限制膨脹并進一步增加膨脹等離子體引起的壓力。這會導致在材料主體中產生壓縮沖擊波，根據材料的密度和其他參數在內部傳播。

“我們證明，我們可以在復合材料的任何層產生分層，”他繼續說道，“并通過調整激光參數來控制分層的位置和大小。然后，我們使用這個過程超越了分層，實際上將鈦前緣從FOD面板上拆卸下來。我們還測試了鋁前緣的FOD面板。方法是一樣的——只需要新的校準。”

梅赫巴爾解釋了這種參數調整如何在不損壞復合材料的情況下拆卸組件，并補充說，MORPHO項目合作伙伴帕特雷大學也開發了一個很好的有限元模擬，可以預測這一過程如何實現拆卸，包括損壞結果。

圖12實驗室規模的測試顯示了熱解前（a）和熱解后（b）的CFRP樣品，右側和底部是回收的碳纖維，顯微照片顯示了熱解后殘留的樹脂粘附在回收的碳光纖上（左），然后通過氧化去除（右）

分離后，復合材料由比利時MORPHO合作伙伴之一Comet Group加工，該集團使用中試生產線熱解樹脂并回收纖維。它開發了一種最佳的熱解工藝，熱解2小時，然后氧化30分鐘。這導致再生碳纖維（rCF- recycled carbon fiber ）的機械性能退化限制在10%左右。梅赫巴爾說，這個想法是將其用于汽車或航空內部零件，而不是結構零件。

開放式轉子發動機的挑戰、成就和可能的應用？

梅赫巴爾說，總體而言，MORPHO項目是成功的，展示了多種技術并取得了進展，盡管存在重大挑戰。“RTM過程很容易使用傳感器進行監控，但將傳感器集成到過程中很困難。將光纖光柵傳感器集成到該過程中非常費力，需要進行幾項具體的開發和測試。開發用于SHM的打印PZT傳感器也是如此，”他指出。“我們花了很多時間開發如何將FBG和PZT傳感器集成到SHM過程中。”

他還指出，對于RTM工藝，傳感器是在開環中使用的。他說：“我們的愿景是提供一個控制反饋回路來優化過程，但這并不容易做到，需要更多的開發。”。

“打印PZT傳感器的過程真正改變了SHM的范式……包括如何優化它們的放置和詢問。”

同時，他打印PZT傳感器是該項目最大的成就之一。梅赫巴爾說：“打印PZT傳感器的過程真正改變了SHM的范式。”。“我已經開發這項技術10年了，包括如何優化它們的放置和詢問?，F在，打印和使用它們非常容易。這可以在任何結構制造過程結束時完成。”

他繼續說道：“對于回收混合復合材料/金屬部件，我認為激光拆卸過程開辟了很多可能性。”。“此外，Comet還完成了一項商業研究，以量化熱解所需的能量以及從rCF中可能獲得的收益。他們的分析表明，對于這些風扇葉片型結構，使用熱解進行回收是可行的，可以在其他復合材料中再利用纖維。”

ENSAM和其他MORPHO合作伙伴會繼續使用所展示的任何技術嗎？梅赫巴爾說：“這是我們在項目開始時的愿景，與賽峰集團當時的優先事項相一致。我們已經為他們提供了RTM工藝混合雙胞胎的軟件，我們現在正在討論如何進一步成熟TRL的傳感器技術。我們沒有對實際的風扇葉片進行任何測試，只對演示面板進行了測試。因此，仍然有必要看看當你在實際的飛行部件中使用這些技術時會發生什么。”

“……如果沒有吊艙，葉片會暴露在外，并可能受到大量的FOD影響……即使是很小的影響也會在運行過程中產生很大的后果。例如，它們可以改變旋轉的平衡……但我們已經證明，SHM是可能的，可以看到這些損壞事件和結構的變化。”

使用這些傳感器來檢測損壞確實很有趣，因為空中客車公司傾向于為計劃于2035年后投入使用的下一代單通道飛機提供開放式轉子發動機。梅赫巴爾說：“我不知道開放式轉子是否是未來，但在MORPHO項目開始時，它仍然是賽峰集團的一個優先項目。然而，開放式轉子設計帶來了挑戰，因為沒有吊艙，葉片會暴露在外，并可能受到很多FOD的影響。”這種影響可能會給所有CFRP零件帶來問題。

然而，對于航空發動機風扇葉片，即使是很小的影響在運行過程中也會產生很大的后果。例如，它們可以改變旋轉的平衡，這可能非常嚴重，梅赫巴爾說。他解釋說：“當損壞嚴重時，你可以看到它。”。“你不需要SHM。但是當你有一個很小的沖擊，可能只有外部幾乎看不見的損壞時，內部可能會出現分層和/或剛度變化，你看不見。這會改變風扇葉片的旋轉。但我們已經證明SHM是可能的，可以看到這些損壞事件和結構的變化。我認為MORPHO擁有先進的技術，將為復合材料創造新的機會和可能性。”

參考文獻

原文，《Next-gen fan blades: Hybrid twin RTM, printed sensors,laser shock disassembly》 2025.8.25

楊超凡