首次成功演示采用16毫米厚的碳纖維/聚酰胺12(CF/PA12)材料，后續將擴展至碳纖維/聚醚醚酮(CF/PEEK)帶材及用于結構健康監測(SHM)的嵌入式傳感器。

碳纖維增強熱塑性復合材料風扇葉片的加工

 

飛機制造材料必須具有極高的韌性，同時還要盡可能輕。碳纖維增強塑料（CFRP）兼具這兩項特性，因此在航空發動機風扇葉片中的應用越來越廣泛。然而，這些部件的生產耗時且成本高昂，因為它們需要在高壓釜中固化數小時。來自德國亞琛弗勞恩霍夫生產技術研究所(IPT)的一個研究團隊正在尋求進一步實現 CFRP 風扇葉片生產的自動化。

 

許多碳纖維增強塑料（CFRP）部件的生產已部分實現自動化。通常由纖維增強環氧樹脂制成的預浸料半成品——預浸料，被分層鋪設并定向，以形成定制的鋪層。然后在耗能、耗時且成本高昂的高壓釜工藝中，在壓力和高溫下進行固化。弗勞恩霍夫 IPT 研究所一直在研究進一步自動化制造 CFRP 刀片的可能性，以使其更具成本效益。

 

然而，這些研究人員并非依賴于環氧樹脂基材料，而是采用碳纖維增強熱塑性塑料。這類材料幾十年來已在飛行器結構中得到應用，具有良好的輕量化結構特性，同時具備出色的抗沖擊性能，還能通過自動化方式快速靈活地進行加工。由于是熱塑性塑料，它們無需化學交聯來固化，只需加熱熔化，在受控冷卻過程中施加壓力即可成型。而且它們還可以重新加熱并重新塑形。

 

弗勞恩霍夫激光技術研究所纖維復合材料與激光系統技術部門負責人亨寧·詹森博士(Dr.-Ing. Henning Janssen)解釋說，因此熱塑性復合材料更適合高效的制造工藝。在他的團隊進行的幾個測試系列中，他們首次成功地將兩種這樣的工藝結合用于風扇葉片的生產：全自動帶鋪放和成型。

靈活的工藝鏈：自動鋪帶和熱成型

憑借弗勞恩霍夫 IPT 完全自主開發并授權商業化的全自動鋪帶系統，根據結構所需的受力方向，將單向(UD)增強熱塑性帶材層層堆疊。這樣就制造出了多層、高彈性和柔韌性的面板，即所謂的有機板材。研究人員使用各種傳感器對全自動工藝的每一步進行監控和記錄。這樣，他們就能在生產過程中洞察“黑箱-black box”，為每塊有機板材創建所謂的“數字影子-digital shadow”。這種真實有機板材的虛擬圖像使得能夠在早期階段識別質量偏差，并采取適當的應對措施。

 

在接下來的生產步驟中，將對完成的有機板材進行加熱，并通過熱成型工藝將其塑造成接近凈形。在之前的測試系列中，該工藝最初是在由 PA12(尼龍12)和碳纖維制成的 16 毫米厚的織物增強有機板材上進行測試的，很快將轉移到由 PEEK(聚醚醚酮)和碳纖維帶制成的有機板材上。

用于銑削 FRP 組件的測試系列

在熱成型之后，對成型的有機板材邊緣進行修整，并銑削成最終形狀。由于 FRP 材料結構的不均勻性，銑削 FRP 極具挑戰性。此外，碳纖維對銑刀的切削刃具有很強的磨損性，從而導致刀具嚴重磨損和加工質量波動。

 

延長刀具使用壽命的一種可能性是使用涂有聚晶金剛石(PCD- polycrystalline diamond)的銑刀。在嘗試小規模加工碳纖維增強復合材料(CFRP)葉片的過程中，研究人員發現，涂有 PCD 的銑刀的使用壽命明顯長于未涂層的銑刀。此外，針對加工質量，單獨定制的銑削策略設計也產生了積極影響。

在各種工業應用環境中的實施情況

熱塑性碳纖維增強塑料材料的首批成果令人鼓舞：“我們已經能夠證明，連接的制造工藝——葉片的制造和精加工——是可行的，”弗勞恩霍夫 IPT 渦輪機械業務部門負責人丹尼爾·海因恩(Daniel Heinen)表示。“我們在葉片的徑向方向以及葉片前緣和后緣之間都實現了非常出色的表面質量?，F在，我們必須更仔細地研究和優化各個工藝。”

 

未來幾個月內，將開展研究項目，進一步優化新工藝，并在各種工業應用環境中進行測試。亞琛的科學家們尤其關注高性能熱塑性塑料PEEK作為基體的應用，以及在有機片內層壓傳感器技術。后者不僅能夠監測制造過程，還能在發動機后期使用中監控部件狀態。該工藝鏈在其他部件上的應用也在探索之中，例如定子、短艙部件以及航空業以外的部件。弗勞恩霍夫 IPT 歡迎有興趣參與項目的公司。

 

原文,《Fraunhofer IPT automates production of thermoplastic CFRP engine fan blades》 2020.12.17

補充概念知識

熱塑性復合材料風扇葉片因其輕質、高強度和效率而用于現代渦扇發動機，這得益于碳纖維等材料。這些葉片比傳統鈦葉片具有顯著的優勢，包括提高的燃油效率、更好的抗振性和優異的鳥撞耐受性。自動纖維鋪放(AFP)等先進制造技術用于高精度生產復雜形狀，對這些葉片的性能和耐用性至關重要。

熱塑性復合材料風扇葉片的優點

輕質：熱塑性復合材料，特別是使用碳纖維的復合材料，比鈦輕得多，從而降低了發動機和飛機的重量，提高了燃油效率。這種重量減輕也降低了軸承和支架等輔助發動機部件的應力。

 

高強度和剛度：復合材料具有高比強度和高剛度，可以設計為滿足高速氣流和異物沖擊的嚴格要求。

 

耐用性：它們更耐振動，可以設計成承受鳥撞的沖擊，這是適航的關鍵要求。

 

效率：在保持低重量的同時制造更大、更高效的風扇葉片的能力是采用它們的關鍵驅動力，特別是在高旁通比發動機中。

 

低噪音：與傳統金屬葉片相比，復合材料具有較低的噪音特性。

制造和設計考慮因素

自動鋪絲(AFP)：這一過程對于自動化復合材料層的復雜、高精度鋪放以形成風扇葉片至關重要。

 

設計復雜性：設計必須考慮翼型、過渡柄和燕尾基座，每個部分在結構完整性中都起著至關重要的作用。

 

材料特性：設計和制造過程必須考慮如何最好地利用材料特性，包括優化層板的數量和方向，以承受空氣動力學和沖擊載荷。

 

過程中變形：熱塑性復合材料在制造過程中會因熱各向異性而發生變形，必須通過先進的建模和控制方法進行預測和管理。

 

鳥撞容限：為了提高損傷容限，減少對較厚、空氣動力學效率較低的葉片的需求，正在研究加入熱塑性夾層或形狀記憶合金等材料，以提高抗沖擊性，并實現可變弧度等功能。

示例應用程序

通用電氣和CFM等主要發動機制造商已成功將復合風扇葉片應用于商用渦扇發動機，如GE90-115B和GEnx。

楊超凡2025.11.4