德國航空航天中心(DLR)、空客直升機公司、弗勞恩霍夫研究所與德累斯頓工業大學(TU Dresden)攜手開展 “NATURE” 項目，共同推動環保航空發展。

 

德國航空航天中心及其 “NATURE” 項目合作伙伴正將超薄碳纖維增強 LMPAEK 材料應用于薄壁航空結構件。來源 | 德國航空航天中心（DLR）

要研發下一代更輕便、更高能效的航天航空復合材料結構，不僅需要重新審視結構設計，還需革新材料本身。德國航空航天中心(DLR)結構與設計研究所(位于斯圖加特)及旗下輕質生產技術中心(位于奧格斯堡)近期在 “NATURE” 項目中達成重大里程碑，并取得優異成果 —— 通過自動鋪絲技術(AFP)，采用 LMPAEK 熱塑性聚合物(由英國克利夫利的威格斯公司生產)制成的超薄碳纖維增強預浸料，成功制造出層壓板。

 

該預浸料由日本福井縣的福井化學工業株式會社生產，其纖維面密度(FAW)僅為 36 克 / 平方米，厚度僅 45 微米。這種預浸料極薄，層壓板的每一層在垂直方向上僅含 7 根纖維。其厚度約為標準碳纖維 / LMPAEK 材料的三分之一，這意味著在通過調整纖維方向以實現最佳性能時，設計靈活性提升了三倍。

 

“NATURE” 項目：

減少航空領域二氧化碳排放

 

該項目由德國聯邦經濟事務與能源部(BMWE)資助，實施周期為 2023 年至 2026 年，核心目標是研發新型輕量化直升機結構，并在全生命周期內全面降低二氧化碳排放。

 

弗勞恩霍夫 IGCV 研究所的重點成果

 

來源 | 弗勞恩霍夫研究所、LiezDesign - Adobe Stock

 

項目合作伙伴包括空客直升機公司、弗勞恩霍夫 IGCV 研究所與德累斯頓工業大學。他們正全面考量從材料生產、制造技術，到結構建造、實際運營及報廢處理的全階段。這種 “從搖籃到墳墓” 的全生命周期理念，可避免因單獨優化某個工藝步驟而產生的負面連鎖效應。項目最終旨在建立可持續設計原則與制造流程，大幅降低航空產業的生態足跡。

 

薄壁表面結構與創新連接技術

 

航空航天領域現代碳纖維增強聚合物(CFRP)構件的生產涉及多個高能耗工藝步驟，尤其是在金屬與膠粘劑等不同材料的鉆孔和連接環節。最終制成的結構件重量，在很大程度上取決于預浸料的性能與厚度。

 

在 “NATURE” 項目框架下，由設計、材料科學、工藝工程領域專家及直升機專項應用場景專家組成的聯盟，正研發一種創新結構制造方法 —— 以帶偽空心型材加強筋的薄壁殼結構為基礎。這種設計能在不影響結構機械完整性的前提下，實現顯著的減重效果。

 

德國航空航天中心(DLR)的熱塑性復合材料超聲焊接技術

 

位于奧格斯堡的德國航空航天中心輕質生產技術中心(DLR ZLP)內，設有高性能熱塑性復合材料(TPC)連續超聲焊接實驗室測試臺。來源 | 德國航空航天中心(DLR)

 

項目的另一核心重點是進一步改進熱塑性復合材料(TPC)制造技術，提升鋪層與連接工藝的效率。目前正調整熱塑性復合材料帶鋪層工藝，以實現薄壁雙曲幾何結構的可靠生產。此外，團隊還在評估現有熱塑性復合材料連接工藝在生物基材料與再生材料上的適用性。

 

工藝自動化與基于片狀模塑料(SMC)的材料

       高效利用德國航空航天中心(DLR)熱壓成型設備與片狀模塑料(SMC)測試板

 

位于奧格斯堡的德國航空航天中心輕質生產技術中心(DLR ZLP)的熱壓成型設備用于片狀模塑料(SMC)加工(左圖)；片狀模塑料(SMC)測試板用于分析充模行為(右圖)。來源 | 德國航空航天中心(DLR)

 

“NATURE” 項目的另一研究方向是片狀模塑料(SMC)結構的自動化制造，具體通過工藝仿真大幅縮短工藝調試時間、降低能耗。片狀模塑料(SMC)技術能低成本生產復雜結構構件 —— 這類構件過去多采用金屬制造。該技術可完全自動化，且具備高功能集成潛力，為輕量化設計開辟新路徑，同時兼具生態與經濟雙重優勢。