航空材料需要同時(shí)兼具高模量和輕量化，據(jù)英國(guó)羅羅公司報(bào)道，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）由于同時(shí)具備這兩個(gè)優(yōu)異性能，已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片上獲得越來越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段，許多CFRP航空部件的生產(chǎn)已部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。通常采用纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成半成品預(yù)浸料，按照設(shè)計(jì)要求、沿一定取向鋪成薄薄的片材，隨后在一定的溫度和壓力下，經(jīng)高能耗、高成本的熱壓罐工藝長(zhǎng)時(shí)間固化成型，生產(chǎn)過程耗時(shí)又耗資。
近日，德國(guó)弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（Fraunhofer IPT）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)CFRP葉片開發(fā)出了更具成本效益的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)。
該團(tuán)隊(duì)沒有選用熱固性的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，轉(zhuǎn)而采用碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）。CFRTP已經(jīng)在航空結(jié)構(gòu)件上使用了幾十年，擁有良好的輕量化結(jié)構(gòu)性能以及出色的抗沖擊性能，自動(dòng)化成型工藝速度快且靈活。因?yàn)槭菬崴苄圆牧?，無需化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)來強(qiáng)化，只需要加熱融化并控制降溫過程中的固化壓力，還可以加熱重塑。
“熱塑性復(fù)合材料更適合高效的制造工藝，”Fraunhofer IPT纖維復(fù)合材料和激光系統(tǒng)技術(shù)部負(fù)責(zé)人Henning Janssen博士介紹說。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，研究團(tuán)隊(duì)首次成功將全自動(dòng)鋪帶和熱成型工藝合二為一，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。
靈活的工藝鏈：自動(dòng)鋪帶和熱成型
通過一套已獲得商用許可證的全自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)，熱塑性單向帶（UD）沿結(jié)構(gòu)件所需的受力方向?qū)訉盈B加，從而獲得了高彈性的多層有機(jī)板。研究者通過各種傳感器監(jiān)測(cè)并記錄每個(gè)自動(dòng)化的工藝環(huán)節(jié)。
有機(jī)板將在接下來的工藝環(huán)節(jié)中被加熱，并通過熱成型工藝近凈成型為所需的形狀。前期進(jìn)行的系列測(cè)試，首先在16mm厚的碳纖維織物增強(qiáng)PA12復(fù)合材料上進(jìn)行，并很快轉(zhuǎn)移在碳纖維單向帶增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料上進(jìn)行。
銑削加工FRP部件的系列測(cè)試
熱成型之后，有機(jī)板的邊角料被剪裁下來，部件被銑削加工成最終的形狀。由于材料結(jié)構(gòu)的不均勻性，對(duì)FRP進(jìn)行銑削加工極具挑戰(zhàn)性。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料會(huì)在銑刀邊緣出現(xiàn)很嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，從而導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重及加工質(zhì)量波動(dòng)。
延長(zhǎng)刀具壽命的可行方法是采用帶多晶金剛石（PCD）涂層的銑刀。在探索小型CFRP葉片機(jī)械加工法的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)PCD涂層能夠顯著延長(zhǎng)刀具的服役壽命。同時(shí)，定制設(shè)計(jì)的銑削工藝對(duì)加工質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生積極影響。
在各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
Fraunhofer IPT發(fā)動(dòng)機(jī)力學(xué)業(yè)務(wù)部主管Daniel Heinen表示：“CFRTP的首個(gè)應(yīng)用成果表明相互關(guān)聯(lián)的葉片制造和精加工工藝非常有效，葉片的徑向和前后緣間都獲得了很好的表面質(zhì)量?，F(xiàn)在我們要對(duì)各工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行審視和優(yōu)化。”
未來幾個(gè)月中，若干個(gè)研究計(jì)劃將著手對(duì)新工藝在不用工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行研究。研究者對(duì)高性能熱塑性PEEK基復(fù)合材料和有機(jī)板內(nèi)嵌傳感器技術(shù)很感興趣。在有機(jī)板內(nèi)部置入傳感器不僅能夠?qū)Τ尚凸に囘M(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)服役過程中的葉片狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。該項(xiàng)目還同時(shí)對(duì)新工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)定子和機(jī)艙部件，以及其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。
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