结合多功能热塑性复合材料，增材制造下一代机身结构
结合多功能热塑性复合材料，增材制造下一代机身结构
欧盟资助的DOMMINIO项目（下一代多功能机身部件改进制造的数字化方法）于2021年1月启动，并将于2024年9月完成。其目标是展示能够实现多功能、智能机身部件的技术，同时也有利于飞机报废（EOL）时的维修和回收。
项目合作伙伴提供的两个演示组件——来自Aciturri（西班牙米兰达德埃布罗）的飞机扰流板和来自BAE Systems（英国伦敦）的主起落架舱门检修面板——推动了热塑性复合材料（TPC）的使用以及用于高质量层压板的自动纤维铺放（AFP）与用于加固结构的3D叠加打印相结合。磁性材料还用于在服务期间进行结构健康监测（SHM），有趣的是，在EOL时拆卸以进行回收和/或维修和再利用。
DOMMINIO项目示范者（上）和合作伙伴（下）
DOMMINO的另一个重点是开发一种数据驱动的方法，涵盖零件的设计、制造和预认证以及维护/维修/大修（MRO）和EOL流程。该数字框架将包括先进的模拟工具、在线流程和质量监控以及SHM，旨在实现更具成本效益、更高效和可持续的高质量组件。
“我们的目标是开发能够加速更先进、更可持续的设计、制造和EOL战略的技术，并将其推进到TRL[技术就绪水平]2到4，”研究和技术组织AIMEN（西班牙奥波里尼奥）的复合材料增材制造团队负责人Pablo Romero Rodríguez博士解释说，该组织担任DOMMINIO项目协调员。“因此，我们处于开发的开始阶段，但我认为我们已经取得了显著的成果。”
TPC、功能材料
热塑性复合材料（TPC）是DOMMINIO的重点，因为它们不仅是结构材料，而且是能够实现结构SHM和拆卸的功能材料，Romero说道。“热塑性塑料是可再加工的——它们可以加热、熔化、拆卸和重塑。我们利用这一点来拆卸零件，并通过修复和改造来延长它们的使用寿命。”
对于AFP层压板，DOMMINIO使用了Toray Advanced Composites（荷兰Nijverdal）的TC1225单向（UD）胶带，该胶带由Victrex（英国克利夫利斯）的碳纤维和LMPAEK聚合物组成。对于3D打印，使用了三种不同类型的聚醚酮酮（PEKK）复合细丝：
- 结构：市售PEKK长丝，采用>40%连续碳纤维（cCF）增强材料，通过机器人激光辅助增材制造进行局部加固。
- SHM：用于SHM的连续碳纳米管（cCNT）纤维增强的PEKK长丝，由AIMEN生产并与IMDEA Materials（西班牙马德里）共同开发，使用位于以色列北部的Tortech Nano Fibers试验工厂。
- 拆卸：PEKK长丝填充有磁性纳米粒子（MNP），例如Fe3O4、CoFe2O4和NiFe2O4，重量百分比范围为2.5-10%，与雅典国立技术大学（NTUA，希腊雅典）共同开发。
“我们还在开发另一种用于SHM的压阻材料，”Romero说道。这项工作是与IMDEA材料研究所（西班牙马德里）合作进行的，并在2022年CW新闻报道中进行了描述：
“IMDEA材料研究所指出，通过DOMMINIO项目开发的技术不仅可以实现实时监控，还可以采用先进的3D打印技术和碳纤维纳米管（CNT）纤维生产方面的进步，以便在制造过程中将传感器嵌入零件内，而不是在生产后再安装。这减少了为传感器供电所需的电缆数量，从而可以使飞机变得更省油，从而更环保，飞行成本更低……
通过这些嵌入式传感器，物理部件能够直接与地面工程师进行通信。IMDEA Materials的多功能纳米复合材料小组由Juan Jose Vilatela博士领导，正在开发CNT传感器并表征其嵌入复合部件时的压阻特性。
这种嵌入是在零件制造过程中实现的，重点是结合AFP和熔融长丝制造（FFF），这是一种使用预制长丝的3D打印方法，该长丝可以是未增强的，也可以是复合材料，用短纤维或连续纤维增强。
结合AFP和FFF
组合AFP和FFF加固CFRP板的工艺步骤。
“DOMMINIO结合了两种增材制造技术：用于层压板的AFP和用于加强筋的FFF，”Romero解释道。
DOMMINIO演示部件使用AFP ISC生产CF/LM PAEK层压板，然后使用未增强的PEKK长丝FFF沉积螺旋芯。
这可以在右侧的演示加固面板中看到。“我们使用激光辅助AFP原位固结TC1225胶带作为底部黑色表皮，并使用FFF在顶部使用Arkema[法国科隆布]的非增强Kepstan PEKK制作黄色螺旋设计。我们还使用AIMEN专有的FFF喷嘴，用UD连续碳纤维增强PEKK制作顶部增强层，在孔隙率方面提供了更好的效果。”
为什么选择PEKK？“当我们研究用于结构复合材料的高温先进热塑性聚合物时，它提供了更好的可打印性，”Romero解释道。“我们需要一种无定形的材料，或者结晶速度足够慢的材料，这样材料就不会出现太多的翘曲。热塑性材料通常在冷却时收缩，当我们在其上生产FFF加强筋时，这实际上会使底部蒙皮弯曲或拉动。因此，材料越无定形，部件的收缩就越少，尺寸稳定性就越好。”
通常，在生产TPC结构时，实现足够的结晶度（例如35%）以产生高机械性能至关重要。然而，对于FFF加强筋，PEKK螺旋体充当提供厚度和刚度的核心——因此，强度的结晶度并不重要，但兼容性才是关键。“PEKK与LMPAEK具有良好的兼容性，”Romero说。“AFP层压板和加强筋之间的粘合力足够强，以至于我们打印时冷却产生的热收缩不会导致部件之间分层。我们预计会出现一些翘曲，因此我们必须优化制造策略。那里产生了很大的应力，但PEKK和下面的LMPAEK层压板之间的连接足够坚固，可以承受这些应力。”
FFF工艺开发
“我们直接在层压板顶部制造加强筋，”他说。“在加强筋的第一层，我们需要非常好的固结。因此，我们使用激光辅助FFF，它就像一个迷你AFP系统。它使用激光在沉积PEKK细丝的同时重新熔化LMPAEK基材，然后用小型压实辊进行固结。在第一层之后，我们继续建造陀螺，然后使用顶部的FFF用UD连续碳纤维增强PEKK将其封闭。”
“压辊非常小，因为我们要压实2.85毫米厚的细丝，”他继续说道。“当然，当我们将其沉积到基材上时，宽度会稍微大一些，必须控制这种尺寸变化。我们发现，尤其是对于连续纤维长丝，与不使用激光的工艺相比，喷嘴后的压实辊可将层压板的固结度和强度提高3倍”
AIMEN的双挤出机FFF系统，结合了纯PEKK和连续纤维增强PEKK
对于这种FFF工艺，Innovation Plasturgie Composites（IPC，法国贝利尼亚特）开发了两个喷嘴。“第一个适用于直径为1.75毫米的长丝，”Romero说。“它是一种小型多功能解决方案，可用于非平面打印高温商用长丝，例如使用PEKK或PEI[聚醚酰亚胺]。”“该喷嘴结合了用于冷却的保形空气通道，使我们能够在打印过程中调整喷嘴中长丝的温度，”他补充道。“还可以在喷嘴内放置多个热电偶和压力传感器，以严格控制工艺参数。”
第二个喷嘴是为连续碳纤维增强的PEKK长丝开发的，并使用类似的冷却和工艺控制措施。它可以处理直径小于1毫米的长丝。
“我们用作加强筋核心的陀螺结构是我们在概念验证部件中看到的东西，它展示了AM在生产复杂形状方面的灵活性，”Romero说。“这个想法是，你可以为加强筋组件生产出非常定制的结构。因此，我们证明了我们可以结合AFP和FFF来生产高度定制的不同面板，然后我们对这些部件完成了三点弯曲测试。”
AFP激光扫描
AIMEN为原位固结AFP开发的激光扫描仪系统。
对于AFP工艺，DOMMINIO开发了一种扫描激光系统。“AFP中使用的大多数激光热源都是静态的，产生的加热点大小是静态且恒定的，”Romero解释道。“我们开发的是一种扫描系统，它可以通过以50Hz的频率移动光学反射器来调整激光区域，并连接到由热像仪监控的闭环控制系统。”
该系统类似于德国德累斯顿Fraunhofer IWS开发的CONTIjoin技术，该技术用于连接多功能机身演示器的上半壳和下半壳（参见“制造MFFD热塑性复合材料机身”的温度控制部分）。在该系统中，用于加热和应用CF/LM PAEK层压板来连接半壳的激光与高速扫描系统相结合，该系统使能量束在整个焊缝宽度上振荡。
“我们的方法类似，”Romero说道，“因为当我们粘贴胶带时，胶带的外部比中心温度低。因此，移动激光有助于实现整个胶带的更好固结。我们开发了一个闭环控制系统，其中有一个扫描元件，用于测量和调整所施加的激光功率和热量。这种自适应控制不仅可以调整胶带宽度上的加热曲线，还可以调整层压板厚度。例如，当使用加热工具时，您放置的胶带越多，厚度增加得越多，放置的胶带离加热工具就越远。”
他指出，AIMEN已测试了这种用于激光辅助AFP的自适应控制系统。“它运行良好，是DOMMINIO项目的另一个支柱，使流程自主化，实现零缺陷制造设置。”
非接触式在线检查
“我们还与DASEL SL（西班牙马德里）合作开发了一种非接触式传感器，用于AFP期间的在线过程监控和缺陷检测，”Romero说道。“这很重要，因为我们使用的是原位固结（ISC），因此在AFP过程中无需第二步来消除缺陷。ISC非常高效，因为您省去了烤箱或高压釜中的第二步固结步骤。但制造设备仍需要大量开发，以使不同类型的胶带和零件之间的固结更加可靠。”
DOMMINIO期间开发的非接触式在线检测系统，用于在AFP ISC期间检测层压板中的缺陷。
“我们开发的非接触式在线技术使用兰姆波在固结步骤后立即测量缺陷，”他解释道。“该系统使用连接到AFP头的硬件来发送和接收兰姆波。有两个元素——传感器和接收器。传感器发出声波进入材料并反射回接收器。该声波信号测量有关固结的信息，例如材料密度。然后我们分析这些信息以识别缺陷，例如空隙。”
Romero指出，这种方法类似于相控阵超声（UT），但后者需要水或凝胶耦合剂。“开发过程非常具有挑战性，因为我们的AFP系统温度高于200°C，因为我们要将其放置在加热台上。当兰姆波穿过密度不同的空气时，这种温度变化会引起湍流问题。但我们能够对这种方法的可行性获得良好的初步了解。”
热塑性结构拆卸
DOMMINIO生产出制造演示部件后，便开始演示如何使用功能材料拆卸它们。“我们使用磁性纳米粒子增强细丝，并用FFF将其沉积在AFP层压板和螺旋芯结构之间的界面上，”Romero解释道。“在制造螺旋芯之前，我们用这种材料制作了一层嵌入磁性纳米粒子的层。这些纳米粒子会对磁场作出反应，磁场由我们来自NTUA的合作伙伴开发的磁线圈产生。当我们移动这个磁线圈时，我们使用感应加热界面，这样热塑性聚合物就会熔化，我们就可以将外皮从加强筋上拉开。”
使用局部感应加热从CF/LM PAEK层压板中拆卸螺旋加强筋。
“因此，我们可以策略性地加热并重新熔化界面，然后就可以将蒙皮从螺旋桨上拆下来，”他继续说道。“蒙皮层压板中的碳纤维对磁场的反应方式与磁性纳米粒子不同。我们开发了一种纳米粒子和感应线圈之间的调谐方法。我们基本上是将感应焊接的概念引入到重新熔化界面中，但用于拆卸。我们可以将这些功能材料称为可逆或圆形结构。”
数字/认知发展
开发复合飞机部件的数据驱动方法也是DOMMINIO项目的关键部分。“DOMMINIO中的数字/认知系统的理念是，”Romero说，“随着产品生命周期的推进（从产品设计到制造再到维修和EOL拆卸），您将生成数据。我们希望收集这些数据并尝试找到参数之间的交叉关联或关系。”
DOMMINIO中开发的数据驱动方法
“我们希望设计和模拟的不仅仅是部件的机械性能和结构性能，还有制造工艺，包括AFP和FFF，”他继续说道。DOMMINIO合作伙伴ESI Group（法国巴纽）和ENSAM（法国巴黎）根据温度和压力模拟了这些工艺过程中的固结。Romero的团队与他们合作，模拟了打印的陀螺仪在冷却时的热收缩。
“然后，当你开始制造时，你会收集有关温度、压力和其他工艺参数以及缺陷和质量因素的数据，”Romero说。“DOMMINIO的目标是使用这些数据进一步预测零件属性，并将其与初始模拟进行比较，以查看你获得的结果是否与你预测的结果相符。这是一种验证，表明你与实际生产的产品相差多远，你可以使用它来改进你的模拟工具。它还有助于了解在航空航天产品和缺陷水平方面可以接受什么。这些缺陷被识别和量化，并且这些数据可以包含在产品允许值的计算中。”
制造完成后，DOMMINIO的方法是通过嵌入式SHM系统在运行过程中收集数据。“我们将SHM传感器嵌入层压板中，这样它们就可以在运行过程中一直生成数据，”Romero说。“例如，这些数据可以让您了解产品是否真的没有按预期运行，而且它还可以提醒您部件刚刚遭受了撞击或过载事件，以及何时执行维修或维护操作。”
DOMMINIO项目对ATL和FFF流程的热监控以及由DOMMINIO数字线程实现的数字孪生表示。
所有这些数据都通过数字线程传输。它涵盖了零件生命周期中的所有数据，然后可用于优化零件的设计和制造。它还支持多学科设计优化（MDO）。“在设计过程中，您需要考虑各种因素，例如成本、结构性能和空气动力学，”Romero解释道。“MDO允许您考虑所有这些因素以找到最佳方案。例如，AM为您提供了很大的设计自由度，可以生产非常定制的超复杂零件，例如加强筋的陀螺仪。但也有限制。因此，可制造性是设计过程中要考虑的一个关键因素，以便从生命周期开始就整合灵活性和约束条件，尤其是对于AM流程。”
对未来复合材料的影响
“我认为DOMMINIO项目中展示的制造概念有可能拓宽复合结构的设计空间，”Romero说道，“通过将热塑性复合材料和多功能材料与创新的AM技术结合到超级定制设计中。这些还能够实现新的EOL解决方案，例如拆卸和重复使用。”
他指出，AIMEN目前正在将这种方法应用于其他欧盟资助的研究项目，例如OVERLEAF，该项目正在开发用于储存液态氢的复合罐。“我们再次将FFF和AFP与热塑性复合材料结合起来，建造演示器并研究罐壁渗透性和低温性能，”罗梅罗说。
同时，他相信DOMMINIO将通过整合三大关键发展对未来的复合材料航空结构产生影响：
- 用于多功能结构的新型先进材料。
- 结合三种AM工艺来生产近净成形的热塑性产品。
- 复合零件设计优化和高效EOL策略的生命周期数字化。
罗梅罗说：“这种整体方法将实现新的制造解决方案，这对于实现航空工业所需的下一代复合材料至关重要。”