弗劳恩霍夫IPT实现了热塑CFRP发动机风扇叶片的自动化生产

飞机材料必须具有高弹性，同时尽可能轻。碳纤维增强塑料(CFRP)同时具备这两点，已经越来越多地被用于航空发动机风扇叶片。见 "劳斯莱斯开始制造世界上最大的风扇叶片"）。然而，这些部件的生产非常耗时和昂贵，因为它们必须在高压釜中固化几个小时。来自弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT，德国亚琛）的一个研究小组正在寻求进一步实现CFRP风扇叶片的自动化生产。

许多CFRP部件的生产已经实现了部分自动化。预浸渍的半成品预浸料--通常由纤维增强环氧树脂制成--被薄薄地涂抹和定向，以创建一个定制的分层。然后在能源、成本和时间密集的高压釜过程中，在压力和热量下进行固化。Fraunhofer IPT一直在研究进一步自动化制造CFRP叶片的可能性，以使其更具成本效益。

不过，这些研究人员并没有依赖基于环氧树脂的材料，而是使用碳纤维增强热塑性塑料。这些材料已经在飞行结构中使用了几十年，具有良好的轻质结构特性，结合优异的冲击行为，并且可以快速灵活地进行自动化加工。作为热塑性塑料，它们不需要化学交联就能硬化，只需要加热熔化，并在受控冷却过程中加压固化。它们也可以重新加热和重新成型。

因此，热塑性复合材料更适合于高效的制造工艺，弗劳恩霍夫IPT的纤维复合材料和激光系统技术部门负责人Henning Janssen博士解释说。在几个测试系列中，他的团队现在已经首次成功地将两种这样的工艺结合起来用于扇叶生产：全自动胶带铺设和成型。

灵活的工艺链：自动铺带和热成型
通过全自动的胶带铺设系统，弗劳恩霍夫IPT的专利开发，并通过许可进行商业化运作，根据结构中所需要的荷载方向，将单向（UD）增强的热塑性塑料胶带铺设在另一个上面，这样就形成了多层、高弹性和柔性的面板，即所谓的有机板。通过这种方式，一种多层、高弹性和柔性的面板，即所谓的有机板，就被创造出来了。研究人员利用各种传感器对全自动过程的每一步进行监控和记录。通过这种方式，他们可以在生产过程中观察到生产的 "黑匣子"，并为每一块有机板材创建一个所谓的 "数字影子"。这种真实有机片材的虚拟影像，可以及早发现质量偏差，并采取相应的对策。

完成的有机片材在下一个生产步骤中被加热，并在热成型过程中被塑造成接近净形状。在之前的一系列测试中，该工艺最初是在PA12和碳纤维制成的16毫米厚的织物增强型有机片材上进行测试，不久将转移到PEEK和碳纤维带制成的有机片材上。

铣削FRP部件的测试系列
热成型后，对成型的有机片材的边缘进行修整，铣削成最终形状。由于异质材料结构，铣削玻璃钢非常具有挑战性。另外，碳纤维对铣刀的切削刃有很强的磨损作用，因此导致刀具磨损严重，加工质量波动较大。

延长刀具寿命的一种可能是使用涂有聚晶金刚石（PCD）的铣刀。研究人员在小规模加工CFRP叶片的尝试过程中发现，PCD涂层铣刀的使用寿命明显长于未涂层刀具。此外，单独定制的铣削策略设计对加工质量也有积极影响。

在各种工业应用环境中的实施
热塑性CFRP材料的第一个结果是有希望的。弗劳恩霍夫IPT公司透平机械事业部负责人Daniel Heinen说："我们能够证明，相关的制造工艺--叶片的制造和精加工--是有效的。"他说："我们能够在叶片的径向和前缘与后缘之间实现非常好的表面质量。"我们能够在径向叶片方向和叶片的前缘和后缘之间实现非常好的表面质量。现在，我们必须更仔细地检查和优化各个工艺。"

计划在未来几个月内开展研究项目，对新工艺进行进一步优化，并在各种工业应用环境中进行检验。亚琛的科学家们对使用高性能的热塑性PEEK作为基体以及在有机片材内层压传感器技术特别感兴趣。后者不仅可以监测制造过程，还可以监测以后在发动机中使用时的部件状态。该工艺链还可应用于其他部件，例如定子和短舱部件以及航空工业以外的部件。弗劳恩霍夫IPT欢迎有兴趣的公司参与到项目中来。