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国际新闻

Fraunhofer IPT开发CFRTP发动机叶片自动化生产技术
来源:中国复材展组委会  2020-12-22 11:10:41
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-10303.html        航空材料需要同时兼具高模量和轻量化,据英国罗罗公司报道,碳纤维复合材料(CFRP)由于同时具备这两个优异性能,已经在航空发动机风扇叶片上获得越来越广泛的应用。现阶段,许多CFRP航空部件的生产已部分实现了自动化。通常采用纤维增强环氧树脂复合材料制成半成品预浸料,按照设计要求、沿一定取向铺成薄薄的片材,随后在一定的温度和压力下,经高能耗、高成本的热压罐工艺长时间固化成型,生产过程耗时又耗资。

       近日,德国弗劳恩霍夫生产技术研究所(Fraunhofer IPT)的一个研究团队为航空发动机CFRP叶片开发出了更具成本效益的自动化生产技术。

       该团队没有选用热固性的环氧树脂基复合材料,转而采用碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)。CFRTP已经在航空结构件上使用了几十年,拥有良好的轻量化结构性能以及出色的抗冲击性能,自动化成型工艺速度快且灵活。因为是热塑性材料,无需化学交联反应来强化,只需要加热融化并控制降温过程中的固化压力,还可以加热重塑。

       “热塑性复合材料更适合高效的制造工艺,”Fraunhofer IPT纤维复合材料和激光系统技术部负责人Henning Janssen博士介绍说。经过大量实验后,研究团队首次成功将全自动铺带和热成型工艺合二为一,用于航空发动机叶片的生产。


       灵活的工艺链:自动铺带和热成型

       通过一套已获得商用许可证的全自动铺带系统,热塑性单向带(UD)沿结构件所需的受力方向层层叠加,从而获得了高弹性的多层有机板。研究者通过各种传感器监测并记录每个自动化的工艺环节。

       有机板将在接下来的工艺环节中被加热,并通过热成型工艺近净成型为所需的形状。前期进行的系列测试,首先在16mm厚的碳纤维织物增强PA12复合材料上进行,并很快转移在碳纤维单向带增强PEEK复合材料上进行。

       铣削加工FRP部件的系列测试

       热成型之后,有机板的边角料被剪裁下来,部件被铣削加工成最终的形状。由于材料结构的不均匀性,对FRP进行铣削加工极具挑战性。同时,碳纤维复合材料会在铣刀边缘出现很严重的粘刀现象,从而导致刀具磨损严重及加工质量波动。

        延长刀具寿命的可行方法是采用带多晶金刚石(PCD)涂层的铣刀。在探索小型CFRP叶片机械加工法的过程中,研究人员发现PCD涂层能够显著延长刀具的服役寿命。同时,定制设计的铣削工艺对加工质量也会产生积极影响。

       在各种工业领域的应用

        Fraunhofer IPT发动机力学业务部主管Daniel Heinen表示:“CFRTP的首个应用成果表明相互关联的叶片制造和精加工工艺非常有效,叶片的径向和前后缘间都获得了很好的表面质量。现在我们要对各工艺环节进行审视和优化。”

        未来几个月中,若干个研究计划将着手对新工艺在不用工业领域中的应用进行研究。研究者对高性能热塑性PEEK基复合材料和有机板内嵌传感器技术很感兴趣。在有机板内部置入传感器不仅能够对成型工艺进行监测,还可以对发动机服役过程中的叶片状态进行监控。该项目还同时对新工艺在航空发动机定子和机舱部件,以及其他工业领域的应用进行了研究。 文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-10303.html