首次成功演示采用16毫米厚的碳纤维/聚酰胺12(CF/PA12)材料，后续将扩展至碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)带材及用于结构健康监测(SHM)的嵌入式传感器。

碳纤维增强热塑性复合材料风扇叶片的加工

 

飞机制造材料必须具有极高的韧性，同时还要尽可能轻。碳纤维增强塑料（CFRP）兼具这两项特性，因此在航空发动机风扇叶片中的应用越来越广泛。然而，这些部件的生产耗时且成本高昂，因为它们需要在高压釜中固化数小时。来自德国亚琛弗劳恩霍夫生产技术研究所(IPT)的一个研究团队正在寻求进一步实现 CFRP 风扇叶片生产的自动化。

 

许多碳纤维增强塑料（CFRP）部件的生产已部分实现自动化。通常由纤维增强环氧树脂制成的预浸料半成品——预浸料，被分层铺设并定向，以形成定制的铺层。然后在耗能、耗时且成本高昂的高压釜工艺中，在压力和高温下进行固化。弗劳恩霍夫 IPT 研究所一直在研究进一步自动化制造 CFRP 刀片的可能性，以使其更具成本效益。

 

然而，这些研究人员并非依赖于环氧树脂基材料，而是采用碳纤维增强热塑性塑料。这类材料几十年来已在飞行器结构中得到应用，具有良好的轻量化结构特性，同时具备出色的抗冲击性能，还能通过自动化方式快速灵活地进行加工。由于是热塑性塑料，它们无需化学交联来固化，只需加热熔化，在受控冷却过程中施加压力即可成型。而且它们还可以重新加热并重新塑形。

 

弗劳恩霍夫激光技术研究所纤维复合材料与激光系统技术部门负责人亨宁·詹森博士(Dr.-Ing. Henning Janssen)解释说，因此热塑性复合材料更适合高效的制造工艺。在他的团队进行的几个测试系列中，他们首次成功地将两种这样的工艺结合用于风扇叶片的生产：全自动带铺放和成型。

灵活的工艺链：自动铺带和热成型

凭借弗劳恩霍夫 IPT 完全自主开发并授权商业化的全自动铺带系统，根据结构所需的受力方向，将单向(UD)增强热塑性带材层层堆叠。这样就制造出了多层、高弹性和柔韧性的面板，即所谓的有机板材。研究人员使用各种传感器对全自动工艺的每一步进行监控和记录。这样，他们就能在生产过程中洞察“黑箱-black box”，为每块有机板材创建所谓的“数字影子-digital shadow”。这种真实有机板材的虚拟图像使得能够在早期阶段识别质量偏差，并采取适当的应对措施。

 

在接下来的生产步骤中，将对完成的有机板材进行加热，并通过热成型工艺将其塑造成接近净形。在之前的测试系列中，该工艺最初是在由 PA12(尼龙12)和碳纤维制成的 16 毫米厚的织物增强有机板材上进行测试的，很快将转移到由 PEEK(聚醚醚酮)和碳纤维带制成的有机板材上。

用于铣削 FRP 组件的测试系列

在热成型之后，对成型的有机板材边缘进行修整，并铣削成最终形状。由于 FRP 材料结构的不均匀性，铣削 FRP 极具挑战性。此外，碳纤维对铣刀的切削刃具有很强的磨损性，从而导致刀具严重磨损和加工质量波动。

 

延长刀具使用寿命的一种可能性是使用涂有聚晶金刚石(PCD- polycrystalline diamond)的铣刀。在尝试小规模加工碳纤维增强复合材料(CFRP)叶片的过程中，研究人员发现，涂有 PCD 的铣刀的使用寿命明显长于未涂层的铣刀。此外，针对加工质量，单独定制的铣削策略设计也产生了积极影响。

在各种工业应用环境中的实施情况

热塑性碳纤维增强塑料材料的首批成果令人鼓舞：“我们已经能够证明，连接的制造工艺——叶片的制造和精加工——是可行的，”弗劳恩霍夫 IPT 涡轮机械业务部门负责人丹尼尔·海因恩(Daniel Heinen)表示。“我们在叶片的径向方向以及叶片前缘和后缘之间都实现了非常出色的表面质量。现在，我们必须更仔细地研究和优化各个工艺。”

 

未来几个月内，将开展研究项目，进一步优化新工艺，并在各种工业应用环境中进行测试。亚琛的科学家们尤其关注高性能热塑性塑料PEEK作为基体的应用，以及在有机片内层压传感器技术。后者不仅能够监测制造过程，还能在发动机后期使用中监控部件状态。该工艺链在其他部件上的应用也在探索之中，例如定子、短舱部件以及航空业以外的部件。弗劳恩霍夫 IPT 欢迎有兴趣参与项目的公司。

 

原文,《Fraunhofer IPT automates production of thermoplastic CFRP engine fan blades》 2020.12.17

补充概念知识

热塑性复合材料风扇叶片因其轻质、高强度和效率而用于现代涡扇发动机，这得益于碳纤维等材料。这些叶片比传统钛叶片具有显著的优势，包括提高的燃油效率、更好的抗振性和优异的鸟撞耐受性。自动纤维铺放(AFP)等先进制造技术用于高精度生产复杂形状，对这些叶片的性能和耐用性至关重要。

热塑性复合材料风扇叶片的优点

轻质：热塑性复合材料，特别是使用碳纤维的复合材料，比钛轻得多，从而降低了发动机和飞机的重量，提高了燃油效率。这种重量减轻也降低了轴承和支架等辅助发动机部件的应力。

 

高强度和刚度：复合材料具有高比强度和高刚度，可以设计为满足高速气流和异物冲击的严格要求。

 

耐用性：它们更耐振动，可以设计成承受鸟撞的冲击，这是适航的关键要求。

 

效率：在保持低重量的同时制造更大、更高效的风扇叶片的能力是采用它们的关键驱动力，特别是在高旁通比发动机中。

 

低噪音：与传统金属叶片相比，复合材料具有较低的噪音特性。

制造和设计考虑因素

自动铺丝(AFP)：这一过程对于自动化复合材料层的复杂、高精度铺放以形成风扇叶片至关重要。

 

设计复杂性：设计必须考虑翼型、过渡柄和燕尾基座，每个部分在结构完整性中都起着至关重要的作用。

 

材料特性：设计和制造过程必须考虑如何最好地利用材料特性，包括优化层板的数量和方向，以承受空气动力学和冲击载荷。

 

过程中变形：热塑性复合材料在制造过程中会因热各向异性而发生变形，必须通过先进的建模和控制方法进行预测和管理。

 

鸟撞容限：为了提高损伤容限，减少对较厚、空气动力学效率较低的叶片的需求，正在研究加入热塑性夹层或形状记忆合金等材料，以提高抗冲击性，并实现可变弧度等功能。

示例应用程序

通用电气和CFM等主要发动机制造商已成功将复合风扇叶片应用于商用涡扇发动机，如GE90-115B和GEnx。

杨超凡2025.11.4