DOMMINIO项目将自动纤维铺放(AFP)与3D打印的螺旋体芯材、嵌入式结构健康监测(SHM)传感器和智能材料相结合，用于产品生命周期结束时的感应驱动拆卸。

DOMMINIO项目

欧盟资助的DOMMINIO项目(下一代多功能机身部件数字化制造改进方法)于2021年1月启动，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、同时兼顾寿命终止(EOL- end of life)阶段维修与回收效益的技术。

项目合作伙伴提供的两个演示部件—来自Aciturri(西班牙米兰达德埃布罗)的飞机扰流板和来自BAE系统公司（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- thermoplastic composites)的应用，以及结合了用于高质量层压板的自动铺丝(AFP- automated fiber placement)与用于加强结构的3D增材制造技术。此外，还使用了磁性材料，以便在服役期间进行结构健康监测(SHM- structural health monitoring)，并令人感兴趣的是，可在产品生命周期结束(EOL)时进行拆解，以实现回收利用和/或维修再用。

DOMMINIO项目演示器（上）和合作伙伴（下）

DOMMINO的另一个关键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-
maintenance/repair/overhaul)和产品生命周期结束(EOL)流程。该数字框架将包括先进的模拟工具、在线工艺和质量监控以及结构健康监测(SHM)，旨在实现更具成本效益、高效且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、制造和产品生命周期末端(EOL)策略的技术，并将这些技术推进到技术成熟度(TRL- technology readiness level)2至4级，”研究与技术组织AIMEN(西班牙奥波里尼奥0复合材料增材制造团队负责人帕布罗·罗梅罗·罗德里格斯博士解释道，该组织曾担任DOMMINIO项目的协调方。“因此，我们目前仍处于开发初期，但我认为我们已经取得了显著成果。”

热塑性复合材料，功能材料

罗梅罗(Romero)表示，热塑性复合材料(TPC)是DOMMINIO项目的研究重点，因为它们不仅是结构材料，更是能够实现结构健康监测(SHM)和结构拆卸的功能材料。“热塑性材料可回收加工——它们可以被加热、熔化、拆卸并重塑。我们正利用这一特性来拆卸部件，并通过修复和重塑来延长其使用寿命。”

对于自动铺丝(AFP)层压板，DOMMINIO项目使用了荷兰尼弗达尔(Nijverdal)的Toray(东丽)公司生产的TC 1225单向(UD)胶带，该胶带由碳纤维和英国克利夫利(Cleveleys)的Victrex公司生产的LMPAEK聚合物组成。对于3D打印，项目使用了三种不同类型的聚醚酮酮(PEKK)复合材料长丝：

结构件：用于机器人激光辅助增材制造局部增强的市售PEKK长碳纤维(cCF- continuous carbon fiber)增强丝材，长碳纤维含量>40%。

结构健康监测(SHM)：用于结构健康监测的PEKK长碳纳米管(cCNT- continuous carbon nanotube)纤维增强丝材，由AIMEN与IMDEA Materials(西班牙马德里)联合开发，采用Tortech Nano Fibers位于以色列北部的试点工厂生产。

拆卸:PEKK磁性纳米颗粒(MNP- magnetic nanoparticles)填充丝材，如FeO、CoFe2O和NiFe2O，重量百分比为2.5-10%，与雅典国立技术大学（NTUA，希腊雅典）联合开发。

罗梅罗表示：“我们还在开发另一种压阻材料，用于结构健康监测（SHM）。”这项工作与马德里材料研究所（IMDEA Materials Institute，西班牙马德里）合作开展，并在2022年的一篇CW新闻报道中进行了介绍：

“马德里材料研究所指出，通过DOMMINIO项目开发的技术不仅能够实现实时监测，还将采用先进的3D打印技术，并在碳纳米管(CNT- carbon nanotube)纤维生产方面取得进展，从而在制造过程中将传感器嵌入部件内部，而非在生产后进行安装。这减少了为传感器供电所需的电气布线，进而有望使飞机更加节能，从而更加环保且飞行成本更低……

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。由胡安·何塞·维拉特拉博士(Dr. Juan Jose Vilatela)领导的IMDEA材料研究所多功能纳米复合材料小组正在开发CNT传感器，并对其嵌入复合材料部件后的压阻特性进行表征。

这种嵌入是在部件制造过程中实现的，重点在于结合自动铺丝(AFP)和熔融长丝(FFF- fused filament fabrication)制造技术，后者是一种使用预制长丝的3D打印方法，长丝可以是未增强的，也可以是短纤维或连续纤维增强的复合材料。

结合AFP和FFF技术

复合AFP与FFF工艺的CFRP加筋板加工步骤。

“DOMMINIO旨在结合两种增材制造技术：用于层压板的AFP和用于加强筋的FFF，” 罗梅罗解释道。

DOMMINIO项目演示部分，使用AFP ISC制造CF/LMPAEK层压板，随后采用FFF工艺沉积采用未增强PEKK丝材的双曲面晶格芯材

这一点可以从右侧的演示加固面板中看出。“我们使用激光辅助自动铺丝（AFP）原位固结TC 1225胶带作为底部黑色蒙皮，并采用FFF工艺，利用阿科玛（Colombes, 法国）的未增强型Kepstan PEKK材料，在顶部制成了黄色的螺旋体结构。此外，我们还使用了AIMEN专有的FFF喷嘴，生产了顶部的单向连续碳纤维增强PEKK加固层，这在孔隙率方面取得了更好的效果。”

为何选择PEKK？罗梅罗解释道：“在考察用于结构复合材料的高温先进热塑性聚合物时，我们发现它具有更好的可打印性。”“我们需要一种非晶态材料，或者结晶速度足够慢的材料，以确保材料不会因过度翘曲而受损。热塑性材料在冷却时通常会发生收缩，这会在我们在其顶部生产FFF加强筋时，导致底部蒙皮弯曲或被拉扯。因此，材料的非晶态程度越高，零件的收缩率就越低，尺寸稳定性也就越好。”

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加强筋而言，PEKK双曲面结构作为提供厚度和刚度的核心—因此，结晶度对于强度并非关键，而相容性才是。“PEKK与LMPAEK具有良好的相容性，” 罗梅罗说道。“AFP层压板与加强筋之间的粘结力足够强，因此我们在打印过程中冷却导致的热收缩不会在部件之间造成分层。我们预料到会出现一些翘曲，因此必须优化制造策略。那里会产生很大的应力，但PEKK与底层LMPAEK层压板之间的接合足够牢固，能够承受这些应力。”

FFF工艺开发

“我们正在层压板上直接制造加强筋，”他说。“在加强筋的第一层，我们需要极佳的压实效果。因此，我们使用了激光辅助FFF技术，它就像一个微型AFP系统。它在沉积PEKK丝材时，利用激光重熔LMPAEK基材，随后通过一个小压辊进行压实。在第一层之后，我们继续构建双曲面结构，然后在顶部使用FFF工艺，用单向连续碳纤维增强PEKK进行封闭。”

“压辊非常小，因为我们压实的是2.85毫米厚的丝材，”他继续说道。当然，当我们将其沉积到基材上时，宽度会略微增大，而这种尺寸上的变化必须加以控制。我们发现，尤其是对于连续纤维丝线而言，在喷嘴之后使用压紧滚轮可以显著提升层压材料的致密度和强度，其效果是未采用激光工艺的 3 倍。

AIMEN的双挤出FFF系统，结合了纯PEKK和连续纤维增强PEKK长丝

针对这一FFF工艺，Innovation Plasturgie Composites（IPC，法国贝利尼亚）开发了两款喷嘴。“第一款适用于1.75毫米直径的线材，”罗梅罗说道。“这是一种小型且灵活的解决方案，可用于非平面打印，例如使用PEKK或PEI（聚醚酰亚胺）等高温商用线材。”他补充道：“这款喷嘴内置了符合性气道，用于冷却，使我们能够在打印过程中精准调控喷嘴内的线材温度。”“此外，喷嘴内部还可安装多个热电偶和压力传感器，以实现对工艺参数的精确控制。”

第二款喷嘴是为连续碳纤维增强PEKK长丝开发的，采用了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。

“我们用于加强筋核心的螺旋体结构，是我们之前在概念验证部件中见过的，这些部件展示了增材制造生产复杂形状的灵活性，”罗梅罗说。“这个想法是，你可以为加强部件生产非常定制化的结构。因此，我们证明了可以将自动铺丝(AFP)和熔融长丝制造(FFF)相结合，生产出高度定制化的不同面板，然后我们对这些部件进行了三点弯曲测试。”

AFP工艺的激光扫描

AIMEN为原位固化AFP开发的激光扫描系统

对于自动铺丝(AFP)工艺，DOMMINIO项目开发了一套扫描激光系统。“大多数用于AFP的激光热源都是静态的，产生的加热光斑大小固定不变，” 罗梅罗解释道。“我们开发的是一种扫描系统，通过以50Hz的频率移动光学反射镜来调整激光区域，该系统连接到闭环控制系统，并由热像仪(thermal camera)进行监控。”

该系统类似于德国弗劳恩霍夫材料与束流技术研究所(Fraunhofer IWS，德国德累斯顿)开发的CONTIjoin技术，用于连接多功能机身演示器(MFFD-Multifunctional Fuselage Demonstrator)的上下半壳(左侧纵向焊缝。焊缝宽度从60-360mm)。在该系统中，用于加热并施加CF/LMPAEK层压板以连接半壳的激光，与一种高速扫描系统相结合，该系统可使能量束在焊缝宽度范围内进行振荡。

罗梅罗表示：“我们的方法类似，因为我们在铺设胶带时，胶带的外部区域比中心区域温度更低。因此，移动激光器有助于实现整个胶带的更好固化。我们开发了一种闭环控制系统，其中的扫描元件能够测量并调整激光功率和施加的热量。这种自适应控制能够调整加热曲线，不仅适用于胶带宽度方向，也适用于随着层压板厚度增加的情况。例如，当使用加热工具时，铺设的层数越多、厚度越大，铺设的胶带距离加热工具就越远。”

他指出，AIMEN已对这种适用于激光辅助AFP的自适应控制系统进行了测试。“它运行良好，是DOMMINIO项目中的另一个支柱，旨在实现零缺陷制造工艺的自主化。”

非接触式在线检测

“我们还与DASEL SL（西班牙马德里）合作，开发了一种用于AFP过程中在线工艺监控和缺陷检测的非接触式传感器，”Romero说道。“这非常重要，因为我们采用的是原位固结（ISC- in-situ consolidation），所以在AFP过程中没有后续步骤来消除缺陷。ISC非常高效，因为它消除了在烘箱或热压罐中进行的第二步固结工序。但制造装备仍需大量研发，以提高其在不同类型的胶带和零件上的固化可靠性。”

DOMMINIO项目期间开发的非接触式在线检测系统，用于在AFP ISC过程中检测层压板缺陷

“我们开发的非接触式在线技术利用兰姆波(Lamb waves)，在压实步骤后立即测量缺陷，”他解释道。“该系统使用连接到AFP机头的硬件来发送和接收兰姆波。它包含两个组件—发射器和接收器。发射器发出声波进入材料并反射回接收器。这种声波信号测量了关于压实的信息，例如材料密度。然后我们分析这些信息来识别缺陷，如空隙。”

罗梅罗指出，这种方法类似于相控阵超声(phased array ultrasound)检测，但后者需要水或凝胶耦合剂。“这项开发极具挑战性，因为我们的自动铺丝(AFP)系统由于放置在加热平台上，温度超过了200°C。这种温度变化会导致兰姆波在穿过密度变化的空气时产生湍流问题。但我们已经能够初步了解这种方案的可行性。”

热塑性结构拆解

DOMMINIO在生产出制造演示件后，随即着手展示如何利用功能性材料对其进行拆解。“我们在AFP层压板与回转体芯材结构的界面处，使用FFF技术沉积了磁性纳米颗粒增强型丝材，” 罗梅罗解释道。“在回转体结构之前，我们使用这种材料生产了一层嵌入了磁性纳米颗粒的材料。这些纳米颗粒会对磁场产生反应，而磁场是由我们来自NTUA的合作伙伴开发的磁线圈产生的。当我们移动这个磁线圈时，我们利用感应加热界面，使热塑性聚合物熔化，从而能够将蒙皮从加强筋上分离出来。”

通过局部感应加热从CF/LMPAEK层压板中拆卸的双曲面结构加强件

“因此，我们可以战略性地加热并仅重熔界面，从而将表皮从双曲面结构中拆卸下来，”他继续说道。“表皮层压板中的碳纤维不会像磁性纳米颗粒那样对磁场产生反应。我们开发了一种纳米颗粒与感应线圈之间的调谐方式。我们基本上是将感应焊接的概念应用于重熔界面，但目的是为了拆卸。我们可以将这些基于功能材料的结构称为可逆结构或循环结构。”

数字/认知发展

为复合材料飞机部件开发数据驱动方法论也是DOMMINIO项目的关键部分。“DOMMINIO中的数字/认知系统理念，”罗梅罗说，“在于随着产品生命周期的推进——从产品设计到制造，再到维修和寿命终结拆解——你会生成数据。我们希望收集这些数据，并尝试找出参数之间的交叉相关性或关系。”

在DOMMINIO项目中开发的数据驱动方法

“我们不仅想设计和模拟零件的机械性能和结构性能，还想模拟制造工艺，包括自动铺丝(AFP)和熔融长丝制造(FFF)，”他继续说道。DOMMINIO合作伙伴ESI集团(法国巴涅)和ENSAM(法国巴黎)基于温度和压力模拟了这些工艺过程中的固结。罗梅罗的团队与他们合作，模拟了打印的螺旋二十四面体在冷却过程中的热收缩。

“然后，在开始制造时，你会收集关于温度、压力和其他工艺参数的数据，以及缺陷和质量因素的数据，”罗梅罗说道。“DOMMINIO项目的目标是利用这些数据进一步预测零件性能，并将其与最初的模拟结果进行比较，看看实际获得的结果是否与预测相符。这是一种验证，也是衡量你与实际生产结果之间差距的指标，你可以利用这一点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的范围。这些缺陷会被识别并量化，这些数据可以被纳入产品容许值的计算中。”

制造完成后，DOMMINIO 的方法是在服务期间通过嵌入式 SHM 系统收集数据。罗梅罗表示：“我们在层压板中嵌入了 SHM 传感器，目的是让它们在服务期间持续生成数据。”“例如，这些数据可以让你看到产品是否没有达到预期的性能，同时，它也可以发出警报，提示部件刚刚遭受了撞击或过载事件，以及何时进行了维修或维护操作。”

DOMMINIO项目对ATL和FFF工艺的热监测以及由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进行整合。它涵盖了零件整个生命周期中的所有数据，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- multidisciplinary design optimization)。“在设计过程中，你会遇到多种因素，例如成本、结构性能和空气动力学，”罗梅罗解释道。“MDO允许你综合考虑所有这些因素以找到最优解。例如，增材制造（AM）赋予了你极大的设计自由度，可以制造出非常定制化的超复杂零件，比如用于加强筋的螺旋体结构。但同时也存在约束条件。因此，在设计过程中纳入可制造性是一个关键因素，以便从生命周期的早期阶段就整合灵活性和约束条件，特别是对于增材制造工艺而言。”

对未来复合材料的影响

罗梅罗表示：“我认为DOMMINIO项目所展示的制造理念，为复合材料结构的设计空间拓展带来了可能，通过将热塑性复合材料与多功能材料结合创新的增材制造技术，打造出高度定制化的设计方案。此外，这些技术还具备实现新的产品生命周期末端解决方案的能力，例如拆卸与再利用。”

OVERLEAF（V型液氢储罐）

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中，例如正在开发用于储存液态氢的复合材料储罐的OVERLEAF项目。“我们再次将FFF和AFP技术与热塑性复合材料相结合，制造演示样机，并研究储罐壁的渗透性和低温性能，” 罗梅罗说道。

与此同时，他认为DOMMINIO将通过整合三项关键发展，对未来的复合材料航空结构产生影响：

1.用于多功能结构的新型先进材料。

2.结合三种增材制造工艺生产近净形热塑性产品。

3.复合零件设计优化与高效生命周期末端策略的数字化。

“这种整体化方法将实现新的制造解决方案，”罗梅罗说道，“这对于实现航空业所需求的下一代复合材料至关重要。”

原文《Combining multifunctional thermoplastic composites, additive manufacturing for next-gen airframe structures》

杨超凡