幾年前，斯科特·布萊克(Scott Blake)在巴爾的摩的一個貿(mào)易展上，來自美國國家航空航天局(nasa)戈達(dá)德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的兩名研究人員在他公司的展位前駐足。

NASA的人員正在為太空天文臺制造復(fù)合組件：美國的廣域紅外勘測望遠(yuǎn)鏡。他們想從他的公司Assembly Guidance（后來更名為Aligned Vision）中檢驗Blake的LaserGuide技術(shù)，以直接從Siemens PLM的Fibersim復(fù)合工程軟件中對干織物層（疊層）進(jìn)行模板化。

LaserGuide使用二極管泵浦，倍頻的Nd：YAG激光器向復(fù)合鋪層操作員顯示確切的位置，以在何處施加不同尺寸和形狀的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料片以組裝零件。

模板技術(shù)是航空工業(yè)中激光技術(shù)的一種創(chuàng)新用途，用于加工先進(jìn)的復(fù)合材料：激光技術(shù)還用于21世紀(jì)材料的機(jī)械加工，固結(jié)和增材制造（AM）。

具體來說，NASA團(tuán)隊正在尋找一種更好的方法來制作望遠(yuǎn)鏡的元素輪（所有光學(xué)元件的外殼）的實驗設(shè)計模型。這個錐形的八邊形組件的最寬處的橫截面約為20英寸，高度約為7英寸。它的3/16英寸厚的壁由16到24層Cytec方形編織碳/環(huán)氧預(yù)浸料組成。

NASA團(tuán)隊一直在關(guān)注激光模板系統(tǒng)，但不確定是否可以證明其成本合理。布雷克最終為美國宇航局戈達(dá)德制定了一項租賃協(xié)議，并與一名應(yīng)用工程師一起向該設(shè)施發(fā)送了LaserGuide激光指南，該工程師幫助政府工作人員在一天之內(nèi)掌握了其用途。

布萊克說：“先進(jìn)制造技術(shù)過于昂貴或難以實施的概念是不正確的?！?“使用這種技術(shù)，學(xué)習(xí)曲線不會非常陡峭或漫長?！?/p>

NASA元件盒位于用LaserGuide制造的零件尺寸范圍的較小端。它還用于放下35英尺長的直升機(jī)旋翼槳葉的800層，以及洛克希德·馬丁公司F-22 Raptor的7英尺長圓錐形天線罩中的數(shù)百層。

近年來，Aligned Vision在其產(chǎn)品線中增加了LaserVision檢測技術(shù)，該技術(shù)使用數(shù)碼相機(jī)和算法來識別并指出在復(fù)合材料中的每個層被鋪設(shè)時可能存在的問題區(qū)域。該公司還向物聯(lián)網(wǎng)添加了LaserVision，因此可以創(chuàng)建每個項目的Digital Twin。

熱量多于光

Aligned Vision的技術(shù)取決于激光器的可見光，而Automated Dynamics則采用發(fā)射紅外線波長的that光纖激光器。它產(chǎn)生的熱量鞏固了熱塑性復(fù)合帶。

該熱量幾乎可以以> 90％的效率被完全吸收，溫度范圍為400-500°C（752-932°F），可熔化具有單向連續(xù)纖維的.13mm厚的預(yù)浸料熱塑性膠帶。將膠帶原位加熱后，用冷輥壓實，以幫助將其與以前放下的膠帶合并在一起并冷卻工作區(qū)。

特瑞堡分公司Automated Dynamics的工程經(jīng)理David Hauber說：“這是一個動態(tài)的過程?！?“您在輥隙區(qū)域（輥接觸表面的地方）使用擠壓流，這會導(dǎo)致剪切變稀和剪切混合，從而纏結(jié)聚合物鏈并在層之間建立牢固的結(jié)合。”

目前，大約90％的Automated Dynamics制造涉及生產(chǎn)熱塑性部件，例如貨地板，尾梁，固定翼機(jī)身和水平穩(wěn)定器，以及許多工業(yè)應(yīng)用，例如滑動軸承，其原位加工。

該公司的工程師還使用該工藝生產(chǎn)了演示部件，包括使用IM7碳纖維/ PEEK復(fù)合材料的旋轉(zhuǎn)翼直升機(jī)的抗損壞，高耐久性驅(qū)動軸。在最新的測試中，與傳統(tǒng)的鋁制設(shè)計相比，傳動軸的重量減輕了35％，彈道后損傷的生存能力提高了150％以上。結(jié)果，該公司的原位流程目前處于美國國防部采購規(guī)模的第6級（共9級）。

TRL 9仍然是最終目標(biāo)，并有望為Automated Dynamics以及軍事領(lǐng)域帶來回報。

豪伯說：“通過原位固結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)獲得載人飛行關(guān)鍵部件的認(rèn)證將是第一次，并將為進(jìn)一步的應(yīng)用打開大門?！?/p>

該公司的自動纖維鋪放技術(shù)以300毫米/秒的速度鋪放碳纖維PEEK膠帶，這是使用傳統(tǒng)的過熱氮氣技術(shù)獲得的沉積速度和粘合力的三倍。

Hauber說：“我相信我們可以使用優(yōu)化的磁帶做得更好，并且我們正在與多家供應(yīng)商合作做到這一點?！?/p>

他說，激光工藝的理想預(yù)浸料具有均勻的纖維分布，表面上有微米級的樹脂層。

與高壓釜固結(jié)相比，該方法產(chǎn)生的層間性能略低，但消除了高壓釜的能源密集，昂貴和費(fèi)時的使用。

混合復(fù)合能力

雖然Automated Dynamics的技術(shù)是AM，但3D Systems生產(chǎn)的材料和機(jī)器可以滿足許多人對AM的需求：3D打印。

3D Systems的ProX SLS系列選擇性激光燒結(jié)打印機(jī)使用CO2激光選擇性地熔化和融合非常薄的玻璃纖維增強(qiáng)尼龍12粉末（商品名為DuraForm HST）的橫截面，以制造航空航天業(yè)中的非結(jié)構(gòu)性組件。這些組件可能包括環(huán)境控制風(fēng)管，電子存儲箱以及用于無人機(jī)和作戰(zhàn)無人機(jī)的零件。

3D Systems高級應(yīng)用程序開發(fā)副總裁Patrick Dunne表示：“使用HST，您會發(fā)現(xiàn)玻璃纖維在提高拉伸性能方面起著重要作用，而玻璃微珠則在響應(yīng)壓縮力方面發(fā)揮了重要作用。” “因此，您將獲得混合復(fù)合材料的能力，其中抗壓縮性和抗拉伸性可產(chǎn)生非常高的強(qiáng)度，高剛度的材料，而玻璃和尼龍則重量輕。”

3D打印工藝非常適合小批量零件，因為這些零件很難證明與制造零件相關(guān)的成本和精力。它在減輕重量，減少零件數(shù)量和復(fù)雜的設(shè)計優(yōu)化機(jī)會方面具有優(yōu)勢。

例如，它允許集成內(nèi)部擋板，這不僅減少了組裝需求，而且還通過減少了音調(diào)共振來提高了性能。最后一個技巧是通過保持層流來完成的。

3D Systems在航空航天中廣泛使用的另一種材料是Accura HPC，一種陶瓷增強(qiáng)的光敏聚合物環(huán)氧樹脂，可在公司的ProX 800 3D打印機(jī)中用UV激光固化。鄧恩說，Accura HPC用于制作用于空氣動力學(xué)風(fēng)洞測試的比例模型的覆層。

他說：“將3D打印用于風(fēng)洞，可以提高利用率，并通過直接集成到密集的帶壓膠網(wǎng)3D打印過程中來實現(xiàn)更高保真度的數(shù)據(jù)捕獲?！?/p>

像刀子穿過黃油

陶瓷復(fù)合材料是Synova的Laser MicroJet（LMJ）在航空航天市場上加工的許多材料之一，但在這種情況下，陶瓷是基體，而不是增強(qiáng)材料。

LMJ工藝使用水流來包含Nd：YAG激光器發(fā)出的光束，該光束保持其圓柱形狀，就像光纖一樣。當(dāng)激光器完成工作時，水還具有冷卻工作區(qū)和沖洗碎屑的額外優(yōu)勢。

激光束的圓柱形狀導(dǎo)致切縫壁幾乎完全平行，此功能使提交圖紙時在切割頂部為一維而在底部為第二維的客戶中有些意外。

Synova美國業(yè)務(wù)經(jīng)理雅克·科德雷（Jacques Coderre）說：“我通常問客戶，‘您想要哪個尺寸？’ “由于通常激光或EDM（電火花加工）切割是錐形的，因此該行業(yè)長期以來一直采用斜角切割。

“特征導(dǎo)致了范式轉(zhuǎn)變，現(xiàn)在加工特征的頂部和底部尺寸可以相同?！?/p>

GE Power使用LMJ加工陶瓷基復(fù)合材料，該材料旨在替代燃?xì)廨啓C(jī)中的金屬，其速度比研磨快30倍。之所以使用CMC，是因為它們在會軟化大多數(shù)金屬的溫度下起作用，并且非常堅硬。

“微噴射器像通過黃油一樣穿過CMC切成薄片，” Kurt Goodwin說，他一直擔(dān)任通用電氣先進(jìn)制造工廠的總經(jīng)理，直到2018年，現(xiàn)在是咨詢公司Good Wind的常務(wù)理事兼首席工程師。 “材料已經(jīng)在我們的新型噴氣發(fā)動機(jī)內(nèi)。”

LMJ用于機(jī)加工由CFM International生產(chǎn)的LEAP發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)罩，這是GE Aviation和Safran Aircraft Engines的50-50合資企業(yè)，并且用于GE的9X發(fā)動機(jī)。

Synova的技術(shù)還用于加工碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP），以制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件。 CFRP可以磨削加工，但是磨料加工過程會產(chǎn)生熱影響區(qū)，而LMJ則不能。

熱塑性塑料的未來

在經(jīng)典電影《畢業(yè)生》中，達(dá)斯汀·霍夫曼（Dustin Hoffman）飾演的本杰明·布拉多克（Benjamin Braddock）從父親的商業(yè)伙伴那里汲取了一些關(guān)于未來的建議-他們斷言，一切都與塑料有關(guān)。

先進(jìn)的復(fù)合材料學(xué)校Abaris Training的直接服務(wù)經(jīng)理Lou Dorworth說，制造這種熱塑性塑料，并用纖維對其進(jìn)行增強(qiáng)，這對航空航天業(yè)來說是正確的。

航空航天業(yè)喜歡熱塑性塑料，因為它們：

比金屬輕；

可以快速成型；

可以焊接；

通常耐化學(xué)腐蝕；

具有出色的抗破壞性，并且

可以包覆成型

在復(fù)合材料行業(yè)的生產(chǎn)和培訓(xùn)部門工作了近40年的Dorworth說，他注意到自2010年代初以來，熱塑性塑料技術(shù)的發(fā)展呈上升趨勢。其中一項進(jìn)展是Toray Advanced Composites的Cetex RTL（在Toray在2018年收購TenCate之前曾被冠名為TenCate Cetex RTL），這是一種結(jié)構(gòu)平坦的3.6 x 1.2米（11.8 x 2.9英尺）多層板。

多沃思說：“您可以用與制造金屬類似的方式來制造結(jié)構(gòu)?！?/p>

Cetex RTL（又名有機(jī)板材）具有多種可定制的纖維和樹脂組合，適用于快速熱成型以制造航空航天內(nèi)部和外部組件?？梢詫⒉牧锨懈畛梢欢ㄐ螤?，最常見的方法是鋸，銑或噴水，然后進(jìn)行熱或感應(yīng)焊接。

除了可定制的嵌入式光纖規(guī)格外，客戶還可以指定1-64的層數(shù)，光纖和織物的方向，嵌入式雷擊防護(hù)，電腐蝕層，顏色和表面效果。

PPS是Cetex板材的一種非常常見的基質(zhì)，在加熱，壓縮和冷卻過程中會固化，這取決于板材的厚度和樹脂類型以及所需的樹脂結(jié)晶度。東麗還生產(chǎn)LM PAEK，PEEK，PEKK，PA，PEI和其他基質(zhì)的Cetex板材。

Scott Unger表示：“ LM PAEK具有與PEEK和PEKK類似的特性，但在航空航天工業(yè)中引起了廣泛關(guān)注，但它具有較低的工藝溫度，增強(qiáng)的加工特性，并且是下一代原位纖維鋪放工藝的推動力，” Scott Unger說道。 ，東麗首席技術(shù)官。 “實際上，東麗，美國國家航空科學(xué)研究所和美國聯(lián)邦航空局將很快完成使用東麗T700G光纖在LM PAEK上公開可用的NCAMP數(shù)據(jù)庫?！?/p>

Unger說，美國國家高級材料性能中心數(shù)據(jù)庫將符合美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局的要求，并允許設(shè)計人員利用低成本的資格認(rèn)證途徑在航空航天和國防應(yīng)用中使用東麗的熱塑性材料。