欧盟DOMMINIO项目推动复合材料机身部件制造技术革新，聚焦热塑性复合材料与回收工艺

欧盟资助的 DOMMINIO 项目（改进下一代 MultIfuNctIOnal 机身部件制造的数字方法）于 2021 年 1 月开始，将于 2024 年 9 月完成。其目标是展示能够实现多功能、智能机身部件的技术，但这些技术在报废 （EOL） 时也具有维修和回收的好处。

项目合作伙伴的两个演示部件——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）的主起落架门的检修面板——推动了热塑性复合材料（TPC）的使用，以及用于高质量层压板的自动纤维放置（AFP）与用于加固结构的3D过度打印的组合。磁性材料还用于在服务期间进行结构健康监测 （SHM），有趣的是，在 EOL 进行拆卸以进行回收和/或维修和再利用。

DOMMINO的另一个重点是开发一种数据驱动的方法，包括零件的设计、制造和预认证，以及维护/维修/大修（MRO）和EOL流程。该数字框架将包括先进的仿真工具、在线过程和质量监控以及 SHM，其愿景是实现更具成本效益、更高效和更可持续的高质量组件。

“我们的目标是开发能够加速更先进和可持续的设计、制造和EOL战略的技术，并将其推进到TRL [技术准备水平] 2至4，”研究和技术组织AIMEN（西班牙O Porriño）的复合材料增材制造团队负责人Pablo Romero Rodríguez博士解释道，该组织担任DOMINIO项目协调员。“因此，我们正处于发展的起步阶段，但我认为我们已经取得了显著的成果。”

TPC、功能材料

Romero说，热塑性复合材料（TPC）是DOMMINIO的重点，因为它们不仅是结构性的，而且是能够实现SHM和结构拆卸的功能性材料。“热塑性塑料是可再加工的——它们可以加热、熔化、拆卸和重塑。我们正在利用这一点来拆卸零件，并通过维修和改造它们来延长它们的使用寿命。

对于AFP层压板，DOMMINIO使用了东丽先进复合材料（荷兰奈弗达尔）TC 1225单向（UD）胶带，该胶带由碳纤维和威格斯（英国克利夫利斯）的LM PAEK聚合物组成。对于3D打印，使用了三种不同类型的聚醚酮酮（PEKK）复合长丝：

结构：市售的PEKK长丝，具有>40%的连续碳纤维（cCF）增强材料，用于通过机器人激光辅助增材制造进行局部增强。

SHM： PEKK长丝由AIMEN生产，并与IMDEA Materials（西班牙马德里）共同开发，使用Tortech Nano Fibers在以色列北部的试验工厂进行SHM用连续碳纳米管（cCNT）纤维增强。

拆卸：PEKK灯丝填充磁性纳米颗粒（MNP），如Fe3O4、CoFe2O4和NiFe2O4范围为2.5-10%（重量），与雅典国立技术大学（NTUA，雅典，希腊）共同开发。

“我们还在开发另一种用于SHM的压阻材料，”Romero说。这项工作是与IMDEA材料研究所（西班牙马德里）合作进行的，并在2022年的CW新闻报道中进行了描述：

“IMDEA材料研究所指出，通过DOMMINIO项目开发的技术不仅可以实现实时监控，还可以实施先进的3D打印技术和碳纤维纳米管（CNT）纤维生产的进步，以便在制造过程中将传感器嵌入零件中，而不是在生产后连接它们。这减少了为传感器供电所需的电缆数量，这反过来又可以使飞机变得更省油，从而更环保，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Juan Jose Vilatela博士领导的IMDEA Materials多功能纳米复合材料小组正在开发CNT传感器，并表征其嵌入复合材料部件时的压阻性能。

这种嵌入是在零件制造过程中实现的，重点是将 AFP 和熔丝制造 （FFF） 相结合，这是一种使用预制长丝的 3D 打印方法，可以是未增强的，也可以是复合材料，用短纤维或连续纤维增强。

结合 AFP 和 FFF

“DOMMINIO是将两种增材制造技术相结合：用于层压板的AFP和用于加强筋的FFF，”Romero解释道。

结合AFP和FFF的DOMMINIO项目演示面板

这可以从右边的演示器加固面板中看到。“我们使用激光辅助 AFP 原位固结 TC 1225 胶带作为底部黑色表皮，并使用来自阿科玛 [法国科隆布] 的未增强 Kepstan PEKK 在顶部使用 FFF 生产黄色陀螺设计。我们还使用AIMEN专有的FFF喷嘴生产了UD连续碳纤维增强PEKK的顶部增强层，在孔隙率方面提供了更好的结果。

为什么选择PEKK？“当我们研究用于结构复合材料的高温先进热塑性聚合物时，它提供了更好的印刷适性，”Romero解释道。“我们需要一种无定形的材料，或者结晶速度足够慢的材料，这样材料就不会遭受太多的翘曲。热塑性材料通常会在冷却时收缩，当我们在其上生产FFF加强筋时，这实际上会弯曲或拉动底皮。因此，材料越无定形，零件的收缩就越小，尺寸稳定性就越好。

通常，在生产TPC结构时，达到足够的结晶度（例如，35%）以产生高机械性能至关重要。然而，对于FFF加强筋来说，PEKK陀螺仪充当了提供厚度和刚度的核心，因此，强度的结晶度并不重要，但兼容性才是。“PEKK与LM PAEK具有良好的兼容性，”Romero说。“AFP层压板和加强筋之间的附着力足够强，因此在打印时冷却产生的热收缩不会导致零件之间的分层。我们预计会出现一些翘曲，因此我们必须优化制造策略。那里会产生很多应力，但PEKK和下面的LM PAEK层压板之间的连接足够坚固，可以承受这些应力。

FFF工艺开发

“我们直接在层压板上制造加强筋，”他说。“在加强筋的第一层，我们需要超好的固结。因此，我们使用激光辅助FFF，就像一个迷你AFP系统。它使用激光在沉积 PEKK 灯丝时重熔 LM PAEK 基材，然后使用小型压实辊进行固结。在第一层之后，我们继续构建陀螺仪，然后用UD连续碳纤维增强PEKK将其关闭，并在顶部使用FFF。

“压路机非常小，因为我们正在压实 2.85 毫米厚的细丝，”他继续说道。“当然，当我们将其沉积到基板上时，宽度会大一点，并且必须控制这种尺寸偏移。我们发现，特别是对于连续纤维长丝，与没有激光的工艺相比，紧接喷嘴后的压实辊将层压板的固结度和强度提高了 3 倍。

对于这种FFF工艺，Innovation Plasturgie Composites（IPC，Bellignat，法国）开发了两个喷嘴。“第一个适用于直径为 1.75 毫米的灯丝，”Romero 说。“它是一种小型多功能解决方案，用于使用PEKK或PEI（聚醚酰亚胺）对高温商业长丝进行非平面打印。该喷嘴包含用于冷却的保形空气通道，使我们能够在打印过程中定制喷嘴中灯丝的温度，“他补充道。“喷嘴内还可以放置许多热电偶和压力传感器，以严格控制工艺参数。”

第二个喷嘴是为PEKK长丝开发的，该灯丝由连续碳纤维增强，并采用类似的冷却和过程控制措施。它可以处理直径小于 1 毫米的灯丝。

Romero说：“我们用作加强筋核心的陀螺结构是我们在概念验证零件中看到的，展示了增材制造在生产复杂形状方面的灵活性。“我们的想法是，你可以为加固部件生产非常定制的结构。因此，我们证明了我们可以将 AFP 和 FFF 结合起来生产高度定制的不同面板，然后我们完成了这些部件的三点弯曲测试。

AFP激光扫描

用于AFP原位巩固的激光扫描仪系统

对于AFP工艺，DOMMINIO开发了一种扫描激光系统。“AFP中使用的大多数激光热源都是静态的，产生的加热光斑尺寸是静态和恒定的，”Romero解释道。“我们开发的是一种扫描系统，可以通过以50Hz的频率移动光学反射器来调整激光区域，并连接到由热像仪监控的闭环控制系统。

该系统类似于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的上半部分和下半部分外壳（参见“制造MFFD热塑性复合材料机身”的温度控制部分）。在该系统中，用于加热和应用 CF/LM PAEK 层压板以连接半壳的激光与高速扫描系统相结合，该系统在焊缝宽度上振荡能量束。

“我们的方法很相似，”罗梅罗说，“因为我们涂抹胶带的外部部分比中心更冷。因此，移动激光有助于在整个磁带上实现更好的整合。我们开发了一种闭环控制系统，该系统带有一个扫描元件，用于测量和调整施加的激光功率和热量。这种类型的自适应控制不仅可以在整个胶带宽度上调整加热曲线，还可以在增加层压板厚度时调整。例如，当使用加热工具时，放置的越多并增加厚度，放置的胶带离加热工具的距离就越远。

他指出，AIMEN已经测试了这种激光辅助AFP的自适应控制系统。“它运行良好，是 DOMMINIO 项目的另一个支柱，使流程自主实现零缺陷制造设置。”

非接触式在线检测

Romero说：“我们还与DASEL SL（西班牙马德里）合作开发了一种非接触式传感器，用于在AFP期间进行在线过程监控和缺陷检测。“这很重要，因为我们使用的是原位整合 （ISC），因此在 AFP 过程中没有第二步来消除缺陷。ISC 非常有效，因为您消除了烤箱或高压灭菌器中的第二个固结步骤。但是，制造设备仍然需要大量开发，才能使不同种类的磁带和零件的整合更加可靠。

“我们开发的非接触式在线技术使用兰姆波在固结步骤后立即测量缺陷，”他解释道。“该系统使用连接到AFP头的硬件来发送和接收Lamb波。有两个元件——换能器和接收器。换能器发出的声波进入材料并反弹回接收器。该声波信号测量有关固结的信息，例如材料密度。然后，我们分析这些信息以识别缺陷，例如空隙。

Romero指出，这种方法类似于相控阵超声（UT），但后者需要水或凝胶耦合剂。“开发非常具有挑战性，因为我们的 AFP 系统由于我们放置的加热台而高于 200°C。这种温度变化会导致湍流问题，因为兰姆波在密度变化的空气中传播。但是我们能够对这种方法的可行性有很好的初步了解。

热塑性结构拆卸

在DOMMINIO生产出制造演示零件后，它开始演示如何使用功能性材料拆卸它们。“我们使用了磁性纳米颗粒增强的细丝，我们使用FFF沉积在AFP层压板和陀螺芯结构之间的界面上，”Romero解释道。“在陀螺仪之前，我们使用这种材料生产了一层嵌入的磁性纳米颗粒。这些纳米颗粒对磁场发生反应，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，我们使用感应来加热界面，以便热塑性聚合物熔化，我们可以将表皮从加强肋上拉开。

“因此，我们可以战略性地加热并重新熔化界面，我们可以从陀螺仪上拆卸皮肤，”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做出反应。我们已经在纳米粒子和感应线圈之间开发了一种调谐。我们基本上是引入感应焊接的概念来重新熔化界面，但用于拆卸。我们可以根据这些功能材料将这些可逆结构或圆形结构称为可逆结构。

数字/认知发展

为复合材料飞机部件开发数据驱动的方法也是DOMMINIO项目的关键部分。Romero说：“DOMMINIO中的数字/认知系统的想法是，当你在产品生命周期中移动时——从产品设计到制造，再到维修和EOL拆卸——你正在生成数据。我们希望收集这些数据，并尝试找到参数之间的相互相关性或关系。

“我们不仅要设计和模拟零件的机械性能和结构性能，还要设计和模拟制造过程，包括 AFP 和 FFF，”他继续说道。DOMMINIO的合作伙伴ESI GROUP（法国Bagneux）和ENSAM（法国巴黎）根据温度和压力模拟了这些过程中的固结。Romero的团队与他们合作，模拟了打印的陀螺仪在冷却时的热收缩。

“然后，当你开始制造时，你要收集有关温度、压力和其他工艺参数的数据，以及缺陷和质量因素，”Romero说。“DOMMINIO的目的是利用这些数据进一步预测零件特性，并将其与初始仿真进行比较，看看你得到的东西是否真的是你预测的。它是一种验证，表明您与实际生产的产品相差甚远，您可以使用它来改进您的仿真工具。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内容。这些缺陷被识别和量化，这些数据可以包含在产品允许值的计算中。

制造后，DOMMINIO的方法是通过嵌入式SHM系统在服务期间收集数据。“我们将 SHM 传感器嵌入到层压板中，其想法是它们在服务期间始终生成数据，”Romero 说。“例如，这些数据可以让您查看产品是否实际没有按预期运行，还可以提醒零件刚刚遭受撞击或过载事件，以及何时执行维修或维护操作。”

所有这些数据都通过数字线程进行传输。它包含零件生命周期中的所有数据，然后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）。“这是您在设计过程中考虑各种因素的地方，例如成本、结构性能和空气动力学，”Romero 解释道。“MDO允许你考虑所有这些因素，以找到一个最佳的。例如，增材制造为您提供了很大的设计自由度，可以生产非常量身定制的超级复杂零件，例如用于加强筋的陀螺仪。但也有制约因素。因此，可制造性是设计过程中的一个关键因素，从生命周期开始就整合灵活性和约束，特别是对于增材制造工艺。

对未来复合材料的影响

Romero说：“我认为DOMMINIO项目中展示的制造概念有可能拓宽复合材料结构的设计空间，将热塑性复合材料和多功能材料与创新的增材制造技术相结合，形成超级定制的设计。这些还能够实现新的EOL解决方案，例如拆卸和再利用。

他指出，AIMEN现在正在将这种方法应用于其他欧盟资助的研究项目，例如OVERLEAF，该项目正在开发用于储存液态氢的复合罐。“我们再次将FFF和AFP与热塑性复合材料相结合，建造演示器，并研究罐壁渗透性和低温性能，”Romero说。

同时，他相信DOMMINIO将通过汇集三个关键发展对未来的复合材料飞机结构产生影响：

用于多功能结构的新型先进材料。

结合三种增材制造工艺，生产近净形状的热塑性塑料产品。

实现复合材料零件设计优化和高效 EOL 策略生命周期的数字化。

“这种整体方法将实现新的制造解决方案，”罗梅罗说，“这将是实现飞机工业所需的下一代复合材料的关键。