Mejzlik Propellers扩展无人机螺旋桨生产能力并推进城市空中交通市场技术开发

随着无人机 （UAV） 市场的壮大和城市空中交通 （UAM） 技术的不断发展，对包括螺旋桨在内的相关航空航天部件的更高速率生产的需求不断增长，每架飞机通常有四个或更多。

Mejzlik Propellers（捷克共和国布尔诺）是一家专门生产碳纤维增强聚合物 （CFRP） 无人机螺旋桨的制造商。预计未来对无人机和 UAM 市场的需求会增加，Mejzlik 在 2024 年安装了一条新的压缩造型线，旨在显着提高其产量以及零件生产的质量和一致性。

这是该公司技术的最新进展，但Mejzlik公司自1989年由Tomas Mejzlik Sr.创立以来就一直生产CFRP螺旋桨。Tomas Mejzlik Sr.最初创立该公司是为了销售模型飞机的螺旋桨。随着无人机市场的发展，在第二代领导人Tomas Mejzlik Jr.和Jan Hruška的领导下，该公司已转型为商用和国防无人机客户生产螺旋桨。

如今，Mejzlik 提供的服务包括设计、仿真和有限元分析 (FEA)；原型和批量生产；以及检验和测试。该公司还与美国联邦航空管理局 (FAA) 和欧盟航空安全局 (EASA) 合作进行进一步测试。

Mejzlik 目前采用传统的湿法铺层、烘箱固化或较新的模压成型生产线（详见下文），生产 150 种现成的螺旋桨设计，直径从 0.3 米到 2 米不等。该公司还生产直径最大可达 3 米、重量最轻至 0.3 克的定制螺旋桨。

“许多客户在第一次迭代他们的系统时都是使用我们的现成产品，然后当他们意识到他们需要什么确切的参数时，他们会回来与我们讨论如何定制螺旋桨以满足他们的特定需求，”技术主管 Jiří Bukvald 解释道。

他补充说，大多数客户一开始订购四到八个螺旋桨用于测试，最终会逐渐增加到每月几百个。“无人机市场仍在发展中。一个客户可能一年订购100个螺旋桨，几年后就会增加到几百个。”

该公司还与Maxon Motor（瑞士萨克森州）和Plettenberg（德国鲍纳塔尔州）等合作伙伴合作，帮助客户开发完整的无人机推进系统。“我们的工作是螺旋桨，但我们正在与合作伙伴合作，为无人机制造商提供合适的组合和套件，”Bukvald说道。

制造CFRP螺旋桨

在与客户确定制造工艺之前，Mejzlik 会协助完成螺旋桨的设计和工程流程。为此，公司使用标准的 FEA 软件，并开发了自己的内部软件，用于气动声学设计以及模拟和验证效率和推力等各种性能指标。

“如果客户给我们带来新的螺旋桨设计，我们就能够分析软件中的数据，将其与现实世界中的其他螺旋桨进行比较，并最终选择最佳解决方案，”Bukvald 补充道。

随着时间的推移，Mejzlik 开发了用于制造螺旋桨的三种制造工艺：湿法铺层、热压罐预浸料 (OOA) 及其最新的压缩成型技术。

湿法上篮

湿铺层工艺（也称为湿层压）是该公司独创的生产方法，经过多年的不断完善。在该工艺中，首先使用瑞士阿尔特施泰滕 (Altstätten) 的Zünd数字数控切割机切割干碳纤维层。然后，用液态环氧树脂手工铺层，将其放置在公司内部采用玻璃纤维/环氧树脂制造的上下半模上，并配备内部加热系统。将两半模组装在一起，启动内部加热系统，然后使用 Mejzlik 开发的气动压机闭合模具。内部加热使部件固化。

预浸料OOA

近期，该公司已开发出利用碳纤维/环氧预浸料制造螺旋桨的技术。预浸料层被切割，然后铺放在公司自主制造的碳纤维/环氧模具上。这些模具不具备内部加热功能，但设计有专门的系统，用于在层压板内部产生压力。铺放完成后，将真空袋套在上下两半模具上，将模具组装在一起，然后将整个模具放入烘箱中，在真空、高温和高压下对部件进行固化。

烘箱和碳纤维增强塑料模具能够制造长达3米的大型螺旋桨。“烘箱能够固化比压机更大的部件，对于热膨胀影响显著、铝制或标准环氧树脂模具不适用的大型部件，我们会使用碳纤维复合材料模具，”Bukvald解释道。

内部模具制造

为了支持其制造业务，Mejzlik 内部制造各种专用模具，包括带有内部加热和/或真空系统的玻璃或碳纤维复合材料模具，以及用于压机的铸造硅胶预制件模具和铝固化模具。

CFRP模具因其复杂性而面临特殊挑战。“我们的螺旋桨需要从各个角度进行成型，为此，我们需要对模具施加很大的力，”Mejzlik复合材料工程师Michal Grunt解释道。这需要厚度高达10毫米的复合材料上下模具，并通过内部肋状结构进行加固，以最大限度地提高刚度，并避免最终部件出现任何变形。

这些 CFRP 模具采用专门的真空袋灌注工艺制造（请参阅侧栏，了解该工艺在水下无人机螺旋桨制造中的应用）。“灌注如此厚度的层压板是一项挑战，因为放热风险较高，而且你需要尽可能提高碳纤维的比例，同时还要使结构具有准各向同性，这样模具在加热时就不会变形，”Grunt 说道。“我们为自己创建的能够实现所有这些的工艺感到自豪。即使使用 3 米长的模具，我们也能实现非常严格的公差，因为我们在固化和后固化过程中采取了许多步骤来避免任何收缩。”

与湿法铺层工艺相比，增加使用预浸料制造螺旋桨的能力可以实现更高的一致性和可重复性，但即便如此，该公司仍然面临着更大产量的需求。

预浸料压缩成型，实现更高速率制造

因此，Mejzlik 开发了其最新的制造方法——预浸料压缩成型生产线，经过大约 3 年的开发，该生产线于 2024 年 1 月上线。

 “两年前，没人需要每月几百个道具。现在，我们的客户每月甚至每周都需要几百个道具，（有了新的生产线）我们就能生产了。”布克瓦尔德说。

对于压缩成型工艺，Grunt 解释说主要有三个步骤：层压、预制件准备和固化。

首先，与湿铺工艺一样，在Zünd数控切割机上切割预浸料层（步骤1）。对于这些部件，Mejzlik使用碳纤维预浸料，并采用增韧的快速固化环氧配方。“我们需要能够快速固化部件，并使其能够轻松地从热模具中脱模，”Grunt说道。

Mejzlik 称之为层压步骤的步骤包括为每个螺旋桨创建两个预制件——上半部分和下半部分，它们将在压机中共同压实。将切割好的预浸料层铺设在 CNC 加工的 PMI 泡沫芯、翼梁和/或金属轴承上——用于连接到轮毂或作为局部加固——根据特定的部件设计，将其放置在内部铸造的硅胶模具上（步骤 2）。Grunt 解释说，“我们需要制作预制件，因为我们的工人通常一次要铺设同一类型的几个螺旋桨，所以我们不会立即固化每个部件。我们需要一个单独的预成型模具，但棘手的部分是我们还需要能够轻松地将其取出以将其转移到压机中加热的铝模中。预浸料只能部分粘附的材料并不多。”硅胶被选为最佳选择。

关于金属复合材料的组合，Grunt补充道：“由于存在电化学腐蚀的风险，将金属与碳纤维混合始终是一件复杂的事情。我们精选了航空级铝等材料，并确保金属经过适当的表面处理，使其与碳纤维绝缘，并且材料之间不会形成电桥。”

铺层后，将部件的两半对齐，并将组装好的预制件 在真空袋下压实，以确保所有层都固结并且所有空气都已被抽出（步骤 3）。

从硅胶模具中取出后，螺旋桨被压入安装在三台 MecCATRonica（意大利普雷甘齐奥尔）电动压机之一上的铝制模具中，并借助专用夹具将预制件精确定位到模具中。压机尺寸各异，可压制长度为 0.7 至 1.1 米的部件。然后关闭压机，在真空条件下利用高温高压对部件进行固化（步骤 4）。“我们通过两步工艺精心控制模具的闭合，因为我们要把握环氧树脂粘度下降的时间。这对于巩固层压板并排出内部空气非常有效，”Grunt 说道。

他补充说，公司使用的模具是大约三年研发的成果。“每个模具我们都添加或改进了一些东西，”Grunt说。“最近，我们在模具本身中增加了真空通道，以提高层压板的质量。”

固化步骤需要多长时间？Grunt解释说，公司使用的快速固化环氧预浸料，固化周期为3-4分钟，但Mejzlik通常在略低的135°C温度下，在7-10分钟内固化部件，以确保更高质量的视觉表面和更精确的尺寸，而高温固化周期则更短。“相比之下，湿法层压工艺的固化周期为8小时。烘箱固化需要6-10小时。采用灌注工艺，我们会在24小时后脱模。”他补充道。

固化后，将固结的螺旋桨脱模（步骤5）。“我们能够在部件仍处于高温时将其脱模，因为环氧体系具有较高的Tg （玻璃化转变温度），所以部件脱模时不会变软，而且形状非常精确，”Grunt说。

脱模并冷却后，零件将在公司内部的机械车间进行修整，该车间拥有两台由 Konečný（捷克共和国博尔希采）和Haas Automation（美国加利福尼亚州奥克斯纳德）提供的 CNC 机床，用于加工模具以及修整和钻孔螺旋桨。

该公司还拥有检测设备，包括一台蔡司 （德国奥贝卡亨）的Atos 3D扫描仪和一台Dolphitech  （挪威约维克）的Dolphicam2超声成像系统。“光学3D扫描仪使我们能够测量零件的外部，而超声系统则能够测量内部，”Bukvald解释说。该公司还运营着多台测试台，用于进行过旋测试和测量其他性能参数（步骤6）。

最终确定的螺旋桨可以单独发送给客户，也可以在交付前组装在一起（步骤 7）。

Mejzlik 如何决定采用哪种技术为客户制造螺旋桨？“湿层压是我们的传统，我们已经为此工艺制作了许多模具。如今，我们的大部分螺旋桨仍然采用这种工艺，”Bukvald 说道。“如果客户需要的螺旋桨尺寸过大，湿层压模具无法承受，我们会使用其他技术，例如预浸料模压成型和烘箱固化。在我看来，在不久的将来，我们的主要技术将是压机。我认为，随着现有客户产量需求的增长，我们会开始帮助他们转向这种技术，最终，我们会让所有新客户都从热压机开始。”

致力于能力扩展和新认证

公司下一步计划是什么？Mejzlik 目前运营着三台压机，并计划新增第四台。凭借现有的压机，Mejzlik 每天一班，每月可生产 2500 件道具。

为了支持日益增长的城市空中交通市场，Mejzlik 还在努力争取获得航空航天制造 AS9100 认证，并最终获得欧洲航空安全局 (EASA) 的设计机构批准 (DOA)。“一切都取决于市场走向，但我们会尽力做好准备，”Bukvald 说道。

该公司还在不断拓展自身能力，致力于开发新的模拟软件、抗冲击解决方案和防冰解决方案，以提升无人机螺旋桨的功能。“我们希望始终领先一步，”布克瓦尔德说道。