连续超声波焊接技术助力热塑性复合材料在太空环境中的可靠连接

Agile Ultrasonics （美国俄亥俄州哥伦布市）是一家致力于开发先进热塑性复合材料 （TPC） 超声波焊接解决方案的公司，同时也是俄亥俄联邦研究网络（OFRN） 资助的“太空结构材料连接”项目的关键参与者。该公司正在应对在严苛的太空环境条件下实现可靠 TPC 焊接的挑战。该项目旨在推动太空制造、维修和维护——NASA 和其他行业领导者可以将这些技术应用于未来的深空探索。

Agile Ultrasonics 的专业知识远不止于太空应用，其在开发、设计和制造用于关键聚合物复合材料连接的先进机器人末端执行器方面拥有坚实的基础。正如 Agile Ultrasonics 总裁 Jim Stratton 所强调的，该公司的技术已应用于顶级航空航天领域，并正在评估其在美国空军和 NASA 项目中的应用。Agile 的创新包括无需能量导流器、薄膜层或其他插件的连续超声波焊接 （CUW）——这一进步不仅提高了效率和可靠性，还为组件设计人员拓展了材料选择范围。此外，该公司的解决方案能够精确成型和压实高性能碳纤维增强热塑性 （CFRTP） 复合材料，支持地面和太空应用。

克服空间焊接的挑战

传统的超声波焊接技术通常需要额外的材料，例如能量引导器或树脂嵌件，这在重量和自动化至关重要的航天领域会带来复杂性。为了应对这一挑战，Agile Ultrasonics 通过上述 OFRN 项目开发了无需能量引导器或薄膜层嵌件的 CUW 技术。该工艺无需使用辅助材料，同时确保在航空航天结构中广泛使用的 LM-PAEK、PEEK 或 PEKK 预浸料等热塑性复合材料 （TPC） 中实现高性能接头。

“Agile 获得 Parallax Research 授予的'太空结构材料连接'项目旨在开发极端太空条件下 TPC 的基准超声波焊接技术。目前尚无关于此类超声波焊接的数据，“Stratton 解释道。

为了测试其技术，Agile 设计并建造了一个定制真空室，能够模拟太空极端温度波动，范围从 -190°C 到 +120°C。该真空室使用传感器阵列实现实时焊接温度监测，该传感器阵列提供关键数据，将温度曲线与机械强度关联起来。Stratton 表示，这些洞察对于优化焊接参数和确保 TPC 焊接在太空环境中的长期可靠性至关重要。

值得注意的是，CUW技术为天基和地面复合材料制造带来了机遇。与传统的超声波焊接系统不同，Agile已将其技术商业化，使其成为一种模块化、适应性强、与机器人无关的末端执行器。这种灵活性对于未来的月球和深空任务至关重要，因为在这些任务中，机器人组装和维修对于航天器结构和栖息地的建造和维护至关重要。

“ Agile 创造了一种可能性，将这种高度适应性、模块化、低功耗、机器驱动的机器人系统应用于在轨或月球表面进行结构元件操作、复合材料连接和再利用，”斯特拉顿解释说。“通过将焊接试验数据与相应的焊接温度数据关联起来，我们将深入了解焊接过程中环境因素对其的影响。”

除了太空应用外，Agile 的 CUW 技术在国防和商业航空航天领域也具有潜力。在这些领域，无需使用粘合剂或增强材料，即可制造高强度、轻质复合材料接头，这对于先进的航空航天结构至关重要。目前，Agile 正在努力完善该技术，以支持先进空中机动 （AAM） 系统以及通过中西部区域网络 （Midwestern Regional Network） 资助的 AFRL 自主协作平台 （ACP）。

行业合作与商业化

Agile Ultrasonics 的成功建立在战略供应链合作伙伴关系之上，其中包括材料和机器人系统制造商、一级航空航天企业、美国国家航空航天局 （NASA）、美国空军以及代顿大学研究所 （UDRI）、俄亥俄州立大学、中央州立大学和橡树岭国家实验室 （ORNL） 等研究机构。这些合作对于弥合研究与实际应用之间的差距至关重要。

OFRN第六轮项目的支持加速了Agile的商业化进程，使该公司能够向关键的航空航天利益相关者展示其在超声波焊接技术领域的进步。这笔资金还支持了关键的测试、工艺改进和验证研究，巩固了Agile在复合材料连接领域的领先地位。

“OFRN 6 为 Agile 拓展其与 NASA 的现有业务提供了杠杆，并帮助 Parallax 向其资金来源证明，Agile 通过 OFRN 6 获得的支持正在创造就业机会、推动突破性技术以及后续项目，正如最初设想的那样，”Stratton 指出。“此外，OFRN 6 下开展的工作也帮助 Agile 获得了美国空军的青睐。Agile 最近获得了美国空军研究实验室 （AFRL） 中西部区域网络的资助，将其热塑性复合材料的连续超声波焊接技术应用于 AFRL 资助的项目。”

Agile Ultrasonics 持续改进其 CUW 工艺。Stratton 相信，该工艺不仅将在可持续太空探索的长远愿景中发挥至关重要的作用，还将通过持续的合作和行业支持，为航空、AAM 和国防领域高性能复合材料开辟新的机遇。

“我们几乎每天都与NASA位于克利夫兰的格伦研究中心、位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心以及位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的利益相关者合作。我们在自己的设施内接待了多次面对面的访问，并在OFRN 6内部和外部就超声波焊接项目进行了广泛的合作，”斯特拉顿强调道。“我们的目标是推进Agile的技术，使其成为供应链中不可或缺的一部分，成为连接、成型、压实、密封或固结TPC的首选平台。要取得这样的商业成功，需要付出巨大的努力。”