采用超薄碳纤维/LMPAEK预浸料层的AFP，用于可持续直升机结构
要使下一代航天和航空复合材料结构更轻、更高效，不仅需要重新思考结构本身，还需要重新思考材料本身。德国航空航天中心（DLR）结构与设计研究所 （斯图加特）及其附属的 DLR轻量化生产技术中心（奥格斯堡）近期在NATURE项目中取得了重大进展，并取得了卓越的成果。该项目采用自动化纤维铺放（AFP）技术，利用由LMPAEK热塑性聚合物（英国威格斯公司，克利夫利斯）制成的超薄碳纤维增强预浸料层压板进行制造。
这款由福井化学工业株式会社（日本福井县）生产的预浸料，纤维面密度（FAW）仅为36克/平方米（gsm），厚度仅为45微米——如此之薄，以至于层压板的每一层在垂直方向上仅包含七根纤维。这大约是标准碳纤维/LMPAEK材料的三分之一，这意味着在决定纤维取向以实现最佳性能方面，设计灵活性提高了三倍。
自然保护协会（NATURE）项目旨在减少航空业的二氧化碳排放。
该项目由德国联邦经济能源部(BMWE) 资助，从 2023 年到 2026 年实施，重点是生产新型轻型直升机结构，并在整个生命周期内全面减少 CO₂ 排放。
图片来源 | Fraunhofer、LiezDesign - Adobe Stock项目合作伙伴——包括空中客车直升机公司、弗劳恩霍夫IGCV研究所和德累斯顿工业大学（TU Dresden）——正在考虑从材料生产和制造技术到建造方法、运行和报废处理等所有阶段。这种“从摇篮到坟墓”的全生命周期方法避免了孤立优化各个工艺步骤可能产生的冲突影响。其目标是建立可持续的设计原则和制造工艺，从而显著减少生态足迹。
薄壁表面结构，创新连接技术
现代航空航天用碳纤维增强聚合物（CFRP）部件的生产涉及多个高能耗的工艺步骤，尤其是在钻孔和连接金属、粘合剂等不同材料的过程中。最终的结构重量很大程度上取决于预浸料的性能和厚度。
在 NATURE 项目框架下，由设计、材料科学、工艺工程以及直升机具体应用领域的专家组成的联盟正在开发一种基于薄壁壳体结构和伪空心型材加强筋的创新结构方法。这种设计能够在不影响结构机械完整性的前提下显著减轻重量。
位于奥格斯堡德国航空航天中心 (DLR) ZLP 的高性能 TPC 连续超声波焊接实验室测试台。来源 | DLR另一项重点工作是进一步开发热塑性复合材料（TPC）制造技术，以提高铺带和连接工艺的效率。TPC带材铺带工艺正在改进，以实现薄型双曲面几何形状的可靠生产。此外，现有的TPC连接工艺也正在评估其在生物基和回收材料中的应用。
通过SMC实现工艺自动化和材料效率提升
位于奥格斯堡的德国航空航天中心（DLR）ZLP实验室的热压机用于SMC加工（左图），SMC测试板用于分析模具填充行为（右图）。来源 | DLRNATURE项目的另一研究领域是片状模塑料（SMC）结构的自动化制造，特别是利用工艺模拟来显著缩短工艺探索时间和降低能耗。SMC技术能够以经济高效的方式生产以往由金属制造的复杂结构部件。SMC工艺可完全自动化，并具有很高的功能集成潜力。这为轻量化结构开辟了新的可能性，兼具生态和经济优势。
