展示激光在航空航天领域的广泛用途

几年前，斯科特·布莱克(Scott Blake)在巴尔的摩的一个贸易展上，来自美国国家航空航天局(nasa)戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的两名研究人员在他公司的展位前驻足。

NASA的人员正在为太空天文台制造复合组件：美国的广域红外勘测望远镜。他们想从他的公司Assembly Guidance（后来更名为Aligned Vision）中检验Blake的LaserGuide技术，以直接从Siemens PLM的Fibersim复合工程软件中对干织物层（叠层）进行模板化。

LaserGuide使用二极管泵浦，倍频的Nd：YAG激光器向复合铺层操作员显示确切的位置，以在何处施加不同尺寸和形状的环氧树脂预浸料片以组装零件。

模板技术是航空工业中激光技术的一种创新用途，用于加工先进的复合材料：激光技术还用于21世纪材料的机械加工，固结和增材制造（AM）。

具体来说，NASA团队正在寻找一种更好的方法来制作望远镜的元素轮（所有光学元件的外壳）的实验设计模型。这个锥形的八边形组件的最宽处的横截面约为20英寸，高度约为7英寸。它的3/16英寸厚的壁由16到24层Cytec方形编织碳/环氧预浸料组成。

NASA团队一直在关注激光模板系统，但不确定是否可以证明其成本合理。布雷克最终为美国宇航局戈达德制定了一项租赁协议，并与一名应用工程师一起向该设施发送了LaserGuide激光指南，该工程师帮助政府工作人员在一天之内掌握了其用途。

布莱克说：“先进制造技术过于昂贵或难以实施的概念是不正确的。” “使用这种技术，学习曲线不会非常陡峭或漫长。”

NASA元件盒位于用LaserGuide制造的零件尺寸范围的较小端。它还用于放下35英尺长的直升机旋翼桨叶的800层，以及洛克希德·马丁公司F-22 Raptor的7英尺长圆锥形天线罩中的数百层。

近年来，Aligned Vision在其产品线中增加了LaserVision检测技术，该技术使用数码相机和算法来识别并指出在复合材料中的每个层被铺设时可能存在的问题区域。该公司还向物联网添加了LaserVision，因此可以创建每个项目的Digital Twin。

热量多于光

Aligned Vision的技术取决于激光器的可见光，而Automated Dynamics则采用发射红外线波长的that光纤激光器。它产生的热量巩固了热塑性复合带。

该热量几乎可以以> 90％的效率被完全吸收，温度范围为400-500°C（752-932°F），可熔化具有单向连续纤维的.13mm厚的预浸料热塑性胶带。将胶带原位加热后，用冷辊压实，以帮助将其与以前放下的胶带合并在一起并冷却工作区。

特瑞堡分公司Automated Dynamics的工程经理David Hauber说：“这是一个动态的过程。” “您在辊隙区域（辊接触表面的地方）使用挤压流，这会导致剪切变稀和剪切混合，从而缠结聚合物链并在层之间建立牢固的结合。”

目前，大约90％的Automated Dynamics制造涉及生产热塑性部件，例如货地板，尾梁，固定翼机身和水平稳定器，以及许多工业应用，例如滑动轴承，其原位加工。

该公司的工程师还使用该工艺生产了演示部件，包括使用IM7碳纤维/ PEEK复合材料的旋转翼直升机的抗损坏，高耐久性驱动轴。在最新的测试中，与传统的铝制设计相比，传动轴的重量减轻了35％，弹道后损伤的生存能力提高了150％以上。结果，该公司的原位流程目前处于美国国防部采购规模的第6级（共9级）。

TRL 9仍然是最终目标，并有望为Automated Dynamics以及军事领域带来回报。

豪伯说：“通过原位固结复合结构获得载人飞行关键部件的认证将是第一次，并将为进一步的应用打开大门。”

该公司的自动纤维铺放技术以300毫米/秒的速度铺放碳纤维PEEK胶带，这是使用传统的过热氮气技术获得的沉积速度和粘合力的三倍。

Hauber说：“我相信我们可以使用优化的磁带做得更好，并且我们正在与多家供应商合作做到这一点。”

他说，激光工艺的理想预浸料具有均匀的纤维分布，表面上有微米级的树脂层。

与高压釜固结相比，该方法产生的层间性能略低，但消除了高压釜的能源密集，昂贵和费时的使用。

混合复合能力

虽然Automated Dynamics的技术是AM，但3D Systems生产的材料和机器可以满足许多人对AM的需求：3D打印。

3D Systems的ProX SLS系列选择性激光烧结打印机使用CO2激光选择性地熔化和融合非常薄的玻璃纤维增强尼龙12粉末（商品名为DuraForm HST）的横截面，以制造航空航天业中的非结构性组件。这些组件可能包括环境控制风管，电子存储箱以及用于无人机和作战无人机的零件。

3D Systems高级应用程序开发副总裁Patrick Dunne表示：“使用HST，您会发现玻璃纤维在提高拉伸性能方面起着重要作用，而玻璃微珠则在响应压缩力方面发挥了重要作用。” “因此，您将获得混合复合材料的能力，其中抗压缩性和抗拉伸性可产生非常高的强度，高刚度的材料，而玻璃和尼龙则重量轻。”

3D打印工艺非常适合小批量零件，因为这些零件很难证明与制造零件相关的成本和精力。它在减轻重量，减少零件数量和复杂的设计优化机会方面具有优势。

例如，它允许集成内部挡板，这不仅减少了组装需求，而且还通过减少了音调共振来提高了性能。最后一个技巧是通过保持层流来完成的。

3D Systems在航空航天中广泛使用的另一种材料是Accura HPC，一种陶瓷增强的光敏聚合物环氧树脂，可在公司的ProX 800 3D打印机中用UV激光固化。邓恩说，Accura HPC用于制作用于空气动力学风洞测试的比例模型的覆层。

他说：“将3D打印用于风洞，可以提高利用率，并通过直接集成到密集的带压胶网3D打印过程中来实现更高保真度的数据捕获。”

像刀子穿过黄油

陶瓷复合材料是Synova的Laser MicroJet（LMJ）在航空航天市场上加工的许多材料之一，但在这种情况下，陶瓷是基体，而不是增强材料。

LMJ工艺使用水流来包含Nd：YAG激光器发出的光束，该光束保持其圆柱形状，就像光纤一样。当激光器完成工作时，水还具有冷却工作区和冲洗碎屑的额外优势。

激光束的圆柱形状导致切缝壁几乎完全平行，此功能使提交图纸时在切割顶部为一维而在底部为第二维的客户中有些意外。

Synova美国业务经理雅克·科德雷（Jacques Coderre）说：“我通常问客户，‘您想要哪个尺寸？’ “由于通常激光或EDM（电火花加工）切割是锥形的，因此该行业长期以来一直采用斜角切割。

“特征导致了范式转变，现在加工特征的顶部和底部尺寸可以相同。”

GE Power使用LMJ加工陶瓷基复合材料，该材料旨在替代燃气轮机中的金属，其速度比研磨快30倍。之所以使用CMC，是因为它们在会软化大多数金属的温度下起作用，并且非常坚硬。

“微喷射器像通过黄油一样穿过CMC切成薄片，” Kurt Goodwin说，他一直担任通用电气先进制造工厂的总经理，直到2018年，现在是咨询公司Good Wind的常务理事兼首席工程师。 “材料已经在我们的新型喷气发动机内。”

LMJ用于机加工由CFM International生产的LEAP发动机的发动机罩，这是GE Aviation和Safran Aircraft Engines的50-50合资企业，并且用于GE的9X发动机。

Synova的技术还用于加工碳纤维增强聚合物（CFRP），以制造飞机的结构部件。 CFRP可以磨削加工，但是磨料加工过程会产生热影响区，而LMJ则不能。

热塑性塑料的未来

在经典电影《毕业生》中，达斯汀·霍夫曼（Dustin Hoffman）饰演的本杰明·布拉多克（Benjamin Braddock）从父亲的商业伙伴那里汲取了一些关于未来的建议-他们断言，一切都与塑料有关。

先进的复合材料学校Abaris Training的直接服务经理Lou Dorworth说，制造这种热塑性塑料，并用纤维对其进行增强，这对航空航天业来说是正确的。

航空航天业喜欢热塑性塑料，因为它们：

比金属轻；

可以快速成型；

可以焊接；

通常耐化学腐蚀；

具有出色的抗破坏性，并且

可以包覆成型

在复合材料行业的生产和培训部门工作了近40年的Dorworth说，他注意到自2010年代初以来，热塑性塑料技术的发展呈上升趋势。其中一项进展是Toray Advanced Composites的Cetex RTL（在Toray在2018年收购TenCate之前曾被冠名为TenCate Cetex RTL），这是一种结构平坦的3.6 x 1.2米（11.8 x 2.9英尺）多层板。

多沃思说：“您可以用与制造金属类似的方式来制造结构。”

Cetex RTL（又名有机板材）具有多种可定制的纤维和树脂组合，适用于快速热成型以制造航空航天内部和外部组件。可以将材料切割成一定形状，最常见的方法是锯，铣或喷水，然后进行热或感应焊接。

除了可定制的嵌入式光纤规格外，客户还可以指定1-64的层数，光纤和织物的方向，嵌入式雷击防护，电腐蚀层，颜色和表面效果。

PPS是Cetex板材的一种非常常见的基质，在加热，压缩和冷却过程中会固化，这取决于板材的厚度和树脂类型以及所需的树脂结晶度。东丽还生产LM PAEK，PEEK，PEKK，PA，PEI和其他基质的Cetex板材。

Scott Unger表示：“ LM PAEK具有与PEEK和PEKK类似的特性，但在航空航天工业中引起了广泛关注，但它具有较低的工艺温度，增强的加工特性，并且是下一代原位纤维铺放工艺的推动力，” Scott Unger说道。 ，东丽首席技术官。 “实际上，东丽，美国国家航空科学研究所和美国联邦航空局将很快完成使用东丽T700G光纤在LM PAEK上公开可用的NCAMP数据库。”

Unger说，美国国家高级材料性能中心数据库将符合美国联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全局的要求，并允许设计人员利用低成本的资格认证途径在航空航天和国防应用中使用东丽的热塑性材料。