總部位于瑞士蘇黎世的9T Labs開發(fā)了一種名為增材融合技術（Additive Fusion Technology，AFT）的三步制造工藝，可使用具有成本競爭力的自動化工藝來生產復合材料零件。該工藝流程從使用Fibrify設計軟件進行設計和零件分析開始，然后通過在構建模塊中沉積單向膠帶細絲來制造連續(xù)的纖維增強預制件，隨后將這些預制件放置在Fusion模塊中進行模壓成型，最后通過固結合并預制件，消除空隙，并輸出了輕質、高強度的凈形部件。
這種集成的工藝鏈能夠批量生產具有 >60% 纖維體積分數和 <1-2% 空隙的零件，同時浪費最少且成本低于金屬。根據零件尺寸的不同，單個構建模塊和融合模塊組（均為350×270×250毫米）每年可分別生產多達5,000個預成型件和10,000個零件。AFT還可以實現復雜、精細的尺寸細節(jié)和非常精確的纖維方向控制，以實現承載能力、重量、制造速度和成本的定制優(yōu)化設計。
圖 1. CFRTP 鉸鏈。瑞士的 FHNW 合作優(yōu)化了這種碳纖維/PEKK 支架，該支架采用 9T Lab 的增材融合技術制成。
9T Labs與瑞士西北應用科學大學（FHNW，Windisch）合作，研究使用AFT生產的用于直升機門的碳纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）鉸鏈（圖1）。其對標產品是用于空客直升機（前身為歐洲直升機）EC135門的CNC加工不銹鋼鉸鏈，該鉸鏈通過四個M8尺寸的螺栓固定到旋翼飛機的碳纖維/環(huán)氧樹脂艙門上，設計為在門打開的情況下，能夠承受幾乎2.2千牛頓的垂直于軸承載荷的最大靜載荷（圖2）。
圖2 直升機門的金屬基準件。本研究的基準是航空級、CNC 銑削不銹鋼部件，尺寸為 112 × 42 × 22.5 毫米，最大靜載荷為 2.172 千牛頓，垂直于門打開時的軸承力。
此前，法國的一個團隊使用手工層壓和模壓短切碳纖維 (CF)/聚醚醚酮 (PEEK) 膠帶對同一部件進行了基準測試。9T Labs/FHNW 研究的目標是超越基準，其屈服點為 3 千牛，法國設計的屈服點為 4.2 千牛。
使用現成的短切碳纖維CF/聚醚醚酮（PEKK）膠帶（預切至相當于1-2K絲束）和整齊的純聚合物長絲開發(fā)并3D打印了三種AFT設計。所有三種3D制造設計都在四個螺栓孔和鉸鏈銷的主軸承孔中安裝了金屬襯套。該過程開始于使用9T Labs基于云的FiFify軟件套件，該套件可通過插件與常見的結構分析包連接。
Fibrify設計套件是美國Ansys公司CAE/多物理場仿真環(huán)境中SpaceClaim 3D建模工具的擴展。對于直升機門鉸鏈，第一個黑色金屬設計（圖3a）從現有CAD文件導入SpaceClaim。該設計使用了與基準相同的內部和外部幾何圖形。使用Fibrify選項（例如帶生成器、填充線或輪廓參考、垂直分布工具等）來布置纖維路徑，以提供典型的準各向異性（0°、90°、±45°）層壓板，而無需優(yōu)化利用各向異性復合材料的特性——例如，每個特定的幾何形狀或負載路徑沒有纖維方向。黑色金屬部分由底部水平板的34層和垂直板的26層組成，每層厚度為0.2毫米。
圖3a?黑色金屬設計
接下來的兩種設計包括第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層（圖3c），為了加快打印速度，對尺寸進行了小范圍修改；纖維取向也得到了優(yōu)化，從而可充分利用各向異性復合材料的性能.
圖3c 通過優(yōu)化進行了第一次鋪層(左)，并在第二次疊層時添加局部加固(右)實現了進一步優(yōu)化
第一層纖維鋪層：優(yōu)化首先開始于將黑色金屬設計導出到Ansys中以運行有限元分析（FEA）模擬，設計以HDF5C文件導出到Ansys Composite PrepPost (ACP)中進行各向同性優(yōu)化，輸入鉸鏈邊界條件和載荷，并使用模擬結果來改進CF/PEKK鉸鏈設計（圖3b）。
圖3b 為更好地利用AFT工藝，對黑色金屬的負載條件和拓撲進行了優(yōu)化
與FEA模擬中的黑色金屬設計相比，由此產生的第一層纖維鋪層（圖3c）將失效載荷提高了200%。故障發(fā)生在離鉸鏈銷“背面”的部分，在那里垂直板滿足水平板。
第二層纖維疊層：為了進一步提高零件的強度，然后進行了第二次優(yōu)化，添加纖維以增強初始失效區(qū)域；第二層纖維疊層增加了45%的破壞載荷，并將失效轉移到垂直板中的鉸鏈銷區(qū)域。因此，故障現在位于設計限制的幾何結構區(qū)域，在不改變幾何結構或零件厚度超出本項目允許范圍的情況下，無法進行進一步優(yōu)化。
優(yōu)化結構的步驟。?9T Labs 首先開發(fā)了一個非優(yōu)化的黑金屬設計（圖3a）。拓撲優(yōu)化 (圖3b) 產生了第一個纖維疊層 (圖3c)，然后通過在垂直和水平板連接處添加局部鋼筋在第二個纖維疊層 (圖3c) 中對其進行了改進。最終優(yōu)化 (圖3d) 將鉸鏈拆分為四個印刷子部件，隨后融合到 9T Labs 融合模塊中。?
圖3d 使用多個打印子部件以優(yōu)化各個方向的纖維排布
第一個和第二個纖維疊層設計是使用多體策略生成的，將零件分成四個子部分（圖 3d）。這種方法允許所有空間方向上的纖維充分利用連續(xù)纖維打印的各向異性特征，使纖維與負載對齊。
這四個子部件使用9T Labs的紅色系列構建模塊進行打印，然后在Fusion模塊中使用機加工的鋼制匹配工具組通過壓縮成型融合在一起。需要注意的是，在350°C、45千牛頓的壓力下，僅使用6千瓦時的功率進行壓縮成型，循環(huán)時間為20分鐘。通過進一步優(yōu)化工藝參數，可以進一步降低功耗。
然后，FHNW對打印和壓縮成型的AFT鉸鏈進行了機械測試。將鉸鏈的底部水平板用螺栓固定在測壓元件中的固定金屬板上，然后將垂直力應用到安裝在垂直板的主軸承孔中的鉸鏈銷上。每個鉸鏈都經過試驗而失效。
在圖4中將優(yōu)化后的AFT鉸鏈的特性和性能與對比基準樣和黑色金屬設計進行了比較。第二種纖維疊層設計的重量僅為27.5克，比基準鋼構件重量輕75%，而最大靜載荷能力從3.0千牛頓增加到6.9千牛頓，增加了200%以上。
圖4 優(yōu)化后AFT部件主要性能。 與鋼基準和 3D 制造的黑色金屬設計相比，優(yōu)化后的 AFT 打印復合材料部件顯示出更高的失效載荷和更輕的重量。
通過使用Fiberify的生產評估工具，還對第一層纖維鋪層和第二層纖維疊層設計的成本進行了評估，發(fā)現其成本是基準鋼構件的一半。每一種設計都被導入，然后添加參數，例如使用的材料、打印溫度、機器攤銷所生產的零件數量等，從而得出成本估算，并按成本構成（材料、工藝）和子部分進行了細分。
在隨后的一項研究中對進一步優(yōu)化進行了研究，并以《Experimental and numerical analysis of the consolidation process for additive manufactured continuous carbon fiber-reinforced polyamide 12 composites》為題于2022年12月在線發(fā)表。鉸鏈的設計再次使用 CF/聚酰胺 12 (PA12) 材料打印和加固，這次是為了演示 Red Series Fusion Module 中加固/成型過程的模擬模型。
該模型預測了固結部分的過程誘發(fā)變形，包括溫度、結晶和孔隙率的影響。它可以高精度地預測最終零件的成分、殘余應力和孔隙率以及翹曲趨勢。它還實現了對融合模塊過程的快速模擬，減少了原型設計迭代次數。
9T Labs 繼續(xù)推進設計和工藝優(yōu)化，因為它將 AFT 的使用擴展到系列生產更大、更復雜的零件，并增加用更堅固、更實惠的復合材料替代金屬零件。
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/optimizing-a-thermoplastic-composite-helicopter-door-hinge
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復合材料網）：優(yōu)化熱塑性復合材料直升機門鉸鏈
