為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的碳纖維復(fù)合材料無(wú)人機(jī)(UAV) 螺旋槳需求，來(lái)自捷克布爾諾的Mejzlik Propellers公司新增了模壓成型功能，并配備了快速固化環(huán)氧預(yù)浸料。該工藝將每個(gè)螺旋槳的固化周期縮短至 7-10 分鐘，而濕法鋪層或烘箱固化工藝則需要 8-10 小時(shí)。

Mejzlik 是一家專(zhuān)注于生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP) 無(wú)人機(jī)螺旋槳的制造商。他們預(yù)計(jì)未來(lái)無(wú)人機(jī)和城市空中交通(UAM) 市場(chǎng)的需求將不斷增長(zhǎng)，因此于 2024 年安裝了一條新的壓縮成型生產(chǎn)線(xiàn)，旨在大幅提高產(chǎn)量以及零件生產(chǎn)的質(zhì)量和一致性。

預(yù)浸料壓縮成型，實(shí)現(xiàn)更高速率制造

Mejzlik 的預(yù)浸料壓縮成型生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)了大約 3 年的開(kāi)發(fā)，該生產(chǎn)線(xiàn)于 2024 年 1 月上線(xiàn)。

在兩年前，公司還沒(méi)遇到每月需要幾百個(gè)螺旋槳的客戶(hù)。如今，有些客戶(hù)每月、甚至每周就需要幾百個(gè)螺旋槳，有了這條新生產(chǎn)線(xiàn)，現(xiàn)在Mejzlik 終于能滿(mǎn)足這樣的需求了。

關(guān)于壓縮成型工藝，復(fù)合材料工程師Michal Grunt解釋稱(chēng)主要分為三個(gè)步驟：鋪層、預(yù)制件準(zhǔn)備和固化。

步驟1：切割鋪層

與濕法鋪層類(lèi)似，Mejzlik先在瑞士阿爾特施泰滕 (Altst?tten) 的Zünd 數(shù)控切割機(jī)上切割預(yù)浸料層。公司使用的是增強(qiáng)型快速固化環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料。“我們需要部件能夠快速固化，并且能從高溫模具中輕松脫模?！盙runt 說(shuō)。

步驟1.首先在 CNC 切割機(jī)上切割干碳纖維或預(yù)浸料。

步驟2：預(yù)制件準(zhǔn)備

根據(jù)螺旋槳的設(shè)計(jì)，機(jī)加工車(chē)間加工PMI 泡沫芯。每個(gè)螺旋槳由上下兩個(gè)預(yù)制件組成，將切割好的預(yù)浸料層鋪設(shè)在 CNC 加工的 PMI 泡沫芯、加強(qiáng)梁或金屬軸承（用于連接輪轂或局部加固）上，再放入公司自制的硅膠模具中。

Grunt 解釋道：“我們批量鋪層同類(lèi)型的螺旋槳，不會(huì)立即固化，因此需要使用單獨(dú)的預(yù)制模具。挑戰(zhàn)在于預(yù)浸料不能完全粘在模具上。而這就是選擇硅膠的原因?！?/span>

關(guān)于金屬與復(fù)合材料的組合，Grunt 補(bǔ)充道：“金屬和碳纖維的混合存在電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。我們精選了航空級(jí)鋁等材料，并進(jìn)行特殊表面處理，使其與碳纖維絕緣，避免形成電橋。”

步驟2.根據(jù)螺旋槳的設(shè)計(jì)，在機(jī)械車(chē)間加工PMI 泡沫芯。

步驟3：真空壓實(shí)

鋪層后，對(duì)齊上下兩部分，并用真空袋進(jìn)行壓實(shí)，以確保各層材料固結(jié)、空氣完全排出。預(yù)制件隨后可以直接轉(zhuǎn)移至壓機(jī)中，或冷凍保存以待使用。

步驟3. 將預(yù)制件放置在硅膠模具上，并在真空條件下進(jìn)行壓實(shí)。預(yù)制件可以直接轉(zhuǎn)移到壓機(jī)或冷凍保存。 

步驟4：熱壓固化

將預(yù)制件從硅膠模具中取出后，放入安裝在三臺(tái)意大利Meccatronica電動(dòng)壓機(jī)上的鋁模中，利用專(zhuān)用夾具精確定位。隨后模具閉合，在高溫高壓真空條件下固化。

Grunt 表示：“我們采用兩步閉模工藝，精準(zhǔn)控制環(huán)氧樹(shù)脂的粘度下降時(shí)機(jī)，以便更好地固結(jié)鋪層并排氣?！?/span>

這些模具是公司三年研發(fā)的成果，“我們每一副模具都會(huì)做一些優(yōu)化。最近我們?cè)谀＞咧屑闪苏婵胀ǖ?，進(jìn)一步提高了層壓質(zhì)量?！?/span>

Mejzlik 使用的快速固化環(huán)氧預(yù)浸料理論上可實(shí)現(xiàn) 3-4 分鐘的固化周期，但通常會(huì)在 135°C 下固化 7-10 分鐘，以獲得更好的外觀質(zhì)量和尺寸精度。

“相比之下，濕法層壓需要固化 8 小時(shí)，烘箱固化為 6-10 小時(shí)，而灌注工藝則需 24 小時(shí)才能脫模?！盙runt 說(shuō)。

步驟4.將螺旋槳預(yù)制件裝入壓機(jī)內(nèi)的鋁模具中，并在熱和壓力下固化。

步驟5：脫模與修整

固化完成后，螺旋槳即可脫模（部件仍處于高溫狀態(tài)但因Tg 高而不變形），然后冷卻并在內(nèi)部機(jī)加車(chē)間進(jìn)行修整與鉆孔。車(chē)間配備了來(lái)自捷克 Kone?ny 和美國(guó) Haas 的兩臺(tái) CNC 機(jī)床。

步驟5.經(jīng)過(guò) 7-10分鐘的固化周期后，將部件脫模、冷卻并修整。

步驟6：質(zhì)量檢測(cè)

Mejzlik擁有蔡司 Atos 3D 掃描儀和 Dolphitech 超聲成像系統(tǒng)，可根據(jù)需要對(duì)部件進(jìn)行外觀和內(nèi)部缺陷檢測(cè)。此外，公司還配備多臺(tái)測(cè)試臺(tái)，用于進(jìn)行超速旋轉(zhuǎn)測(cè)試等性能驗(yàn)證。

步驟6.根據(jù)需要使用 3D 掃描儀、超聲波成像或物理測(cè)試臺(tái)檢查零件。

步驟7：最終組裝

最終的螺旋槳可以單獨(dú)發(fā)貨，也可按客戶(hù)需求進(jìn)行預(yù)組裝后統(tǒng)一交付。

步驟7.將最終的螺旋槳組裝在一起，用于下一步的飛機(jī)制造。

Mejzlik 如何選擇工藝？

Bukvald 解釋?zhuān)骸皾穹ㄤ亴邮俏覀兊膫鹘y(tǒng)工藝，也擁有大量現(xiàn)成模具。目前大多數(shù)螺旋槳仍采用這一工藝。對(duì)于尺寸較大、濕法模具無(wú)法承受的產(chǎn)品，我們會(huì)選擇預(yù)浸料壓縮成型或烘箱固化。在我看來(lái)，不久的將來(lái)，我們的主力技術(shù)將是壓縮成型。隨著客戶(hù)需求量增長(zhǎng)，我們會(huì)引導(dǎo)他們轉(zhuǎn)向這種方式?！?/span>

下一步工作

Mejzlik 目前配有三臺(tái)壓機(jī)，計(jì)劃再新增一臺(tái)，單班產(chǎn)能可達(dá)每月 2500 片螺旋槳。公司也正朝著航空航天制造 AS9100 認(rèn)證和 EASA 設(shè)計(jì)組織批準(zhǔn)（DOA）努力。同時(shí)，公司還在開(kāi)發(fā)新一代仿真軟件、抗沖擊和防結(jié)冰技術(shù)，以進(jìn)一步提升無(wú)人機(jī)螺旋槳的功能性。