為了滿足日益增長的碳纖維復(fù)合材料無人機(jī)(UAV) 螺旋槳需求，來自捷克布爾諾的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 是一家專注于生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP) 無人機(jī)螺旋槳的制造商。他們預(yù)計(jì)未來無人機(jī)和城市空中交通(UAM) 市場的需求將不斷增長，因此于 2024 年安裝了一條新的壓縮成型生產(chǎn)線，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)線經(jīng)過了大約 3 年的開發(fā)，該生產(chǎn)線于 2024 年 1 月上線。

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

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?！拔覀冃枰考軌蚩焖俟袒⑶夷軓母邷啬＞咧休p松脫模。”Grunt 說。

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?！?/span>

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

步驟3：真空壓實(shí)

鋪層后，對齊上下兩部分，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。最近我們在模具中集成了真空通道，進(jìn)一步提高了層壓質(zhì)量。”

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。

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)加車間進(jìn)行修整與鉆孔。車間配備了來自捷克 Kone?ny 和美國 Haas 的兩臺(tái) CNC 機(jī)床。

步驟5.經(jīng)過 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

Mejzlik擁有蔡司 Atos 3D 掃描儀和 Dolphitech 超聲成像系統(tǒng)，可根據(jù)需要對部件進(jìn)行外觀和內(nèi)部缺陷檢測。此外，公司還配備多臺(tái)測試臺(tái)，用于進(jìn)行超速旋轉(zhuǎn)測試等性能驗(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：“濕法鋪層是我們的傳統(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。對于尺寸較大、濕法模具無法承受的產(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，不久的將來，我們的主力技術(shù)將是壓縮成型。隨著客戶需求量增長，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)一步提升無人機(jī)螺旋槳的功能性。