面向中国的先进复合材料工程技术：可再生能源可持续发展-ChemTrend.pdf

1JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing ISSN 2707-3459 面向中国的先进复合材料工程技术 www.JECcomposites.com 2022.6 可再生能源 Renewables 可持续发展 Sustainability 复材制造 Composites Manufacturing 自动化生产/设计/增材制造/国防 Automation Manufacturing/Design/Additive Manufacturing/Defence 革新方案 Innovation Solutions 建筑学/玻璃纤维/机械加工 Architecture/Glass Fibre/Machining 10 2 JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 1JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing Industrial Communications Group Ltd. 订阅期刊 Subscription 广告业务 Advertising: Europe 欧洲 : Raheel Mohammad, +33 1 89 20 40 65, mohammad@jeccomposites.com 2020年版权所有 © Copyright 2020 JEC Composites Magazine. All rights reserved. JEC集团授权Industrial Communications Group Ltd. 独家出版《JEC Composites中 国》. 经授权的所有材料都隶属于JEC Composites Magazine. 未经书面许可，不得 进行任何形式的复制和转载. 国际发行刊号：ISSN 2707-3459 www.JECcomposites.com/china Franck Glowacz, Editor-in-Chief/Media Director, glowacz@jeccomposites.com Nelly Baron: Marketing/Communication Director, baron@jeccomposites.com 承印: 上海钦钦印刷科技有限公司 Printed by Shanghai QinQin Printing Co. Ltd. 上海市静安区武定路555号8楼837室 电话 Tel: 021 3251-7225 中国大陆 China : 021 3251-7225, bruno@icgl.com.hk 目录 CONTENTS 复材制造 Composites Manufacturing 专栏：可再生能源 Special Report: Renewables 自动化生产 一次性生产圆柱格架结构 One-shot Manufacturing of Cylindrical Lattice Atructures for Satellite Applications 设计 FRP复合材料产品图纸 Product Drawings for FRP Composites 增材制造 在真正的3D打印中打印连续碳纤维 Printing Continuous Carbon Fibre in True 3D 国防方案 无人机作为僚机 Drones As Wingmen 10 12 可再生能源 为未来提供动力 Powering the Future 氢气的商用价值 复合材料和氢气，共同努力实现低碳经济 Composites and Hydrogen, Working Together for A Low-carbon Economy 专栏：可持续发展 Special Report: Sustainability 14 16 21 22 解决方案 Innovation Solutions 24 26 27 建筑学 石墨烯纳米技术在复合材料中的应用 Graphene Nanotechnology in Composites for A Challenging Architectural Design 玻璃纤维 玻纤增强复材重新定义风能的可能性 Glass Reinforced Composites Continue to Redefine the Possibility of Wind Energy 机械加工 定制化CFRP机械零件 lntroduction of Custom-machined CFRP Mechanical Parts 应用 带行星齿轮的高效节能混合动力传动系统 Energy-efficient Hybrid Drive System With A Planetary Gear 循环利用生态系统 复合材料回收：寻求循环经济 Composites Recycling: In Search of the Circular Economy 原材料 高达92%的再生材料制成的新型复合材料 Innovative Composites Made From Up to 92% Reclaimed Materials 建筑 生物复合材料与自动化：建筑业的可持续未来 Biocomposites and Automation: A Sustainable Future for the Building Industry 2 4 6 8 2 JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 一次性生产圆柱格架结构 One-shot Manufacturing of Cylindrical Lattice Atructures for Satellite Applications ATG Europe 开发了一种非间断的预浸料纤维放置格架结构的一次性制造工艺，该点阵结构 由规则和对称的箍和螺旋肋系统组成，旨在取代当前的卫星中心管设计。 ATG Innovation 有限公司（ATG Europe 的爱尔兰子公司）正在引领这项技术的产业化。 Kelly Matthews, Lead Engineer, ATG Innovation; Brendan Murray, Design Engineer, ATG Innovation Robert Telford, Analysis Engineer, ATG Innovation; Bart Smeets, Technology Coordinator, ATG Europe 卫星中心管 (SCT) 结构构成卫星的 结构主干，目前所使用得是基于 CFRP 的夹层结构，并带有穿孔铝蜂窝芯。这 些结构需要对附件进行大量加固，并 会是漫长而复杂的制造过程。这导致需 为 SCT 寻找替代设计和概念，以此减 少交货时间并改善结构的功能。为此， 出于多种原因，包括优化的设计架构、 一次性制造工艺和质量等原因，强调了 由规则和对称的环箍和斜向肋系统组成 的 CFRP 格架网格结构有望取代当前的 SCT 结构 优化的设计架构 复合格架结构是一系列结构架构， 它利用连续纤维复合材料形成规则相交 的网格图案（图 1）。它们提供了减轻 重量的能力，并增加了结构功能，因为 可以定制配置以适应不同的载荷分布， 同时还可以在制造过程中直接包含贴片 以形成局部连接点。 这种设计架构利用了纤维增强聚合 物 (FRP) 材料的多种固有特性，与标准 /各向同性结构相比具有多种优势，包括： —肋骨采用单向纤维材料，在其纵 向上提供最佳强度和刚度，重量轻。 其中几个的组合单向纤维肋条以智 能选择的角度相互放置，提供最佳整体 和局部承载能力的优化，加上肋条也相 互稳定（图 2）。 —由于将 FRP 补片直接集成到网格 结构中会提供灵活性，因此可以根据质 量和位置优化局部附着点（图 3）。 肋骨可以在圆柱体的一端或两端过 渡到整体层压板，这有助于圆柱体与相 邻结构的连接（图 4）。 创新制造 通常，FRP 结构的大部分是增材制 图 1：圆柱格架结构 图 2 ：交叉加强筋， 结构稳定高效 图 3： 结构附着点的集成修补 图 5 ：圆柱形网格后固化 图 4 ：过渡到层压板区域，以便与相邻结构连接 3JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 图 7：试验台上全尺寸 1.5m 直径的网格圆柱体 图 6：具有各种设计 元素的演示器 造（而不是从金属块中铣掉材料）。具 体而言，这项技术的特点是一次成型工 艺，即整个圆柱形复合材料零件（相对 于扁平零件而言具有显著的 3D复杂性） 在单个工艺步骤中增材制造（图 5）。 目前的工艺包括将预浸料丝束手动铺在 芯轴上，直接集成局部附着补片，并在 高压釜中一次性固化，从而提高材料使 用效率，降低制造时间和成本。 这种制造方法具有多个优点，例 如可获得的纤维体积分数更高，约为 60%，从而产生更高的特定性能，并能 减少通常与夹层板结构相关的昂贵且耗 时的后处理操作数量。在实现这些优势 的同时，还保持或超过了现有结构解决 方案的性能水平（重量、刚度、强度）。 使用单向纤维肋形成网格结构还可 以方便地访问和查看制造的圆柱状结构 内部，这有助于将系统集成到具有电缆、 燃油管等的生产程序中。网格结构可能 意味着，在系统集成期间，没有人需要 进入圆柱状结构内部，如果必须有人进 入，那么与典型的夹层板结构相比，它 有充足的光线和通风。从健康和安全的 角度来看，这是有益的，由于更好的照 明和对结构的访问，同时可能会减少执 行组装和集成活动所花费的时间 测试活动 进行了广泛的测试活动，以验证为 生产 SCT 网格结构而开发的制造工艺。 最初， 进行试片级测试以描述材料特性， 并定义 A 基材料特性值，这些值用于所 有后续有限元（ FE）分析。然后，制造 了一个网格结构的平板，用于单元级测 试，其结果输入到更复杂的圆柱形结构 的设计和分析中。这些单元级测试包括 测试肋骨的抗压强度、模量、弯曲强度 和模量，以及测试节点的抗压强度和弯 曲强度，结果显示与 FE 预测有很好的 相关性。这些活动的输出被输入到全尺 寸 SCT 网格圆柱体的分析中。 使用所开发的工艺制造了一个直径 为 0.5m 的中型圆柱形样品，并作为演 器，以揭示和解决圆柱形零件相对于平 板的制造困难和不可预见的影响。该零 件的复杂性很高，具有多个连接区域和 类型，同时也允许在弯曲结构中进行钻 孔试验（图 6）。 最后，考虑到在之前步骤中吸取的 所有经验教训，设计、制造了一个全尺 寸 1.5m 直径的网格圆筒，并在代表性 卫星设计荷载下进行了测试，以评估其 承载能力。 设计和制造包括带有适合与大型试 验台连接的端部区域附件的组件（图 7）。 试验包括剪切腹板的局部连接荷载、整 体压缩和组合压缩加弯曲，以达到结构 的破坏荷载。该气缸重量小于 10 kg，很 容易承受 175 kN 的设计压缩载荷，最终 在 184 kN \/m 的线载荷下发生故障，相 当于 870 kN 的总压缩载荷。复合材料测 试实验室（ CTL）在爱尔兰戈尔韦的工 厂进行了试片和元素级测试。与 NUIG 及其重型结构实验室（同样位于爱尔兰 戈尔韦）共同开展了全面测试活动 设计和制造包括带有适合与大型试 验台连接的端部连接区的组件（图 7）。 测试包括来自抗剪腹板的局部附件载荷、 整体压缩和组合压缩加弯曲，以达到结 构的破坏载荷。该圆柱状物体重量不到 10 kg，很容易承受 175 kN 的设计压缩 载荷，最终在 184 kN/m 的线载荷下失 效，相当于 870 kN 的总压缩载荷。试 片和单元级测试由复合材料测试实验室 (CTL) 在其位于爱尔兰 Galway 中进行。 全面测试活动是在与同样位于爱尔兰 Galway 的 NUIG 及其重型结构实验室联 合进行的。 质量效率 这项技术采用了一种高效的架构， 因为单向复合肋只放置在需要的地方， 从而优化了架构的质量。由于目前发射 到太空的成本是每公斤 10，000 欧元， 质量效率在航天器结构中极其重要。 ATG Innovation 进行的一项可行性研究 表明，与标准 CFRP 和铝蜂窝夹层板设 计相比，用于典型卫星中心管设计的网 格结构可以节省高达 25% 的质量。此外， 由于该技术的定制设计和增材制造特性， 材料浪费更少，在制造过程中，接入端 口和切口无缝集成到结构中。 其他应用 在各种不同的市场中已经确定了一 些潜在的应用，包括载人航空（机身、 设备框架）、无人航空（大型无人机） 和可再生能源（风力涡轮机结构）。网 格技术还可以与蒙皮相结合，创建网格 加强架构，从而为其他航天器应用（如 发射器结构）提供高效的结构解决方案。 ATG Europe 已经对该应用程序进行了 调查，并取得了可喜的初步结果。 www.atg-europe.com/solutions/ composites 4 JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing FRP 复合材料产品图纸 Product Drawings for FRP Composites 在本文中， FRP Consultant（一家为公司提供 工程支持的日本公司）描述了 FRP（复合材料） 产品图纸，这是设计师创建的主要技术文件。 shuichiro yoshida, CEO, FRP consultant 当被视为“产品规范”时，纤维增强塑料（ FRP）产品图 纸参考材料标准（材料规范）和工艺标准（工艺规范）（图 1）。 FRP 产品图纸和模型设计的作用 此配置是确定产品规格的基本形式。在飞机工业中，这种 关键配置被定义为“类型设计”。模型设计由形状、材料和制 造方法三大支柱定义。确定这些参数后， FRP 产品具有以安全 为中心的恒定技术性能。例如，在飞机行业，型号认证（TC）— — 在飞机和飞机发动机上安装 FRP 零件的认证过程的第一步—— 需要这三个文件。除了飞机行业，设计师还认为 FRP 产品图纸 是制造稳定产品的类型设计支柱。 FRP 产品图纸大纲 创建了零件图的设计师会觉得大部分内容都很常见。在这 些一般内容中，尺寸公差和几何公差以及目视检查有时被省略。 特别是在原型图的情况下，也有没有标明数字的情况，可能只 有在产品完成后才会出现问题。 FRP 零件图包括六个关键点： 目视检查、尺寸和几何公差、层压结构、无损检测、工艺标准 和材料标准。 目视检查 当 FRP 产品用作可见零件时，目视检查是一项重要要求。 目视检查在检测 FRP 中最可怕的分层方面也起着决定性的作 用。主要目的是检测凹痕。对于普通均质材料，表面层上的凹 痕通常仅限于该零件的变形。但对于 FRP，由于表面层上的小 凹痕，分层可能发生在面积大几倍的下层。由于这种分层可能 是内部断裂过程的起点，因此应不惜一切代价避免这种缺陷。 检测树脂缺陷也很重要。当荷载从基体树脂传递到增强纤维时， FRP 的特性得到了展示。基体树脂的浸渍不足会导致因荷载传 递机制中断而导致应力集中，这可能会在意外荷载或位置导致 断裂。 尺寸和几何公差 FRP 的各向异性在使用良好时提供了优异的性能，但它也 是成型后产生应变的原因之一。应变更可能发生在薄而大的模 制产品中。作为对策， FRP 顾问建议在形状设计阶段创建参考 区域（基准），并将其作为几何公差数据连接起来。同样重要 的是，尺寸检查区域由尽可能平行或垂直于参考区域的表面组 成。如果实际测量结果不稳定，可以考虑使用约束夹具。设置 这些公差时，设计师必须如上所述设置形状和检查过程。 叠层配置 FRP 的厚度通过将片状材料堆叠成几层来增加。最终模制 产品的机械和物理性能取决于每层的方向和材料。因此， FRP 顾问将重点放在澄清 FRP 零件图纸中的叠层配置的重要性上， 特别是产品的典型横截面视图，或每层中的材料和堆叠方向角。 无损检测 FRP 的一个特点是，断裂（主要是分层）在没有从外部可 见的情况下进行。因此，当 FRP 材料用于支撑负载的零件时， 应在装运前进行所有无损检测。图纸中描述的无损检测要求包 括：最大允许尺寸、最大允许面积、缺陷数量和不可评估尺寸。 在设计这些材料时，通过将断裂韧性值和计算机辅助工程（CAE） 结果与材料寿命曲线进行比较来确定阈值是常用的工作方式。 大多数无损检测技术都是利用密度特性的差异来检测缺陷的。 在超声波的情况下，可以检测到具有不同声阻抗（密度和声速 的乘积）的边界层中的回波。在 X 射线计算机断层扫描（ CT） 中，通过透明度的差异来检测缺陷。 然而，由于 FRP 由两种或两种以上密度不同的材料组成， 当仅提取空气层时，有必要从检测目标中排除纤维和树脂以及边 界层。此时，将调整检查设备的增益。通过定义可能被忽略的缺 陷的大小，作者的意思是确定不可评估的维度。 工艺规范（ spec）工艺规范规定了 FRP 产品的工艺和检验 方法，其主要目的是保证模制 FRP 产品的最低质量。航空行业 之外不需要本文件，但参考本文件有很多好处。本文件规定了 每个工艺参数（如温度和压力）、特殊工艺（如检查和维修） 或所用设备和夹具的要求。该文件还定义了记录方法，从而有 助于在将来加快对质量问题原因的调查。 材料规范（spec） 材料规范的目的是明确材料的最低要求，以允许交付 FRP 材料。为此，应明确确定材料规格的参数，如评估方法、视觉要求、 储存记录和包装形式，以及材料特性。 结论 在本文中， FRP 顾问概述并描述了 FRP 零件图的要点， 以强调其重要性。有了这些文件，公司相信 FRP 产品可以按照 设计师绘制的形式制造，而不受常规材料固定概念的约束。 www.frp-consultant.com 图 1：FRP 图纸的作用。 5JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 用作SMC/BMC工艺生产复合材料制品的 高效增稠剂 MagPro ® 的优势 MagPro null 高活性氧化镁，是间接煅烧粉碎的天然氢氧化镁而获得的粉末状产 品。MagPro null 150和MagPro null 170用作SMC / BMC工艺生产玻璃纤维填充 用复合材料的增稠剂。 用于增加复合材料粘度的氧化镁，应具有高比表面积（130m 2 /g以上）和稳定 的粒度分布。选择正确的增稠剂，是获得无成型缺陷、无裂纹、无凹陷的优质 零件的最重要条件。 ⸰ 不含关键杂质-硫酸盐和氯化物 ⸰ 粒径精确且均匀 ⸰ 生产、运输及储存过程安全 ⸰ 质量稳定 ⸰ 采用绿色环保的原材料制成 www.bruciteplus.cn info@brucite.plus +7 (495) 789–65–30 6 JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 在真正的 3D 打印中打印连续碳纤维 Printing Continuous Carbon Fibre in True 3D Electroimpact 开发了一种连续纤维增强热塑性 3D 打印系统，具有六个自由度。该系统可实现 航空航天级复合材料零件的无工具快速制造，同时提供现有制造方法无法实现的新设计自由度。 自 2014 年 Markforged 第一台商 用连续纤维 3D 打印机 Mark One 问世 以来，世界各地的工程师都梦想着一种 能够 3D 打印大规模连续纤维增强零件 的系统。事实证明，完全以增材方式生 产复杂零件的能力是一个难以捉摸的挑 战，其强度是大多数金属的数倍，但塑 料的密度很高，而且不需要昂贵的叠层 工具或高压釜。几家公司，包括经验丰 富的老手和初创公司，都已进入这一领 域，试图在价值数十亿美元的更广泛的 增材制造（ AM）市场中开拓一部分。 Electroimpact 一直在与航空航天合作伙 伴合作，为 OEM 应用开发这项技术。 梦想 航空航天行业的许多人会正确地认 为，大规模连续纤维 3D 打印已经以自 动纤维铺设（AFP）和自动铺带（ATL ） 的形式存在。两者都是 AM 技术，通过 沉积后续材料层来生产复合材料零件。 然而，这些技术需要一个成型零件的叠 层工具来将材料沉积到其上。设想的真 正的连续纤维 3D 打印机不需要叠层工 具或真空装袋，也不需要大量的辅助设 备或二次处理步骤，如高压釜。相反， 它是一个通用制造平台，试图从系统中 移除尽可能多的约束，使最终用户能够 创建各种各样的零件，并创建传统方法 无法生产的几何图形。其结果将是创造 出以前想象不到的新的复合材料设计， 包括大幅增加集成结构，从而减少连接 组件所需的紧固件和粘合剂的数量。 基本原理 无论具体的纤维和基体材料选择如 何，任何高质量复合材料零件都有三个 基本特征。这些是： 1）纤维体积分数（纤 维与基体材料的比率）、 2）孔隙度和 3） 纤维的平直度。 Electroimpact 并非唯一 追求连续纤维 3D 打印系统的公司。其 他团队对此挑战采取了两种根本不同的 方法。一些人试图将传统的熔融灯丝制 造（FFF ）3D 打印机与一种将连续纤维 引入熔融热塑性流体中，并将其嵌入打 印部件的机制相结合。其他人则选择使 用 UV 催化热固性树脂，在工具点将其 连续纤维增强材料与树脂混合，并在过 程中使用 UV 辐射启动快速固化树脂。 这些“共挤”过程试图将太多的步 骤合并到一个单一的系统中。首先，始 终如一的纤维体积分数很难接近航空级 (50% 以上 )。沉积材料系统的刀点在空 间中通过工件的编程刀具路径时必须加 速或减速。因此，液体或熔融基体注入 纤维的过程也必须与工具点同步加速和 减速。 正如任何经验丰富的复合材料生产 商可以证明的那样，最均匀的材料是在 整个过程处于稳定状态时生产的，而不 是在经历大的瞬态时生产的。当这种方 法用于高纤维体积时，更难实现纤维的 均匀润湿。这通常会导致干纤维斑块和 基质中纤维分布不良。浸渍步骤最好在 稳定运行的专用生产设备中离线执行。 该设备专门设计用于生产具有均匀纤维 Cody Brown, Project Manager, Electroimpact Inc. 图 1：间隔门 - 剖面图显示了打印蜂 窝结构和连续纤维连接点的组合。 图 2：过渡风管 - 单壁过渡到 带内部支撑结构的双壁风管。 7JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 分布和体积分数的高品质预浸渍材料。 其次是孔隙率的问题，空隙不承载 载荷。按照 Gold-standard，航空航天级 高压一级结构复合材料通过在高压釜中 真空下固化层压板，同时应用几个大气 压，达到低于 1% 的孔隙率。这种力是 巨大的，但结果是几乎所有的空隙都从 层板上消除了。非热压罐材料系统在航 空航天领域得到了越来越多的应用，其 孔隙率通常在 3% 以下。它们消除了昂 贵的高压灭菌器，但仍然需要真空来巩 固层板并消除空隙，以及使用烤箱进行 固化。不以某种方式巩固层压材料的系 统将永远无法达到生产高质量零件所需 的低孔隙率水平。 最后，沉积连续纤维的物理要求它 在一定的张力下沉积。早期的一个教训 是，你不能推绳子，你必须铺绳子。如 果该工艺要求在基体材料软化时在任何 点推动纤维，则会导致纤维成束。不直 的纤维在伸直之前不会承载负荷。对于 复合材料部件，束状纤维意味着载荷完 全由强度低得多的基体材料承担。 SCRAM 技术 Electroimpact 正在旧技术的基 础上开发一种新技术。该系统名为 SCRAM，或可量产复合材料机器人增材 制造，是 FFF 3D 打印机和热塑性 AFP 机器的集成。该系统由一个精确的机器 人、一个旋转的建造平台和一个环境气 氛控制的建造室组成。末端执行器携带 多个材料系统来打印可溶性支撑材料 （“工具”）、连续纤维带和短切纤维 材料。每次打印都是从机器人将支撑材 料放置在构建平台上开始的。然后自动 切换到打印连续纤维和短切纤维增强材 料来生产零件。连续纤维采用“原位固结” 方法沉积，其中胶带被激光焊接到基材 上，并在过程中压实。由此产生的连续 纤维增强零件的孔隙率达到了高压釜外 的水平。 加入短切纤维材料系统以补充连续 纤维。高纤维体积分数的连续纤维引入 了全向 FFF 工艺所不具备的几何约束程 度。通常，有些功能的复杂性超过了纯 连续纤维带所能产生的复杂性。在这些 情况下，设计师可以使用短切纤维材料 来产生所需的特征。一旦打印完成，支 撑材料就会溶解掉，留下成品。材料系 统均为热塑性材料，因此无需后续的高 压釜或烘箱循环来固化零件。 SCRAM 过程不同于传统的 FFF 3D 打印，因为它使用真正的六轴刀轨来生 产零件。大多数 AM 系统，如 FFF、 SLA 和 SLS，都是所谓的“ 2.5D”，其 中平坦的 2D 层相互堆叠，以生成 3D 形 状。相反， SCRAM 是一个真正的 3D 过 程，末端效应器将材料沉积在真正的六 自由度空间中。在沉积连续纤维时，这 一点尤其重要，以便根据荷载路径调整 纤维方向，并从构建平台产生平面外的 准各向同性铺层。 挑战 生产这种复杂的技术有四大挑战： 1） 材料系统， 2）打印硬件， 3）控制系统， 以及 4）零件编程。在许多试图开发这项 技术的团队中，有些团队在其中的两三 个领域取得了令人印象深刻的进展，但 没有一个团队似乎征服了所有四个领域。 材料系统本身是需要克服的最根本 的挑战。有很多聚合物可供选择，但一旦 添加了极端要求，如高温使用、耐化学 性、烟雾和毒性要求，就几乎没有聚合物 了。此外，它们的处理可能非常具有挑 战性。其次，由于纤维承载大部分负荷， 因此希望使用尽可能高的纤维体积，同 时能够可靠地沉积材料并实现良好的粘 图 3：正在进行的间隔门打印。 合。由于所有这些原因，经过多次试验， Electroimpact 在 PAEK 基热塑性塑料和 50-60% 纤维体积上得到了解决。 打印硬件的复杂程度令人惊讶，而 且有细微差别。该技术的 FFF 方面因其 简单性而为工程师和爱好者所熟悉。即 使是平板电荷铺层的 AFP 也经过了改进 和简化，现在可以在适度的实验室环境 中使用。然而，一旦人们开始在六个自 由度中打印并加入连续纤维，准确性就 变得极其关键。可生产零件的复杂性直 接取决于系统的灵活性和准确性。末端 效应器上的每个组件增加了体积，并对 可以生成的几何体提出了可能的限制。 要控制如此复杂的机械系统，你只需要 一台工业 CNC。复杂的运动学、结构件 计算、刀具定义和精度都需要它。 最后，CAM 软件与系统本身一样复 杂。商用 3D 打印机的用户习惯于使用 切片软件，该软件导入零件的实体模型 并自动生成打印机的刀轨。在 2.5D 中工 作时，算法生成刀具路径相对简单，因 为给定层只有两个自由度。如果删除此 简化约束并允许在所有六个自由度中进 行材质沉积，则路径生成问题将变得更 加困难。 Electroimpact 选择专注于他们的核 心优势：硬件和控制系统，而不是试图 独自征服所有四个方面。该公司与最适 合创建材料系统和 CAM 软件的行业同 行合作。由此产生的综合系统代表着在 克服上述所有四项挑战方面取得的重大 进展，因此显示出其他地方尚未看到的 能力。 未来 虽然在 SCRAM 的成熟方面还有更 多的工作要做，但其发展仍在快速进行， 围绕其的热情和兴趣水平将继续推动其 向前发展。如今， SCRAM 已经能够生产 以前无法制造的零件几何形状。进一步 的发展将集中于加强工业生产并全面提 高性能指标。等待已经结束，真正的六 自由度连续纤维增强 3D 打印终于到来 www.electroimpact.com/3d 8 JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 无人机作为僚机 Drones As Wingmen 2020 年 5 月，波音澳大利亚公司展示了其波音航空动力团队系统（ ATS）的首个原型。 ATS 是 根据澳大利亚皇家空军（ RAAF）的需求共同开发的，旨在提供一个无人机中队，以支持飞行员 执行空中任务。这是澳大利亚自二战以来从未生产过战斗机的历史性项目。 2019 年 3 月，波音公司提交了 ATS 项目“忠诚僚机”的第一个 3D 效果图。 在其光滑的曲线背后，是一架由人工 智能驾驶、提供战斗空中支援的无人机 (UAV)，波音公司认为这是空战的未来。 该项目在澳大利亚开发，得到了澳大利 亚政府和当地空军的支持。与目前市场 上的其他解决方案相比，该公司的目标 是通过提供价格合理的无人机来提高空 军任务的效率。 倍增力 无论是在和平时期还是在冲突时期， 空军任务的性质都非常不同。它们可能 涉及保护车队和空运货物；情报和侦察； 对战略目标和目标进行监视和打击。在 这一范围内，传统部队使用的飞机基本 上是由机内人员驾驶的，这就带来了多 重限制，并且与战斗机的最终成本一样 高。核心是保护飞行员，这是各国政府 的一项主要政治任务。为了实现这一点， 许多集成系统被添加到飞机的初始重量 上，如紧急疏散系统，尤其是机载接口 和控制系统。这些都会对能源消耗产生 级联效应，这是影响战斗机航程和投送 的一个关键因素 考虑到人类飞行员，需要对人体工 程学、驾驶舱逃生舱的设计和人机界面 进行更多的研究。许多因素严重影响了 研制军用飞机的成本。 在这种情况下，波音澳大利亚公司 和澳大利亚政府进行了密切接触，以便 为澳大利亚空军配备这种新型破坏性武 器。“忠诚僚机”计划旨在从头开始， 为执行任务的战斗机飞行员配备三架 AI 控制的无人机作为护卫。因此，飞 行员可以完全专注于自己的飞行计划， 而不必担心与护航人员的潜在冲突，因 为人工智能特别关注这一方面。这些独 立无人机不需要地面控制，事实上消 除了传统无人机所涉及的所有微型任 务。尽管必要时可以随时收回控制权， 但地面人员可以更充分地关注手头任务 的总体战术战略。通过这种方式，波音 公司开发的无人机与同类其他无人机不 同，无人机需要在地面与行动中的无人 机协同进行人工干预，例如美国空军 （ USAF）使用的 MQ-9“收割者”。 所有这些要素结合在一起，形成了波音 澳大利亚公司总结为“实现灵活的第三 方自主行为”的概念，因此有了“忠诚 僚机”的称号。 一个既雄心勃勃又具有 历史意义的项目 “忠诚僚机”是一种 11.7 米长的无 人机，飞行距离 3700 公里。它的发动 机使它能够达到亚音速巡航速度，这是 在执行任务时跟上战斗机的必要条件。 该无人机由先进的复合材料制成，拥有 波音公司生产的“最大的树脂注入单 件”。机翼仅由两个复合材料部件（顶 部和底部）组成，这是该集团在波音 787“Dreamliner ”（先进的窑外树脂灌 注工艺）的制造过程中取得的进步。这 有助于降低生产成本和流程。 忠诚的僚机也可以定制，因为机头 部分可以在不到一个小时的时间内在地 面上切换（快速启动系统）。该设备的 容量为 1500 升，可用空间意味着可以 为各种设备配置该装备，波音尚未公布 这些设备的详细信息。尽管如此，军事 专家和顾问认为，它基本上是用于跟踪 和传感器系统或武器。 该项目有 35 家澳大利亚公司作为 合作伙伴，如 RUAG Australia、 BAE Systems，取得了显著进展。从一张 白纸开始，在项目开始 14 个月后，第 忠诚的僚机是未来空战的一部分。© 波音澳大利亚公司 9JEC Composites 中国 2022.6 复材制造 Composites Manufacturing 一份作品就完成了。波音空中联队系 统完全在澳大利亚实施，是波音澳大 利亚公司与澳大利亚国防部在澳大利 亚政府的财政支持（4000 万澳元投资） 下雄心勃勃的合作成果。澳大利亚总 理 Scott Morisson 表示：“忠诚的僚 机计划将使我们深入澳大利亚工业， 使我们更加自力更生。”。这也是波 音公司第一次在美国以外的地方实施 如此规模的项目。 该项目对其生产手段也很有野心。 这些团队建立了飞行设备的全数字概念， 从而创建了一个数字双胞胎。然后，该 模型为工程师提供了一个沙盒环境，工 程师通过模拟软件使每个元件承受物理 应力。然后，他们能够观察到它的反应 和行为，节省了物理测试阶段的宝贵时 间。不必创建中间原型所节省的时间和 金钱是可观的。因此，从最严格的意义 上讲，相关团队能够交付更接近于样机 而不是原型机的设备。考虑到这一点， 在项目推出的早期阶段，考虑在全面升 级时实现忠诚僚机的自动化生产线已经 实施。通过这种方式，波音澳大利亚公 司能够在整个开发过程中测试和验证所 选择的概念，从一开始就将自己投射到 大规模生产的条件中。 价格合理的新产品 虽然波音公司目前的重点是澳大利 亚领土和政府组织，但波音公司的计划 是基于一种新需求的定义：在空中作战 期间协助现有飞机。由于澳大利亚皇家 空军（RAAF）从美国 F-35 飞机项目 采购，其机队在技术上可与美国空军飞 机相媲美。这不是一个小细节。有了这 些飞行器作为“忠诚僚机”无人机团队 的先导，该公司确保了向其他全球公司 商业化所必需的技术互操作性。这家美 国巨头的设计可以轻松适应各种技术限 制，尤其是使飞机与护航舰配对所需的 软件。这家美国巨头正试图重新定位自 己，以对抗其在军用无人机领域已经成 熟的竞争对手。在项目的初始阶段向市 场开放可以让波音公司弥补在这一领域 损失的时间，当人们回忆起波音公司多 年来一直是无人机的先驱时，这是令人 惊讶的。 为了将“忠诚僚机”与目前军事上 可用的其他解决方案进行比较，我们可 以以美国空军为例制定一个价值量表。 例如，五角大楼设计、 Lockheed Martin 公司生产的 F-35 战斗机的成本约为 8000 万美元。在“传统”航空类别中， 根据开发的型号，它可以将机组人员和 武器库的射程控制在 870- 1140 公里范 围内。MQ-9“收割者”估计每架大约 1800 万美元，而“战斧”导弹每枚大约 200 万美元。波音公司的“忠诚僚机”， 凭借其特点和新颖的操作方式，将其定 位为每架 200 万美元，在价格方面具有 不可否认的优势。 Swarm 系统预计在今年年底准备就绪。© 波音澳大利亚公司 波音澳大利亚公司于 2020 年 2 月完成第一架 忠诚的僚机机身。© 波音澳大利亚公司 即将到来的测试阶段 目前的生产预计，澳大利亚空军订 购的三架无人机将于近期交付。在计划 于 2020 年进行的下一轮测试中，他们 必须证明其在整个概念方面的操作能力： 控制接口、传感器模块、维护计划以及 数据传输和软件稳定的可靠性。 “这对我们国家和澳大利亚的国防 创新来说是一个真正的历史性时刻。”。 Hon. Scott Morrison 议员、澳大利亚总 理。“忠诚的僚机将是探索我们空军未 来保护我们国家及其盟友所需的关键能 力的关键。” 英国皇家空军司令 Mel Hupfeld 表 示，第一架飞机的推出是波音忠诚僚机 项目的一个重要里程碑。 “这个项目是 通过合作实现创新的一个很好的例子， 以及通过与国防工业合作可以实现什 么。” Hupfeld 空军中将说。”这表明 了空军与澳大利亚波音公司以及国防工 业之间关系的重要性。我期待着探索这 架飞机未来可能为我们现有机队带来的 能力。”第一次试飞还将旨在展示飞机 在三架无人机小队陪同下的战术能力， 并将经受各种实验操作场景。此次会议 的目标是强调波音创新对空战的影响。 这些测试飞行的成功将意味着该飞机将 在 2025 投产。 www.boeing.com www.airforce.gov.au 10 专栏：可再生能源 Special Report: Ren