【复材资讯】由回收碳纤维增强PPS制造旋翼机检修面板

一种旋翼机检修面板被成功开发出来并通过了飞行试验。这是世界上第一个完全由回收热塑性复合材料制成的部件在航空领域的应用。利用新的回收路线，由该回收热塑性复合材料制成的检修面板更轻且更具成本效益。

检修面板

为了验证一种新的热塑性复合材料回收路线，选中了一种整体得到加强的旋翼机检修面板门，以对其进行详细的设计、测试和实际的飞行试验。整个设计、开发和验证过程遵循传统的“Building Block”方法，所使用的材料是源自工业废料的碳纤增强PPS。该材料来源是为同一旋翼机生产部件时产生的边角废料，因为检修面板门将安装在上面。该方案有助于对回收的检修面板门/废料的可追溯性进行控制。开发这样一种应用，改善了物流及回收热塑性复合材料（TPC）的供需关系。从力学试验中收集的材料数据被用于预测面板的强度和刚性。

为提高部件刚性，改善内部应力分布，采用FEM仿真优化了纵梁设计，同时为验证而选择了关键的设计细节并进行了测试，如在螺栓接头上进行的弯曲试验（这部分被涵盖在一个初步的生产示范中），以及其他集成的设计功能，如厚度过渡和各种类型的加强筋。对示范件的生产，实现了对与设计和可加工性相关的生产限制的测试。最终，面板门设计被成功地生产出来并进行了部件层次上的测试。该专有的再制造工艺包括以下步骤：

1. 将废料粉碎成厘米长的碎片；

2. 同时进行加热和低剪切混合；

3. 在等温模具中模压成型。

这为保持长纤维长度从而在等温模压典型的短节拍时间下达到高力学性能带来了机遇。与目前的碳纤维/环氧树脂手糊解决方案相比，该新的产品更轻，成本效益显著提高，而且由回收材料（纤维和树脂基体）制成。该回收热塑性复合材料制成的检修面板门已成功通过了飞行试验。

TPC-Cycle 回收项目

这项创新是3年半前启动的TPC-Cycle回收项目的一部分。随着热塑性复合材料的生产及应用的增加，产生的废料也随之增多并达到相当的数量。虽然回收热塑性复合材料在理论上被认为是可行的，但在实践中尚未显现。由于这种材料的价值高，再加上法律和环境因素，因此开发专门的热塑性复合材料回收解决方案至关重要。该项目以生产废料为目标，为高端和高产量市场开发了一种回收路线，

目标是，以可承受的成本保持热塑性复合材料的高力学性能，并减少对环境的影响。从废料的收集到粉碎，直到再加工和应用，该项目研究的所有工艺步骤，都是与关注整个价值链和每个工艺步骤的产业合作伙伴合作开发的。该回收解决方案具有循环时间短、净成型制造以及能够生产复杂形状的特点。通过保持长纤维的长度，可以获得高的力学性能。为展示在高价值市场中可能的应用，开发了多个示范件，如一个航空部件。而针对高产量市场，则开发了用于安全鞋的鞋头。该航空示范面板已被安装在旋翼机上试飞过。

价值

新的旋翼机检修门比原先的部件更轻，生产成本显著降低，同时，由于采用了节能工艺和回收材料，因而更具有可持续性。在此应用领域中，减重是一个重要因素，这是使用此类材料的关键动因。减重不仅取决于材料的力学性能，还取决于通过使用纵梁（这是由于这种材料的可加工性）来优化几何刚度的可能性。通过选择纵梁的方向，可以使应力更均匀地分布在产品上，从而减少对材料的使用量，最终减轻重量。与目前的碳纤维/环氧手糊部件相比，这些方案带来了9%的减重效果。

从材料和工艺层面来降低成本还带来了其他的好处。通过对回收材料的再利用，实现了对材料的实质性优化使用，这是因为，当前的废料流通常都被丢弃了。另外，与仅使用原生材料的价值相比，该回收解决方案的所有步骤最大程度地提高了成本效益，因此，这种回收材料制成的部件与其相应的原部件相比，成本大幅降低。通过缩短整个制造周期，所开发的这一回收路线进一步降低了成本。通过采用一种基于等温模具的非热压罐工艺，凭借快速脱模和近净形状生产，节拍时间要比目前的生产明显更短。

对环境的影响

这项创新在不同的层面上带来了共同的利益。正在进行的生命周期分析（LCA）的初步结果表明，与材料、生产和使用阶段相关的CO2排放显著减少，材料在生产过程中得到回收从而避免了被处理掉。此外，由于碳纤维的生产是能源密集型的，这导致CO2和能耗的大量减少。与纤维回收过程不同，聚合物也可回收，从而减少了浪费，无需清洁，用于上浆、重新浸渍纤维。该回收路线包括粉碎、混合和模压成型。粉碎是回收中的工业标准而且能耗低。

在排放分析中没有观察到粉碎过程有灰尘产生。在混合阶段，材料得到有效熔化。模压成型是在等温模具中进行的，这与要求加热和固结循环的（回收利用）过程相比，极大地降低了能耗和节拍时间。当前热固性检修面板的制造包括热压罐步骤，取消这一步骤令能耗和CO2排放大幅减少。采用热塑性复合材料，加工过程中的VOCs排放与热固性复合材料相比可以忽略不计。接近10%的减重令使用阶段节省了燃料。初步的生命周期评价结果表明，能耗和CO2显著减少的主要原因是重量的降低、回收材料的应用以及在非热压罐加工中对等温模具的使用。

目前，生产过程中回收的各种材料都能得到利用，如预浸料和半预浸料，还有厚的固结层压材料。有关报废应用面临的挑战正在调查之中，同时提出了解决废弃污染的方法。由此，热塑性复合材料正在缩小与循环经济的差距。

长远发展

开发的应用及其工艺表明，类似的解决方案对于高端产品也是可行的。由于循环时间短，该工艺还适用于产量大于航空的市场。目前，执行了几项操作来评估用于批量生产的生产工艺。更多详细的成本和环境研究正在进行之中，质量控制和检测也得到了检验。同时，进行了一项可行性研究，看看所采用的方法和该回收路线是否适用于其他航空应用，如非结构件的整流罩、盖子和系统支架。对于这几种类型的部件而言，这种减重降本结果非常有希望做到：

1. 回收热塑性基体材料和纤维（即全材料）；

2. 两位数的成本削减；

3. 大幅减重；

4. 快速的非热压罐工艺：几分钟的节拍时间；

5. 复杂结构的净形状生产。

文章来源：PT塑料网

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