预浸料压缩成型满足更高速率的螺旋桨制造

为了满足日益增长的碳纤维复合材料无人机(UAV) 螺旋桨需求，来自捷克布尔诺的Mejzlik Propellers公司新增了模压成型功能，并配备了快速固化环氧预浸料。该工艺将每个螺旋桨的固化周期缩短至 7-10 分钟，而湿法铺层或烘箱固化工艺则需要 8-10 小时。

Mejzlik 是一家专注于生产碳纤维增强聚合物 (CFRP) 无人机螺旋桨的制造商。他们预计未来无人机和城市空中交通(UAM) 市场的需求将不断增长，因此于 2024 年安装了一条新的压缩成型生产线，旨在大幅提高产量以及零件生产的质量和一致性。

预浸料压缩成型，实现更高速率制造

Mejzlik 的预浸料压缩成型生产线经过了大约 3 年的开发，该生产线于 2024 年 1 月上线。

在两年前，公司还没遇到每月需要几百个螺旋桨的客户。如今，有些客户每月、甚至每周就需要几百个螺旋桨，有了这条新生产线，现在Mejzlik 终于能满足这样的需求了。

关于压缩成型工艺，复合材料工程师Michal Grunt解释称主要分为三个步骤：铺层、预制件准备和固化。

步骤1：切割铺层

与湿法铺层类似，Mejzlik先在瑞士阿尔特施泰滕 (Altstätten) 的Zünd 数控切割机上切割预浸料层。公司使用的是增强型快速固化环氧碳纤维预浸料。“我们需要部件能够快速固化，并且能从高温模具中轻松脱模。”Grunt 说。

步骤1.首先在 CNC 切割机上切割干碳纤维或预浸料。

步骤2：预制件准备

根据螺旋桨的设计，机加工车间加工PMI 泡沫芯。每个螺旋桨由上下两个预制件组成，将切割好的预浸料层铺设在 CNC 加工的 PMI 泡沫芯、加强梁或金属轴承（用于连接轮毂或局部加固）上，再放入公司自制的硅胶模具中。

Grunt 解释道：“我们批量铺层同类型的螺旋桨，不会立即固化，因此需要使用单独的预制模具。挑战在于预浸料不能完全粘在模具上。而这就是选择硅胶的原因。”

关于金属与复合材料的组合，Grunt 补充道：“金属和碳纤维的混合存在电化学腐蚀风险。我们精选了航空级铝等材料，并进行特殊表面处理，使其与碳纤维绝缘，避免形成电桥。”

步骤2.根据螺旋桨的设计，在机械车间加工PMI 泡沫芯。

步骤3：真空压实

铺层后，对齐上下两部分，并用真空袋进行压实，以确保各层材料固结、空气完全排出。预制件随后可以直接转移至压机中，或冷冻保存以待使用。

步骤3. 将预制件放置在硅胶模具上，并在真空条件下进行压实。预制件可以直接转移到压机或冷冻保存。 

步骤4：热压固化

将预制件从硅胶模具中取出后，放入安装在三台意大利Meccatronica电动压机上的铝模中，利用专用夹具精确定位。随后模具闭合，在高温高压真空条件下固化。

Grunt 表示：“我们采用两步闭模工艺，精准控制环氧树脂的粘度下降时机，以便更好地固结铺层并排气。”

这些模具是公司三年研发的成果，“我们每一副模具都会做一些优化。最近我们在模具中集成了真空通道，进一步提高了层压质量。”

Mejzlik 使用的快速固化环氧预浸料理论上可实现 3-4 分钟的固化周期，但通常会在 135°C 下固化 7-10 分钟，以获得更好的外观质量和尺寸精度。

“相比之下，湿法层压需要固化 8 小时，烘箱固化为 6-10 小时，而灌注工艺则需 24 小时才能脱模。”Grunt 说。

步骤4.将螺旋桨预制件装入压机内的铝模具中，并在热和压力下固化。

步骤5：脱模与修整

固化完成后，螺旋桨即可脱模（部件仍处于高温状态但因Tg 高而不变形），然后冷却并在内部机加车间进行修整与钻孔。车间配备了来自捷克 Konečný 和美国 Haas 的两台 CNC 机床。

步骤5.经过 7-10分钟的固化周期后，将部件脱模、冷却并修整。

步骤6：质量检测

Mejzlik拥有蔡司 Atos 3D 扫描仪和 Dolphitech 超声成像系统，可根据需要对部件进行外观和内部缺陷检测。此外，公司还配备多台测试台，用于进行超速旋转测试等性能验证。

步骤6.根据需要使用 3D 扫描仪、超声波成像或物理测试台检查零件。

步骤7：最终组装

最终的螺旋桨可以单独发货，也可按客户需求进行预组装后统一交付。

步骤7.将最终的螺旋桨组装在一起，用于下一步的飞机制造。

Mejzlik 如何选择工艺？

Bukvald 解释：“湿法铺层是我们的传统工艺，也拥有大量现成模具。目前大多数螺旋桨仍采用这一工艺。对于尺寸较大、湿法模具无法承受的产品，我们会选择预浸料压缩成型或烘箱固化。在我看来，不久的将来，我们的主力技术将是压缩成型。随着客户需求量增长，我们会引导他们转向这种方式。”

下一步工作

Mejzlik 目前配有三台压机，计划再新增一台，单班产能可达每月 2500 片螺旋桨。公司也正朝着航空航天制造 AS9100 认证和 EASA 设计组织批准（DOA）努力。同时，公司还在开发新一代仿真软件、抗冲击和防结冰技术，以进一步提升无人机螺旋桨的功能性。