HESTIA 项目：推进热塑性复合材料机身技术，助力零排放飞机研发

弗劳恩霍夫铸造、复合材料与加工研究所（IGCV）、弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所（IFAM）与弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所（IWS）参与了为期三年（2023—2026）的赫斯提亚（HESTIA）项目：面向未来零排放飞机的热塑性纤维增强复合材料超高效可持续机身壳体。该合作研究项目由德国联邦经济事务与气候行动部（BMWK）资助，致力于为新一代气候中和飞机开发轻量化、资源高效型机身壳体技术。 

作为六个互联合作项目之一，赫斯提亚项目旨在开发热塑性复合材料（TPC）机身结构，以抵消新型零排放推进系统带来的额外重量。通过降低结构重量并提高制造效率，项目旨在支持更可持续的飞机生产与运行。项目开发的技术将支持可规模化制造。

项目合作方指出，正在开发的激光制造方法也可适配航空航天以外其他工业领域的复合材料半成品与零部件。项目中，合作单位包括：空客运营有限公司（项目牵头单位）、空客结构件公司、希尔康普有限公司、德国航空航天中心、莱布尼茨复合材料研究所。

弗劳恩霍夫IWS重点推进三大核心研究方向：自动化加工、多功能复合材料集成；弗劳恩霍夫IGCV与IFAM则专注于其他研究主题，为赫斯提亚整体项目提供部分支撑。例如，IFAM负责开发玻璃态聚合物（vitrimers），IGCV则参与激光波长影响的对比研究。上述工作均为气候中和飞机提供创新解决方案，重点围绕制造技术与材料效率。

连续连接工艺、自动纤维铺放与玻璃态聚合物项目的一个重点是进一步开发连续连接（CONTIjoin）工艺，用于热塑性多向层压板半成品的连接。该工艺已在清洁航空MFFD项目的机身上下壳体右侧连接中得到验证，目前正适配更多材料体系，包括各类单向（UD）胶带以及玻璃态聚合物。此类聚合物兼具热固性材料的交联特性与热塑性材料的可再加热、再成型、可回收特性。

含碳纤维的LM-PAEK红外光谱显示二氧化碳激光吸收特性 含与不含碳纤维增强的高性能热塑性聚合物红外光谱显示，基体聚合物在二极管激光波长下吸收较低，在二氧化碳激光波长下吸收较高。

与主要依靠碳纤维吸收固体激光器或二极管激光的传统铺放系统不同，连续连接工艺采用可直接被聚合物基体吸收的二氧化碳激光辐射。据称，这可在连接过程中实现更优的热过程控制。

成型性与集成式雷电防护系统赫斯提亚项目研究人员同时探索纤维增强复合材料半成品的新型穿孔方法。穿孔用于局部中断碳纤维增强，以提升自动纤维铺放（AFP）与热成型过程中的成型性。现有机械穿孔方法易造成显著的刀具磨损，因此研究方向转向非接触式激光替代方案。

胶带测试表明铜网格涂层与碳纤维/热塑性基体的结合性能 胶带测试验证网格状铜涂层在碳纤维/热塑性基体上具有优异结合力。

第三个研究方向面向集成式雷电防护系统（LSP）的电连续性。项目正在开发一套自动化工艺链，可实现机身连接部位或修复区域铜网层不连续处的电桥接。在对热塑性复合材料进行激光表面功能化后，采用热喷涂工艺施加导电铜层，并将其构造为与传统雷电防护网材料类似的网格结构。 

莱布尼茨复合材料研究所的回收碳纤维窗框另一家合作单位是莱布尼茨复合材料研究所（IVW，凯撒斯劳滕），即凯撒斯劳滕工业大学下属非营利复合材料研究所。该所正使用回收碳纤维（rCF）热塑性复合材料，面向飞机窗框开展材料与能源高效化制造研究（项目资助号：20W2203E）。研究充分利用短切纤维的特性，以最优发挥窗框结构的力学性能。该创新材料的应用在飞机零部件生产中具备显著的二氧化碳减排潜力，同时提升材料效率与轻量化水平。

窗框的原材料为短切纤维纱线，由聚芳醚酮（PAEK）长丝与长度大于50毫米的回收碳纤维组成。莱布尼茨复合材料研究所通过自主研发的浸渍与拉伸单元将其制成带材，最终得到密实化的回收碳纤维带材，内部含定向、非连续增强纤维。该微观结构可通过纤维滑移实现无波纹铺放，即使制造窗框等复杂曲面几何构件亦可实现，同时沿曲面载荷路径定向可最大化结构效率。

热塑性复合材料窗框的优化纤维取向建模面向热塑性复合材料（TPC）飞机窗框的拓扑优化纤维取向建模。 

随后可通过包覆成型对承载结构进行功能化，确保外部载荷向结构嵌件的最优传递。这不仅可提升载荷分布，还能显著提升整体结构的耐久性与可靠性。项目采用有限元建模（FEM）优化纤维路径与力传导几何形状，随后制造窗框原型并开展物理测试，以验证仿真与设计结果。其合作单位包括：空客运营有限公司、德国航空航天中心、弗劳恩霍夫应用研究促进协会、空客结构件有限公司、奥尔巴尼国际公司。

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