eVTOL螺旋桨的制造和规模化生产尝试

尽管Joby目前已经在俄亥俄州工厂开始了第一个符合要求的螺旋桨叶片制造，但是关于可持续的生产制造能力探索从未停止。

 

为制造螺旋桨蒙皮和C-channel子组件采用了两种互补的制造工艺。NASA艾姆斯研究中心的高率复合材料制造设施（AHRCM）与Joby Aviation（加州圣克鲁兹）的螺旋桨压缩模具协同工作，成功制备出具有代表性的电动垂直起降（eVTOL）螺旋桨蒙皮。与此同时，NASA格伦研究中心的高压灭菌器则用于制造座椅组件所需的C-channel子组件。通过选取这两种组件充分展现了混合亚麻编织PA-11复合材料体系在不同几何结构和制造工艺中的通用性，重点验证了其可制造性、可重复性和规模化生产能力。

 

螺旋桨蒙皮的制造工艺，AHRCM 采用了一条由Cannon公司（意大利米兰）提供的预成型生产线来制造螺旋桨蒙皮。尽管该生产线具备自动化堆垛预热、物料转移、铺料及样本移除功能，但实际仅使用了加热压机组件。该压机配备由Joby Aviation公司提供的上下螺旋桨模具。

 

—用于制造螺旋桨的 AHRCM 预成型线，配备加热压机

 

用于压缩模制造的底部螺旋桨蒙皮模具

 

亚麻层直接铺设于压缩模具上

 

在制造前，上下模具均充分涂覆了基于聚四氟乙烯（PTFE）的脱模剂。所有试验中，将四层编织亚麻/PA-11预成型件沿螺旋桨叶片长度方向以相同方向铺放，并采用主轴向牵引方式。随后关闭压机，将模具预热至170至200℃，具体取决于试验设计。

 

在首次试验中，预制板直接铺设于螺旋桨模具上，如上图显示，使用手持温度探头测得模具中心温度为170°C后，关闭模具并使材料预热约40分钟，直至模具中心温度达到190°C.压力被提升至486 kN（基于模具尺寸52×14英寸计算为150psi），并保持20分钟。压制完成后，由于先前设置导致压力机自动开启，致使复合材料层发生分层现象。再次关闭压力装置，并施加700 kN（216 psi）的压力，同时系统逐渐冷却至100℃并保持该压力。

 

同时维持压力冷却后，复合材料粘附于模具表面，导致压机无法开启。随后将压机重新加热至150℃用于软化树脂，使上下板材得以分离。复合材料层粘附在模具顶部，导致螺旋桨不同区域受损（下图）。取出后如图下图所示，所得复合材料呈现脆性、破损且严重炭化现象，这很可能是由于在压力机中长时间浸泡所致。

 

首次制造试验结果，其中层压板直接铺设于压缩模具上。(a) 加工后材料粘附于压缩模具顶部。(b) 从模具取出后炭化复合材料

 

脱模涂层聚酰亚胺离型衬垫之间的复合层压结构

 

根据首次试验结果，采用涂覆脱模剂的聚酰亚胺薄膜作为脱模衬垫，以确保复合材料不粘附于压机表面。当中心温度达到200℃时°如下图所示，将涂覆聚酰亚胺薄膜及层压板放入模具中，进行约5分钟预热。随后将压力提升至986 kN（304 psi）。保持该压力状态20分钟后，复合材料在压力下自然冷却，待温度探头读数达到100℃时开启压力机。

 

第二次试验采用的工艺流程成功制备出结构稳固的复合材料螺旋桨，如上图所示。当从模具和脱模衬垫中取出时，发现面板右上角存在固化不均匀现象。下图清晰展示了树脂积聚区域、气孔结构以及干纤维残留情况。

第二次试验螺旋桨蒙皮从模具及聚酰亚胺衬垫中取出后的状态。(a)俯视图，(b)右上角局部放大图，显示树脂渗透不均及干纤维残留

 

基于这些检测结果，后续试验沿用了相似工艺方案，并通过细微调整优化右上角固化效果。改进措施包括：采用橡胶垫片（下图）增强模具顶部角落的压紧力，以及添加PA-11树脂片材以提升纤维润湿性。各次试验的具体参数详见表I。经过八次制造试验，最终成功生产出六组螺旋桨蒙皮。

用于均匀分布模具压力的橡胶嵌件间隙填充物

 

制造演示成功实现了天然纤维复合材料（NFC）向大规模商用部件的规模化生产。在本次制造演示中成功制备了六片螺旋桨蒙皮和三个C-channel通道子组件。编织亚麻/聚酰胺-11预成型件经验证，与商用航空航天生产中常规采用的高压釜成型和压缩模塑工艺均具有兼容性。为将这些新材料全面应用于AAM领域，并明确其最佳应用场景，仍需开展进一步表征分析、开发及测试。尽管如此，这项初步研究已证实NFC规模化生产的可行性，为将这些可持续复合材料替代方案引入实际应用奠定了关键基础。