创新的热塑性复合材料修复技术：FlexIn Heat能在足够高的温度下将复合材料的修复补片应用到高性能的热塑性航空结构上。目前，这项技术已被用于热固性和热塑性复合材料的修复和制造中（图片来自Msquare GmbH）

将热塑性复合材料用于大型商用飞机结构的一大挑战是，当结构破损时，很难对复合材料进行修复。为了将修复补片应用到部件的破损部位，必须使用热粘接机或类似的设备来提供恰当的热量、压力和真空并进行控制，以确保补片固化到层压结构上。

(资料图)

采用高性能热塑性塑料如PEEK、PEKK和PAEK时，则更具挑战性，因为这类材料的修复通常需要高达几百摄氏度的温度，许多修复系统尚不具备这种能力。

对此，位于德国斯图加特的Msquare公司提供了一种解决方案：一种基于电磁感应的柔性加热毯系统能够在高温下修复这类部件。

Msquare的技术基础始于德国航空航天中心2015年的一个研究项目，该项目由Markus Kaden和Marvin Schneider负责。Msquare公司的销售Sonja Geenen对此解释说：“当时，他们正在寻找一种可以完全修复高性能材料如PEEK和PEKK部件的加热解决方案，但在市场上，他们没能找到能够在此高温下应用的加热毯或移动解决方案。”

Kaden和Schneider提出了利用电磁感应的想法并为此申请了专利，即在一个能加热到400℃的柔性加热毯中，通过电磁场来使导电感应材料产生热量。为实现这项技术的商业化，Kaden和Schneider于2018年成立了Msquare公司。目前这项技术名为FlexIn Heat。

FlexIn Heat：基于感应的灵活的复合材料部件修复

FlexIn Heat系统由多个部分组成。Msquare的Red300 是一种移动的热粘接机和控制器，能与热电偶传感器和日志数据进行数字化连接，即它是一个电线连接的订制设计的3层产品，包括：一个内置感应线圈的硅加热毯、一个隔热层和一个导电金属片，也叫感应器。通过订制的纤维铺放（TFP），将这3层缝合在一起，从而获得一个大约2mm厚的产品。

FlexIn Heat 系统。Red300热粘接机产生电流，将电流引入感应毯中，即可创造出电磁场，电磁场使导电感应材料产生热，然后加热的毯子令修复补片粘接到复合材料部件上，或者在制造过程中令部件固化（图片来自Msquare GmbH）

Geenen解释说：“这种感应系统不直接产生热，而是产生电磁场。当导电材料进入电磁场时即产生热量，并在感应器内形成涡流，这几乎能在瞬间就产生非常高的温度（高达400℃），而且非常均匀。”

感应器可以是任何金属，不管磁性如何，甚至可以是碳纤维，虽然碳纤维的导电性不如金属。“加热还取决于所要加热的碳纤维复合材料的类型，比如，如果复合材料采用的是单向纤维，那么感应加热的效果就会比采用机织物的复合材料要弱一些，因为只有当材料中拥有大量的纤维交叉时才能获得真正好的加热效果。”她说道。

Msquare公司已经在实验室中对一系列的材料进行了加热研究，这使其积累了一些经验：对于不同的材料，如何才能有效加热？以及能够获得怎样的感应加热效果？“厚度、纤维取向和许多其他参数都会影响部件的加热方式，这让事情变得非常复杂。”Geenen 说道，“因此，我们鼓励感兴趣的公司先将材料样品送给我们，以便在公司的实验室中对这些材料进行测试，找出最佳参数，如热率效应和局限性。”

除了要达到热塑性塑料修复所需的温度外，该解决方案还确保了精确的局部加热。因为毯子本身没有被加热，只有感应器被加热，所以可以把感应器切割成仅需加热的修复部位的形状。

灵活的加热：Msquare的技术可以订制设计，以使用各种所需的形状（图片来自Msquare GmbH）

传统的加热毯通常还存在散热问题，也就是说，在形状复杂的部件上，热量可能会流入部件较深的曲面或凹陷处，从而令一些部位的温度高于或者低于所需的温度。“我们的感应加热技术通过在感应器中提供极高的热容量避免了这种情况，这样就能始终保持高温，并给部件表面带来足够的温度。”Geenen解释道，“所以，即使有热量进入深层结构，也能确保表面获得所需的温度。”

Msquare还开发了用于热粘接机和控制单元的软件。Geenen介绍说：“我们拥有来自空客和其他客户的大量信息，多年来他们一直使用此类设备。他们告诉我们哪些功能是重要的，这使我们在软件中实现了这些功能。”

这些功能包括针对特定的加热升温进行编程，如果需要，还可以采用多个加热阶段，或者控制冷却过程——在冷却过程中，加热毯可处于加热状态，以使温度逐渐下降，或者可以用冷却管来冷却感应线圈，这种控制水平对于热塑性复合材料而言尤为重要，它使用户可以确定：这只是再成形所需的部位，而且能充分控制材料的成形和再凝固。

Geenen补充说：“你可以拥有很多不同的控制选项，最多可以控制16个温度传感器。你可以用所有这些传感器的平均值来进行控制，或者可以使用来自特定传感器的数据。”虽然热电偶是目前使用的传感器类型，但整个产品是按照每个项目订制的，因此可以根据需要考虑替代的传感器选项。

数据输出到一个可以导入到 Excel 的CSV文件中，用户还会收到一个图表，它详细描述了这一过程的温度分布情况。由于可以连接到智能手机、平板电脑或笔记本电脑上，所以如果需要，还可以远程控制和监控这一过程。

除了感应热粘接机和加热毯系统外，Msquare 还提供电阻式空气加热系统，它们也被用于修补或固化热固性或热塑性复合材料，只是在较低的温度下使用——电阻式加热毯的最高温度是180℃，热空气加热的最高温度是200℃。如果要处理的形状很复杂，则使用热空气加热，如有困难就使用加热毯。

自2018年上市以来，FlexIn Heat 已被用于多个航空复合材料修复项目中，包括空客的项目。“我们于2019年被空客的BizLab业务孵化器（面向新兴公司）选中，在此，我们花了很多时间来为特殊的空客用例开发解决方案。”她说道。对于热固性应用，FlexIn Heat的主要好处是，通过局部加热，能够非常精确地加热到各个形状。“你也可以用一个加热毯在一个固化周期内修复好很多小的破损点。”

Geenen表示，到目前为止，人们对使用FlexIn Heat来加热模具表现出了极大的兴趣。为了在生产过程中固化部件，可以将感应加热的感应器嵌入到压机模具中，而不是硅胶毯中。在这种情况下，可以采用可控的方式快速加热和冷却感应器，这有助于缩短循环时间。

随着越来越多的热塑性复合材料飞机结构走出研发并起飞，Msquare 预计，维修和制造对感应加热的需求将继续增长。

持续的研发：RETPAIR清洁天空2项目

该公司正在商业销售其装置，同时还在开展正在进行的研发工作，以推动热塑性复合材料修复技术的进步，满足当前和未来的需要。一个例子是清洁天空计划RETPAIR项目，该项目符合Msquare的目标：旨在为开发用于高性能热塑性塑料如PEEK、PEKK和PAEK的自动化柔性维修解决方案提供帮助。

数字化、数据驱动的修复。Msquare的Red300热粘接机可以通过加热毯中的热电偶传感器连接到智能手机或计算机上来存储数据（图片来自Msquare GmbH）

该项目的时间跨度是2021年1月到2023年7月，由西班牙的AIMEN Centro Tecnológico研究所负责协调，合作伙伴包括Msquare 和西班牙CT Engineering Group。总体目标是，为飞机机身制造生产线、航空公司或者保养、维修和大修设施（MRO）等提供适合的维修解决方案。

目前，RETPAIR项目正在研究将一个预制的柔性补片感应焊接到结构上，或者采用增材制造如熔丝制造（FFF）3D打印、自动铺带（ATL）或自动纤维铺放（AFP）等技术，在原位逐层创建补片。无论是哪种方法，该团队都强调了灵活性、可控性、数字化和自动化。

标签： 热塑性复合材料 修复补片 飞机结构