摘要：MORPHO（制造、大修、维修预后健康覆盖）是地平线2020资助的一个研究项目（2021年9月至2025年1月），旨在优化碳纤维增强聚合物（CFRP）航空发动机风扇叶片的制造和生命周期管理。因此，它将通过为下一代多功能复合材料飞机零件推进成本效益高、灵活和生态

MORPHO项目展示了RTM固化周期快20%的叶片，使用基于人工智能的监测来改进维护/生命周期管理，并证明了激光冲击拆卸可回收

MORPHO（制造、大修、维修预后健康覆盖）是地平线2020资助的一个研究项目（2021年9月至2025年1月），旨在优化碳纤维增强聚合物（CFRP）航空发动机风扇叶片的制造和生命周期管理。因此，它将通过为下一代多功能复合材料飞机零件推进成本效益高、灵活和生态的制造、维护和回收工艺，扩大欧洲的工业领先地位。

联盟和目标

MORPHO财团由来自六个国家的10个合作伙伴组成。在法国巴黎国立高等艺术与工艺学院（ENSAM）的领导下，它包括航空发动机制造商赛峰科技公司（法国巴黎）、弗劳恩霍夫国际航空发动机联合会（德国不来梅）、代尔夫特理工大学（荷兰代尔夫特大学）和帕特雷大学（希腊帕特雷），以及传感器供应商Synthesites（希腊比雷埃夫斯）、Comet Group（比利时沙特尔）和FiSens（德国布伦瑞克），以及负责通信和传播的西班牙合作伙伴FEUGA和仿真软件供应商ESI。

ENSAM 180人的PIMM机械与材料工艺与工程（PIMM）实验室主任纳齐姆·梅赫巴尔(Nazih Mechbal)解释说：“我们的目标是定义一种生产多功能（或“智能”）复合风扇叶片的工业工艺，该叶片也是多材料的，因为其前沿是钛。”。“我们想通过嵌入传感器，并通过数据驱动的混合双胞胎和机器学习算法实现生命周期管理，从而赋予它从制造到生命周期结束的认知功能。我们还想开发一种可工业化的拆卸工艺，用于分离和回收钛前缘和复合材料结构。”

MORPHO演示器是一块异物损坏（FOD- ）面板，代表LEAP发动机风扇叶片的一部分

为了证明这一点，MORPHO财团开发了一个异物损伤（FOD- foreign object damage）面板，“代表LEAP发动机的风扇叶片，” 梅赫巴尔说，“并被赛峰集团用来测试所有这些能力。”该项目取得了多项成就，包括：

RTM混合双胞胎

MORPHO项目的混合双胞胎（上图）始于多物理场、数字模型/虚拟双胞胎（下图）

梅赫巴尔说：“数字孪生是指使用数字模型通过模拟创建系统的副本。”。“在混合双胞胎中，我们启用了数字数据和从传感器获得的物理数据之间的对话。为此，我们首先构建了基于物理的RTM过程模拟和有限元（FE）模拟，然后添加了数据驱动的在线学习来创建混合双胞胎。”

虚拟双胞胎。RTM工艺的虚拟双胞胎是一个数字双胞胎，它被开发为一个多物理场模型，包括多个步骤：

梅赫巴尔说：“从这个需要时间和计算能力的完整物理模型中，我们使用适当的一般分解（PGD-proper general decomposition）或任何其他基于物理的简化方法提取一个简化模型。”。“尽管这些简化模型很快，可以在RTM过程中动态运行，但物理数据仍会存在差异。这就是我们使用人工智能的地方，我们只使用它来估计这些差异。因此，我们保留了尽可能多的物理知识，只对模型简化和未建模现象（如噪声、环境条件等）可能产生的差异使用‘盲-blind’方法。”

MORPHO项目FOD面板演示器中Synthesites介电传感器和数据采集单元的物理布局

物理测量。对于混合双胞胎的第二部分，MORPHO在RTM过程中使用了两种传感器。Synthesites的介电分析（DEA-Dielectric analysis）传感器用于过程监测和测量树脂流动前沿。左图描述了设备设置。

正如我在2020年关于Synthesites的博客中解释的那样，DEA已经使用了几十年。对于MORPHO，Synthesites在入口和出口闸门处提供耐用的模内传感器和在线传感器，将数据输入Optiflow和Optimold数据采集单元。Optiflow装置监测树脂到达和温度，并可以识别树脂渗透过程中的生产偏差。Optimold装置使用温度和树脂电阻测量来进行计算和监测树脂的状态，包括混合比、化学老化、粘度、Tg和固化度。然后对数据进行分析，并使用Synthesites的ORS软件在笔记本电脑上显示结果。

MORPHO项目中用于预测固化的固化模拟器

此外，该设置还使用了另一台设备，即固化模拟器。正如我在2022年关于SuCoHS项目的博客中所解释的那样，仅使用一个热电偶，固化模拟器就可以复制RTM模具（或热压罐）内发生的固化过程，并确定复合材料的固化水平，以确定其固化点。正如荷兰皇家航空航天中心（NLR，Marknesse）的高级研发工程师兼SuCoHS项目经理Wilco Gerrits所解释的那样，“这使得当热压罐满足您的固化要求时，可以结束热压罐过程，而不是为了安全起见而将其在温度下额外保持半小时。”

梅赫巴尔说：“但我们也研究了将带有FiSens FBG-fiber Bragg grating（光纤布拉格光栅）传感器的光纤放入3D编织复合材料预制棒中的过程。”。“我们使用手动方法作为概念验证，并使用了更自动化的编织过程。因为这是一个3D预成型件，我们只是在那里编织另一根光纤。我们在3D编织预成型件上进行了大量测试，集成FBG传感器没有显著影响。”

光纤布拉格光栅（FBG）传感器被集成到FOD面板中

RTM试验

使用赛峰集团设计的钢制匹配模具组，MORPHO完成了多次RTM试验，开发了一种可重复且坚固的传感器和混合双方法。“例如，我们使用虚拟双胞胎来实时预测预成型件的树脂渗透性等物理参数，” 梅赫巴尔解释道。“我们还从DEA和FBG传感器获得了输入，这些传感器为我们提供了实际的树脂流量，我们可以实时将其与模拟结果进行比较。由于传感器的布局，这包括显示渗透率如何随区域变化。”

在RTM试验期间，MORPHO项目展示了监测树脂注射、预成型件填充和固化的能力

在MATLAB中开发了一个特定的数据采集接口，用于收集所有传感器（光纤/FGB、树脂到达、流量、压力和温度）的数据。梅赫巴尔说，这个接口也连接到混合双胞胎，可以实时预测流动前沿位置和局部材料特性。它还实现了RTM试验和混合双胞胎之间的实时对话，由于并行处理，可以同时处理简化模型和实验测量数据。它还可以在RTM期间离线加载简化模型和传感器/过程数据测量值以进行进一步分析，并且能够读取HDF5文件以及所有原始源文件。

他补充道，愿景是继续推进这项技术，以便RTM工艺可以根据需要在现场进行调整。

使用印刷PZT传感器的SHM

MORPHO项目的最初愿景始终是使用传感器，不仅可以实现更高效的制造过程，还可以在零件使用过程中赋予认知功能，包括结构健康监测（SHM- structural health monitoring）和维护预测能力。梅赫巴尔说：“我们用于优化RTM工艺的传感器也将用于SHM检测撞击等。”。“但为此，我们添加了其他类型的传感器，包括压电（PZT-piezoelectric）传感器，这些传感器打印在FOD面板的表面上。”

尽管用于结构健康监测的光纤光栅在航空航天工业中已达到TRL 8-9，但梅赫巴尔的专业知识是PZT技术。因此，他在ENSAM的团队与MORPHO合作伙伴Fraunhofer IFAM合作，为SHM开发了PZT传感器。“虽然我们知道FBG传感器会提供大量关于应变的信息，并可用于预测结构的剩余寿命，”他解释道，“但我们看到PZT传感器有能力对此进行补充。”

将压电传感器打印到FOD面板上

打印PZT。在FOD面板上使用银导电浆料和压电漆进行丝网印刷，以创建三层传感器，包括顶部电极、135微米厚的压电层和底部电极。梅赫巴尔说：“打印后，零件会进入烤箱以实现偏振。”。这引发了压电效应，使传感器能够将机械应力转化为电信号，反之亦然。对于MORPHO，打印的传感器在100°C下处理30分钟。他补充道：“这是一个很容易实现复合材料风扇叶片工业化的过程。”。“我们也可以在零件上打印电线，但对于MORPHO，我们不想有太多的变量，所以我们只使用了常规的电线和连接器，以降低复杂性。”

PZT传感器测试

对表面印有PZT传感器的FOD面板进行了多项测试，包括：

检测撞击事件损坏、位置和能量水平的测试。请注意，传感器估计的撞击位置确实是实际位置

梅赫巴尔解释说：“使用带有钛和铝前缘的FOD面板，我们证明了我们可以检测到锤子撞击造成的损坏，包括能量的位置和水平。这可以自动完成，因为PZT传感器是一种被动方法。在这种情况下，我们没有发送波，只是根据与飞行时间等参数的相关性进行了监听和应用算法。然后，这些算法给出了FOD面板所受冲击能量的位置与水平。”

代尔夫特理工大学的测试使用了PZT和FBG传感器进行冲击和疲劳（上图），以及兰姆波研究（下图）

测试面板也接受了代尔夫特理工大学进行的疲劳测试。梅赫巴尔指出：“这些面板配备了PZT和FBG传感器。”。“我们使用液压机进行校准冲击，然后用相机记录并收集传感器数据。我们还测试了是否可以使用这些传感器发送和接收兰姆波。”这些已被证明对复合材料层压板损伤的检测和量化是有效的。

上图显示了测量结果，证明印刷PZT传感器可以正确发射和感测兰姆波。

“然后我们测试了一些用于损伤检测的概率方法，” 梅赫巴尔说。“我们从一块原始面板开始，造成了冲击损伤，然后查看它们之间的测量值是否存在差异。我们正在检查结构是否正常。绿色钻石是我们估计损伤位置的地方，周围有黄色的概率场。黑色的十字是我们用传感器检测到的实际损伤。对于这种系统来说，这些结果很好，因为它在传感器放置方面没有得到优化。”

图中绿色为未损坏面板的测试数据，红色为损坏面板，右侧为绿色钻石处的估计损坏位置，黑色十字处有实际影响

他指出：“我们已经开发了一个很好的数据库，记录了这些传感器在各种损伤检测方法下的表现，我们现在正试图与社区分享。”。“这种使用打印PZT传感器进行结构健康监测的技术是结构健康监测领域的一种新范式，它实现了一种更自动化的方法，因为我们可以根据需要快速打印传感器和电线。这种单一的传感器类型不仅可以处理多种功能，而且可以快速且经济地放置我们想要的多个传感器，这样即使我们有一些传感器损坏和丢失的零件，我们也有足够的冗余来始终检测和定位损坏。”

“……我们可以根据需要快速打印传感器和电线……放置尽可能多的传感器既快速又经济，这样即使……一些传感器损坏或丢失，我们也有足够的冗余来始终检测和定位损坏。”

梅赫巴尔说：“打印还可以很容易地将传感器放置在我们可以很容易插入的地方，以便在飞机在地面上时询问零件。”。“例如，飞机停靠在机场，我们只需插上电源，通过发送波浪和进行测量来进行测试。然后，我们可以查看风扇叶片某些区域是否有损坏，或者刚度是否发生变化，以及损坏的程度。然后，我们可以尝试使用算法量化损坏的严重程度。”

拆卸和回收

MORPHO项目的最后一部分涉及拆卸零件以进行回收或再利用。梅赫巴尔说：“我们为FOD面板提出的第一条路线是从复合材料上拆卸钛前缘，并使用嵌入的传感器来监测这一过程。”。

他继续说道：“在ENSAM，我们使用激光冲击拆卸技术进行了拆卸，在那里，高功率激光束产生了一种波，我们将其发送到试样复合材料侧的牺牲层（sacrificial layer）”。在这种情况下，牺牲层是一层薄薄的铝带，粘合在代表FOD面板的八层厚CFRP试样上。“这种设置只是为了证明拆卸是可能的。”

激光冲击拆卸工艺，用于将金属前缘与CFRP层压板分离。请注意，容纳样品的系统有一个入口，允许水流过该区域，以限制等离子体引起的膨胀

梅赫巴尔指出：“我们将样品暴露在激光束下，激光束会产生由温度膨胀（热膨胀）引起的小等离子体波。”。该装置包括使用激光透明材料，如水，来限制膨胀并进一步增加膨胀等离子体引起的压力。这会导致在材料主体中产生压缩冲击波，根据材料的密度和其他参数在内部传播。

“我们证明，我们可以在复合材料的任何层产生分层，”他继续说道，“并通过调整激光参数来控制分层的位置和大小。然后，我们使用这个过程超越了分层，实际上将钛前缘从FOD面板上拆卸下来。我们还测试了铝前缘的FOD面板。方法是一样的——只需要新的校准。”

梅赫巴尔解释了这种参数调整如何在不损坏复合材料的情况下拆卸组件，并补充说，MORPHO项目合作伙伴帕特雷大学也开发了一个很好的有限元模拟，可以预测这一过程如何实现拆卸，包括损坏结果。

实验室规模的测试显示了热解前（a）和热解后（b）的CFRP样品，右侧和底部是回收的碳纤维，显微照片显示了热解后残留的树脂粘附在回收的碳光纤上（左），然后通过氧化去除（右）

分离后，复合材料由比利时MORPHO合作伙伴之一Comet Group加工，该集团使用中试生产线热解树脂并回收纤维。它开发了一种最佳的热解工艺，热解2小时，然后氧化30分钟。这导致再生碳纤维（rCF- recycled carbon fiber ）的机械性能退化限制在10%左右。梅赫巴尔说，这个想法是将其用于汽车或航空内部零件，而不是结构零件。

开放式转子发动机的挑战、成就和可能的应用？

梅赫巴尔说，总体而言，MORPHO项目是成功的，展示了多种技术并取得了进展，尽管存在重大挑战。“RTM过程很容易使用传感器进行监控，但将传感器集成到过程中很困难。将光纤光栅传感器集成到该过程中非常费力，需要进行几项具体的开发和测试。开发用于SHM的打印PZT传感器也是如此，”他指出。“我们花了很多时间开发如何将FBG和PZT传感器集成到SHM过程中。”

他还指出，对于RTM工艺，传感器是在开环中使用的。他说：“我们的愿景是提供一个控制反馈回路来优化过程，但这并不容易做到，需要更多的开发。”。

“打印PZT传感器的过程真正改变了SHM的范式……包括如何优化它们的放置和询问。”

同时，他打印PZT传感器是该项目最大的成就之一。梅赫巴尔说：“打印PZT传感器的过程真正改变了SHM的范式。”。“我已经开发这项技术10年了，包括如何优化它们的放置和询问。现在，打印和使用它们非常容易。这可以在任何结构制造过程结束时完成。”

他继续说道：“对于回收混合复合材料/金属部件，我认为激光拆卸过程开辟了很多可能性。”。“此外，Comet还完成了一项商业研究，以量化热解所需的能量以及从rCF中可能获得的收益。他们的分析表明，对于这些风扇叶片型结构，使用热解进行回收是可行的，可以在其他复合材料中再利用纤维。”

ENSAM和其他MORPHO合作伙伴会继续使用所展示的任何技术吗？梅赫巴尔说：“这是我们在项目开始时的愿景，与赛峰集团当时的优先事项相一致。我们已经为他们提供了RTM工艺混合双胞胎的软件，我们现在正在讨论如何进一步成熟TRL的传感器技术。我们没有对实际的风扇叶片进行任何测试，只对演示面板进行了测试。因此，仍然有必要看看当你在实际的飞行部件中使用这些技术时会发生什么。”

“……如果没有吊舱，叶片会暴露在外，并可能受到大量的FOD影响……即使是很小的影响也会在运行过程中产生很大的后果。例如，它们可以改变旋转的平衡……但我们已经证明，SHM是可能的，可以看到这些损坏事件和结构的变化。”

使用这些传感器来检测损坏确实很有趣，因为空中客车公司倾向于为计划于2035年后投入使用的下一代单通道飞机提供开放式转子发动机。梅赫巴尔说：“我不知道开放式转子是否是未来，但在MORPHO项目开始时，它仍然是赛峰集团的一个优先项目。然而，开放式转子设计带来了挑战，因为没有吊舱，叶片会暴露在外，并可能受到很多FOD的影响。”这种影响可能会给所有CFRP零件带来问题。

然而，对于航空发动机风扇叶片，即使是很小的影响在运行过程中也会产生很大的后果。例如，它们可以改变旋转的平衡，这可能非常严重，梅赫巴尔说。他解释说：“当损坏严重时，你可以看到它。”。“你不需要SHM。但是当你有一个很小的冲击，可能只有外部几乎看不见的损坏时，内部可能会出现分层和/或刚度变化，你看不见。这会改变风扇叶片的旋转。但我们已经证明SHM是可能的，可以看到这些损坏事件和结构的变化。我认为MORPHO拥有先进的技术，将为复合材料创造新的机会和可能性。” ------ 完 ------

原文，《Next-gen fan blades: Hybrid twin RTM, printed sensors,laser shock disassembly》 2025.8.25

杨超凡 2025.8.26

来源：复合材料前沿