Msquare公司的FlexIn Heat技術為高溫熱塑性複合材料結構提供了創新的修複方案。

創新的熱塑性複合材料修複技術：FlexIn Heat能在足夠高的溫度下将複合材料的修複補片應用到高性能的熱塑性航空結構上。目前，這項技術已被用于熱固性和熱塑性複合材料的修複和制造中（圖片來自Msquare GmbH）

将熱塑性複合材料用于大型商用飛機結構的一大挑戰是，當結構破損時，很難對複合材料進行修複。為了将修複補片應用到部件的破損部位，必須使用熱粘接機或類似的設備來提供恰當的熱量、壓力和真空并進行控制，以确保補片固化到層壓結構上。

采用高性能熱塑性塑料如PEEK、PEKK和PAEK時，則更具挑戰性，因為這類材料的修複通常需要高達幾百攝氏度的溫度，許多修複系統尚不具備這種能力。

對此，位于德國斯圖加特的Msquare公司提供了一種解決方案：一種基于電磁感應的柔性加熱毯系統能夠在高溫下修複這類部件。

Msquare的技術基礎始于德國航空航天中心2015年的一個研究項目，該項目由Markus Kaden和Marvin Schneider負責。Msquare公司的銷售Sonja Geenen對此解釋說：“當時，他們正在尋找一種可以完全修複高性能材料如PEEK和PEKK部件的加熱解決方案，但在市場上，他們沒能找到能夠在此高溫下應用的加熱毯或移動解決方案。”

Kaden和Schneider提出了利用電磁感應的想法并為此申請了專利，即在一個能加熱到400℃的柔性加熱毯中，通過電磁場來使導電感應材料産生熱量。為實現這項技術的商業化，Kaden和Schneider于2018年成立了Msquare公司。目前這項技術名為FlexIn Heat。

FlexIn Heat：基于感應的靈活的複合材料部件修複

FlexIn Heat系統由多個部分組成。Msquare的Red300 是一種移動的熱粘接機和控制器，能與熱電偶傳感器和日志數據進行數字化連接，即它是一個電線連接的訂制設計的3層産品，包括：一個内置感應線圈的矽加熱毯、一個隔熱層和一個導電金屬片，也叫感應器。通過訂制的纖維鋪放（TFP），将這3層縫合在一起，從而獲得一個大約2mm厚的産品。

FlexIn Heat 系統。Red300熱粘接機産生電流，将電流引入感應毯中，即可創造出電磁場，電磁場使導電感應材料産生熱，然後加熱的毯子令修複補片粘接到複合材料部件上，或者在制造過程中令部件固化（圖片來自Msquare GmbH）

Geenen解釋說：“這種感應系統不直接産生熱，而是産生電磁場。當導電材料進入電磁場時即産生熱量，并在感應器内形成渦流，這幾乎能在瞬間就産生非常高的溫度（高達400℃），而且非常均勻。”

感應器可以是任何金屬，不管磁性如何，甚至可以是碳纖維，雖然碳纖維的導電性不如金屬。“加熱還取決于所要加熱的碳纖維複合材料的類型，比如，如果複合材料采用的是單向纖維，那麼感應加熱的效果就會比采用機織物的複合材料要弱一些，因為隻有當材料中擁有大量的纖維交叉時才能獲得真正好的加熱效果。”她說道。

Msquare公司已經在實驗室中對一系列的材料進行了加熱研究，這使其積累了一些經驗：對于不同的材料，如何才能有效加熱？以及能夠獲得怎樣的感應加熱效果？“厚度、纖維取向和許多其他參數都會影響部件的加熱方式，這讓事情變得非常複雜。”Geenen 說道，“因此，我們鼓勵感興趣的公司先将材料樣品送給我們，以便在公司的實驗室中對這些材料進行測試，找出最佳參數，如熱率效應和局限性。”

除了要達到熱塑性塑料修複所需的溫度外，該解決方案還确保了精确的局部加熱。因為毯子本身沒有被加熱，隻有感應器被加熱，所以可以把感應器切割成僅需加熱的修複部位的形狀。

靈活的加熱：Msquare的技術可以訂制設計，以使用各種所需的形狀（圖片來自Msquare GmbH）

傳統的加熱毯通常還存在散熱問題，也就是說，在形狀複雜的部件上，熱量可能會流入部件較深的曲面或凹陷處，從而令一些部位的溫度高于或者低于所需的溫度。“我們的感應加熱技術通過在感應器中提供極高的熱容量避免了這種情況，這樣就能始終保持高溫，并給部件表面帶來足夠的溫度。”Geenen解釋道，“所以，即使有熱量進入深層結構，也能确保表面獲得所需的溫度。”

Msquare還開發了用于熱粘接機和控制單元的軟件。Geenen介紹說：“我們擁有來自空客和其他客戶的大量信息，多年來他們一直使用此類設備。他們告訴我們哪些功能是重要的，這使我們在軟件中實現了這些功能。”

這些功能包括針對特定的加熱升溫進行編程，如果需要，還可以采用多個加熱階段，或者控制冷卻過程——在冷卻過程中，加熱毯可處于加熱狀态，以使溫度逐漸下降，或者可以用冷卻管來冷卻感應線圈，這種控制水平對于熱塑性複合材料而言尤為重要，它使用戶可以确定：這隻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補充說：“你可以擁有很多不同的控制選項，最多可以控制16個溫度傳感器。你可以用所有這些傳感器的平均值來進行控制，或者可以使用來自特定傳感器的數據。”雖然熱電偶是目前使用的傳感器類型，但整個産品是按照每個項目訂制的，因此可以根據需要考慮替代的傳感器選項。

數據輸出到一個可以導入到 Excel 的CSV文件中，用戶還會收到一個圖表，它詳細描述了這一過程的溫度分布情況。由于可以連接到智能手機、平闆電腦或筆記本電腦上，所以如果需要，還可以遠程控制和監控這一過程。

除了感應熱粘接機和加熱毯系統外，Msquare 還提供電阻式空氣加熱系統，它們也被用于修補或固化熱固性或熱塑性複合材料，隻是在較低的溫度下使用——電阻式加熱毯的最高溫度是180℃，熱空氣加熱的最高溫度是200℃。如果要處理的形狀很複雜，則使用熱空氣加熱，如有困難就使用加熱毯。

自2018年上市以來，FlexIn Heat 已被用于多個航空複合材料修複項目中，包括空客的項目。“我們于2019年被空客的BizLab業務孵化器（面向新興公司）選中，在此，我們花了很多時間來為特殊的空客用例開發解決方案。”她說道。對于熱固性應用，FlexIn Heat的主要好處是，通過局部加熱，能夠非常精确地加熱到各個形狀。“你也可以用一個加熱毯在一個固化周期内修複好很多小的破損點。”

Geenen表示，到目前為止，人們對使用FlexIn Heat來加熱模具表現出了極大的興趣。為了在生産過程中固化部件，可以将感應加熱的感應器嵌入到壓機模具中，而不是矽膠毯中。在這種情況下，可以采用可控的方式快速加熱和冷卻感應器，這有助于縮短循環時間。

随着越來越多的熱塑性複合材料飛機結構走出研發并起飛，Msquare 預計，維修和制造對感應加熱的需求将繼續增長。

持續的研發：RETPAIR清潔天空2項目

該公司正在商業銷售其裝置，同時還在開展正在進行的研發工作，以推動熱塑性複合材料修複技術的進步，滿足當前和未來的需要。一個例子是清潔天空計劃RETPAIR項目，該項目符合Msquare的目标：旨在為開發用于高性能熱塑性塑料如PEEK、PEKK和PAEK的自動化柔性維修解決方案提供幫助。

數字化、數據驅動的修複。Msquare的Red300熱粘接機可以通過加熱毯中的熱電偶傳感器連接到智能手機或計算機上來存儲數據（圖片來自Msquare GmbH）

該項目的時間跨度是2021年1月到2023年7月，由西班牙的AIMEN Centro Tecnológico研究所負責協調，合作夥伴包括Msquare 和西班牙CT Engineering Group。總體目标是，為飛機機身制造生産線、航空公司或者保養、維修和大修設施（MRO）等提供适合的維修解決方案。

目前，RETPAIR項目正在研究将一個預制的柔性補片感應焊接到結構上，或者采用增材制造如熔絲制造（FFF）3D打印、自動鋪帶（ATL）或自動纖維鋪放（AFP）等技術，在原位逐層創建補片。無論是哪種方法，該團隊都強調了靈活性、可控性、數字化和自動化。

編譯自CompositesWorld

作者：HANNAH MASON

責任編輯：文二霞

審核人：龔淑娟

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