《COMPOSITE STRUCTURES》：Performance Evaluation of Thermoplastic Composite Propellers Fabricated using Composite-Based Additive Manufacturing
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研究复合基增材制造（CBAM）技术在无人机螺旋桨制造中的应用，通过非 woven碳/玻璃纤维与PEEK/尼龙-12热塑性粉末制造10×7英寸两叶螺旋桨，分析孔隙率、密度及表面粗糙度对推力与噪音的影响，发现CBAM螺旋桨密度低且表面粗糙度经聚氨酯/聚酯涂层后显著改善，推力提升且噪音降低，验证了CBAM在UAM高性能轻量化螺旋桨制造中的可行性。
Samiul Alam | Juhyeong Lee
机械与航空航天工程，犹他州立大学，洛根，UT 84322，美国
摘要
增材制造（AM）通过实现复杂、轻量化组件的快速生产，彻底改变了城市空中交通（UAM）行业。随着对高性能UAM螺旋桨需求的持续增长，传统的制造方法由于生产时间长、成本高以及性能限制而变得不那么有效。基于材料挤出的AM螺旋桨还存在结构不稳定和空气动力学性能不佳的问题。为了解决这些挑战，本研究探讨了基于复合材料的增材制造（CBAM）技术用于UAM螺旋桨制造，并研究了材料属性和表面粗糙度如何影响不同运行速度下的推力和噪声产生。使用非织造碳纤维和玻璃纤维片材以及PEEK和尼龙-12热塑性粉末制造了一系列10英寸×7英寸的双叶片螺旋桨。应用聚氨酯和聚酯粉末涂层以改善表面光洁度和空气动力学性能。微观结构分析显示，与注塑成型的螺旋桨相比，CBAM螺旋桨具有均匀分布的孔隙率和更低的密度。表面粗糙度测量证实，聚合物涂层有效降低了叶片粗糙度，从而提高了推力并减少了噪声。这些发现证明了CBAM在生产高性能、轻量化UAM复合螺旋桨方面的可行性，并强调了可以进一步提高空气动力学效率的关键后处理策略。
引言
城市空中交通（UAM）是指在都市和郊区环境中使用自主或远程驾驶的飞行器进行乘客和货物运输[1]。目前，UAM被广泛用于基于传感器的数据收集，包括交通和事件监控、工业基础设施维护、建筑信息建模以及紧急医疗服务[2]、[3]、[4]、[5]。UAM的目标是实现直接或无缝的点对点运输，为传统地面交通提供高效的替代方案[6]。典型的UAM系统包括几个集成子系统，如机身、能源存储系统、航空电子设备和控制系统、通信模块以及推进系统[7]。螺旋桨是UAM中最关键的组件之一，作为主要的推进机制，在垂直起飞和降落过程中产生推力。当空气流过螺旋桨叶片时，其前后表面之间会产生压力差，从而产生升力和推力[8]。准确预测螺旋桨推力对于评估UAM系统的空气动力学性能和改善自主飞行控制至关重要。
UAM螺旋桨的推力特性受材料属性、几何设计和表面条件的共同影响[9]、[10]、[11]。几何参数（例如螺距、弦长、扭转分布和攻角）直接影响叶片与周围气流的相互作用[12]。高强度、轻质材料提供了更好的刚度重量比，允许在更高的转速（RPM）下产生更多推力而不会发生结构变形。密度影响螺旋桨的旋转惯性；低密度材料可以降低功耗并同时提高响应时间。材料密度的不均匀分布可能导致螺旋桨不平衡，引起振动和推力下降[13]。螺旋桨的表面光洁度也对空气动力学效率至关重要。不均匀的叶片表面会扰乱气流，导致振动、湍流边界层形成加剧、流动分离提前以及空气动力阻力增加[14]、[15]。这些行为会负面影响推力效率和车辆稳定性，尤其是在高速或精确机动条件下。表面粗糙度还会加剧宽带和音调噪声，主要来源于螺旋桨后缘、尖端涡流和叶片涡流之间的相互作用[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。表面粗糙度与周围气流之间的相互作用也受到螺旋桨转速的影响，进而影响噪声产生。实验结果表明，更高的转速会放大边界层不稳定性以及尖端涡流相互作用，导致更大的宽带和音调噪声水平[21]。微纤维涂层有助于通过平滑叶片表面和减弱尖端和毂涡流的强度来减轻这些效应，从而降低整体噪声水平[22]。鉴于推力效率和噪声特性对螺旋桨物理属性的强烈依赖性，研究用于螺旋桨制造的材料和制造方法变得至关重要。螺旋桨在运行负载下保持其空气动力学轮廓的能力以及抵抗表面退化的能力在很大程度上取决于所选的材料系统和生产技术。因此，引入先进的复合材料和可扩展的制造方法已成为开发创新、高性能UAM推进系统的重点。
UAM复合螺旋桨通常使用热塑性塑料的注塑成型制造，这种方法成本低、制造方便，且具有足够的机械性能，适用于轻量化应用[23]。然而，随着UAM系统的发展，对更高承载能力、更好空气动力学效率和更长使用寿命的需求增加，这些传统材料越来越多地被先进的替代品补充或取代。高性能复合螺旋桨需要先进的制造方法，包括层压、夹层结构、编织或在高压釜或高温烤箱中控制条件下的加工[24]。尽管这些制造方法被广泛使用，但它们在重复性、可扩展性和制造吞吐量方面存在关键限制。这些缺点阻碍了它们在UAM预期的商业规模高吞吐量生产环境中的适用性[25]。这些传统复合螺旋桨制造过程的局限性推动了向增材制造（AM）的转变。在航空航天应用中，AM有助于设计和制造使用传统制造方法难以实现的复杂结构[26]。目前，基于金属的AM仍然是航空领域的主要方法，特别是用于制造高强度、承重部件，如叶片、支架和结构连接器[27]。然而，金属AM过程通常受到高能耗、设备成本和后处理要求的限制。这些限制限制了它们在成本敏感的平台上（如UAM）用于轻量化组件的适用性。这导致了对纤维增强聚合物（FRP）复合材料在AM中使用的兴趣日益增加，尤其是在汽车和航空航天应用中，因为它们可以帮助克服这些限制[28]、[29]、[30]。FRP的优异机械性能有助于提高设计效率，从而在航空航天和汽车应用中改善燃油经济性和整体性能。
基于复合材料的增材制造（CBAM）是制造FRP组件的AM过程中的一个重大进步[31]、[32]、[33]。CBAM由Impossible Objects (IO)开发，是一种基于片材层压的方法。在CBAM中，非织造纤维片材选择性地沉积热塑性粉末，然后堆叠并经过高温压缩以制造纤维增强热塑性组件[34]、[35]、[36]。该技术的特点是生产效率高，每分钟可处理2到25片材，同时提供出色的强度、韧性、耐用性和尺寸稳定性[37]。CBAM工艺已在多个工业领域得到应用，展示了其在需要坚固、轻量化且几何形状复杂的组件应用中替代传统制造方法的潜力[37]、[38]。与典型的基于挤出的AM相比，CBAM制造的部件由于采用了相对较长的纤维（约10-30毫米）增强材料，因此表现出优异的机械性能[37]、[39]。这些改进可能直接有助于提高机械强度和层间强度，所有这些对于优化UAM螺旋桨的推力性能都至关重要[40]、[41]。由于推力产生与螺旋桨的机械属性和密度密切相关，CBAM制造的螺旋桨预计将提供更优越的推力特性、更好的燃油效率和更高的耐用性。
随着UAM行业的不断发展，对轻量化、高性能螺旋桨的需求也在增加。虽然人们已经非常关注UAM飞机的空气动力学设计和控制系统，但UAM螺旋桨的制造和材料开发方面仍缺乏探索。CBAM通过实现强健、轻量化的复合螺旋桨的快速生产以及改进的结构完整性，提供了一个有前景的解决方案。本研究探讨了与材料属性和制造方法相关的UAM螺旋桨性能关系的基本理解。这项研究证明了CBAM生产轻量化、纤维增强热塑性螺旋桨的可行性，并具有可扩展的吞吐量和集成的后处理策略。此外，本研究旨在提供关于材料属性和表面粗糙度对不同运行速度下的性能指标（即推力和噪声产生）影响的实验见解。研究了螺旋桨的微观结构和表面粗糙度及其推力和噪声产生行为，并与几何形状相似的注塑成型商用螺旋桨进行了比较。还评估了聚合物涂层对改善CBAM制造螺旋桨表面光洁度和空气动力学性能的影响。本研究旨在阐明性能控制因素如何随运行速度的变化而变化，以及在不同应用中应如何进行优化。通过结合材料选择、表面处理和性能分析，本研究为下一代UAM推进系统建立了制造-属性-性能关系，填补了先前研究中的关键空白。这项研究旨在为开发可扩展、高效的时间和劳动解决方案以及未来UAM推进系统的设计改进提供基础。
材料
用于螺旋桨制造的非织造碳纤维（CF）和玻璃纤维（GF）片材以及聚醚醚酮（PEEK）和尼龙-12（PA12）热塑性粉末从Impossible Objects (IO)购买[37]。作为基线（对照螺旋桨），从Master Airscrew购买了双叶片玻璃纤维增强（专有）热塑性螺旋桨（GF系列 – 10×7）[42]。CF和GF纤维片材的厚度分别为约17克/平方米和约25克/平方米[37]，平面尺寸为305毫米×305毫米和0.05毫米。
微观结构表征
图7展示了CBAM制造的GF/PA12和CF/PEEK螺旋桨的3D μCT扫描结果以及孔隙率直径和体积分布。全尺寸μCT成像提供了详细的体积信息，使得能够准确测量螺旋桨的实际密度和尺寸精度。从3D扫描（图7a）来看，GF/PA12和CF/PEEK螺旋桨的测量体积分别为16.83立方厘米和16.84立方厘米，而原始CAD模型（图1）的体积为16.76立方厘米。
限制和未来工作
尽管本研究确立了CBAM作为UAM螺旋桨可扩展制造方法的可行性，但当前的制造和涂层应用方法仍存在一些限制。CBAM技术的最新进展，例如CBAM 25平台，其打印速度加快（25片/分钟）和自动零件提取[37]，可以显著减少打印时间，即10个螺旋桨的打印时间从CBAM 2的约3小时缩短到CBAM 25的约13分钟[37]。然而，热
结论
本研究全面调查了增材制造的城市空中交通（UAM）复合螺旋桨的制造-属性-性能关系。使用非织造碳纤维和玻璃纤维片材以及PEEK和尼龙-12热塑性粉末通过基于复合材料的增材制造（CBAM）制造了一系列10英寸×7英寸的双叶片螺旋桨。它们的空气动力学性能与市售的注塑成型玻璃
CRediT作者贡献声明
Samiul Alam：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。Juhyeong Lee：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢Hyundai NGV对这项研究的财务支持。作者还要感谢Weber州立大学Miller高级研究中心的Devin Young博士、Cal Coopman博士、Dae Han Sung博士、Greg Anderson博士以及Utah State University的Bryce Lyon博士在研究中的技术支持。
