文章摘要

本文依托欧盟 CAELESTIS 航空数字化项目，面向航空发动机出口导向叶片（OGV）轻量化需求，创新融合机器人自动纤维铺放（AFP）、金属增材 PBF、一步法 RTM 共固化工艺，实现碳复材主体 + 3D 打印钛预埋件单模一体成型，省去胶接、铆接二次装配工序。整套工艺形成完整数字化制造链路：机器人激光辅助 AFP 铺制 40 层干碳预制体，钛件经酸刻 + 环氧底涂界面强化，模具内同步置入钛嵌件、铺层与胶膜，低压注射 RTM6 环氧后阶梯升压固化完成共粘结。产线搭载 3D 轮廓扫描仪、红外热成像全流程在线监测，数据接入互通式仿真数字生态（ISE），依托降阶模型实时预判孔隙、浸润缺陷；同时配套工业制造数据安全管控体系。该一体化方案大幅缩短制造周期、降低结构重量，为航空发动机多金属 - 复材混合静子部件量产提供成套自动化工艺方案。

正文

一、核心突破

突破 1：创新尝试 AFP+PBF 钛件一步 RTM 共成型 OGV 完整工程化工艺

传统 OGV 采用金属整体锻造或复材叶片后铆接钛接头，工序冗长、增重且装配分层风险高。本方案将增材钛连接件、AFP 干碳预制体置于同一 RTM 模具，单次注胶固化完成异质材料共粘结共固化，取消二次粘接、机械装配，从源头减少界面缺陷，是发动机静子件一体化制造工程化落地标杆方案。

突破 2：打通设计 - 铺放 - 成型 - 监测一体化数字孪生链路

搭建 CAELESTIS 互通仿真生态（ISE），将 AFP 路径仿真、RTM 充模仿真、在线 3D 点云扫描、红外温度采集数据打通，生产实时数据驱动降阶模型（ROM）预判孔隙、浸润不良，实现 “仿真前置 - 过程监控 - 缺陷预判” 闭环，突破传统制造仿真与产线数据割裂痛点。

突破 3：形成钛 - 碳异质界面标准化成套强化工艺

针对 5 级钛与环氧复材界面脱粘难题，定型成熟处理流程：增材钛件浓硫酸高温刻蚀增粗表面 + HexBond 环氧底涂隔离防腐 + 共固化胶膜夹层三重界面强化，配套完整界面性能验证方案，解决一步成型异质接头粘接失效行业难点。

突破 4：建立航空复材智能制造工业级数据安全框架

面向跨国联合研发多主体数据交互场景，基于 PRESS 准则搭建制造数据安全体系，采用加密传输、RBAC 分级权限、定期风险审计，兼顾 HPC 仿真协同与图纸、工艺参数、检测数据知识产权保护，填补航空数字化产线信息安全落地方案空白。

二、技术创新

创新 1 多工艺协同一步成型制造流水线

钛预埋件制备：金属粉床 PBF 增材成型内外安装接头；
钛界面预处理：60℃ 50% 浓硫酸刻蚀 30min 水洗，空气喷涂 HexBond122 底漆隔绝水汽腐蚀；
AFP 干预制体制备：ABB 六轴机器人搭载 AddComposites XS 铺放头，激光活化 PA12 粘结剂，400mm/s 速度铺制 40 层 Teijin IMS65 碳带，铺后烘箱真空预压实、人工修整窄幅边缘；
模内复合装配：预制体表面铺共固化胶膜，将处理后钛件精准定位放入钢制 RTM 模具；
RTM 一体固化：0.7bar 低压注胶保证充分浸润，升温至 180℃、阶梯升压至 6bar 保压 120min，消除孔隙干斑，一次脱模得到完整 OGV 混合构件。

创新 2 全流程在线多源感知监测系统

3D 激光轮廓仪实时采集 AFP 铺层三维点云，重构预制体数字孪生，记录丝束偏移、厚度波动；
红外热像仪全程监控激光加热温度场，管控粘结剂活化区间，避免过热降解或低温层间分离；
成型数据实时上传 ISE 仿真平台，驱动 RTM 充模、孔隙预测降阶模型，动态修正工艺参数。

创新 3 互通式多学科仿真数字生态（ISE）

整合铺放路径仿真、树脂渗透仿真、结构力学多类 CAE 工具，搭配高性能计算 HPC 与机器学习代理模型，跨企业分布式团队共享标准化数据流，支持 OGV 多学科优化、不确定性量化，实现设计可制造性前置校验，大幅迭代周期。

创新 4 航空制造专用数据安全管控技术体系

遵循 ENISA、ECSO 行业规范，核心管控措施：HTTPS/SSH 加密传输、密钥身份认证、基于角色 RBAC 分级访问；仿真模型、工艺参数、检测数据分类加密存储；建立 3 个月周期风险监控与事件上报机制，保障跨国航空项目知识产权与制造敏感数据安全。

三、应用场景

航空涡扇发动机静子部件（核心场景）

风扇后出口导向叶片 OGV、各级整流静子，替代钢制构件减重显著，一步成型省去装配工序，适配商用 / 军机中小型发动机量产与样机试制。

航空混合金属 - 复材承力结构

机身、翼盒钛预埋复材加强框、发动机舱混合承载件，采用 AFP 预制 + 一步 RTM 共固化方案，减少铆接 / 胶接界面分层隐患。

燃气轮机中小型轻量化静叶片

工业燃气轮机低温段导向件，碳复材主体 + 金属安装座一体成型，提升设备能效、降低整机重量。

航空预研数字化试制产线

跨国联合航空研发项目，可复用 ISE 互通仿真生态与数据安全框架，实现多机构协同设计、在线过程监测、数字孪生追溯。

航天运载器多材料复合支架

卫星、火箭舱体钛接头碳复材支撑结构，小批量试制无需多套工装，一步成型缩短验证周期。

四、文章总结

（一）核心研究成果

完成AFP 干预制 + 3D 打印钛件一步 RTM 共固化发动机 OGV 全流程工程验证，单模具实现复材与金属嵌件同步成型，取消二次装配，减重、提质、缩短工序；
定型 “酸刻 + 底涂 + 共固化胶膜” 三重钛碳界面强化工艺，有效抑制异质界面腐蚀与脱粘失效；
构建设计 - 铺放 - 成型 - 在线监测互通数字仿真生态，产线实时数据驱动缺陷预判，实现数字化闭环制造；
落地航空智能制造数据安全完整方案，解决多合作主体工艺数据、仿真模型知识产权交互风险。

（二）工程应用价值

传统金属 OGV 重量大，复材分体装配工艺缺陷多、认证成本高；本文提供成套可落地一体化制造工艺，兼顾自动化铺放高精度与 RTM 低孔隙优势，适配航空发动机轻量化升级。同时配套完整数字化与数据安全体系，可直接用于航空复材智能产线规划、样机试制工艺文件编制。

（三）当前工艺局限

OGV 窄幅区域铺放后仍需人工修剪纤维，无法全自动裁边，降低产线节拍；
依赖共固化胶膜提升界面结合，增加物料与操作成本；
仅完成样件试制，未开展高低温循环、疲劳耐久界面老化验证。

（四）未来优化方向

升级 AFP 铺放头搭载动态激光裁边模块，实现全自动化预制体制备，取消人工修整；
研发钛表面激光微织构替代胶膜方案，省去辅助胶层，简化工艺流程；
开展湿热、热循环、疲劳界面耐久试验，完善异质接头寿命数据库；
扩大工艺适用范围，推广至多级发动机静子、舱体混合复材构件批量产线。

（五）行业启示

航空发动机低温静子部件轻量化最优路线是干纤维 AFP 预制 + 一步 RTM 多材料共成型；异质金属 - 复材一体化制造不能仅依赖成型工艺，必须配套标准化表面界面处理与数字化过程监控。随着航空数字化协同研发普及，兼顾仿真互通与数据安全的工业生态将成为高端复材产线标配，一体化共固化工艺有望逐步替代传统分体装配方案。

图文导读

图1. caelestis概念。先进数字技术（如AFP和RTM）在航空航天制造领域的日益广泛应用，为提升效率、精度和可持续性带来了前所未有的机遇。然而，这也带来了数据安全、知识产权保护以及对数字流程信任度方面的新挑战。caelestis引入了网络安全概念，以评估智能仿真环境（ISE）的安全集成与运行能力；该环境支持将端到端（E2E）设计（https://doi.org/10.3390/engproc2026133047Eng. Proc. 2026,133,47 3 of 8）融入制造流程，包括复杂航空航天部件（如发动机出口导叶（OGVs））的生产。