在航空装备制造向 “轻量化、一体化、高效化” 深度转型的背景下，机身壁板作为飞机的核心承力与围护部件，其制造工艺直接决定整机的结构性能、生产周期与制造成本。传统机身壁板制造采用 “自动铺丝（AFP）+ 热压罐固化” 的热固性复合材料工艺，存在成型周期长、设备投资大、复杂结构成型难等痛点；单一熔融沉积（FDM）增材工艺虽具备柔性成型优势，但连续纤维增强不足，难以满足机身壁板的高强度要求。热塑性复合材料混合增材工艺通过 “自动铺丝（AFP）连续纤维增强 + 熔融沉积（FDM）局部功能成型” 的协同创新，结合热塑性树脂 “加热熔融、冷却固化” 的可逆特性，实现机身壁板 “结构 - 功能” 一体化高效制造，大幅提升生产效率与产品性能，为航空复材部件的规模化量产提供核心技术支撑。
一、机身壁板制造的核心需求与传统工艺瓶颈
机身壁板需同时满足 “超高比强度、高尺寸精度、复杂结构适配、短周期量产” 四大核心要求：作为承力部件，需承受气动载荷、起降冲击与机身扭转载荷，要求材料拉伸强度≥1500MPa、抗疲劳寿命≥10⁷次循环；作为围护部件，需具备优异的气动外形，尺寸精度误差≤±0.2mm；新一代飞机壁板还需集成筋条、预埋件、传感器安装槽等复杂结构，实现 “壁板 - 加强筋 - 功能接口” 一体化成型；同时，航空装备的批量交付需求，要求壁板制造周期缩短至传统工艺的 50% 以下，综合成本降低 30% 以上。
传统工艺难以兼顾上述需求，存在三大核心瓶颈：
热固性复材 AFP + 热压罐工艺：效率低、成本高
自动铺丝工艺可实现连续纤维的高精度铺层，但热固性树脂需在热压罐中经历数小时的高温高压固化，单块机身壁板的成型周期长达 24-48 小时，且热压罐设备投资高达数千万元，能耗占比超生产总能耗的 60%；此外，热固性树脂固化后不可逆，壁板局部缺陷难以修复，废品率高达 8%-12%，进一步推高制造成本。
单一 FDM 增材工艺：强度不足、性能受限
熔融沉积增材工艺具备柔性成型优势，可直接制造带复杂筋条与接口的壁板结构，但传统 FDM 采用短切纤维增强或纯树脂材料，力学性能远低于连续纤维增强复合材料，拉伸强度仅为 300-500MPa，无法满足机身壁板的承力要求；同时，FDM 成型效率低，大尺寸壁板的打印周期长达数天，难以适配规模化量产需求。
结构与功能分离：装配工序繁琐
传统工艺需先制造壁板基体，再通过机械加工、粘接、铆接等工序安装加强筋与预埋件，不仅增加了装配工时（占总工时的 30%-40%），还易在连接部位形成应力集中，降低壁板的整体结构可靠性。
二、混合增材工艺的核心技术突破：AFP 与 FDM 的协同机制
热塑性复合材料混合增材工艺的核心逻辑是 **“优势互补、协同成型”**：利用自动铺丝工艺实现机身壁板基体的连续纤维增强，保障整体结构强度；通过熔融沉积工艺完成局部复杂结构（如筋条、预埋件、传感器凹槽）的一体化成型，提升结构功能性；依托热塑性树脂的热熔特性，实现两种工艺的无缝衔接与原位固化，无需额外热压罐设备，最终达成 “高强度、高精度、短周期” 的制造目标。其关键技术突破集中在三大方向：
（一）材料体系适配：热塑性树脂与纤维的协同优化
混合增材工艺对材料体系的核心要求是 “高流动性、高耐热性、界面相容性优异”，通过树脂基体与增强纤维的精准匹配，保障 AFP 与 FDM 工艺的协同兼容性。
热塑性树脂基体选型
选用聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK）、聚苯硫醚（PPS）等高性能热塑性树脂，这类树脂具备优异的耐热性（长期使用温度≥200℃）、力学性能与熔融流动性，既满足自动铺丝工艺的预浸料制备需求，又适配熔融沉积工艺的丝材挤出特性。其中，PEEK 树脂的拉伸强度达 90MPa，与碳纤维复合后拉伸强度可提升至 1800-2200MPa，完全满足机身壁板的承力要求；同时，热塑性树脂的熔融指数控制在 10-20g/10min（380℃/5kg），确保 FDM 挤出时丝材流畅稳定，无拉丝、堵头现象。
纤维增强体系设计
采用 “连续碳纤维 + 短切玻璃纤维” 的混杂增强方案：自动铺丝工艺选用 T700/T800 级连续碳纤维，通过单向或多向铺层形成壁板基体的高强度承载网络，纤维体积分数控制在 55%-65%，保障壁板的拉伸强度与抗疲劳性能；熔融沉积工艺选用短切玻璃纤维增强热塑性丝材，纤维长度为 10-20mm，既提升筋条等局部结构的强度，又降低材料成本，同时玻璃纤维的高绝缘性可满足传感器安装部位的电磁屏蔽需求。
界面相容改性
通过硅烷偶联剂对纤维表面进行处理，在碳纤维、玻璃纤维与热塑性树脂之间构建强化学键合，界面剪切强度提升 25%-30%，避免成型过程中出现纤维脱粘、分层等缺陷；同时，在树脂中添加增韧剂（如聚醚酰亚胺 PEI），提升复合材料的抗冲击性能，冲击强度较未改性体系提升 40% 以上，满足机身壁板的抗鸟撞要求。
（二）工艺协同控制：AFP 与 FDM 的无缝衔接
混合增材工艺的关键在于实现自动铺丝与熔融沉积的 **“时序协同、温度协同、压力协同”**，通过一体化控制系统，保障两种工艺在同一工位连续成型，无需工件转移。
时序协同：分层成型策略
采用 “AFP 基体铺层 - FDM 局部成型 - 整体热熔固化” 的分层制造流程：首先，自动铺丝设备按照预设路径铺设热塑性碳纤维预浸料，形成壁板的基础层（厚度 5-8mm）；随后，熔融沉积设备在基础层上精准打印加强筋、预埋件安装座等复杂结构，打印路径通过 CAM 软件与 AFP 铺层路径联动，确保局部结构与基体的位置精度误差≤±0.1mm；最后，通过设备自带的热压辊对成型件进行原位热熔固化，温度控制在树脂熔融温度以上（如 PEEK 树脂为 380-400℃），压力为 5-10MPa，使基体与局部结构实现分子级融合，形成无界面缺陷的一体化壁板。
温度协同：梯度温控系统
开发多分区梯度温控平台，针对 AFP 铺层区、FDM 打印区、热熔固化区设置不同温度区间：AFP 铺层区温度控制在树脂的软化点（如 PEEK 为 143℃），确保预浸料的粘性与铺层稳定性；FDM 打印区温度控制在树脂熔融温度，保障丝材的熔融挤出与粘结；热熔固化区温度高于熔融温度 10-20℃，实现树脂的充分流动与浸润。各区域温度通过红外测温仪实时监测，误差控制在 ±2℃以内，避免因温度不均导致的翘曲、气泡等缺陷。
压力协同：动态压实技术
针对 AFP 铺层与 FDM 打印的不同阶段，动态调整压实压力：AFP 铺层时，热压辊压力为 3-5MPa，确保预浸料层间紧密贴合，孔隙率降至 0.5% 以下；FDM 打印筋条等凸起结构时，压力降至 1-2MPa，避免压溃打印层；热熔固化阶段，压力提升至 8-10MPa，促进树脂流动，消除层间间隙，提升壁板的整体致密度。压力的动态调整通过伺服电机精准控制，响应时间≤0.5 秒，实现压力与成型进度的实时匹配。
（三）在线质量监测与闭环控制：保障成型精度与性能稳定
混合增材工艺集成 **“视觉检测、超声探伤、光纤传感”** 三位一体的在线质量监测系统，实现成型过程的实时监控与闭环调控，确保机身壁板的质量稳定性。
视觉检测：尺寸精度实时监控
在 AFP 与 FDM 设备上安装高精度工业相机，分辨率达 0.01mm，实时采集铺层与打印过程的图像数据，通过机器视觉算法分析壁板的厚度、轮廓尺寸与纤维铺层角度，当尺寸偏差超过阈值时，系统自动调整设备参数（如铺丝速度、打印挤出量），确保尺寸精度误差≤±0.2mm。
超声探伤：内部缺陷精准识别
在热熔固化阶段，集成超声 C 扫检测模块，对壁板进行 100% 全覆盖探伤，可识别直径≥0.1mm 的气泡、分层等内部缺陷，缺陷识别准确率达 99% 以上；当检测到缺陷时，系统自动启动局部补熔程序，通过二次加热加压消除缺陷，无需报废整块壁板，大幅提升成品率。
光纤传感：成型过程应力监测
在 AFP 铺层时嵌入柔性光纤传感器，实时监测壁板成型过程中的应力分布与变化，通过应力数据反推工艺参数的合理性，如当应力集中超过阈值时，系统自动调整温控与压力参数，避免壁板因应力过大导致的翘曲变形，保障成型后壁板的平整度误差≤0.3mm/m。
三、混合增材工艺赋能机身壁板制造的效率与性能提升
热塑性复合材料混合增材工艺通过 AFP 与 FDM 的协同创新，实现了机身壁板制造的 **“效率跃升、性能提升、成本下降”** 三重目标，其价值可通过量化数据与应用案例充分体现：
（一）生产效率大幅提升：周期缩短 60% 以上
混合增材工艺省去了传统热压罐固化与后续装配工序，单块机身壁板的制造周期从传统工艺的 24-48 小时缩短至 8-12 小时，效率提升 60% 以上；同时，一体化成型减少了机械加工、铆接等工序，装配工时降低 70%，单条生产线的日产能从传统工艺的 2-3 块提升至 8-10 块，完全满足航空装备的批量交付需求。以某窄体客机的机身壁板为例，采用混合增材工艺后，成型周期从 36 小时缩短至 10 小时，生产线年产能提升 3 倍以上。
（二）结构性能显著优化：强度与轻量化协同提升
混合增材工艺制造的机身壁板，连续碳纤维基体保障了超高强度，拉伸强度达 1800-2200MPa，抗疲劳寿命≥10⁷次循环，较传统铝合金壁板减重 40%-50%，比强度提升 2-3 倍；FDM 一体化成型的加强筋与预埋件，消除了连接部位的应力集中，壁板的抗扭刚度提升 30% 以上；热塑性树脂的优异韧性，使壁板的抗冲击性能较热固性复合材料提升 50%，在鸟撞测试中，壁板仅出现局部凹陷，无断裂失效现象，满足航空安全标准。
（三）综合成本显著下降：全流程降本 30%-40%
混合增材工艺的成本优势体现在三大方面：一是省去热压罐设备投资，设备成本降低 50% 以上；二是一体化成型减少了原材料浪费，材料利用率从传统工艺的 70% 提升至 95% 以上；三是在线质量监测与缺陷修复技术，使废品率从 8%-12% 降至 1% 以下。综合测算，采用混合增材工艺制造机身壁板，综合成本较传统热固性复材工艺降低 30%-40%，与铝合金壁板的成本差距缩小至 15% 以内，具备极强的市场竞争力。
（四）典型应用案例：窄体客机机身壁板量产
某航空制造企业采用混合增材工艺生产窄体客机的机身壁板，选用 PEEK / 碳纤维复合材料，通过 AFP 工艺铺设壁板基体，FDM 工艺打印纵向加强筋与传感器安装槽，成型周期仅为 10 小时，较传统工艺缩短 72%；壁板重量较铝合金版本减轻 45%，抗扭刚度提升 35%；通过在线质量监测系统，成品率达 99% 以上，年降本超 2000 万元。该壁板已通过适航认证，实现规模化量产，搭载于新一代窄体客机，显著提升了飞机的续航里程与燃油效率。
四、未来发展趋势：智能化与多功能化深度融合
热塑性复合材料混合增材工艺作为航空机身壁板制造的创新技术，未来将朝着 **“智能化、多功能集成、绿色化”** 方向演进，进一步拓展应用边界：
数字孪生驱动的智能成型
构建 “材料 - 工艺 - 设备 - 制品” 的数字孪生模型，通过仿真模拟优化 AFP 铺层路径、FDM 打印参数与温控压力曲线，实现工艺参数的自适应优化；结合工业互联网平台，实现多生产线的远程监控与协同管理，设备故障率降低 30%，生产效率进一步提升 20%。
结构 - 功能一体化成型
在混合增材成型过程中，集成传感器、柔性电子元件、热管等功能部件，实现机身壁板的 “结构承载 + 健康监测 + 热管理” 一体化功能。例如，在壁板中嵌入光纤传感器，实时监测飞行过程中的应力与损伤状态；打印时集成热管结构，提升壁板的散热性能，满足新一代飞机的智能化需求。
绿色化与回收利用
推动生物基热塑性树脂（如聚乳酸 PLA、木质素基树脂）与再生碳纤维的应用，降低材料的碳足迹；利用热塑性树脂的可逆熔融特性，建立机身壁板的回收再利用体系，报废壁板经粉碎、熔融后可重新制备打印丝材或预浸料，回收利用率达 90% 以上，契合航空产业的绿色低碳发展目标。
热塑性复合材料混合增材工艺通过自动铺丝与熔融沉积的协同创新，打破了传统机身壁板制造的效率与性能瓶颈，实现了 “高强度、高精度、短周期、低成本” 的制造目标。该工艺不仅大幅提升了机身壁板的生产效率与结构性能，还为航空复材部件的一体化、智能化制造提供了可行路径，推动航空装备制造向 “轻量化、高效化、绿色化” 转型。随着技术的持续迭代与应用场景的拓展，混合增材工艺将成为航空复材制造的主流技术，助力全球航空产业实现高质量发展。
