Deur gevlegte band, oorvorming en vormsluiting te kombineer, produseer Herone een-stuk, hoë-wringkrag rat-dryfas as demonstrasie vir 'n wye reeks toepassings.
Verenigde saamgestelde rat-dryfas.Herone gebruik gevlegte termoplastiese saamgestelde prepreg-bande as voorvorms vir 'n proses wat die dryfas-laminaat konsolideer en funksionele elemente soos ratte oorvorm, wat verenigde strukture produseer wat gewig, deeltelling, monteertyd en koste verminder.Bron vir alle beelde |held
Huidige projeksies vereis 'n verdubbeling van die kommersiële vliegtuigvloot oor die volgende 20 jaar.Om dit te akkommodeer, wissel die produksiekoerse in 2019 vir komposiet-intensiewe breëlyfstraalvliegtuie van 10 tot 14 per maand per OEM, terwyl smalbodems reeds tot 60 per maand per OEM gestyg het.Airbus werk spesifiek saam met verskaffers om tradisionele dog tyd-intensiewe, handopleg-prepreg-onderdele op die A320 oor te skakel na onderdele wat gemaak is deur vinniger, 20-minute-siklustydprosesse soos hoëdrukhars-oordragvorming (HP-RTM), en help sodoende deel verskaffers ontmoet 'n verdere stoot na 100 vliegtuie per maand.Intussen voorspel die opkomende stedelike lugmobiliteit- en vervoermark 'n behoefte aan 3 000 elektriese vertikale opstyg- en landingsvliegtuie (EVTOL) per jaar (250 per maand).
"Die bedryf benodig outomatiese produksietegnologieë met verkorte siklustye wat ook voorsiening maak vir die integrasie van funksies, wat deur termoplastiese samestellings aangebied word," sê Daniel Barfuss, medestigter en besturende vennoot van herone (Dresden, Duitsland), 'n saamgestelde tegnologie en onderdele vervaardiging firma wat hoëprestasie termoplastiese matriksmateriale van polifenyleensulfied (PPS) tot poliëterketoon (PEEK), poliëterketoonketoon (PEKK) en poliarileterketoon (PAEK) gebruik."Ons hoofdoelwit is om die hoë werkverrigting van termoplastiese samestellings (TPC's) met laer koste te kombineer, om pasgemaakte onderdele vir 'n groter verskeidenheid reeksvervaardigingstoepassings en nuwe toepassings moontlik te maak," voeg dr. Christian Garthaus, herone se tweede medestigter en bestuur by vennoot.
Om dit te bereik, het die maatskappy 'n nuwe benadering ontwikkel, wat begin met ten volle geïmpregneerde, aaneenlopende veselbande, om hierdie bande te vleg om 'n hol voorvorm "organoTube" te vorm en die organoTubes te konsolideer in profiele met veranderlike deursnee en vorms.In 'n daaropvolgende prosesstap gebruik dit die sweisbaarheid en termovormbaarheid van TPC's om funksionele elemente soos saamgestelde ratte op dryfasse, eindtoebehore op pype of lasoordragelemente in spanning-kompressiestutte te integreer.Barfuss voeg by dat daar die opsie is om 'n hibriede gietproses te gebruik - ontwikkel deur ketoonmatriksverskaffer Victrex (Cleveleys, Lancashire, VK) en onderdeleverskaffer Tri-Mack (Bristol, RI, VSA) - wat PAEK-band met laer smelttemperatuur vir die profiele gebruik en PEEK vir die oorgietwerk, wat 'n saamgesmelte, enkele materiaal oor die koppeling moontlik maak (sien “Oorgietwerk brei PEEK se reeks in komposiete uit”)."Ons aanpassing maak ook geometriese vormsluiting moontlik," voeg hy by, "wat geïntegreerde strukture produseer wat selfs hoër vragte kan weerstaan."
Die herone-proses begin met volledig geïmpregneerde koolstofveselversterkte termoplastiese bande wat in organoTubes gevleg en gekonsolideer word."Ons het 10 jaar gelede met hierdie organoTubes begin werk en saamgestelde hidrouliese pype vir lugvaart ontwikkel," sê Garthaus.Hy verduidelik dat omdat geen twee vliegtuig-hidrouliese pype dieselfde geometrie het nie, 'n gietvorm vir elkeen nodig sal wees, met behulp van bestaande tegnologie.“Ons het 'n pyp nodig gehad wat na-verwerk kon word om die individuele pypgeometrie te bereik.Dus, die idee was om deurlopende saamgestelde profiele te maak en dan CNC-buig dit in die verlangde geometrieë.
Fig. 2 Gevlegte prepreg-bande verskaf netvormige voorvorms wat organoTubes genoem word vir herone se inspuiting-vormingsproses en maak produksie van verskeie vorms moontlik.
Dit klink soortgelyk aan wat Sigma Precision Components (Hinckley, VK) doen (sien “Redressing aero-enjins with composite pipes”) met sy koolstofvesel/PEEK-enjinverband."Hulle kyk na soortgelyke dele, maar gebruik 'n ander konsolidasiemetode," verduidelik Garthaus."Met ons benadering sien ons potensiaal vir verhoogde werkverrigting, soos minder as 2% porositeit vir lugvaartstrukture."
Garthaus se Ph.D.tesiswerk by die ILK ondersoek die gebruik van deurlopende termoplastiese saamgestelde (TPC) pultrusie om gevlegte buise te vervaardig, wat gelei het tot 'n gepatenteerde deurlopende vervaardigingsproses vir TPC-buise en -profiele.Herone het egter vir eers gekies om met lugvaartverskaffers en -kliënte te werk deur 'n diskontinue gietproses te gebruik."Dit gee ons die vryheid om al die verskillende vorms te maak, insluitend geboë profiele en dié met verskillende deursnee, sowel as om plaaslike kolle en laagafval toe te pas," verduidelik hy.“Ons werk daaraan om die proses vir die integrasie van plaaslike kolle te outomatiseer en dan saam te konsolideer met die saamgestelde profiel.Basies, alles wat jy met plat laminate en skulpe kan doen, kan ons vir buise en profiele doen.”
Om hierdie TPC-hol profiele te maak was eintlik een van die moeilikste uitdagings, sê Garthaus.“Jy kan nie stempelvorm of blaasvorm met 'n silikoonblaas gebruik nie;so, ons moes ’n nuwe proses ontwikkel.”Maar hierdie proses maak baie hoëprestasie en pasmaakbare buis- en as-gebaseerde dele moontlik, merk hy op.Dit het ook die gebruik van die hibriede gietvorm wat Victrex ontwikkel het moontlik gemaak, waar PAEK met 'n laer smelttemperatuur oorgevorm word met PEEK, wat die organoplaat en spuitgietwerk in 'n enkele stap konsolideer.
Nog 'n noemenswaardige aspek van die gebruik van organoTube gevlegte bandvoorvorms is dat dit baie min afval produseer."Met vlegwerk het ons minder as 2% afval, en omdat dit TPC-band is, kan ons hierdie klein hoeveelheid afval terug in die oorgietwerk gebruik om die materiaalbenutting tot 100% te kry," beklemtoon Garthaus.
Barfuss en Garthaus het hul ontwikkelingswerk as navorsers by die Instituut vir Liggewigingenieurswese en Polimeertegnologie (ILK) by TU Dresden begin."Dit is een van die grootste Europese institute vir saamgestelde en baster liggewig ontwerpe," merk Barfuss op.Hy en Garthaus het vir byna 10 jaar daar gewerk aan 'n aantal ontwikkelings, insluitend deurlopende TPC-pultrusie en verskillende tipes aansluiting.Daardie werk is uiteindelik gedistilleer in wat nou die held TPC-prosestegnologie is.
"Ons het toe aansoek gedoen vir die Duitse EXIST-program, wat daarop gemik is om sulke tegnologie na die industrie oor te dra en elke jaar 40-60 projekte in 'n wye reeks navorsingsvelde te finansier," sê Barfuss.“Ons het befondsing ontvang vir kapitaaltoerusting, vier werknemers en belegging vir die volgende stap van opskaling.”Hulle het in Mei 2018 held gevorm nadat hulle by JEC World uitgestal het.
Deur JEC World 2019 het herone 'n reeks demonstrasie-onderdele vervaardig, insluitend 'n liggewig, hoë-wringkrag, geïntegreerde rat-dryfas of ratas."Ons gebruik 'n koolstofvesel/PAEK-band organoTube gevleg teen die hoeke wat deur die onderdeel vereis word en konsolideer dit in 'n buis," verduidelik Barfuss."Ons verhit dan die buis by 200 °C en vorm dit oor met 'n rat wat gemaak is deur kort koolstofveselversterkte PEEK teen 380 °C in te spuit."Die oorgietwerk is gemodelleer met behulp van Moldflow Insight van Autodesk (San Rafael, Kalifornië, VSA).Vormvultyd is geoptimaliseer tot 40.5 sekondes en is bereik met 'n Arburg (Lossburg, Duitsland) ALLROUNDER spuitgietmasjien.
Hierdie oorgietwerk verminder nie net monteerkoste, vervaardigingstappe en logistiek nie, maar dit verbeter ook werkverrigting.Die verskil van 40°C tussen die smelttemperatuur van die PAEK-as en dié van die oorgevormde PEEK-rat maak samehangende smeltbinding tussen die twee op molekulêre vlak moontlik.'n Tweede tipe verbindingsmeganisme, vormsluiting, word bewerkstellig deur die inspuitdruk te gebruik om die as terselfdertyd tydens oorvorming te termovorm om 'n vormsluitende kontoer te skep.Dit kan in Fig. 1 hieronder gesien word as "inspuitingvormend".Dit skep 'n geriffelde of sinusvormige omtrek waar die rat saamgevoeg word teenoor 'n gladde sirkelvormige deursnit, wat 'n meetkundig sluitende vorm tot gevolg het.Dit verhoog die sterkte van die geïntegreerde ratas verder, soos gedemonstreer in toetsing (sien grafiek regs onder).Fig.1. Herone, wat in samewerking met Victrex en ILK ontwikkel is, gebruik inspuitdruk tydens oorvorming om 'n vormsluitende kontoer in die geïntegreerde ratas (bo) te skep. Hierdie inspuitvormingsproses laat die geïntegreerde ratas met vormsluiting (groen kromme op grafiek) toe om handhaaf 'n hoër wringkrag teenoor 'n oorgevormde rat-dryfas sonder vormsluiting (swart kromme op grafiek).
"Baie mense bereik samehangende smeltbinding tydens oorvorming," sê Garthaus, "en ander gebruik vormsluiting in komposiete, maar die sleutel is om albei in 'n enkele, outomatiese proses te kombineer."Hy verduidelik dat vir die toetsresultate in Fig. 1, beide die as en volle omtrek van die rat afsonderlik vasgeklem is, dan geroteer is om skuiflading te veroorsaak.Die eerste fout op die grafiek word deur 'n sirkel gemerk om aan te dui dat dit vir 'n oorgevormde PEEK-rat sonder vormsluiting is.Die tweede mislukking word gekenmerk deur 'n gekromde sirkel wat soos 'n ster lyk, wat die toetsing van 'n oorgevormde rat met vormsluiting aandui."In hierdie geval het jy beide 'n samehangende en vormgeslote verbinding," sê Garthaus, "en jy kry byna 'n 44% toename in wringkraglading."Die uitdaging nou, sê hy, is om die vormsluiting op 'n vroeër stadium te kry om las op te neem om die wringkrag wat hierdie ratas sal hanteer voor mislukking verder te verhoog.
'n Belangrike punt oor die kontoervormsluiting wat herone met sy inspuiting bewerkstellig, is dat dit heeltemal aangepas is vir die individuele deel en die belading wat daardie deel moet weerstaan.Byvoorbeeld, in die ratas is die vormsluiting in die omtrek, maar in die spanning-drukstutte hieronder is dit aksiaal."Daarom is wat ons ontwikkel het 'n breër benadering," sê Garthaus."Hoe ons funksies en onderdele integreer hang af van die individuele toepassing, maar hoe meer ons dit kan doen, hoe meer gewig en koste kan ons bespaar."
Die kortveselversterkte ketoon wat in oorgevormde funksionele elemente soos ratte gebruik word, bied ook uitstekende slytvlakke.Victrex het dit bewys en in werklikheid bemark hierdie feit vir sy PEEK- en PAEK-materiaal.
Barfuss wys daarop dat die geïntegreerde ratas, wat met 'n 2019 JEC World Innovation Award in die lugvaartkategorie erken is, 'n "demonstrasie van ons benadering is, nie net 'n proses wat op 'n enkele toepassing gefokus is nie.Ons wou ondersoek in watter mate ons die vervaardiging kan stroomlyn en die eienskappe van TPC's kan ontgin om gefunksionaliseerde, geïntegreerde strukture te produseer."Die maatskappy optimaliseer tans spanning-kompressiestawe, wat in toepassings soos stutte gebruik word.
Fig. 3 Spandruk-kompressie-stutte Inspuitvorming word uitgebrei na stutte, waar herone 'n metaalladingsoordragelement in die deelstruktuur oorgiet deur aksiale vormsluiting te gebruik om die verbindingssterkte te verhoog.
Die funksionele element vir die spanning-kompressie stutte is 'n metaal-koppelvlakdeel wat vragte na en van die metaalvurk na die saamgestelde buis oordra (sien illustrasie hieronder).Inspuitvorming word gebruik om die metaallasinvoerelement in die saamgestelde stutliggaam te integreer.
"Die grootste voordeel wat ons gee, is om die aantal dele te verminder," merk hy op.“Dit vergemaklik moegheid, wat 'n groot uitdaging vir vliegtuigstuttoepassings is.Vormsluiting word reeds gebruik in termoharde komposiete met 'n plastiek- of metaalinsetsel, maar daar is geen samehangende binding nie, so jy kan 'n effense beweging tussen die dele kry.Ons benadering bied egter 'n verenigde struktuur met geen sodanige beweging nie."
Garthaus noem skadeverdraagsaamheid as nog 'n uitdaging vir hierdie dele."Jy moet die stutte impakteer en dan moegheidstoetsing doen," verduidelik hy."Omdat ons hoëprestasie termoplastiese matriksmateriaal gebruik, kan ons soveel as 40% hoër skadetoleransie bereik teenoor termoharde, en ook enige mikrokrake van impak groei minder met moegheidslading."
Alhoewel demonstrasiestutte 'n metaalinsetsel toon, ontwikkel Herone tans 'n heeltemal termoplastiese oplossing, wat samehangende binding tussen die saamgestelde stutliggaam en die lasinvoerelement moontlik maak."Wanneer ons kan, verkies ons om alles saamgestel te bly en eienskappe aan te pas deur die tipe veselversterking te verander, insluitend koolstof, glas, deurlopende en kort vesel," sê Garthaus.“Op hierdie manier verminder ons kompleksiteit en koppelvlakkwessies.Ons het byvoorbeeld baie minder probleme in vergelyking met die kombinasie van termoharde en termoplastiese materiaal.”Boonop is die binding tussen PAEK en PEEK deur Tri-Mack getoets met resultate wat toon dat dit 85% van die sterkte van 'n basis eenrigting CF/PAEK-laminaat het en twee keer so sterk is as kleefmiddelbindings wat industriestandaard-epoksiefilmkleefmiddel gebruik.
Barfuss sê herone het nou nege werknemers en gaan oor van 'n verskaffer van tegnologie-ontwikkeling na 'n verskaffer van lugvaartonderdele.Sy volgende groot stap is die ontwikkeling van 'n nuwe fabriek in Dresden."Teen die einde van 2020 sal ons 'n loodsaanleg hê wat eerste reeksonderdele vervaardig," sê hy."Ons werk reeds met lugvaart-OEM's en sleutelvlak 1-verskaffers, en demonstreer ontwerpe vir baie verskillende soorte toepassings."
Die maatskappy werk ook saam met eVTOL-verskaffers en 'n verskeidenheid medewerkers in die VSA Namate herone lugvaarttoepassings verouder, doen dit ook vervaardigingservaring op met toepassings vir sportgoedere, insluitend vlermuise en fietskomponente."Ons tegnologie kan 'n wye reeks komplekse onderdele produseer met werkverrigting, siklustyd en kostevoordele," sê Garthaus.“Ons siklustyd met PEEK is 20 minute, teenoor 240 minute met outoklaaf-geharde prepreg.Ons sien ’n wye veld van geleenthede, maar vir nou is ons fokus daarop om ons eerste toepassings in produksie te kry en die waarde van sulke onderdele vir die mark te demonstreer.”
Herone sal ook by Carbon Fiber 2019 aanbied. Kom meer te wete oor die geleentheid by carbonfiberevent.com.
Gefokus op die optimalisering van tradisionele handoplegging, werp gondel- en stootomkeervervaardigers 'n oog op toekomstige gebruik van outomatisering en geslote gietwerk.
Vliegtuigwapenstelsel kry die hoë werkverrigting van koolstof/epoksie met die doeltreffendheid van drukvorm.
Metodes vir die berekening van die impak wat samestellings op die omgewing het, maak datagedrewe vergelykings met tradisionele materiale op 'n gelyke speelveld moontlik.
Postyd: 19 Aug. 2019