من خلال الجمع بين الشريط المضفر والقولبة المفرطة وقفل النموذج ، ينتج مالك الحزين عمود إدارة تروس من قطعة واحدة وعزم دوران عالٍ كمدليل لمجموعة واسعة من التطبيقات.
عمود إدارة التروس المركب الموحد.تستخدم Herone أشرطة التقوية المسبقة اللدائن الحرارية المضفرة كأشكال مسبقة لعملية تدمج صفح عمود الإدارة والعناصر الوظيفية الزائدة مثل التروس ، مما ينتج هياكل موحدة تقلل الوزن ، وعدد الأجزاء ، ووقت التجميع والتكلفة.مصدر لجميع الصور |مالك الحزين
التوقعات الحالية تدعو إلى مضاعفة أسطول الطائرات التجارية خلال العشرين سنة القادمة.لاستيعاب ذلك ، تتراوح معدلات الإنتاج في عام 2019 للطائرات ذات الجسم العريض التي تستخدم المركبات المركبة من 10 إلى 14 شهريًا لكل مُصنّع أصلي ، بينما ارتفعت بالفعل معدلات إنتاج الأجسام الضيقة إلى 60 في الشهر لكل مُصنّع أصلي.تعمل شركة إيرباص على وجه التحديد مع الموردين لتبديل الأجزاء التقليدية التي تستغرق وقتًا طويلاً ، والتي تتطلب وقتًا طويلاً للتثبيت المسبق للأجزاء اليدوية على A320 إلى أجزاء مصنوعة عبر عمليات وقت دورة أسرع مدتها 20 دقيقة مثل قولبة نقل الراتينج عالي الضغط (HP-RTM) ، مما يساعد جزئيًا يلبي الموردون دفعة أخرى نحو 100 طائرة شهريًا.وفي الوقت نفسه ، يتوقع سوق التنقل والنقل الجوي الحضري الناشئ الحاجة إلى 3000 طائرة كهربائية للإقلاع والهبوط العمودي (EVTOL) سنويًا (250 شهريًا).
يقول دانيال بارفوس ، الشريك المؤسس والشريك الإداري لشركة هيرون (دريسدن ، ألمانيا) ، وهي شركة تكنولوجيا المركبات وتصنيع الأجزاء شركة تستخدم مواد مصفوفة لدائن حرارية عالية الأداء من بولي فينيل كبريتيد (PPS) إلى بولي إيثير كيتون (نظرة خاطفة) ، بولي إيثير كيتون كيتون (PEKK) وبولي إيثير كيتون (PAEK)."هدفنا الرئيسي هو الجمع بين الأداء العالي لمركبات اللدائن الحرارية (TPCs) مع تكلفة أقل ، لتمكين الأجزاء المصممة لمجموعة متنوعة من تطبيقات التصنيع التسلسلي والتطبيقات الجديدة ،" يضيف الدكتور كريستيان جارتهاوس ، الشريك المؤسس والمدير الثاني لشركة Herone شريك.
ولتحقيق ذلك ، طورت الشركة نهجًا جديدًا ، بدءًا من الأشرطة الليفية المشبعة بالكامل والمتصلة ، وتجديل هذه الأشرطة لتشكيل تشكيل مجوف "أنبوب عضوي" ودمج الأنابيب العضوية في مقاطع ذات مقاطع عرضية وأشكال متغيرة.في خطوة عملية لاحقة ، تستخدم قابلية اللحام والتشكيل الحراري لـ TPCs لدمج العناصر الوظيفية مثل التروس المركبة على أعمدة الإدارة ، أو التركيبات النهائية على الأنابيب ، أو عناصر نقل الحمولة في دعامات ضغط الشد.يضيف Barfuss أن هناك خيارًا لاستخدام عملية التشكيل الهجين - التي طورها مورد مصفوفة كيتون Victrex (كليفيليز ، لانكشاير ، المملكة المتحدة) ومورد قطع الغيار Tri-Mack (بريستول ، RI ، الولايات المتحدة) - يستخدم شريط PAEK بدرجة حرارة منخفضة للذوبان للملفات الشخصية و PEEK للتشكيل الزائد ، مما يتيح مادة واحدة منصهرة عبر الوصلة (راجع "Overmolding توسع نطاق PEEK في المركبات").ويضيف: "يتيح تكيفنا أيضًا قفل الشكل الهندسي ، والذي ينتج هياكل متكاملة يمكنها تحمل أحمال أعلى".
تبدأ عملية مالك الحزين بأشرطة لدن بالحرارة معززة بألياف الكربون المشبعة بالكامل والتي يتم تجديلها في أنابيب عضوية وتوحيدها.يقول Garthaus: "لقد بدأنا العمل مع هذه الأنابيب العضوية منذ 10 سنوات ، في تطوير أنابيب هيدروليكية مركبة للطيران".يوضح أنه نظرًا لعدم وجود أنبوبين هيدروليكيين للطائرات لهما نفس الشكل الهندسي ، فستكون هناك حاجة إلى قالب لكل منهما ، باستخدام التكنولوجيا الحالية."كنا بحاجة إلى أنبوب يمكن معالجته لاحقًا لتحقيق هندسة الأنابيب الفردية.لذلك ، كانت الفكرة هي إنشاء ملفات تعريف مركبة مستمرة ثم ثنيها باستخدام الحاسب الآلي في الأشكال الهندسية المرغوبة ".
الشكل 2 توفر أشرطة التقوية المضفرة أشكالًا شبكية تسمى الأنابيب العضوية لعملية تشكيل الحقن في هيرون وتمكن من إنتاج أشكال مختلفة.
يبدو هذا مشابهًا لما تفعله شركة Sigma Precision Components (Hinckley ، المملكة المتحدة) (انظر "إصلاح المحركات الهوائية باستخدام الأنابيب المركبة") بألياف الكربون / ضمادة محرك PEEK.يوضح Garthaus: "إنهم ينظرون إلى أجزاء متشابهة لكنهم يستخدمون طريقة دمج مختلفة"."من خلال نهجنا ، نرى إمكانية زيادة الأداء ، مثل أقل من 2٪ مسامية لهياكل الفضاء."
دكتوراه Garthaus '.استكشفت أطروحة العمل في ILK استخدام pultrusion المركب الحراري المستمر (TPC) لإنتاج أنابيب مضفرة ، مما أدى إلى عملية تصنيع مستمرة حاصلة على براءة اختراع لأنابيب TPC والمقاطع الجانبية.ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، اختارت هيرون العمل مع موردي وعملاء الطيران باستخدام عملية صب غير مستمرة.ويوضح قائلاً: "يمنحنا هذا حرية عمل جميع الأشكال المختلفة ، بما في ذلك التشكيلات المنحنية وتلك ذات المقطع العرضي المتنوع ، فضلاً عن تطبيق التصحيحات المحلية ونقاط الانحدار"."نحن نعمل على أتمتة عملية دمج التصحيحات المحلية ثم دمجها مع ملف التعريف المركب.في الأساس ، كل ما يمكنك القيام به باستخدام الرقائق والأغلفة المسطحة ، يمكننا القيام به للأنابيب والمقاطع الجانبية ".
يقول Garthaus إن جعل هذه الملامح المجوفة TPC كان في الواقع أحد أصعب التحديات."لا يمكنك استخدام تشكيل الطوابع أو النفخ باستخدام مثانة السيليكون ؛لذلك ، كان علينا تطوير عملية جديدة ".لكن هذه العملية تمكن من أداء أجزاء عالية جدًا وقابلة للتخصيص من الأنابيب والأجزاء القائمة على العمود ، كما يلاحظ.كما أنها مكنت من استخدام القوالب الهجينة التي طورتها فيكتريكس ، حيث تكون درجة حرارة الذوبان المنخفضة PAEK مفرطة في الصهر باستخدام PEEK ، مما يؤدي إلى دمج اللوح العضوي والقولبة بالحقن في خطوة واحدة.
جانب آخر ملحوظ في استخدام أشكال الشريط المضفر العضوي هو أنها تنتج القليل جدًا من النفايات.يؤكد Garthaus: "مع التضفير ، لدينا أقل من 2٪ نفايات ، ولأنه شريط TPC ، يمكننا استخدام هذه الكمية الصغيرة من النفايات مرة أخرى في القوالب المفرطة للحصول على معدل استخدام المواد يصل إلى 100٪".
بدأ Barfuss و Garthaus عملهما التنموي كباحثين في معهد الهندسة خفيفة الوزن وتكنولوجيا البوليمرات (ILK) في TU Dresden.ويشير بارفوس إلى أن "هذا هو أحد أكبر المعاهد الأوروبية للتصميمات المركبة وخفيفة الوزن الهجينة".عمل هو و Garthaus هناك لما يقرب من 10 سنوات في عدد من التطورات ، بما في ذلك Pultrusion TPC المستمر وأنواع مختلفة من الانضمام.تم تقطير هذا العمل في النهاية إلى ما يُعرف الآن بتقنية عملية TPC.
يقول بارفوس: "تقدمنا بعد ذلك إلى برنامج EXIST الألماني ، الذي يهدف إلى نقل مثل هذه التكنولوجيا إلى الصناعة وتمويل 40-60 مشروعًا كل عام في مجموعة واسعة من مجالات البحث"."لقد تلقينا تمويلًا للمعدات الرأسمالية وأربعة موظفين واستثمارات للخطوة التالية للتوسع."قاموا بتكوين مالك الحزين في مايو 2018 بعد العرض في JEC World.
بواسطة JEC World 2019 ، أنتج مالك الحزين مجموعة من الأجزاء التوضيحية ، بما في ذلك الوزن الخفيف ، وعزم الدوران العالي ، وعمود نقل الحركة المتكامل ، أو عمود التروس.يوضح بارفوس: "نستخدم أنبوبًا عضويًا من ألياف الكربون / شريط PAEK مضفرًا عند الزوايا التي يتطلبها الجزء ودمج ذلك في أنبوب"."ثم نقوم بعد ذلك بتسخين الأنبوب عند 200 درجة مئوية وقمنا بتشكيله أكثر من اللازم باستخدام ترس مصنوع عن طريق حقن نظرة خاطفة قصيرة مدعمة بألياف الكربون عند 380 درجة مئوية."تم تصميم القالب الزائد باستخدام Moldflow Insight من Autodesk (سان رافائيل ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة).تم تحسين وقت تعبئة القالب إلى 40.5 ثانية وتم تحقيقه باستخدام ماكينة قولبة حقن ALLROUNDER من Arburg (لوسبورغ ، ألمانيا).
لا يقلل هذا التشكيل المفرط من تكاليف التجميع وخطوات التصنيع والخدمات اللوجستية فحسب ، بل إنه يعزز أيضًا الأداء.يتيح الاختلاف البالغ 40 درجة مئوية بين درجة حرارة ذوبان عمود PAEK ودرجة حرارة الترس PEEK المفرط الصب ترابطًا ذوبانًا متماسكًا بين الاثنين على المستوى الجزيئي.يتم تحقيق النوع الثاني من آلية الربط ، قفل النموذج ، باستخدام ضغط الحقن للتشكيل الحراري في وقت واحد للعمود أثناء التشكيل المفرط لإنشاء محيط قفل النموذج.يمكن ملاحظة ذلك في الشكل 1 أدناه على أنه "تشكيل بالحقن".إنه يخلق محيطًا مموجًا أو جيبيًا حيث يتم ربط الترس مقابل مقطع عرضي دائري سلس ، مما ينتج عنه شكل قفل هندسي.يعزز هذا من قوة عمود التروس المدمج ، كما هو موضح في الاختبار (انظر الرسم البياني في أسفل اليمين).1. تم تطويره بالتعاون مع Victrex و ILK ، ويستخدم هيرون ضغط الحقن أثناء التشكيل المفرط لإنشاء محيط قفل الشكل في عمود التروس المتكامل (أعلى). تسمح عملية تشكيل الحقن هذه بعمود التروس المتكامل مع قفل النموذج (منحنى أخضر على الرسم البياني) الحفاظ على عزم دوران أعلى مقابل عمود إدارة تروس مفرط التشكيل بدون قفل الشكل (منحنى أسود على الرسم البياني).
يقول Garthaus: "يحقق الكثير من الأشخاص ترابطًا ذائبًا متماسكًا أثناء القوالب المفرطة ، ويستخدم آخرون قفل النماذج في المركبات ، لكن المفتاح هو الجمع بين الاثنين في عملية آلية واحدة."يوضح أنه بالنسبة لنتائج الاختبار في الشكل 1 ، تم تثبيت كل من العمود ومحيط الترس بالكامل بشكل منفصل ، ثم تم تدويرهما للحث على تحميل القص.يتم تمييز الفشل الأول على الرسم البياني بدائرة للإشارة إلى أنه يتعلق بمعدات PEEK مفرطة الصب بدون قفل النموذج.تم وضع علامة على الفشل الثاني من خلال دائرة معقوفة تشبه نجمة ، مما يشير إلى اختبار الترس المفرط مع قفل النموذج.يقول Garthaus: "في هذه الحالة ، لديك وصلة متماسكة ومقفلة الشكل ، وتزيد بنسبة 44٪ تقريبًا في حمل عزم الدوران."يقول إن التحدي الآن هو الحصول على قفل النموذج لتحمل الحمل في مرحلة مبكرة لزيادة عزم الدوران الذي سيتعامل معه عمود التروس قبل الفشل.
نقطة مهمة حول قفل شكل الكنتور الذي يحققه هيرون من خلال تشكيله بالحقن هو أنه مصمم تمامًا للجزء الفردي ويجب أن يتحمل هذا الجزء التحميل.على سبيل المثال ، في عمود التروس ، يكون قفل النموذج محيطيًا ، ولكن في دعامات ضغط الشد أدناه ، يكون محوريًا."هذا هو السبب في أن ما طورناه هو نهج أوسع" ، كما يقول Garthaus."تعتمد كيفية دمج الوظائف والأجزاء على التطبيق الفردي ، ولكن كلما تمكنا من القيام بذلك ، زاد الوزن والتكلفة التي يمكننا توفيرها."
كما أن الكيتون قصير الألياف المقوى والمستخدم في العناصر الوظيفية المفرطة الصب مثل التروس يوفر أسطح تآكل ممتازة.لقد أثبتت شركة Victrex ذلك ، وفي الواقع ، تقوم بتسويق هذه الحقيقة لمواد PEEK و PAEK.
يشير بارفوس إلى أن عمود التروس المتكامل ، الذي حصل على جائزة الابتكار العالمي لعام 2019 من JEC في فئة الطيران ، هو "دليل على نهجنا ، وليس مجرد عملية تركز على تطبيق واحد.أردنا استكشاف إلى أي مدى يمكننا تبسيط التصنيع واستغلال خصائص TPCs لإنتاج هياكل وظيفية ومتكاملة ".تعمل الشركة حاليًا على تحسين قضبان ضغط الشد المستخدمة في تطبيقات مثل الدعامات.
الشكل 3 دعامات ضغط الشد: يمتد تشكيل الحقن إلى الدعامات ، حيث يقوم هيرون بإفراط في صب عنصر نقل حمل معدني في هيكل الجزء باستخدام قفل الشكل المحوري لزيادة قوة الربط.
العنصر الوظيفي لدعامات ضغط الشد هو جزء واجهة معدني ينقل الأحمال من وإلى الشوكة المعدنية إلى الأنبوب المركب (انظر الشكل التوضيحي أدناه).يستخدم التشكيل بالحقن لدمج عنصر إدخال الحمل المعدني في جسم الدعامة المركب.
"الفائدة الرئيسية التي نقدمها هي تقليل عدد الأجزاء ،" يلاحظ."هذا يبسط التعب ، والذي يمثل تحديًا كبيرًا لتطبيقات دعامات الطائرات.يتم استخدام قفل النموذج بالفعل في المركبات الحرارية مع ملحق بلاستيكي أو معدني ، ولكن لا يوجد رابط متماسك ، لذلك يمكنك الحصول على حركة طفيفة بين الأجزاء.ومع ذلك ، يوفر نهجنا هيكلًا موحدًا بدون مثل هذه الحركة ".
يشير Garthaus إلى تحمل الضرر كتحدي آخر لهذه الأجزاء.يشرح قائلاً: "عليك أن تصطدم بالدعامات ثم تقوم باختبار التعب"."نظرًا لأننا نستخدم مواد مصفوفة لدائن حرارية عالية الأداء ، فيمكننا تحقيق قدر أكبر من تحمل الضرر بنسبة 40٪ مقابل المواد الحرارية ، وأيضًا أي تشققات صغيرة ناتجة عن التأثير تنمو بشكل أقل مع تحميل التعب".
على الرغم من أن الدعامات التوضيحية تُظهر إدخالًا معدنيًا ، إلا أن مالك هيرون يقوم حاليًا بتطوير محلول لدن بالحرارة بالكامل ، مما يتيح الترابط المتماسك بين جسم الدعامة المركب وعنصر إدخال الحمل.يقول Garthaus: "عندما نستطيع ، نفضل أن نحافظ على كل المركبات وأن نعدل الخصائص عن طريق تغيير نوع الألياف المقواة ، بما في ذلك الكربون والزجاج والألياف المستمرة والقصيرة"."بهذه الطريقة ، نقوم بتقليل التعقيد ومشاكل الواجهة.على سبيل المثال ، لدينا مشاكل أقل بكثير مقارنة بالجمع بين اللدائن الحرارية واللدائن الحرارية. "بالإضافة إلى ذلك ، تم اختبار الرابطة بين PAEK و PEEK بواسطة Tri-Mack مع نتائج تظهر أنه يحتوي على 85٪ من قوة صفائح CF / PAEK الأساسية أحادية الاتجاه وقوة ضعف الروابط اللاصقة باستخدام لاصق غشاء إيبوكسي قياسي في الصناعة.
يقول بارفوس إن هيرون لديها الآن تسعة موظفين وتنتقل من مورد لتطوير التكنولوجيا إلى مورد لقطع غيار الطائرات.خطوتها الكبيرة التالية هي تطوير مصنع جديد في دريسدن.يقول: "بحلول نهاية عام 2020 ، سيكون لدينا مصنع تجريبي ينتج أجزاء السلسلة الأولى"."نحن نعمل بالفعل مع مصنعي المعدات الأصلية للطيران والموردين الرئيسيين من المستوى 1 ، لإظهار التصميمات للعديد من أنواع التطبيقات المختلفة."
تعمل الشركة أيضًا مع موردي eVTOL ومجموعة متنوعة من المتعاونين في الولايات المتحدة مع نضوج Herone لتطبيقات الطيران ، تكتسب أيضًا خبرة في التصنيع مع تطبيقات السلع الرياضية بما في ذلك الخفافيش ومكونات الدراجات.يقول Garthaus: "يمكن أن تنتج تقنيتنا مجموعة واسعة من الأجزاء المعقدة ذات الأداء ووقت الدورة ومزايا التكلفة"."وقت الدورة باستخدام PEEK هو 20 دقيقة ، مقابل 240 دقيقة باستخدام التقوية المسبقة المعالجة بالأوتوكلاف.نرى مجالًا واسعًا من الفرص ، ولكن في الوقت الحالي ، ينصب تركيزنا على إدخال تطبيقاتنا الأولى في الإنتاج وإثبات قيمة هذه الأجزاء في السوق ".
سيقدم Herone أيضًا في Carbon Fiber 2019. تعرف على المزيد حول الحدث على carbonfiberevent.com.
مع التركيز على تحسين وضع اليد التقليدية ، يلقي مصنعو الكنة وعكس الاتجاه نظرة على الاستخدام المستقبلي للأتمتة والقولبة المغلقة.
يكتسب نظام سلاح الطائرات الأداء العالي للكربون / الايبوكسي مع كفاءة التشكيل بالضغط.
تمكّن طرق حساب تأثير المركبات على البيئة من إجراء مقارنات تعتمد على البيانات مع المواد التقليدية على مستوى ميدان اللعب.
الوقت ما بعد: 19 أغسطس 2019