Durch die Kombination von geflochtenem Band, Umspritzen und Formschluss produziert herone eine einteilige, drehmomentstarke Zahnrad-Antriebswelle als Demonstrator für ein breites Anwendungsspektrum.
Einheitliche zusammengesetzte Getriebe-Antriebswelle.Herone verwendet geflochtene Prepreg-Bänder aus thermoplastischem Verbundwerkstoff als Vorformen für einen Prozess, der das Antriebswellenlaminat konsolidiert und Funktionselemente wie Zahnräder umspritzt, wodurch einheitliche Strukturen entstehen, die Gewicht, Teilezahl, Montagezeit und Kosten reduzieren.Quelle für alle Bilder |Heldin
Aktuelle Prognosen gehen von einer Verdopplung der Verkehrsflugzeugflotte in den nächsten 20 Jahren aus.Um dem Rechnung zu tragen, schwanken die Produktionsraten im Jahr 2019 für verbundwerkstoffintensive Großraumflugzeuge zwischen 10 und 14 pro Monat pro OEM, während Schmalrumpfflugzeuge bereits auf 60 pro Monat pro OEM gestiegen sind.Airbus arbeitet speziell mit Zulieferern zusammen, um traditionelle, aber zeitintensive Prepreg-Teile von Hand auf dem A320 auf Teile umzustellen, die mit schnelleren 20-Minuten-Zykluszeitprozessen wie Hochdruckharz-Transferpressen (HP-RTM) hergestellt werden, um so dem Teil zu helfen Lieferanten treffen auf einen weiteren Schub in Richtung 100 Flugzeuge pro Monat.Unterdessen prognostiziert der aufstrebende Markt für städtische Luftmobilität und -transport einen Bedarf an 3.000 elektrischen vertikalen Start- und Landeflugzeugen (EVTOL) pro Jahr (250 pro Monat).
„Die Industrie benötigt automatisierte Produktionstechnologien mit verkürzten Zykluszeiten, die auch die Integration von Funktionen ermöglichen, die thermoplastische Verbundwerkstoffe bieten“, sagt Daniel Barfuss, Mitgründer und geschäftsführender Gesellschafter von herone (Dresden, Deutschland), einem Technologie- und Teilehersteller für Verbundwerkstoffe Unternehmen, das hochleistungsfähige thermoplastische Matrixmaterialien von Polyphenylensulfid (PPS) bis Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) und Polyaryletherketon (PAEK) verwendet.„Unser Hauptziel ist es, die hohe Leistung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen (TPCs) mit niedrigeren Kosten zu kombinieren, um maßgeschneiderte Teile für eine größere Vielfalt von Serienfertigungsanwendungen und neuen Anwendungen zu ermöglichen“, fügt Dr. Christian Garthaus, zweiter Mitbegründer und Geschäftsführer von herone, hinzu Partner.
Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen einen neuen Ansatz entwickelt, der mit vollständig imprägnierten Endlosfaserbändern beginnt, diese Bänder zu einem hohlen Vorformling „organoTube“ flechtet und die organoTubes zu Profilen mit variablen Querschnitten und Formen konsolidiert.In einem weiteren Prozessschritt nutzt es die Schweiß- und Thermoformbarkeit von TPCs, um Funktionselemente wie Verbundzahnräder auf Antriebswellen, Endbeschläge auf Rohre oder Lastübertragungselemente in Zug-Druck-Streben zu integrieren.Barfuss fügt hinzu, dass es die Option gibt, ein Hybridformverfahren zu verwenden – entwickelt vom Ketonmatrix-Lieferanten Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) und Teilelieferant Tri-Mack (Bristol, RI, US) –, das PAEK-Band mit niedrigerer Schmelztemperatur für die Profile verwendet und PEEK für das Umspritzen, wodurch ein verschmolzenes, einzelnes Material über die Verbindung hinweg ermöglicht wird (siehe „Umspritzen erweitert das PEEK-Sortiment an Verbundwerkstoffen“).„Unsere Anpassung ermöglicht auch den geometrischen Formschluss“, ergänzt er, „wodurch integrierte Strukturen entstehen, die noch höheren Belastungen standhalten.“
Der herone-Prozess beginnt mit vollständig imprägnierten kohlefaserverstärkten thermoplastischen Bändern, die zu organoTubes geflochten und konsolidiert werden.„Wir haben vor 10 Jahren begonnen, mit diesen organoTubes zu arbeiten und Verbund-Hydraulikrohre für die Luftfahrt zu entwickeln“, sagt Garthaus.Er erklärt, dass, da keine zwei Flugzeughydraulikrohre die gleiche Geometrie haben, für jedes eine Form benötigt würde, wobei die vorhandene Technologie verwendet würde.„Wir brauchten ein Rohr, das nachbearbeitet werden kann, um die individuelle Rohrgeometrie zu erreichen.Die Idee war also, durchgehende Verbundprofile herzustellen und diese dann per CNC in die gewünschten Geometrien zu biegen.“
Abb. 2 Geflochtene Prepreg-Bänder liefern netzförmige Preforms, sogenannte organoTubes, für das Spritzgussverfahren von herone und ermöglichen die Herstellung verschiedener Formen.
Das klingt ähnlich wie das, was Sigma Precision Components (Hinckley, UK) mit seinem Kohlefaser/PEEK-Triebwerksverband tut (siehe „Nachziehen von Flugzeugtriebwerken mit Verbundrohren“).„Sie betrachten ähnliche Teile, verwenden aber eine andere Konsolidierungsmethode“, erklärt Garthaus.„Mit unserem Ansatz sehen wir Potenzial für eine Leistungssteigerung, wie z. B. weniger als 2 % Porosität für Luft- und Raumfahrtstrukturen.“
Garthaus' Ph.D.In seiner Dissertationsarbeit am ILK wurde die Verwendung von Pultrusionsverfahren für kontinuierliche thermoplastische Verbundwerkstoffe (TPC) zur Herstellung von geflochtenen Rohren untersucht, was zu einem patentierten kontinuierlichen Herstellungsprozess für TPC-Rohre und -Profile führte.Vorerst hat sich herone jedoch dafür entschieden, mit Zulieferern und Kunden der Luftfahrt zusammenzuarbeiten und ein diskontinuierliches Formverfahren anzuwenden.„Dies gibt uns die Freiheit, alle verschiedenen Formen herzustellen, einschließlich gekrümmter Profile und solcher mit unterschiedlichem Querschnitt, sowie das Anbringen lokaler Patches und Lagenabfälle“, erklärt er.„Wir arbeiten daran, den Prozess zur Integration lokaler Patches zu automatisieren und sie dann mit dem zusammengesetzten Profil zu konsolidieren.Im Grunde alles, was man mit Flachlaminaten und Schalen machen kann, können wir auch mit Rohren und Profilen.“
Die Herstellung dieser TPC-Hohlprofile war tatsächlich eine der schwierigsten Herausforderungen, sagt Garthaus.„Stanzformen oder Blasformen kann man mit einer Silikonblase nicht verwenden;Also mussten wir einen neuen Prozess entwickeln.“Aber dieses Verfahren ermöglicht sehr leistungsstarke und anpassbare Teile auf Rohr- und Wellenbasis, stellt er fest.Es ermöglichte auch die Verwendung des von Victrex entwickelten Hybridformteils, bei dem PAEK mit niedrigerer Schmelztemperatur mit PEEK umspritzt wird, wodurch das Organoblech konsolidiert und in einem einzigen Schritt spritzgegossen wird.
Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt bei der Verwendung von organoTube Geflechtband-Preforms ist, dass sie sehr wenig Abfall produzieren.„Beim Flechten haben wir weniger als 2 % Abfall, und da es sich um ein TPC-Band handelt, können wir diese geringe Abfallmenge beim Umspritzen wiederverwenden, um die Materialnutzungsrate auf 100 % zu steigern“, betont Garthaus.
Barfuss und Garthaus begannen ihre Entwicklungsarbeit als Forscher am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden.„Das ist eines der größten europäischen Institute für Composites und hybriden Leichtbau“, sagt Barfuß.Er und Garthaus arbeiteten dort fast 10 Jahre an einer Reihe von Entwicklungen, darunter die kontinuierliche TPC-Pultrusion und verschiedene Arten des Fügens.Diese Arbeit wurde schließlich in das destilliert, was heute die herone TPC-Prozesstechnologie ist.
„Dann haben wir uns beim deutschen EXIST-Programm beworben, das auf den Transfer solcher Technologien in die Industrie abzielt und jährlich 40 bis 60 Projekte in den unterschiedlichsten Forschungsfeldern fördert“, sagt Barfuß.„Wir haben Mittel für Investitionsgüter, vier Mitarbeiter und Investitionen für den nächsten Skalierungsschritt erhalten.“Sie gründeten herone im Mai 2018, nachdem sie auf der JEC World ausgestellt hatten.
Bis zur JEC World 2019 hatte herone eine Reihe von Demonstrationsteilen produziert, darunter eine leichte, drehmomentstarke, integrierte Getriebeantriebswelle oder Getriebewelle.„Wir verwenden ein organoTube aus Kohlefaser/PAEK-Band, das in den für das Bauteil erforderlichen Winkeln geflochten ist, und konsolidieren es zu einem Schlauch“, erklärt Barfuss.„Dann heizen wir das Rohr auf 200 °C vor und umspritzen es mit einem Zahnrad, das durch Einspritzen von kurzkohlefaserverstärktem PEEK bei 380 °C hergestellt wird.“Die Umspritzung wurde mit Moldflow Insight von Autodesk (San Rafael, Kalifornien, USA) modelliert.Die Formfüllzeit wurde auf 40,5 Sekunden optimiert und mit einer ALLROUNDER Spritzgießmaschine von Arburg (Loßburg, Deutschland) erreicht.
Dieses Umspritzen reduziert nicht nur Montagekosten, Fertigungsschritte und Logistik, sondern verbessert auch die Leistung.Der Unterschied von 40 °C zwischen der Schmelztemperatur der PAEK-Welle und der des umspritzten PEEK-Zahnrads ermöglicht eine kohäsive Schmelzverbindung zwischen beiden auf molekularer Ebene.Eine zweite Art des Fügemechanismus, der Formschluss, wird dadurch erreicht, dass der Schaft beim Umspritzen durch den Einspritzdruck gleichzeitig tiefgezogen wird, um eine formschlüssige Kontur zu erzeugen.Dies ist in Abb. 1 unten als „Spritzgießen“ zu erkennen.Es erzeugt einen gewellten oder sinusförmigen Umfang, an dem das Zahnrad verbunden ist, gegenüber einem glatten kreisförmigen Querschnitt, was zu einer geometrisch schlüssigen Form führt.Dadurch wird die Festigkeit der integrierten Getriebewelle weiter erhöht, wie Tests gezeigt haben (siehe Grafik unten rechts).Abb.1. Entwickelt in Zusammenarbeit mit Victrex und ILK, erzeugt herone beim Umspritzen mittels Einspritzdruck eine formschlüssige Kontur in der integrierten Getriebewelle (oben). ein höheres Drehmoment aushalten als eine umspritzte Getriebe-Antriebswelle ohne Formschluss (schwarze Kurve im Diagramm).
„Viele Menschen erzielen kohäsive Schmelzverbindungen während des Umspritzens“, sagt Garthaus, „und andere verwenden Formschluss in Verbundwerkstoffen, aber der Schlüssel liegt darin, beides in einem einzigen, automatisierten Prozess zu kombinieren.“Er erklärt, dass für die Testergebnisse in Abb. 1 sowohl die Welle als auch der gesamte Umfang des Zahnrads separat eingespannt und dann gedreht wurden, um eine Scherbelastung zu induzieren.Der erste Fehler in der Grafik ist mit einem Kreis markiert, um anzuzeigen, dass es sich um ein umspritztes PEEK-Zahnrad ohne Formschluss handelt.Der zweite Fehler ist durch einen gecrimpten Kreis gekennzeichnet, der einem Stern ähnelt und die Prüfung eines umspritzten Zahnrads mit Formschluss anzeigt.„In diesem Fall haben Sie sowohl eine stoffschlüssige als auch eine formschlüssige Verbindung“, sagt Garthaus, „und Sie erreichen eine fast 44-prozentige Erhöhung der Drehmomentbelastung.“Die Herausforderung bestehe nun darin, den Formschluss früher zur Lastaufnahme zu bringen, um das Drehmoment dieser Getriebewelle bis zum Ausfall weiter zu erhöhen.
Ein wichtiger Punkt des Konturformschlusses, den herone beim Spritzgießen erreicht, ist, dass er ganz auf das Einzelteil und dessen Belastung abgestimmt ist.Beispielsweise ist bei der Getriebewelle der Formschluss umlaufend, bei den darunter liegenden Zug-Druckstreben dagegen axial.„Deshalb haben wir einen breiteren Ansatz entwickelt“, sagt Garthaus.„Wie wir Funktionen und Teile integrieren, hängt von der jeweiligen Anwendung ab, aber je mehr uns das gelingt, desto mehr Gewicht und Kosten können wir einsparen.“
Auch das kurzfaserverstärkte Keton, das in umspritzten Funktionselementen wie Zahnrädern verwendet wird, bietet hervorragende Verschleißoberflächen.Victrex hat dies bewiesen und vermarktet diese Tatsache sogar für seine PEEK- und PAEK-Materialien.
Barfuss weist darauf hin, dass die integrierte Getriebewelle, die mit einem JEC World Innovation Award 2019 in der Kategorie Luft- und Raumfahrt ausgezeichnet wurde, „eine Demonstration unseres Ansatzes ist, nicht nur ein Prozess, der sich auf eine einzelne Anwendung konzentriert.Wir wollten untersuchen, wie weit wir die Herstellung rationalisieren und die Eigenschaften von TPCs nutzen können, um funktionalisierte, integrierte Strukturen herzustellen.“Das Unternehmen optimiert derzeit Zug-Druck-Stäbe, die beispielsweise in Federbeinen zum Einsatz kommen.
Abb. 3 Zug-Druck-StrebenDas Spritzgießen wird auf Streben erweitert, bei denen herone ein metallisches Lastübertragungselement axial formschlüssig in die Bauteilstruktur einspritzt, um die Fügefestigkeit zu erhöhen.
Das Funktionselement für die Zug-Druck-Streben ist ein metallisches Schnittstellenteil, das Lasten von und zur Metallgabel auf das Verbundrohr überträgt (siehe Abbildung unten).Durch Spritzgießen wird das metallische Lasteinleitungselement in den Federbeinverbundkörper integriert.
„Der Hauptvorteil, den wir bieten, ist die Verringerung der Anzahl der Teile“, bemerkt er.„Dies vereinfacht die Ermüdung, was eine große Herausforderung für Flugzeugstrebenanwendungen darstellt.Formschluss wird bereits bei duroplastischen Verbundwerkstoffen mit Kunststoff- oder Metalleinlage verwendet, aber es gibt keine stoffschlüssige Verbindung, sodass Sie eine leichte Bewegung zwischen den Teilen erhalten können.Unser Ansatz bietet jedoch eine einheitliche Struktur ohne eine solche Bewegung.“
Als weitere Herausforderung für diese Teile nennt Garthaus die Schadenstoleranz.„Man muss die Streben einschlagen und dann Ermüdungstests durchführen“, erklärt er.„Da wir hochleistungsfähige thermoplastische Matrixmaterialien verwenden, können wir im Vergleich zu Duroplasten eine um bis zu 40 % höhere Schadenstoleranz erreichen, und auch Mikrorisse durch Stöße werden bei Ermüdungsbelastung weniger.“
Auch wenn Demonstrationsstreben einen Metalleinsatz aufweisen, entwickelt herone derzeit eine rein thermoplastische Lösung, die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbundstrebenkörper und dem Lasteinleitungselement ermöglicht.„Wenn möglich, bleiben wir lieber bei Vollverbundwerkstoffen und passen die Eigenschaften an, indem wir die Art der Faserverstärkung ändern, einschließlich Kohlenstoff, Glas, Endlos- und Kurzfaser“, sagt Garthaus.„Auf diese Weise minimieren wir Komplexität und Schnittstellenprobleme.So haben wir zum Beispiel viel weniger Probleme im Vergleich zur Kombination von Duroplasten und Thermoplasten.“Darüber hinaus wurde die Verbindung zwischen PAEK und PEEK von Tri-Mack getestet, wobei die Ergebnisse zeigen, dass sie 85 % der Festigkeit eines unidirektionalen CF/PAEK-Basislaminats aufweist und doppelt so stark ist wie Klebeverbindungen mit Industriestandard-Epoxidfilmklebstoff.
Barfuss sagt, herone habe jetzt neun Mitarbeiter und wandele sich von einem Lieferanten für Technologieentwicklung zu einem Lieferanten von Luftfahrtteilen.Der nächste große Schritt ist der Aufbau einer neuen Fabrik in Dresden.„Bis Ende 2020 werden wir eine Pilotanlage haben, in der erste Serienteile produziert werden“, sagt er.„Wir arbeiten bereits mit Luftfahrt-OEMs und wichtigen Tier-1-Zulieferern zusammen und demonstrieren Designs für viele verschiedene Arten von Anwendungen.“
Das Unternehmen arbeitet auch mit eVTOL-Lieferanten und einer Vielzahl von Mitarbeitern in den USA zusammen. Während herone Luftfahrtanwendungen ausreift, sammelt es auch Herstellungserfahrung mit Sportartikelanwendungen, einschließlich Fledermäusen und Fahrradkomponenten.„Unsere Technologie kann eine breite Palette komplexer Teile mit Leistungs-, Zykluszeit- und Kostenvorteilen herstellen“, sagt Garthaus.„Unsere Zykluszeit mit PEEK beträgt 20 Minuten im Vergleich zu 240 Minuten mit autoklavgehärtetem Prepreg.Wir sehen ein breites Feld an Möglichkeiten, aber im Moment liegt unser Fokus darauf, unsere ersten Anwendungen in die Produktion zu bringen und den Wert solcher Teile auf dem Markt zu demonstrieren.“
Herone wird auch auf der Carbon Fibre 2019 präsentieren. Erfahren Sie mehr über die Veranstaltung unter carbonfiberevent.com.
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Postzeit: 19. August 2019