Combinando cinta trenzada, sobremoldeado y bloqueo de forma, Herone produce un eje de transmisión de engranajes de alta torsión de una pieza como demostración para una amplia gama de aplicaciones.
Eje de transmisión de engranaje compuesto unificado.Herone utiliza cintas preimpregnadas de compuesto termoplástico trenzado como preformas para un proceso que consolida el laminado del eje de transmisión y sobremoldea elementos funcionales como engranajes, produciendo estructuras unificadas que reducen el peso, el número de piezas, el tiempo de ensamblaje y el costo.Fuente de todas las imágenes |herona
Las proyecciones actuales exigen una duplicación de la flota de aviones comerciales en los próximos 20 años.Para acomodar esto, las tasas de producción en 2019 para aviones de pasajeros de fuselaje ancho con uso intensivo de compuestos varían de 10 a 14 por mes por OEM, mientras que los aviones de fuselaje estrecho ya han aumentado a 60 por mes por OEM.Airbus está trabajando específicamente con los proveedores para cambiar las piezas preimpregnadas manuales tradicionales pero que requieren mucho tiempo en el A320 por piezas fabricadas mediante procesos más rápidos de 20 minutos de tiempo de ciclo, como el moldeo por transferencia de resina a alta presión (HP-RTM), ayudando así a la parte los proveedores cumplen con un nuevo impulso hacia 100 aviones por mes.Mientras tanto, el mercado emergente de transporte y movilidad aérea urbana pronostica una necesidad de 3.000 aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (EVTOL) por año (250 por mes).
“La industria requiere tecnologías de producción automatizada con tiempos de ciclo más cortos que también permitan integrar las funciones que ofrecen los compuestos termoplásticos”, dice Daniel Barfuss, cofundador y socio gerente de herone (Dresden, Alemania), una empresa de tecnología de compuestos y fabricación de piezas. empresa que utiliza materiales de matriz termoplástica de alto rendimiento desde polisulfuro de fenileno (PPS) hasta polieteretercetona (PEEK), polietercetonacetona (PEKK) y poliariletercetona (PAEK).“Nuestro objetivo principal es combinar el alto rendimiento de los compuestos termoplásticos (TPC) con un costo más bajo, para permitir piezas personalizadas para una variedad más amplia de aplicaciones de fabricación en serie y nuevas aplicaciones”, agrega el Dr. Christian Garthaus, segundo cofundador y gerente de herone. compañero.
Para lograr esto, la compañía ha desarrollado un nuevo enfoque, comenzando con cintas de fibra continua totalmente impregnadas, trenzando estas cintas para formar una preforma hueca "organoTube" y consolidando los organoTubes en perfiles con secciones transversales y formas variables.En un paso posterior del proceso, utiliza la soldabilidad y la termoformabilidad de los TPC para integrar elementos funcionales como engranajes compuestos en ejes de transmisión, accesorios de extremo en tuberías o elementos de transferencia de carga en puntales de tensión-compresión.Barfuss agrega que existe la opción de usar un proceso de moldeo híbrido, desarrollado por el proveedor de matrices de cetonas Victrex (Cleveleys, Lancashire, Reino Unido) y el proveedor de piezas Tri-Mack (Bristol, RI, EE. UU.), que usa cinta PAEK de temperatura de fusión más baja para los perfiles. y PEEK para el sobremoldeo, lo que permite fusionar un solo material a lo largo de la unión (consulte “El sobremoldeo amplía la gama de PEEK en compuestos”)."Nuestra adaptación también permite el bloqueo de formas geométricas", agrega, "lo que produce estructuras integradas que pueden soportar cargas aún mayores".
El proceso herone comienza con cintas termoplásticas reforzadas con fibra de carbono totalmente impregnadas que se trenzan en organoTubes y se consolidan.“Comenzamos a trabajar con estos organoTubes hace 10 años, desarrollando tuberías hidráulicas compuestas para la aviación”, dice Garthaus.Él explica que debido a que no hay dos tuberías hidráulicas de aeronaves que tengan la misma geometría, se necesitaría un molde para cada una, utilizando la tecnología existente.“Necesitábamos una tubería que pudiera procesarse posteriormente para lograr la geometría de tubería individual.Entonces, la idea era hacer perfiles compuestos continuos y luego doblarlos mediante CNC en las geometrías deseadas”.
Fig. 2 Las cintas preimpregnadas trenzadas proporcionan preformas en forma de red llamadas organoTubes para el proceso de formación por inyección de herone y permiten la producción de varias formas.
Esto suena similar a lo que está haciendo Sigma Precision Components (Hinckley, Reino Unido) (consulte “Reparación de motores aeronáuticos con tuberías compuestas”) con su revestimiento de motor de fibra de carbono/PEEK.“Están buscando piezas similares pero utilizan un método de consolidación diferente”, explica Garthaus.“Con nuestro enfoque, vemos potencial para un mayor rendimiento, como una porosidad inferior al 2 % para las estructuras aeroespaciales”.
Doctorado de Garthaus.El trabajo de tesis en ILK exploró el uso de la extrusión por estirado de compuestos termoplásticos continuos (TPC) para producir tubos trenzados, lo que resultó en un proceso de fabricación continua patentado para tubos y perfiles de TPC.Sin embargo, por ahora, herone ha optado por trabajar con proveedores y clientes de aviación mediante un proceso de moldeo discontinuo.“Esto nos da la libertad de hacer todas las formas, incluidos los perfiles curvos y los que tienen una sección transversal variable, además de aplicar parches locales y caídas de capas”, explica.“Estamos trabajando para automatizar el proceso de integración de parches locales y luego coconsolidarlos con el perfil compuesto.Básicamente, todo lo que puede hacer con laminados planos y carcasas, lo podemos hacer con tubos y perfiles”.
Hacer estos perfiles huecos de TPC fue en realidad uno de los desafíos más difíciles, dice Garthaus.“No se puede usar estampado o moldeado por soplado con una vejiga de silicona;entonces, tuvimos que desarrollar un nuevo proceso”.Pero este proceso permite piezas basadas en tubos y ejes adaptables y de muy alto rendimiento, señala.También permitió usar el moldeado híbrido que desarrolló Victrex, donde PAEK de menor temperatura de fusión se sobremoldea con PEEK, consolidando la hoja orgánica y el moldeo por inyección en un solo paso.
Otro aspecto notable del uso de preformas de cinta trenzada organoTube es que producen muy pocos desechos.“Con el trenzado, tenemos menos del 2 % de desperdicio y, como se trata de cinta TPC, podemos usar esta pequeña cantidad de desperdicio en el sobremoldeado para obtener una tasa de utilización del material de hasta el 100 %”, enfatiza Garthaus.
Barfuss y Garthaus comenzaron su trabajo de desarrollo como investigadores en el Instituto de Ingeniería Liviana y Tecnología de Polímeros (ILK) en TU Dresden.“Este es uno de los institutos europeos más grandes de materiales compuestos y diseños ligeros híbridos”, señala Barfuss.Él y Garthaus trabajaron allí durante casi 10 años en una serie de desarrollos, incluida la pultrusión TPC continua y diferentes tipos de unión.Ese trabajo finalmente se destiló en lo que ahora es la tecnología de proceso TPC de herone.
“Luego solicitamos el programa alemán EXIST, que tiene como objetivo transferir dicha tecnología a la industria y financia entre 40 y 60 proyectos cada año en una amplia gama de campos de investigación”, dice Barfuss.“Recibimos financiamiento para equipos de capital, cuatro empleados e inversiones para el próximo paso de ampliación”.Formaron herone en mayo de 2018 después de exhibir en JEC World.
Para JEC World 2019, herone había producido una gama de piezas de demostración, incluido un eje de transmisión de engranajes integrado, liviano y de alto torque.“Utilizamos un organoTube de fibra de carbono/cinta PAEK trenzado en los ángulos requeridos por la pieza y lo consolidamos en un tubo”, explica Barfuss.“Luego precalentamos el tubo a 200 °C y lo sobremoldeamos con un engranaje fabricado inyectando PEEK reforzado con fibra de carbono corta a 380 °C”.El sobremoldeo se modeló utilizando Moldflow Insight de Autodesk (San Rafael, California, EE. UU.).El tiempo de llenado del molde se optimizó a 40,5 segundos y se logró utilizando una máquina de moldeo por inyección ALLROUNDER de Arburg (Lossburg, Alemania).
Este sobremoldeo no solo reduce los costos de ensamblaje, los pasos de fabricación y la logística, sino que también mejora el rendimiento.La diferencia de 40 °C entre la temperatura de fusión del eje de PAEK y la del engranaje de PEEK sobremoldeado permite una unión por fusión cohesiva entre los dos a nivel molecular.Un segundo tipo de mecanismo de unión, el bloqueo de forma, se logra mediante el uso de la presión de inyección para termoformar simultáneamente el eje durante el sobremoldeo para crear un contorno de bloqueo de forma.Esto se puede ver en la Fig. 1 a continuación como "formación por inyección".Crea una circunferencia ondulada o sinusoidal donde se une el engranaje frente a una sección transversal circular suave, lo que da como resultado una forma de bloqueo geométrico.Esto mejora aún más la resistencia del eje de engranajes integrado, como se demostró en las pruebas (consulte el gráfico en la parte inferior derecha).Fig.1. Desarrollado en colaboración con Victrex e ILK, herone usa presión de inyección durante el sobremoldeo para crear un contorno de bloqueo de forma en el eje de engranaje integrado (arriba). Este proceso de formación por inyección permite que el eje de engranaje integrado con bloqueo de forma (curva verde en el gráfico) mantener un par más alto en comparación con un eje de transmisión de engranajes sobremoldeado sin bloqueo de forma (curva negra en el gráfico).
“Mucha gente está logrando una unión por fusión cohesiva durante el sobremoldeo”, dice Garthaus, “y otros están usando el bloqueo de forma en compuestos, pero la clave es combinar ambos en un solo proceso automatizado”.Él explica que para los resultados de la prueba en la Fig. 1, tanto el eje como la circunferencia completa del engranaje se sujetaron por separado y luego se giraron para inducir la carga de corte.La primera falla en el gráfico está marcada con un círculo para indicar que se trata de un engranaje de PEEK sobremoldeado sin bloqueo de forma.La segunda falla está marcada por un círculo ondulado que se asemeja a una estrella, lo que indica una prueba de un engranaje sobremoldeado con bloqueo de forma.“En este caso, tiene una unión tanto cohesiva como de bloqueo de forma”, dice Garthaus, “y obtiene un aumento de casi el 44 % en la carga de torsión”.El desafío ahora, dice, es lograr que el bloqueo de forma asuma la carga en una etapa más temprana para aumentar aún más el par que manejará este eje de engranajes antes de fallar.
Un punto importante sobre el bloqueo de la forma del contorno que logra herone con su moldeado por inyección es que se adapta completamente a la pieza individual y la carga que debe soportar esa pieza.Por ejemplo, en el eje de engranajes, el bloqueo de forma es circunferencial, pero en los puntales de tensión-compresión debajo, es axial.“Es por eso que lo que hemos desarrollado es un enfoque más amplio”, dice Garthaus.“La forma en que integramos las funciones y las piezas depende de la aplicación individual, pero cuanto más podamos hacer esto, más peso y costos podremos ahorrar”.
Además, la cetona reforzada con fibras cortas utilizada en elementos funcionales sobremoldeados, como engranajes, proporciona excelentes superficies de desgaste.Victrex lo ha demostrado y, de hecho, comercializa este hecho para sus materiales PEEK y PAEK.
Barfuss señala que el eje de engranaje integrado, que fue reconocido con un premio JEC World Innovation Award 2019 en la categoría aeroespacial, es una “demostración de nuestro enfoque, no solo un proceso centrado en una sola aplicación.Queríamos explorar cuánto podíamos optimizar la fabricación y explotar las propiedades de los TPC para producir estructuras funcionalizadas e integradas”.Actualmente, la empresa está optimizando varillas de tensión-compresión, utilizadas en aplicaciones como puntales.
Fig. 3 Bielas de tracción-compresión La formación por inyección se extiende a las bielas, donde Herone sobremoldea un elemento de transferencia de carga de metal en la estructura de la pieza mediante el bloqueo de forma axial para aumentar la resistencia de la unión.
El elemento funcional de los puntales de tensión-compresión es una pieza de interfaz metálica que transfiere las cargas hacia y desde la horquilla metálica al tubo compuesto (consulte la ilustración a continuación).La formación por inyección se utiliza para integrar el elemento de introducción de carga metálica en el cuerpo del puntal compuesto.
“El principal beneficio que brindamos es disminuir el número de piezas”, señala.“Esto simplifica la fatiga, que es un gran desafío para las aplicaciones de puntales de aeronaves.El bloqueo de forma ya se usa en compuestos termoestables con un inserto de plástico o metal, pero no hay unión cohesiva, por lo que puede obtener un ligero movimiento entre las partes.Nuestro enfoque, sin embargo, proporciona una estructura unificada sin tal movimiento”.
Garthaus cita la tolerancia al daño como otro desafío para estas piezas.“Tienes que impactar los puntales y luego hacer pruebas de fatiga”, explica.“Debido a que estamos utilizando materiales de matriz termoplástica de alto rendimiento, podemos lograr hasta un 40 % más de tolerancia al daño en comparación con los termoestables, y también cualquier microfisura del impacto crece menos con la carga de fatiga”.
Aunque los puntales de demostración muestran un inserto de metal, Herone está desarrollando actualmente una solución completamente termoplástica que permite la unión cohesiva entre el cuerpo del puntal compuesto y el elemento de introducción de carga.“Cuando podemos, preferimos mantenernos totalmente compuestos y ajustar las propiedades alterando el tipo de refuerzo de fibra, incluido el carbono, el vidrio, la fibra continua y corta”, dice Garthaus.“De esta manera, minimizamos la complejidad y los problemas de interfaz.Por ejemplo, tenemos muchos menos problemas en comparación con la combinación de termoestables y termoplásticos”.Además, la unión entre PAEK y PEEK ha sido probada por Tri-Mack con resultados que muestran que tiene el 85 % de la fuerza de un laminado base CF/PAEK unidireccional y es el doble de fuerte que las uniones adhesivas que usan una película adhesiva de epoxi estándar de la industria.
Barfuss dice que herone ahora tiene nueve empleados y está pasando de ser un proveedor de desarrollo de tecnología a un proveedor de piezas de aviación.Su próximo gran paso es el desarrollo de una nueva fábrica en Dresde.“A finales de 2020 tendremos una planta piloto que producirá piezas de primera serie”, dice.“Ya estamos trabajando con OEM de aviación y proveedores clave de nivel 1, demostrando diseños para muchos tipos diferentes de aplicaciones”.
La compañía también está trabajando con proveedores de eVTOL y una variedad de colaboradores en los EE. UU. A medida que Herone madura las aplicaciones de aviación, también gana experiencia en la fabricación con aplicaciones de artículos deportivos, incluidos bates y componentes de bicicletas.“Nuestra tecnología puede producir una amplia gama de piezas complejas con beneficios de rendimiento, tiempo de ciclo y costo”, dice Garthaus.“Nuestro tiempo de ciclo con PEEK es de 20 minutos, frente a los 240 minutos con preimpregnado curado en autoclave.Vemos un amplio campo de oportunidades, pero por ahora, nuestro objetivo es poner en producción nuestras primeras aplicaciones y demostrar el valor de dichas piezas en el mercado”.
Herone también se presentará en Carbon Fiber 2019. Obtenga más información sobre el evento en carbonfiberevent.com.
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Hora de publicación: 19 de agosto de 2019